1、國產PD3鋼軌與進口鋼軌材質性能的對比研究第24卷,第6期2003年12月中國鐵道科學CHINARAILWAYSCIENCEDecember,2003文章編號:10014632(2003)06009906國產PD3鋼軌與進口鋼軌材質性能的對比研究周清躍,張銀花,陳朝陽,周鎮國(1.鐵道科學研究院研發中心,北京100081;2.鐵道科學研究院金化所,北京100081)摘要:按照"時速200客運專線60kg?m鋼軌暫行技術條件"的要求,UIC900A,攀鋼PD3及鞍鋼PD3的鋼軌材質性能進行對比研究.結果表明,三種鋼軌的化學成分,H,O含量,非金屬夾雜物,低倍及顯微超過規定值,

2、鞍鋼,攀鋼產PD3軌的K.基本相當,而UIC900A鋼軌的低溫K稍高于國產PD3鋼軌;PD3軌鋼的拉壓疲勞極限比UIC900A高出約5%;攀鋼PD3鋼軌軌底殘余應力較鞍鋼PD3鋼軌略高,而UIC900A鋼軌最低.另外,進口鋼軌的脫碳層深度較淺,攀鋼鋼軌脫碳層較為穩定,而鞍鋼鋼軌脫碳層有的爐次超過了"暫行技術條件"的規定.關鍵詞:鋼軌;材質;對比試驗中圖分類號:U213.41文獻標識碼:A1試驗內容及方法根據發展客運專線及高速鐵路的需要,"時速200km客運專線6Okg?m鋼軌暫行技術條件"和"時速300km高速鐵路6Okg?m鋼軌暫行技術條件&

3、quot;首次對軌鋼中殘留元素,氫,氧,氮含量,軌頭頂面硬度,脫碳層深度,非金屬夾雜物,疲勞裂紋擴展速率da/dN,試樣拉壓疲勞,斷裂韌性K沈客運專線鋼軌中取樣進行上述各項性能的對比試驗.其試樣取樣部位及尺寸均采用"暫行技術條件"的規定.采用化學分析法,從軌頭取3點鉆屑(鉆頭直徑8mm)進行化學成分分析,從軌頭,軌腰,軌底各取3點鉆屑進行殘留元素分析,鉆屑部位見文獻3.成品軌中氫含量試樣取自軌頭中心,試樣尺寸為5ITIITI×50ITlrn.氧,氮含量試樣取自軌頭部位j,試樣尺寸為5ITlrn×型H分析儀和TC-436型O/N分析儀進行氫,氧,氮含量的分

4、析.在鋼軌頭部距軌頂面約1On珈15ITlrn處縱向切取非金屬夾雜物試樣,在平行于軌頂面的金相磨面上,根據GB10561中規定的ASTM評級圖,采用方法A,評定鋼軌中的非金屬夾雜物.疲勞裂紋擴展速率試驗條件為:室溫環境,應力比R=0.5,加載頻率為15Hz20Hz,采用撓度法進行測定.根據GB3O751982"金屬軸向疲勞試驗方法"的規定進行SN疲勞曲線的測定,采用成組法測定高載荷下的SN數據,采用升降法測定材料的條件疲勞極限.試驗在室溫條件下,在MTS上進行,試驗頻率30Hz,軸向循環載荷,r=一1.采用鋸切法測定殘余應力,其測點布置見文獻4.2試驗結果及討論隨機選擇4個

5、爐次,對國產PD3以及進口UIC900A鋼軌的成品化學成分進行試驗,隨機選擇2.為了便于分析,從鋼廠提供的質保書中隨機選取若干爐進行化學成分統計,結果見表3.從表1,表2和表3可以看出,所檢鋼軌的成品化學成分和殘留元素均符合相應技術條件的要求,并具有下列特點.收稿日期:20030212作者簡介:周清躍(196o_),男,浙江磐安人,研究員,博士生導師.基金項目:鐵道部科技發展計劃項目(2001G017)100中國鐵道科學第24卷1)進口和國產鋼軌中的P,S含量有明顯的差中P含量越低越好,而S由于具有抑制鋼中出現準EN13674于s在軌鋼中的作用應引起我國鋼軌生產部門的重視.2)從質保書的統計結

6、果可知,進口軌鋼的主要化學成分波動范圍均小于國產軌鋼.3)國產鋼軌的殘留元素含量存在明顯區別,其中攀鋼PD3鋼軌中殘留元素如Cr,Ni,Cu等高Mo含量明顯高于國產PD3鋼軌,其它殘留元素與攀鋼軌差不多.表1鋼軌成品化學成分w/%隨機統計80爐隨機統計80爐UIC900A.?7/01.-7203.?3/03.-3507.?0/14.-0619.?0/010.0-103'.?0/010.0-130'.一統計50爐2.2氫,氧及氮含量成品軌中4爐氫,氧及2爐氮含量試驗結果見表4.從質保書中隨機抽取50爐80爐進行統計分析,結果見表5.由結果可以看出,進口及國產保書的統計結果看,國產

