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SP3日本高軸重用高耐火珠光體鋼軌鋼
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-04
JFE通過合金設計和TMCP工藝，成功開發(fā)出多種高性能熱處理鋼軌（簡稱SP）。近年為了進一步提高鋼軌的耐磨性和表面耐損傷性，通過將珠光體片晶組織微細化至極限水平以使其高硬度化，終于開發(fā)成功高硬度、高硬化深度型的高耐火鋼軌（SP3）。
?1?前言
隨著我國經濟的高速發(fā)展，要求鐵路交通運輸的效率相應提高，除加速完善鐵路交通布局和大力發(fā)展高速鐵路外，在貨運方面應加大載重量（高軸重化）和加大貨車長度是提高效率的有效途徑。但是隨著貨車運輸的高軸重化，需要高耐火性的鋼軌配合。我國在客運的高速鐵道方面處于國際領先地位，但在貨運列車高軸重化方面則和美、日等發(fā)達國家存在一定的差距。
2?日本高軸重用高耐火珠光體鋼軌鋼SP3的開發(fā)
國際上鐵路貨運效率最高的是美國橫斷北美大陸的鐵路，其貨車載重量為日本的數倍。日本為迎頭趕上，正大力進行相關技術的開發(fā)。隨著高軸重化的發(fā)展，車輪和鋼軌間的接觸摩擦加大，由于所帶來的鋼軌磨耗加快，剝皮和粗糙開裂等表面損傷的加快，將加大鋼軌更換和維修的負擔。據此，JFE通過合金設計和TMCP工藝，成功開發(fā)出多種高性能熱處理鋼軌（簡稱SP）。近年為了進一步提高鋼軌的耐磨性和表面耐損傷性，通過將珠光體片晶組織微細化至極限水平以使其高硬度化，終于開發(fā)成功高硬度、高硬化深度型的高耐火鋼軌（SP3）。并按達到美國重載貨車鐵道水平進行正輔軌試驗，初步效果良好。本文就SP3鋼軌控制技術要點及其性能進行簡要介紹。
3?鋼軌提高耐火性的基礎探討
（1）硬度和微型組織對耐磨耗性的影響
經2圓筒式回轉接觸試驗得知，磨耗量隨珠光體組織鋼硬度的上升而下降。?????????????????????????
耐磨耗性依存于鋼的微觀組織。從珠光體組織鋼耐磨耗試驗后的斷面金相照片觀察，發(fā)現表層微觀組織中的塑性流動層隨硬度上升而變薄，由此可判斷高硬度對減少表面損傷有效。
（2）珠光體片晶的微細化
珠光體是由板狀的鐵素體和滲碳體所形成的層狀組織（片晶組織），通過對片晶組織的微細化可使強度提高。當由奧氏體生成珠光體時，體積自由能下降。但由于鐵素體/滲碳體界面的形成，則片晶愈微細化時，界面能的上升愈大，而微細化有一定界限，工業(yè)應用微細化的界限為0.05μm。
給予鐵素體/滲碳體界面能的是珠光體相變能，而化學驅動力的大小則與從珠光體平衡相變溫度（TE）的過冷度（ΔT）成正比。從而可加大ΔT，使片晶組織微細化。使ΔT最大化的基本思路是：a）通過鋼的成分設計，求出TE；b）軋制后使冷卻速度和冷卻溫度等TMCP條件最佳化而使珠光體相變溫度低溫化，使ΔT最大化。即通過鋼軌成分的合理設計和軋后TMCP條件的最佳化便開發(fā)成功鋼軌片晶間隔由表層向內部穩(wěn)定微細化的技術，并保證了產品的優(yōu)良質量性能。
4?高硬度SP3鋼軌的生產
（1）SP3鋼軌的化學成分和生產工藝
SP3鋼軌的化學成分為0.81C-0.55Si-0.55Mn-0.014P-0.005S及微量的Cr、V。經轉爐冶煉、RH爐脫氣后產出連鑄坯供熱軋，軋后經快冷TMCP工藝處理，生產出70kg/m鋼軌。
（2）鋼軌性能
首先從金相照片發(fā)現，新開發(fā)的SP3微觀組織全部為珠光體組織而未見到馬氏體。其次，將SP3鋼軌的珠光體片晶和HB390級老式熱處理鋼軌的金相照片對比時發(fā)現，SP3鋼軌的片晶間隔極微細，表面為0.07μm、1寸深度時為0.09μm，而老式熱處理鋼軌表面僅0.09μm，說明新開發(fā)鋼軌在深部仍保持有微細的珠光體片晶組織。
SP3的潔凈度完全符合AREMA（美國鐵路協(xié)會）的標準，MnS、SiO2、Al2O3、TiN等雜質物均遠低于標準。
接著對SP3鋼軌和老式熱處理鋼軌的硬度特性進行了對比，結果是SP3鋼軌表面和1寸深度處分別高HB40和HB20，即1寸深度處硬度仍高達HB390。SP3的機械性能則為0.2%YS達967MPa，TS達1409MPa，EL為14%，RA為37%。TS比老式熱處理鋼軌高100MPa，而延性卻不低。
SP3耐磨耗性和耐轉動疲勞性較好，即從SP3鋼軌和老式鋼軌頭部和深0.75寸處取試樣，然后用HV370調質鋼制成外徑30mm，厚8mm的圓筒形模擬車輪做耐磨耗對比試驗，在1MGT下的磨耗深度，SP3鋼軌比老式鋼軌少10%以上。對同樣試樣作耐轉動疲勞試驗，結果是SP3表層和內部分別比老式鋼軌的性能高3%和13%。這說明高強度化和減少夾雜物均發(fā)揮了應有作用。
（3）焊接性能
觀察SP3焊接區(qū)微觀組織的金相照片，結果是未發(fā)現裂紋和未焊合等缺陷，呈現為完善的珠光體組織。在深5mm處的硬度分布合理，與老式鋼軌一樣。另外按ARAME標準進行靜態(tài)4點彎曲試驗，結果均優(yōu)于標準規(guī)定，說明SP3鋼軌的焊接性能優(yōu)良，將可保證實際應用。
（4）實際鐵路線的評價試驗
SP3鋼軌已在北美的高軸重環(huán)境下貨物運輸鐵路的彎曲部鋪設，以便在應用中觀察其磨耗變化和表面是否發(fā)生疲勞損傷。并據此進行耐磨耗性評價。與老式鋼軌同等時間試用的結果進行對比得知，SP3由磨耗產生的表面磨損量比老式鋼軌降低了12%。同時在鋼軌表面未發(fā)現粗糙開裂和剝離損傷，說明耐疲勞損傷性良好。
5?小結
適用于北美等高軸重貨運鐵道用的高硬度、高耐火鋼軌鋼SP3已開發(fā)成功。它以珠光體片晶間隔微細化至極限為目的，采用了相應的成分設計和TMCP工藝，達到珠光體片晶間隔僅0.07μm的極微細水平，表面硬度HB420以上，1寸深處仍為HB370的高硬度。經試驗和實際應用，SP3耐磨耗性均比老式鋼軌提高了10%以上，焊接接頭性能和老式鋼軌相同，且具有良好的硬度分布。SP3鋼軌將應用在高軸重貨運鐵道上，這將有利于延長鋼軌使用壽命，降低維修成本。?
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