国产PD3钢轨与进口钢轨材质性能的对比研究.docx

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1、文章编号 : 100124632 (2003) 0620219206国产 PD3 钢轨与进口钢轨材质性能的比照研究周清跃1 , 张银花2 , 陈朝阳2 , 周镇国2(11 铁道科学研究院 研发中心 , 北京 100081 ; 21 铁道科学研究院 金化所 , 北京 100081)摘 要 : 按照 “时速 200 km 客运专线 60 kgm - 1 钢轨暂行技术条件的要求 , UIC900A 、攀钢 PD3 及鞍钢 PD3的钢轨材质性能进行比照研究 。结果说明 , 三种钢轨的化学成分 , H , O 含量 , 非金属夹杂物 , 低倍及显微组织 、 断裂韧性 、裂纹扩展速率 、拉压疲劳以及轨底剩

2、余应力均符合 “暂行技术条件的要求 。力学性能指标超过规定值 , 鞍钢 、攀钢产 PD3 轨的 KIC 根本相当 , 而 UIC900A 钢轨的低温 KIC 稍高于国产 PD3 钢轨 ; PD3 轨钢的拉压疲劳极限比 UIC900A 高出约 5 % ; 攀钢 PD3 钢轨轨底剩余应力较鞍钢 PD3 钢轨略高 , 而 UIC900A 钢轨最低 。另 外 , 进口钢轨的脱碳层深度较浅 , 攀钢钢轨脱碳层较为稳定 , 而鞍钢钢轨脱碳层有的炉次超过了 “暂行技术条 件的规定 。关键词 : 钢轨 ; 材质 ; 比照试验中图分类号 : U213141文献标识码 : A面上 , 根据 GB10561 中规定

3、的 ASTM 评级图 , 采用方法 A , 评定钢轨中的非金属夹杂物 。 疲劳裂纹扩展速率试验条件为 : 室温环境 , 应力比 R = 015 , 加载频率为 15 Hz20 Hz , 采用挠度 法进行测定 。根据 GB307521982 “金 属 轴 向 疲 劳 试 验 方 法 的规定进行 S2N 疲劳曲线的测定 , 采用成组法测定高载荷下的 S2N 数据 , 采用升降法测定材料的条件疲劳极限 。试验在室温条件下 , 在 MTS 上进行 , 试 验频率 30 Hz , 轴向循环载荷 , r = - 1 。采用锯切法测定剩余应力 , 其测点布置见文献4。1试验内容及方法根据开展客运专线及高速铁

4、路的需要 , “时速200 km 客运专线 60 kgm - 1 钢轨暂行技术条件和“时速 300 km 高速铁路 60 kgm - 1 钢轨暂行技术条 件首次对轨钢中残留元素 , 氢 、氧 、氮含量 , 轨头顶面硬度 , 脱碳层深度 , 非金属夹杂物 , 疲劳裂纹扩展速率 d ad N , 试样拉压疲劳 , 断裂韧性KIC以及轨底剩余应力等提出了定量的要求 。本文从秦沈客运专线钢轨中取样进行上述各项性能的比照试 验 。其 试 样 取 样 部 位 及 尺 寸 均 采 用 “暂 行 技 术 条件的规定 。采用化学分析法 , 从轨头取 3 点钻屑 ( 钻头直 径 8 mm) 进行化学成分分析 ,

5、从轨头 、轨腰 、轨底各取 3 点钻屑进行残留元素分析 , 钻屑部位见文献 3。成品轨中氢含量试样取自轨头中心 , 试样尺寸 为 5 mm 50 mm 。氧 、氮 含 量 试 样 取 自 轨 头 部2211试验结果及讨论化学成分及残留元素随机 选 择 4 个 炉 次 , 对 国 产 PD3 以 及 进 口UIC900A 钢轨的成品化学成分进行试验 , 随机选择2 个炉次对其残留元素进行试验 。结果如表 1 和表2 。为了便于分析 , 从钢厂提供的质保书中随机选 取假设干炉进行化学成分统计 , 结果见表 3 。从表 1 、表 2 和表 3 可以看出 , 所检钢轨的成品化学 成 分 和 残 留 元

