钢轨与热处理

350-410
U78CrV
≥1280
≥10
370-420
表 4. 在线热处理钢轨断面硬度
代号
钢牌号
轨头断面硬度/HRC A1,B1,C1,D1,E1 A4,B5,C5,D3,E3
H320
U71MnH
34.0-40.0
≥32.0
H350
U75VH U77MnCrH
36.0-42.0
≥34.0
H370
U78CrVH
≥980
≥10
290-330
代号 H320 H350 H370
表 3. 在线热处理钢轨抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度
钢轨牌号
抗拉强度 Rm 断后伸长率 A 轨头顶面中心线硬度 HBW
MPa
%
(HBW10/3000)
U71Mn
≥1080
≥10
320-380
U75V
≥1180
≥10
U77MnCrH
（2） U75V 钢轨是由攀钢集团有限公司 20 世纪 90 年代研制开 发，2003 年之前称为 PD3（攀钢第三代钢轨），U71Mn 钢轨相比，
U75V 钢轨碳、硅含量相对较高，Mn 含量范围上限较低，并专门添 加了细化组织的合金元素钒，易于热处理强化，热处理后该钢轨的耐 压性、耐冲击性、耐磨性、耐疲劳性、可焊性等性能良好，使用稳定 可靠，该钢轨热轧态抗拉强度大于 980 MPa，热处理后大于 1180 MPa， 在线热处理后其材质牌号为 U75VH，为适应铁路高速运输高平顺性 及稳定性的需要，该钢轨用于高速铁路上时其材质牌号为 U75VHG， H 表示在线热处理，G 表示高速铁路，此材质牌号的钢轨中化学元素 含量波动范围更小，杂质元素含量更少，轧制的几何尺寸精度更高。 目前，已逐渐成为我国铁路的主型钢轨钢种。
（3）U78CrV 是由中国铁道科学研究院和攀钢集团有限公司近年 合作研发，为高强耐磨钢轨，主要用于重载铁路。该钢轨由于含有较 高的碳、铬、钒合金元素，其热轧钢轨强度大于 1080 MPa，热处理 后抗拉强度大于 1300 MPa，热处理轨经大秦等重载铁路使用，耐磨 性能优良但内部应力较高，抗擦伤能力较差，容易在擦伤部位形成脆 性很大的高碳马氏体组织，当钢轨表面损伤时，在外力作用下易引起 脆断。
（1）U71Mn 钢轨由鞍山钢铁集团公司研制完成，为我国至今使 用时间最长的钢轨。该钢轨含碳范围上限要求较 U75V 钢轨低，采用 Mn 元素提高钢轨强度，有较好的塑性、韧性和焊接性。该钢轨热轧 态抗拉强度大于 880 MPa，热处理后大于 1080 MPa，在线热处理后 其材质牌号为 U71MnH，为适应铁路高速运输高平顺性及稳定性的需 要，该钢轨用于高速铁路上时其材质牌号为 U71MnHG，H 表示在线 热处理，G 表示高速铁路，此材质牌号的钢轨中化学元素含量波动范 围更小，杂质元素含量更少，轧制的几何尺寸精度更高。
2.1.2 钢轨的成分
常用各种钢轨化学成分按各元素可以划分为三部分：第一部分为 基本元素，如 C、Si、Mn 等，第二部分为有害元素 S、P 及残留元素 Al、O、N、H 等，第三部分为合金强化元素，如 V、Nb、Ti、Cr、 Mo 等。
在基本元素中，C 是钢轨钢中的主要强化元素，钢中含 C 量增加， 渗碳体量增多，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性相应下降。若钢中 含碳量大于 1.0%，则易形成大面积和网状渗碳体，此时钢的强度和 塑性都显著下降，钢的脆性增加且不利于焊接。锰元素不但可以提高 钢轨耐磨性和延长钢轨的使用寿命，锰还具有使晶粒长大的倾向同时 会增大钢的过热敏感性，提高钢的淬透性，容易产生马氏体等异常组 织，不利于焊接和热处理。硅也是一种强化元素，可大量溶于铁素体， 提高 钢的强度 和硬度， 特别是 提高钢的 屈强比（ σs／ σb）和 增强钢的 弹性。但钢中含硅量过多（约 2%）时，则降低钢的塑性和韧性，不 利于焊接。
为采用在线热处理钢轨。
1.钢轨的生产
钢轨的生产大致可以划分为三个阶段，即冶炼、轧制和精整。钢 轨钢的冶炼是将铁矿石经高炉冶炼成铁水，再用平炉或转炉将铁水冶 炼成所需化学成分的钢水并浇注成钢锭，这一过程在炼铁和炼钢厂完 成；钢轨的轧制先由初轧厂将钢锭用匀热炉加热后经初轧机轧制成所 需尺寸的钢坯，钢坯经表面清理后再次加热，经 3 架及以上的轧机多 道次轧制形成所需断面的钢轨，随后进行钢轨的缓冷处理成热轧钢轨 或经一定的冷却介质冷却成在线热处理钢轨；精整包括钢轨的娇直、 轨头钻孔、倒棱等，最后在钢轨一端面头部贴上标签，标签中所填写 的内容应包括质量等级、标准号、轨型、钢牌号、炉号、长度等。
有害元素 S、P 多易生钢轨产生热裂与冷裂纹，不利于钢轨的生 产与使用， Al、O、N 等元素多为冶炼过程中残留元素多形成非金属 夹杂， H 元素残留多易导致氢脆，形成白点裂纹，显著降低钢轨的 塑性与韧性。
