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SP3日本高軸重用高耐火珠光體鋼軌鋼
發布人：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
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。隨著高軸重化的發展，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成功鋼軌片晶間隔由表層向內部穩定微細化的技術，并保證了產品的優良質量性能。
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
首先從金相照片發現，新開發的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揮了應有作用。
（3）焊接性能
觀察SP3焊接區微觀組織的金相照片，結果是未發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4點彎曲試驗，結果均優于標準規定，說明SP3鋼軌的焊接性能優良，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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