6、 素 均 符 合 相 应 技 术 条 件 的 要 求 , 并具有以下特点 。位3, 试样尺寸为 5 mm 50 mm 。采用 RH2402 型H 分析仪和 TC2436 型 ON 分析仪进 行 氢 、氧 、氮含量的分析 。在钢轨头部距轨顶面约 10 mm15 mm 处纵向 切取非金属夹杂物试样 , 在平行于轨顶面的金相磨收稿日期 : 2003202212作者简介 : 周清跃 (1960 ) , 男 , 浙江磐安人 , 研究员 , 博士生导师 。 基金工程 : 铁道部科技开展方案工程 (2001 G017)中国铁道科学第 24 卷1001) 进口和国产钢轨中的 P , S 含量有明显的差别 。进

7、口轨中的 P 含量低 , 而 S 含量那么较高 。轨钢 中 P 含 量 越 低 越 好 , 而 S 由 于 具 有 抑 制 钢 中 出 现 “白点的作 用5 , 并 不 是 越 低 越 好 。欧 洲 钢 轨 标 准 EN1367421 规定了 S 的下限为 01008 %6 ,7 。关于S 在轨钢中的作用应引起我国钢轨生产部门的重视 。2) 从质保书的统计结果可知 , 进口轨钢的主要化学成分波动范围均小于国产轨钢 。3) 国产钢 轨 的 残 留 元 素 含 量 存 在 明 显 区 别 , 其中攀钢 PD3 钢轨中残留元素如 Cr , Ni , Cu 等高 于鞍钢 PD3 钢 轨 。法 国 UI

8、C900A 钢 轨 残 留 元 素 中Mo 含量明显高于国产 PD3 钢轨 ,攀钢轨差不多 。其它残留元素与表 1钢轨成品化学成分 w/ %钢种CSiMnSPV0173017601743017201760173501720175017350170017801650175015501630158801560160015780134013601348015001700110015001860187018650184019001883110711091107801751105018011300100601010010080100401011010070101501018010160103001008

9、010250101201019010170101001016010130100901014010110103001030010420106501051 8010480105101050 3攀钢 PD3鞍钢 PD3进口钢轨-国产轨要求进口轨要求01040108-注 : 表中数据为最小最大平均值 , 后同 。表 2 化学成分的统计分析结果 ( 熔炼分析) w/ %钢种CSiMnSPV备注01710176017330171017801751017101740172301540162015820150016801572013301380135701810198018690180019901876110

10、4111011069010040101401008 6010060101901010 6010100101701013 2010120103001021 6010120102401017 4010100102001013 70105010801061 80104010601049 8攀钢 PD3随机统计 80 炉鞍钢 PD3随机统计 80 炉UIC900A-统计 50 炉表 3 成品轨残留元素 w/ %Cu +10SnCr + Mo+ Ni + Cu钢种AlCrMoNiCuSnSbTiNb 01005 01005 0100401004 01005 0100501004 010320103701

11、009 70103001030010330115 01005 01005 01005010101002 501002 00102 0103401028 01005010101025010220110 0103201037 01005010101034010260115 01000 8401001 7 01000 501000 301005 601006 001040 01000 501000 8 01000 50100101000 5301000 4901020 01005 01005 01005010101001 201000 701025 0101 0101 010101010 0101

12、01010101 0104001054 0101010130109010860135 01103 01107 01011010601091 5010830135攀钢 PD3鞍钢 PD3进口钢轨技术要求212 氢 、氧及氮含量成品轨中 4 炉氢 、氧及 2 炉氮含量试验结果见 表 4 。从质保书中随机抽取 50 炉80 炉进行统计 分析 , 结果见表 5 。由结果可以看出 , 进口及国产 钢轨中氢 、氧含量根本符合技术条件要求 。但从质1112 % ; UIC900A 钢轨抗拉强度平均值为 960 MPa ,伸长率为 1218 % 。与质保书的统计结果 (表 7) 基 本相当 。说明进口轨强度稍

13、低 , 而塑性稍好 。钢轨中 H, O , N 试验结果 ( 10 - 6 )表 4保书的统计结果看 ,量比进口轨低 。213 拉伸性能国产钢轨尤其攀钢轨钢的氢含钢种HON备注015411511180138110017701501120171115检测 H , O4 炉 ,N2 炉检测 H , O4 炉 ,111916151321161812201716202944361530353219攀钢 PD3鞍钢 PD3检测 3 个炉次的国产及进口钢轨的拉伸性能 ,结果见表 6 和表 7 。由结果可以看出 , 国产钢轨抗 拉强度 基 本 相 当 , 平 均 值 约 为 1 030 MPa 1 040M