V、Nb、Ti、Cr、Mo 等强化元素，可以细化组织，强化基体， 使钢轨的强度与硬度显著增加，进一步提高钢轨的耐压性、耐冲击性、 耐磨性及耐疲劳性能。各种材质与牌号钢轨的化学成分见表 1 所列
钢轨与热处理
前言
钢轨是铁路轨道承载车辆运行的主要组成部件，能够引导车辆车 轮前进，同时承受来自车辆的巨大压力。上世纪 50 年代末，我国鞍 钢开始生产沿用前苏联钢种、型号和生产工艺的 43、50 型钢轨，随 着钢轨生产和使用要求的不断提高，钢轨的型号逐步扩大，80 年代 末具备了 60 型钢轨的批量生产。几十年来，钢轨的生产与研究主要 集中 在减小结 疤、裂纹、分层、低倍 组织缺陷 及提高钢 轨耐磨 、耐压 性上，随着研究的不断深入与管理、技术等手段的不断提升，钢轨各 方面质量显著提高。
≤0.025 ≤0.025
―
0.04-0.12 ≤0.00
4 0.30-0.50 0.040.82 0.10-0.50 0.80-1.10 ≤0.025 ≤0.025 0.25-0.40
―
U77MnCrH
2.1.3 钢轨的组织与性能
目前国内线路使用钢轨的组织主要为细片状珠光体，按照交货状
国外具有代表性的钢轨生产国为德国、法国、日本，其主要工艺 流程为精炼、精轧、精整、质量自动检测和长尺化生产等五个方面。 国内钢轨生产厂为鞍钢、攀钢、包钢及武钢，其代表性的工艺流程为： 转炉炼钢→炉外精炼+真空脱气→6 流大方坯连铸→步进式加热炉加 热 → 高 压 水 除磷→ 万 能 轧 机轧 制 →高 压 水 二次 除 磷 →步 进 式 冷床 冷 却→长定尺钢轨复合矫直→检测中心检测→定尺锯切→人工检测→ 入库。国内这些大规模的钢铁企业经过不断的设备与工艺升级，其技 术装备及生产的钢轨质量等级已达到国际先进水平，个别还处于国际 领先水平。
37.0-44.0
≥36.0
图 1. 在线热处理钢轨断面硬化层硬度测试图 备注：第一点距表面 5mm，其余点间距均为 5mm，D、E 线与下颚距离为 5mm，B、C 线
为 A、D 和 A、E 线的角平分线。
3.钢轨的热处理
随着铁路运输向高速重载方向的快速发展，线路运输密度与年通 过总重显著增大，这将大大提高钢轨的负荷及伤损，钢轨磨耗逐渐增 大，尤其对于小半径曲线的繁忙干线铁路，这种磨耗更加突出，会制 约铁路运输的效率增加铁路运营成本，因此需要对钢轨进行强化以增 加钢轨的耐磨性、抗压性、耐冲击与疲劳性能，延长钢轨使用寿命。
（4）U77MnCr 钢轨是鞍钢和铁科院合作开发的钢轨，具有很好 的纯净度、良好的强韧性和耐磨性，适合铺设在重载铁路的正线地段， 焊接性能良好，具有自硬化性能，焊接接头正火后无需进行喷风冷却， 轨顶面的硬度就可与母材的硬度匹配，同时钢轨具有良好的抗接触疲 劳伤损能力，对提高重载铁路钢轨使用寿命有一定的作用。其热轧钢 轨强度大于 1080 MPa，热处理后抗拉强度大于 1180 MPa。
表 1. 钢轨牌号与化学成分
钢牌号 C
主要化学成分（质量分数）%
Si
Mn
P
S
Cr
V
Al
U71Mn
0.60-0.80 0.15-0.58 0.70-1.20 ≤0.025 ≤0.025
―
―
U71MnH
U75V U75VH U78CrVH
0.71-0.80 0.72-0.82
0.50-0.80 0.75-1.05 ≤0.025 0.50-0.80 0.70-1.05 ≤0.025
态可分为热轧与热处理态，其硬度与强度性能见表 2、3、4 所列。
钢牌号
U71Mn U75V
表 2. 热轧钢轨抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度
抗拉强度 Rm
断后伸长率 A 轨头顶面中心线硬度 HBW
MPa
%
（HBW10/3000）
≥880
≥10
260-300
≥980
≥10
280-320
U77MnCr
所谓热处理就是通过控制加热与冷却温度与速度来改变金属的 组织结构，从而获得所需性能的工艺过程。目前钢轨热处理按照工艺 过程可划分为离线与在线热处理。离线热处理是指：钢轨轧制冷却后 重新加热进行奥氏体化并加速冷却，得到细片状珠光体组织的热处理 过程。其处理过程效率低，成本高，硬化层深度较浅。在线热处理是 指：利用轧制余热直接加速冷却，得到细片状珠光体组织的热处理过 程。其处理过程效率高，成本低，轨头硬度分布均匀，硬化层深度较
钢轨强化可采用热处理与合金化两种方法。目前应用较为成熟和 稳定的是对钢轨进行热处理，原因有：
（1）热处理使钢轨的组织大大细化，在提高强度的同时还显著改 善了钢轨的韧塑性，节约合金费用。
（2）热处 理钢轨的 焊接性能 明显优 于合金轨 ，这对 当今铁路 大力 发展无缝线路尤为重要。
（3）热处理可使轨头强化，而轨腰、轨底保持较好的韧塑性能， 作为耐磨轨在曲线上使用，符合钢轨使用工况，性价比高。
深。
3.1 钢轨离线全长热处理 3.1.1 原理