高速铁路钢轨的研究与应用

介绍高速铁路特点及对钢轨的要求、高速铁路钢轨技术条件、我国钢轨化学成分及性能特点、国外高速铁路钢轨的化学成分。论述国外高速铁路和我国高速铁路采用的钢轨材质、钢轨"三精"生产设备和工艺、国外高速铁路钢轨制造技术和我国钢轨生产设备技术改造。阐述我国在高速铁路钢轨焊接、钢轨使用等方面开展的相关技术研究,分析高速铁路钢轨制造质量、焊接、预打磨等问题,并提出应对措施及相关建议。     

重载铁路高强钢轨的试验研究

为延长大秦重载铁路钢轨的使用寿命,研制适应重载铁路的高强钢轨。通过对高强钢轨的性能、热处理和焊接以及选用的新钢轨服役行为进行分析,结果表明,新钢种中加入合金元素Cr,可以提高轨钢的强度,推迟珠光体转变时间,使钢轨既易于热处理,又节省能源和降低成本,而且钢轨强度的提高还增加了曲线钢轨的耐磨性能和耐伤损能力;提高轨钢的纯净度,可增加钢轨的抗疲劳性能,延长钢轨的使用寿命;重载铁路曲线下股应铺设热处理钢轨;铺设新钢种PG4和U77MnCr的线路,钢轨打磨时间可延长至通过总重4亿t,而铺设U75V钢轨的线路在通过总重6000万t后就需打磨1次,才能有效抑制轨面剥离的产生和发展。新钢轨的综合使用性能良好,适合在重载铁路上使用。     

重载铁路用U77MnCr钢轨的试验研究

研究目的:含Cr低合金钢轨在国外重载铁路已得到了成功应用,而我国重载铁路在含Cr低合金钢轨使用方面还是一个空白.本文对U77MnCr钢轨的母材性能、焊接性能进行试验研究,并跟踪研究其在重载铁路上铺设的使用情况.研究结论:U77MnCr钢轨母材材质具有很好的纯净度和良好的强韧性,适合铺设在重载铁路的直线地段;U77MnCr钢轨不含贵重的钒合金,只加入较便宜的0.25%～0.40%的铬合金,强塑性较好,具有很好的性价比;U77MnCr钢轨母材具有良好的焊接性能,焊接接头具有自硬化性能,正火后无需进行喷风冷却,轨顶面的硬度就可与母材的硬度匹配;U77MnCr钢轨具有良好的抗接触疲劳伤损能力和焊接性能,对提高重载铁路钢轨使用寿命有一定的作用.     

高速铁路钢轨技术发展历程回顾

我国已开通运营2万多公里高速铁路,除秦沈、合武客专进口部分用于对比试验的钢轨外,全部采用国内自主研发生产的具有完全自主知识产权的国产百米定尺钢轨。自2008年8月我国首条高速铁路开通运营至今,钢轨使用情况良好,质量得到各方一致肯定。对高速铁路钢轨发展主要历程包括标准起草制定、生产技术改造、自主研发工作推进、上道试铺考核、性能评定及技术审查、批检验和实物质量控制,以及轨型、定尺长度和钢种选用,成分及性能优化,钢轨的焊接、运输,新轨头廓形钢轨研发,钢轨使用规范制定等配套技术的主要节点和事件进行回顾,认为标准先行、科研先导、质量至上、科学管理是高速铁路钢轨国产化取得成功的重要因素。     

钢轨用空冷贝氏体钢性能及组织的研究

本文对所制定的两组成分空冷贝氏体钢的力学性能、显微组织进行了实验室研究.两组钢采用50 kg真空感应电炉冶炼,经锻造、空冷至室温后,加工成所需各种试样.拉伸试验结果表明,试验钢的抗拉强度分别为1 280 MPa,1 337 MPa,塑性指标为16%,强韧性配合明显高于普通及淬火珠光体钢轨钢;U型缺口冲击韧性则分别为20 J*cm-2,46 J*cm-2;第二组成分钢的低温(-20℃)断裂韧性(KIC)为42 MPa m1/2.透射电镜分析表明,两组空冷贝氏体钢中含有铁素体板条以及板条间的残余奥氏体膜,并且可在铁素体板条中观察到贝氏体基元.最后本文认为,所设计的两组空冷贝氏体钢的强韧性配合优于淬火珠光体钢轨钢,可用于制造钢轨及AT尖轨等道岔部件.     