7、鋼軌尤其攀鋼軌鋼的氫含量比進口軌低.檢測3個爐次的國產及進15鋼軌的拉伸性能,結果見表6和表7.由結果可以看出,國產鋼軌抗拉強度基本相當,平均值約為1030MPa1040MPa,塑性也差不多,成品軌的平均伸長率為11.2%;UIC900A鋼軌抗拉強度平均值為960MPa,伸長率為12.8%.與質保書的統計結果(表7)基本相當.說明進口軌強度稍低,而塑性稍好.表4鋼軌中H,O,N試驗結果(×10)86080801095.4.0006040107叭0049叭6叭60800叭4.6.00一88印0000"一0033mm鋼鋼攀鞍第6期國產PD3鋼軌與進口鋼軌材質性能的對比研究101

8、表5鋼中H.o含量(熔煉分析)統計結果(x10)表6拉伸試驗結果表7拉伸試驗統計分析結果經測定軌頭踏面中心線硬度結果如表8所示.從表中可以看出,雖然國產與進口鋼軌差一個強度等級,但兩者軌頂面硬度平均值只相差13卜丑321HB.另外,無論是進口還是國產鋼軌,同一爐鋼軌的硬度值波動較小,均小于10HB.表8軌頭踏面中心線硬度(I-IB)國產及進口鋼軌的低倍組織中均未見白點,縮孔殘余,內裂,異金屬夾雜物,翻皮,分層和肉眼可見的夾雜,也未見軌腰偏析和條紋超標的情況,低倍組織正常.在軌頭軌角部位和軌腰中和軸部位分別取樣進了10個爐次以上,無論是攀鋼的模鑄鋼軌(在靠近帽口部位取樣)還是鞍鋼的連鑄鋼軌均未在

9、大家所擔心的軌腰部位出現如馬氏體,貝氏體及游離滲碳體等脆性組織.5個爐次的國產PD3,進口UIC900A鋼軌軌頭踏面及側面部位的脫碳層深度測定結果見表9.進口鋼軌的脫碳層深度較淺,攀鋼鋼軌脫碳層比較穩定,而鞍鋼鋼軌脫碳層有的爐次超過規定要求.國產鋼軌脫碳層較為嚴重的金相照片見圖1.(a)攀鋼鋼軌軌頭側面脫碳層(0.37mrn)(爐號301700)(b)鞍鋼鋼軌軌頭踏面脫碳層(0.52I31rn)(爐號5D2161)圖1鋼軌表面脫碳層(×100)表9脫碳層深度測定/mm102中國鐵道科學第24卷從鋼軌脫碳層的典型照片可知,"暫行技術條件"所規定的脫碳層可以分為兩個部

10、分:即最表層脫碳程度最嚴重,為近似全脫碳,鐵素體呈塊狀在晶內分布,硬度很低,對使用的影響也最大;次表層為鐵素體呈網狀分布在珠光體組織的晶界上;根據加熱設備和工藝的不同,二者所占比例也不同.結果表明,進口軌最淺,平均為0.11mm;攀鋼rnlo鋼軌的脫碳層深度主要與鋼坯加熱設備與工藝有關.鋼坯加熱溫度越高,時間越長,加熱次數越多,表面脫碳越深.鞍鋼此次生產的鋼軌,由于軋機能力所限,對連鑄鋼坯采用二次加熱,是造成脫軌采用步進式加熱爐加熱鋼坯(一次加熱,并嚴格控制加熱溫度和時間),并采取防脫碳涂層處理,脫碳程度最嚴重的層深基本控制在0.10rnln以內,少數情況達到0.20mm0.30ITlln,相

11、比之下國內鋼軌仍有較大的差距.鋼軌表層脫碳,造成表面硬度降低,耐磨,耐剝離性能下降,會導致波狀磨損的過早出現,這對此,在開通運行前均應采用打磨列車打磨,以除去打磨列車每次進刀量一般不超過0.20rnin,因此從打磨角度講,將鋼軌表層脫碳最嚴重的層深部分鋼坯加熱制度達不到這一要求,則應對鋼坯進行防脫碳涂層處理.從表10試驗結果可以看出,國產PD3,進口UIC900A鋼軌中的夾雜物等級均符合"暫行技術條件"規定.研究表明,軌鋼中的夾雜物類別,數量和分布對鋼軌使用中的疲勞性能有著重要的影響,尤其是B類(氧化鋁)和C類(硅酸鹽)夾雜物.因此,歐洲鋼軌標準(EN136741)規定,無

