过共析钢轨使用性能研究

李闯，张银花，周清跃，刘丰收，陈朝阳

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

过共析钢轨使用性能研究

李闯，张银花，周清跃，刘丰收，陈朝阳

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

对铺设在郑州铁路局直线上和半径600～1 000 m曲线上的在线热处理过共析钢轨的使用情况进行跟踪观测。结果表明:过共析钢轨硬度高，耐磨性能好。使用1年后，铺设在直线和半径1 000 m曲线上的钢轨表面光洁，基本无伤损，铺设在半径600 m曲线上的钢轨出现鱼鳞伤和剥离掉块。钢轨闪光焊接头硬度基本满足标准要求，铝热焊接头硬度低于标准要求，使用后个别焊接接头存在低塌现象。过共析钢轨耐磨性能明显优于U75V热处理钢轨，预防性打磨可以提高钢轨在小半径曲线上的使用寿命。

过共析钢轨 焊接接头 磨耗 伤损

随着我国重载铁路运量、轴重和单列最大载重不断增加，钢轨侧磨和剥离掉块等伤损日益严重，成为迫切需要研究的课题［1］。一般情况下，钢轨的强度越高，钢轨的耐磨性能和耐剥离性能也越强［2］。目前铁路上使用的钢轨主要为珠光体钢轨，通过添加合金元素，并利用热处理工艺，最高硬度可达370 HB，抗拉强度可达1 280 MPa，基本已达到共析珠光体钢轨强度极限［3－4］。因此，日本研究人员通过增加珠光体片中渗碳体相的密度来提高耐磨性能，并研究了过共析钢在钢轨上的应用，目前已在美国、俄罗斯等国家使用［5］。2010年，攀钢在国内首次试制出过共析钢轨(以下简称为PG5钢轨)，2012年对成分进行了优化，优化后在郑州局进行了试铺。本文对PG5钢轨近1年的使用情况进行了跟踪观测及总结。

1 PG5钢轨性能

PG5钢轨化学成分见表1。母材基本性能指标如下:①钢轨踏面硬度408 HB;②抗拉强度1 360 MPa，断后延伸率9.5% ;③组织为珠光体及少量二次渗碳体，不存在马氏体和贝氏体等有害组织。

表1 PG5钢轨化学成分%

表2和表3分别为PG5钢轨闪光焊接头和铝热焊接头硬度值。由结果可知，PG5钢轨闪光焊接头性能基本满足标准要求;铝热焊接头硬度低于标准要求。这是由于现有铝热焊剂与PG5钢轨硬度不匹配，需研制硬度较高的铝热焊剂［6］。

表2 闪光焊接头硬度

表3 铝热焊接头硬度HB

2 PG5钢轨使用情况

2.1 试验段基本情况

2013年6 月，郑州局结合路局大修，将攀钢PG5钢轨铺设在郑州局新焦外包线K73—K76区间(约4 km)货运专线上。该区段年运量1.8亿t，列车速度≤80 km/h，试铺区段最小曲线半径为600 m。

铺设区间更换下道的钢轨为2008年铺设的U75V热处理钢轨，钢轨于2012年进行了上下股调边。对U75V热处理钢轨使用情况进行观测，结果见图1。经测量，更换下道的U75V钢轨上股最大侧磨7.0 mm(调边使用1年后)，钢轨踏面有小的剥离掉块。

图1 U75V热处理钢轨在试验段使用情况

PG5钢轨长度为100 m，在郑州小李庄焊轨基地采用GAAS80/580型焊机进行闪光焊接，焊轨条长度为500 m，对焊头采用焊后全断面喷风的工艺恢复其硬度。焊轨条运抵铺设现场后采用铝热焊进行焊接，焊剂采用德国施密特焊剂，铺设线路为无缝线路。

试验区段主要观测内容为曲线钢轨磨耗、焊接接头平顺性及其他可能出现的伤损。2013年8月至2014年6月共进行4次跟踪观测，主要观测区间里程及基本参数见表4。

表4 主要观测区间里程及基本参数

2.2 钢轨母材使用情况

图2为PG5钢轨在1#，3#位置使用1年后的钢轨伤损及对应廓形。由图可见，钢轨在直线段和半径1 000 m曲线上使用情况良好，未见严重伤损，仅轨角处出现轻微肥边，钢轨整体磨耗较小，垂磨＜1.5 mm，无侧磨现象。