14、Pa , 塑 性 也 差 不 多 , 成 品 轨 的 平 均 伸 长 率 为N 炉2进口 UIC900A-检测 H , O4 炉技术要求90 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.第 6 期国产 PD3 钢轨与进口钢轨材质性能的比照研究101O 含量 ( 熔炼分析) 统计结果 ( 10 - 6 )表 5 钢中 H,铁素体 。对秦沈客运专线用的 PD3 钢 轨 至 少 抽 检了 10 个炉次以上 , 无论是攀钢的模铸钢轨 ( 在靠 近帽口部位取样) 还是鞍钢的连铸钢轨均未

15、在大家 所担忧的轨腰部位出现如马氏体 、贝氏体及游离渗 碳体等脆性组织 。217 脱碳层5 个炉次的国产 PD3 、进口 UIC900A 钢轨轨头 踏面及侧面部位的脱碳层深度测定结果见表 9 。进 口钢轨的脱碳层深度较浅 , 攀钢钢轨脱碳层比拟稳 定 , 而鞍钢钢轨脱碳层有的炉次超过规定要求 。国产钢轨脱碳层较为严重的金相照片见图 1 。钢种HO备注013112015101821011831152152119910202115102101410614111019101517攀钢 PD3随机统计 80 炉鞍钢 PD3随机统计 80 炉进口 UIC900A统计 50 炉表 6拉伸试验结果bMPa0

16、12MPa5%钢种备注1 0101 0601 0401 0251 0451 030940980960国产 980进口 88054365560053059759647548047810121112913111211141218国产 9进口 10162017141722191523242312攀钢 PD3检测 3 个炉号鞍钢 PD3检测 3 个炉号进口 UIC900A检测 3 个炉号技术要求-表 7 拉伸试验统计分析结果bMPa5%钢种备注1 0001 0901 0401 0001 1201 0409591 00698410141118912101211131210攀钢 PD3随机统计 80 炉鞍

17、钢 PD3随机统计 80 炉(a)攀钢钢轨轨头侧面脱碳层 (0137 mm)( 炉号 301700)法国 UIC900A随机统计 50 炉214轨头踏面中心线硬度经测定轨头踏面中心线硬度结果如表 8 所示 。 从表中可以看出 , 虽然国产与进口钢轨差一个强度 等级 , 但两者轨顶面硬度平均值只相差 13 HB21HB 。另外 , 无论是 进 口 还 是 国 产 钢 轨 , 同 一 炉 钢轨的硬度值波动较小 , 均小于 10 HB 。表 8轨头踏面中心线硬度 ( HB)钢种硬度备注282309296283297288271280275国产 280320进口 260300攀钢 PD3鞍钢 PD3法

18、国 UIC900A检测 5 炉数据检测 4 炉数据 检测 4 炉数据( b)鞍钢钢轨轨头踏面脱碳层 (0152 mm)( 炉号 5D2161)技术要求图 1 钢轨外表脱碳层 ( 100)表 9 脱碳层深度测定mm215 低倍组织国产及进口钢轨的低倍组织中均未见白点 、缩 孔剩余 、内裂 、异金属夹杂物 、翻皮 、分层和肉眼 可见的夹杂 , 也未见轨腰偏析和条纹超标的情况 ,低倍组织正常 。216显微组织在轨头轨角部位和轨腰中和轴部位分别取样进 行显微组织检验 。显微组织均为片状珠光体及少量轨头侧面脱碳层轨头踏面部位脱碳层铁素体呈块状分布的脱碳层深度钢厂012501450138012201620

19、143011901400127015012501450138012701560141012101400121015011501350124011501500129010001250111-攀钢 PD3鞍钢 PD3法国 UIC900A技术要求 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.中国铁道科学第 24 卷102从钢轨脱碳层的典型照片可知 , “暂行技术条件所规定的脱碳层可以分为两个局部 : 即最表层 脱碳程度最严重 , 为近似全脱碳 , 铁素体呈块状在 晶内分布 , 硬度