12、論是高速鐵路用軌還是普通鐵路用軌,均要求B類和C類夾級).隨著煉鋼技術的進步,達到這樣的要求在技術上是沒有問題的.而所檢鋼軌中,鞍鋼的B類夾雜物達到了這一要求(1.0級),C類夾雜物有待努力;攀鋼的B類,C類夾雜物均有待努力.表1O鋼軌鋼中夾雜物等級常溫及一20*(2下國產和進口鋼軌的斷裂韌性試驗結果按化學成分和不同的數據處理方法列于表11.由于試驗數據有限,未能從統計角度來評價鋼種的斷裂韌性,但從試驗數據中不難看出,國產表1l國產PD3及進口UIC900A軌鋼的斷裂韌性線不規定P一/尸Q的標準.2.國標規定,凡是P一/PQ大于1.10,測定值無效.顯然,按EN規定測得的斷裂韌性KIc要比按國

13、標的低.PD3軌鋼的斷裂韌性基本處于同一水平,而進口UIC900A鋼軌的斷裂韌性尤其低溫斷裂韌性要稍高于國產PD3鋼軌.由表12可見,國產及進口鋼軌疲勞裂紋擴展速率均滿足"暫行技術條件"規定的要求.第6期國產PD3鋼軌與進口鋼軌材質性能的對比研究103表12軌鋼疲勞裂紋擴展速率試驗結果試驗結果如圖2所示.由此可知,攀鋼PD3,法國UIC900A鋼軌疲勞極限盯一分別為369MPa,351MPa,前者比后者提高約5%.眾所周知,鋼的疲勞極限主要取決于其強度,因為PD3鋼軌強度等級比UIC900A高,因此疲勞極限也高.國產及進口鋼軌殘余應力測試結果見表131.0E+041.0E+

14、051.0E+61.0E+07疲勞壽命N/次一PI)3(軋態)-UIC900A圖2攀鋼PD3與法國UIC900A軌鋼拉壓疲勞曲線(負值為壓應力).由結果可知,三種鋼軌的軌頭頂面和軌底面分布拉應力,軌腰為壓應力,是典型的矯直應力分布特征.另外,攀鋼,鞍鋼和進口鋼軌109.7MPa,均小于250MPa,滿足"暫行技術條件"的要求.表13鋼軌殘余應力II,a3結論1)所試驗鋼軌的化學成分,H,O含量,非金屬夾雜物,低倍及顯微組織均符合"暫行技術條件"的要求,力學性能指標超過規定值,其中,UIC900A的=945MPa965MPa,5=11%14%;攀鋼PD3的

15、盯h=1010MPa1060MPa,5=10%12%;鞍鋼PD3的盯b=1020MPa1060MPa,=9%13%;UIC900A,攀鋼及鞍鋼PD3鋼軌的踏面硬度分別為271HB280HB,282耶309HB和283耶297HB.2)斷裂韌性,裂紋擴展速率,拉壓疲勞以及軌底殘余應力均滿足"暫行技術條件"的要求,鞍鋼,攀鋼產PD3軌的K基本相當,而UIC900A鋼軌的低溫K稍高于國產PD3鋼軌;PD3軌鋼的拉壓疲勞極限比法國UIC900A高出約5%;攀鋼PD3鋼軌軌底殘余應力較鞍鋼PD3鋼軌略高些,而UIC900A鋼軌最低.3)進口鋼軌的脫碳層深度較淺,攀鋼鋼軌脫碳層較為穩定

16、,而鞍鋼鋼軌脫碳層有的爐次超過了"暫行技術條件"的規定.4)與進口鋼軌相比,國產鋼軌在化學成分波動范圍的控制,進一步降低軌鋼中有害元素P及B類,C類夾雜物的含量,鋼軌表面脫碳層深度等方面仍有待努力.參考文獻1鐵道部.時速300krn高速鐵路60kg?m鋼軌暫行技術條件Z,1998.2鐵道部.時速200krn客運專線60kg?m鋼軌暫行技術條件Z,1998.3劉學文,周清躍,張銀花,陳朝陽,周鎮國,等.秦沈客運專線綜合試驗段進口及國產鋼軌試驗研究(階段研究報告)R,北京:鐵道科學研究院,2002.中國鐵道科學第24卷4567詹新偉,周清躍.鋼軌軌底殘余應力限定值的研究J.鐵道

17、技術監督,2002,(12):911.AllanM.Zarembski.ImprovingRailSteels:NewApproachesJ.RailwayTrack&Structures,1994,(3):1213.周清躍,潘建華.國外鋼軌發展的新趨勢J.鐵道技術監督,1997,(1):13一l7.EN136741,RailwayApplicationTrackRailPart1:FlatBottomSynmaetricalrailwayRails46kg'mandAboveZ.1998ComparisonofandStudyOilQualityofImporteda

18、ndDomesticPD3RailsZHOUOingyue,ZHANGYinhua,CHENZhaoyang,ZHOUZhenguo(1.ResearchandDevelopmentCenter,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China2.MetalandChemistryResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)Abstract:Accordingtotherequirementsof"TentativeTechnicalSpecificationsof60kg'mrailsusedon200km.h一PassengerDedicatedLines",theperformanceofUIC900A,PangangPD3andAngangPD3railsteelsiscomparedandstudied.Studyresultsrevealthatallthreekindsof