里程K73+90处为半径600 m的曲线，位于主要观测区间里程外，但因其下股钢轨出现了剥离掉块现象，因此对其进行了跟踪观测。2013年11月仅在K73 +90处发现长度约为3 m的曲线下股钢轨剥离掉块，2014年1月观测发现曲线下股剥离掉块已发展为3处，分别位于K73+90，K73+100，K73+150，长度分别为8，5.5，5.5 m。2014年6月观测时K73+90处下股伤损发展至13 m，且曲线上股出现剥离掉块(图3)，钢轨最大垂磨为2.5 mm，最大侧磨为1.76 mm。

图2 PG5钢轨使用1年后钢轨伤损及对应廓形

图3 K73+90曲线PG5钢轨伤损

2.3 钢轨焊接接头使用情况

由于PG5钢轨母材硬度高，与母材相比铝热焊接头硬度相对较低，因此，铝热焊起拱量预留较大，在使用1年后仍为高接头，个别铝热焊接头发现伤损之后安装夹板，使用后接头低塌。闪光焊接头基本平顺，个别焊接接头存在低塌现象，平直度具体数据见表5。2014年6月观测发现K74+900闪光焊接头处出现剥离掉块情况(图4)。

2.4 钢轨伤损情况分析

PG5钢轨属于高强度等级钢轨，对于曲线上股，使用1年后轨顶面以下14～16 mm处的轨头侧面磨耗小，轨距角部位未磨合(轮缘未贴靠钢轨)，在此种情况下，轮轨未达到共形接触的最佳状态。尽管钢轨强度较高，但轮轨接触位置、形状、面积都与直线钢轨不同，轮轨接触条件较差，且承受横向力较大，轮轨接触压应力超过钢轨的屈服强度，导致接触面表层金属塑性变形，疲劳裂纹在塑性变形层表面萌生并扩展［7］。

表5 主要观测区间焊接接头平直度

图4 K74+900闪光焊接头伤损

图5为K73+90曲线下股PG5钢轨伤损发展情况。由图可知，裂纹起源于钢轨踏面中心表层，并与钢轨顶面成一定角度向轨头内部扩展，当斜裂纹扩展到一定深度时，转为横向发展，形成剥离掉块［8］(图5(a))。随着使用时间延长，剥离掉块有向两侧扩展的趋势，踏面中心位置伤损减轻(图5(b))。2014年6月观测时发现，随钢轨踏面磨耗增加，剥离掉块现象有所减轻(图5(c))。分析认为，钢轨使用初期车轮主要与钢轨踏面中心区域A接触，随踏面中心位置磨耗增加，轮轨接触区域面积增加，区域A剥离掉块现象减轻，区域B和区域C开始产生剥离掉块(图6)。

2.5 钢轨修理性打磨

2014年6 月，在PG5钢轨通过总重为1.8亿t时，郑州铁路局工务机械段对钢轨进行了大机打磨，使用48头打磨列车，廓形根据线路情况自行设计。从打磨效果上看，上股钢轨的剥离基本消除，下股钢轨的剥离有所减轻，但未彻底消除(图7)。

图5 K73+90曲线下股PG5钢轨伤损发展情况

图6 轮轨接触示意

图7 打磨后K74+900闪光焊接头伤损

3 PG5钢轨使用情况讨论

PG5钢轨是国产钢轨中强度级别最高的钢轨，从使用1年后的情况来看，钢轨磨耗较小，最大垂磨2.5 mm，最大侧磨1.76 mm。鉴于钢轨侧磨较小，郑州局并未对钢轨进行润滑。

新焦外包线属于重载线路，机车牵引力较大，所产生的纵向蠕滑力很大，在曲线上还承受着侧向蠕滑力的作用。法向力和蠕滑力的综合作用结果，导致曲线上股钢轨轨距角部位和下股钢轨踏面部位较早萌生一连串的与列车运行方向成一定角度的横向细裂纹或斜裂纹，严重时发展为剥离掉块，伤损发展规律与其它高强钢轨基本相同［9］。