国内外钢轨钢研究及进展

论述国内外轨钢研究及进展，重点介绍了俄罗斯、日本、欧洲及美国等国普通轨、合金轨、热处理轨钢的化学成分、机械性能以及轨钢研究的最新动向，如日本研制的过共析珠光体轨钢、英国研制的马氏体轨钢、欧美等研制的贝氏体轨钢；介绍国内轨钢的研究和使用情况，如含V，含Nb,RE的微合金轨钢（PD3，NBbRE)，提出含Cr专用热处理轨钢、高纯净性的高速铁路用轨钢和重载铁路用超高强度贝氏体轨钢等是我国今后轨钢的研究发展方向。     

PD3及BNbRE钢轨断裂韧性KIc的研究

钢轨是铁路轨道中非常重要的构件,直接关系到行车的安全.铁路不断提速对钢轨提出了越来越高的要求,在要求其有更高的使用寿命的同时,还要求其有更好的韧塑性,以保证铁路的安全.断裂韧性KIC是反应材料抵抗裂纹失稳扩张能力的力学性能指标,因而研究目前铁路较为普遍应用的PD3和BNbRE钢轨的断裂韧性KIC,对提速线路、尤其是即将铺轨的时速200km秦沈客运专线上钢轨的使用安全性非常重要.本试验通过对PD3及BNbRE钢轨在室温和-20℃时断裂韧性KIC的测定,分析了碳含量、钢种化学成分以及温度对断裂韧性的影响.同时还比较了两个钢种断裂韧性的不同和对温度的敏感性,相比之下,PD3在室温时的断裂韧性要稍高一些,而在-20℃时,BNbRE的断裂韧性要高一些,显示出BNbRE的断裂韧性KIC随温度降低而下降更小,因而表现出对温度更不敏感.但是两个钢种的断裂韧性KIC都达到了铁道部颁发的“时速200km客运专线60kg*m-1钢轨暂行技术条件”的要求.     

钢轨钢的纯净性与高纯净钢轨的发展

本文综述了钢轨钢的纯净性对钢轨使用性能尤其是疲劳性能的影响，介绍了现代冶金工业提高钢质纯净性的主要措施及工业发达国家纯净钢轨的生产过程，简介了高速铁路对钢轨纯净性的要求及高纯净钢轨的发展趋势。     

包钢连铸钢轨落锤断裂原因分析

包钢首批用连铸坯生产的75kg·m-1BNbRE钢轨进行接触焊试验时,出现母材落锤检验不合格。对该批钢轨进行较为全面的性能检验,包括成品钢轨化学成分,氢、氧、氮含量及残留元素复验,拉伸、冲击试验,轨头踏面中心线硬度试验,金相组织、奥氏体晶粒度、非金属夹杂物、低倍组织、脱碳层检验,断裂韧性试验,残余应力测定,落锤试验等。对落锤断裂的原因进行分析讨论。试验结果表明,该批钢轨的材质性能基本合格,成品钢轨轨底残余应力过大是落锤不合格的重要原因之一,而部分炉号钢轨韧塑性能偏低、表面有矫痕等也是影响因素之一。     

U76NbRE微合金钢轨在小半径曲线上的铺设使用研究

为了考核微合金钢轨在小半经曲线上的使用性能,对60kg/mU76NbRE热轧及热处理钢轨,通过厂内闪光焊和现场气压焊后,于1995年结合线路大修,在京包上行线K466～K470铺设无缝线路试验段。试验结果表明,抗拉强度达到1060MPa及以上的U76NbRE热轧钢轨,在约450m半径曲线的外股上使用可通过总重2.2亿t以上,其使用寿命比U74热轧轨提高近1倍;轨头硬度为38HRC～40HRC的U76NbRE热处理钢轨,其使用寿命比U74热轧轨可提高4倍以上,可望超过一个大修周期(通过总重达到7亿t);经过焊后再淬火的闪光焊接头,使用中未出现接头低陷,而未经过焊后再淬火的气压焊接头,当通过总重4.2亿t时,出现1.3mm～1.5mm的低陷。综合考虑U76NbRE钢轨的焊接、热处理性能以及使用要求,建议其化学成分的质量分数调整为:C0.72%～0.80%,Si0.60%～0.90%,Mn1.00%～1.30%,Nb、RE0.02%～0.05%,P、S≤0.030%。