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SP3日本高轴重用高耐火珠光体钢轨钢
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-03-04
JFE通过合金设计和TMCP工艺，成功开发出多种高性能热处理钢轨（简称SP）。近年为了进一步提高钢轨的耐磨性和表面耐损伤性，通过将珠光体片晶组织微细化至极限水平以使其高硬度化，终于开发成功高硬度、高硬化深度型的高耐火钢轨（SP3）。
1 前言
随着我国经济的高速发展，要求铁路交通运输的效率相应提高，除加速完善铁路交通布局和大力发展高速铁路外，在货运方面应加大载重量（高轴重化）和加大货车长度是提高效率的有效途径。但是随着货车运输的高轴重化，需要高耐火性的钢轨配合。我国在客运的高速铁道方面处于国际领先地位，但在货运列车高轴重化方面则和美、日等发达国家存在一定的差距。
2 日本高轴重用高耐火珠光体钢轨钢SP3的开发
国际上铁路货运效率最高的是美国横断北美大陆的铁路，其货车载重量为日本的数倍。日本为迎头赶上，正大力进行相关技术的开发。随着高轴重化的发展，车轮和钢轨间的接触摩擦加大，由于所带来的钢轨磨耗加快，剥皮和粗糙开裂等表面损伤的加快，将加大钢轨更换和维修的负担。据此，JFE通过合金设计和TMCP工艺，成功开发出多种高性能热处理钢轨（简称SP）。近年为了进一步提高钢轨的耐磨性和表面耐损伤性，通过将珠光体片晶组织微细化至极限水平以使其高硬度化，终于开发成功高硬度、高硬化深度型的高耐火钢轨（SP3）。并按达到美国重载货车铁道水平进行正辅轨试验，初步效果良好。本文就SP3钢轨控制技术要点及其性能进行简要介绍。
3 钢轨提高耐火性的基础探讨
（1）硬度和微型组织对耐磨耗性的影响
经2圆筒式回转接触试验得知，磨耗量随珠光体组织钢硬度的上升而下降。
耐磨耗性依存于钢的微观组织。从珠光体组织钢耐磨耗试验后的断面金相照片观察，发现表层微观组织中的塑性流动层随硬度上升而变薄，由此可判断高硬度对减少表面损伤有效。
（2）珠光体片晶的微细化
珠光体是由板状的铁素体和渗碳体所形成的层状组织（片晶组织），通过对片晶组织的微细化可使强度提高。当由奥氏体生成珠光体时，体积自由能下降。但由于铁素体/渗碳体界面的形成，则片晶愈微细化时，界面能的上升愈大，而微细化有一定界限，工业应用微细化的界限为0.05μm。
给予铁素体/渗碳体界面能的是珠光体相变能，而化学驱动力的大小则与从珠光体平衡相变温度（TE）的过冷度（ΔT）成正比。从而可加大ΔT，使片晶组织微细化。使ΔT最大化的基本思路是：a）通过钢的成分设计，求出TE；b）轧制后使冷却速度和冷却温度等TMCP条件最佳化而使珠光体相变温度低温化，使ΔT最大化。即通过钢轨成分的合理设计和轧后TMCP条件的最佳化便开发成功钢轨片晶间隔由表层向内部稳定微细化的技术，并保证了产品的优良质量性能。
4 高硬度SP3钢轨的生产
（1）SP3钢轨的化学成分和生产工艺
SP3钢轨的化学成分为0.81C-0.55Si-0.55Mn-0.014P-0.005S及微量的Cr、V。经转炉冶炼、RH炉脱气后产出连铸坯供热轧，轧后经快冷TMCP工艺处理，生产出70kg/m钢轨。
（2）钢轨性能
首先从金相照片发现，新开发的SP3微观组织全部为珠光体组织而未见到马氏体。其次，将SP3钢轨的珠光体片晶和HB390级老式热处理钢轨的金相照片对比时发现，SP3钢轨的片晶间隔极微细，表面为0.07μm、1寸深度时为0.09μm，而老式热处理钢轨表面仅0.09μm，说明新开发钢轨在深部仍保持有微细的珠光体片晶组织。
SP3的洁净度完全符合AREMA（美国铁路协会）的标准，MnS、SiO2、Al2O3、TiN等杂质物均远低于标准。
接着对SP3钢轨和老式热处理钢轨的硬度特性进行了对比，结果是SP3钢轨表面和1寸深度处分别高HB40和HB20，即1寸深度处硬度仍高达HB390。SP3的机械性能则为0.2%YS达967MPa，TS达1409MPa，EL为14%，RA为37%。TS比老式热处理钢轨高100MPa，而延性却不低。
SP3耐磨耗性和耐转动疲劳性较好，即从SP3钢轨和老式钢轨头部和深0.75寸处取试样，然后用HV370调质钢制成外径30mm，厚8mm的圆筒形模拟车轮做耐磨耗对比试验，在1MGT下的磨耗深度，SP3钢轨比老式钢轨少10%以上。对同样试样作耐转动疲劳试验，结果是SP3表层和内部分别比老式钢轨的性能高3%和13%。这说明高强度化和减少夹杂物均发挥了应有作用。
（3）焊接性能
观察SP3焊接区微观组织的金相照片，结果是未发现裂纹和未焊合等缺陷，呈现为完善的珠光体组织。在深5mm处的硬度分布合理，与老式钢轨一样。另外按ARAME标准进行静态4点弯曲试验，结果均优于标准规定，说明SP3钢轨的焊接性能优良，将可保证实际应用。
（4）实际铁路线的评价试验
SP3钢轨已在北美的高轴重环境下货物运输铁路的弯曲部铺设，以便在应用中观察其磨耗变化和表面是否发生疲劳损伤。并据此进行耐磨耗性评价。与老式钢轨同等时间试用的结果进行对比得知，SP3由磨耗产生的表面磨损量比老式钢轨降低了12%。同时在钢轨表面未发现粗糙开裂和剥离损伤，说明耐疲劳损伤性良好。
5 小结
适用于北美等高轴重货运铁道用的高硬度、高耐火钢轨钢SP3已开发成功。它以珠光体片晶间隔微细化至极限为目的，采用了相应的成分设计和TMCP工艺，达到珠光体片晶间隔仅0.07μm的极微细水平，表面硬度HB420以上，1寸深处仍为HB370的高硬度。经试验和实际应用，SP3耐磨耗性均比老式钢轨提高了10%以上，焊接接头性能和老式钢轨相同，且具有良好的硬度分布。SP3钢轨将应用在高轴重货运铁道上，这将有利于延长钢轨使用寿命，降低维修成本。
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