为了提高PG5钢轨在小半径曲线的使用寿命，建议使用此种高强度等级钢轨时，在轨距角部位未磨合时，不要对钢轨进行润滑;及时对钢轨进行打磨，通过打磨控制钢轨的接触疲劳，防止因接触疲劳而产生剥离掉块等伤损，同时可改善轮轨接触状况;提高焊接接头强度，使之与钢轨母材匹配，减少焊接接头低塌。

4 结论及建议

1)PG5钢轨母材总体使用情况良好，直线和半径1 000 m曲线钢轨表面光洁，基本无伤损。半径600 m曲线曲中点附近出现了鱼鳞伤和剥离掉块，打磨后上股钢轨的剥离基本消除，下股钢轨的剥离有所减轻。

2)钢轨闪光焊接头硬度基本满足标准要求，铝热焊接头硬度低于标准要求。使用后个别焊接接头存在低塌现象。

3)PG5钢轨磨耗较小，通过总重在1.8亿t时的最大垂磨2.5 mm，最大侧磨1.76 mm，耐磨性能明显优于U75V热处理钢轨。

4)建议及时对PG5钢轨进行打磨，改善轮轨接触状况，控制钢轨接触疲劳;根据钢轨磨耗情况科学润滑钢轨，提高钢轨在重载线路小半径曲线上的使用寿命。

［1］周清跃，张银花，陈朝阳，等.重载铁路钢轨技术的研究［J］.中国铁路，2011(7):54－57.

［2］董志洪.高技术铁路与钢轨［M］.北京:冶金工业出版社，2003.

［3］周清跃，张银花，陈朝阳，等.我国铁路钢轨钢的研究及选用［J］.中国铁路，2011(11):47－51.

［4］张银花，周清跃，陈朝阳，等.重载铁路高强钢轨的试验研究［J］.中国铁道科学，2010，31(4):20－25.

［5］周清跃，张银花，陈朝阳，等.国内外钢轨钢研究及进展［J］.中国铁道科学，2002，23(6):120－125.

［6］张银花，李闯，周清跃，等.我国重载铁路用过共析钢轨的试验研究［J］.中国铁道科学，2013，34(6):1－6.

［7］李晓宇，习年生，周清跃.轮轨接触位置对钢轨斜裂纹扩展行为影响的仿真［J］.中国铁道科学，2008，29(2):44－46.

［8］习年生，刘丰收，周清跃.钢轨滚动接触疲劳缺陷的特征与发展模式［J］.理化检验(物理分册)，2005，41(增刊):95－98.

［9］张银花，周清跃，陈朝阳，等.1300 MPa级在线热处理钢轨使用性能研究［J］.中国铁道科学，2008，29(6):23－28.

Research on service performance of hypereutectoid rail

LI Chuang，ZHANG Yinhua，ZHOU Qingyue，LIU Fengshou，CHEN Zhaoyang
(Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The tracking observation has been carried out on the service performance of hypereutectoid rails after online heat treatment laying on the straight line and 600～1 000 m radius curves of Zhengzhou Railway Bureau.Study results showed that hypereutectoid rails have high hardness and good property of wear resistance.After one year，the surface of rails laying on the straight line and 1 000 m radius curve is smooth and has little injury and rails laying on 600 m radius curve have scale cracks and shelling.The hardness of rail flash welding joint basically meets standard requirements，but the hardness of thermit welding joint is lower than standard requirements，and some welding joints have low collapses.The wear resistance of hypereutectoid rails is better than that of U75V heat treatment rails and the preventive grinding of rails plays a significant role in improving the service life of rail on a small radius curve.

Hypereutectoid rail;W elding joint;Abrasion;Rail defects

U213.41

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.32

(责任审编 周彦彦)

1003－1995(2015)10－0147－04

2015－03－03;

2015－05－12

铁道部科技研究开发计划项目(2011G028－D)

李闯(1981—)，男，助理研究员，博士。