20、很低 , 对使用的影响也最大 ; 次表 层为铁素体呈网状分布在珠光体组织的晶界上 ; 根据加热设备和工艺的不同 , 二者所占比例也不同 。 结果说明 , 进口轨最浅 , 平均为 0111 mm ; 攀钢轨 次之 , 约为 0124 mm , 鞍钢轨最深约为 0129 mm 。钢轨的脱碳层深度主要与钢坯加热设备与工艺 有关 。钢坯加热温度越高 , 时间越长 , 加热次数越多 , 外表脱碳越深 。鞍钢此次生产的钢轨 , 由于轧 机能力所限 , 对连铸钢坯采用二次加热 , 是造成脱 碳层深度超标的主要原因 。尽管在生产中也对钢坯 进行了防脱碳涂层处理 , 但效果不够理想 。进口钢 轨采用步进式加热炉

21、加热钢坯 (一次加热 , 并严格控制加热温度和 时 间) , 并 采 取 防 脱 碳 涂 层 处 理 ,脱碳程度最严重的层深根本控制在 0110 mm 以内 ,涂层处理 。218 非金属夹杂物从表 10 试验结果可以看出 , 国产 PD3 、进 口 UIC900A 钢轨中的夹杂物等级均符合 “暂行技术条 件规定 。研究说明 , 轨钢中的夹杂物类别 、数量和分布 对钢轨使用中的疲劳性能有着重要的影响 , 尤其是 B 类 (氧化铝) 和 C 类 ( 硅酸盐) 夹杂物 。因此 , 欧洲钢轨标准 ( EN1367421) 规 定 , 无 论 是 高 速 铁 路用轨还是普通铁路用轨 , 均要求 B 类和

22、 C 类夹杂物 小 于 110 级 ( 允 许 5 % 以 下 的 炉 次 小 于 115 级) 。随着炼钢技术的进步 , 到达这样的要求在技 术上是没有问题的 。而所检 钢 轨 中 , 鞍 钢 的 B 类 夹杂物到达了这一要求 ( 110 级) , C 类夹杂物有待努力 ;攀钢的 B 类 、C 类夹杂物均有待努力 。表 10钢轨钢中夹杂物等级钢厂A 类B 类C 类D 类备注2 , 2 ,2 , 1151 , 2 ,115115 , 115 ,015 , 11 , 015 ,110015 , 1国产 210 ,进口 110115 , 115 ,015 , 1115 , 110 ,115015

23、, 1国产 210进口 110115 , 115 ,015 , 1115 , 015 ,015少数情况到达 0120 mm0130 mm ,钢轨仍有较大的差距 。相比之下国内攀钢 PD34 炉鞍钢 PD33 炉钢轨表层脱碳 , 造成外表硬度降低 ,耐磨 、耐进口 UIC900A2 炉剥离性能下降 , 会导致波状磨损的过早出现 , 这对要求平顺性高的客运专线或高速铁路尤为重要 。因 此 , 在开通运行前均应采用打磨列车打磨 , 以除去 表层的脱碳层 , 防止或减缓波磨等伤损的出现 。而 打磨列车每次进刀量一般不超过 0120 mm , 因此从打磨角度讲 , 将钢轨表层脱碳最严重的层深局部控 制在

24、 0120 mm 以内是非常有必要的 。假设正常的钢坯 加热制度达不到这一要求 , 那么应对钢坯进行防脱碳技术要求国产 215国产 210219断裂韧性常温及 - 20 下国产和进口钢轨的断裂韧性试 验结果按化学成分和不同的数 据 处 理 方 法 列 于 表11 。由于试验数据有限 , 未能从统计角度来评价钢 种 的 断 裂 韧 性 , 但 从 试 验 数 据 中 不 难 看 出 , 国 产表 11 国产 PD3 及进口 UIC900A 轨钢的断裂韧性按 EN 规定的方法处理得到按国标规定的方法处理得到的 K1CMPam12 (2)的 K1CMPam12(1)钢种炉号化学成分常温- 20 常温

25、- 20 20214306726D04264D0379F64265F64279C0174 , Si0157 , Mn0189C0177 , Si0162 , Mn0190C0174 , Si0160 , Mn0183C0177 , Si0163 , Mn0192C0172 , Si0134 , Mn1107C0174 , Si0134 , Mn1107-32423518-374239173741391735443917353936172835301530383410313733173443381736413817-42- (37)4144353937103538 (37)39434110394

26、14010攀钢 PD3鞍钢 PD3进口 UIC900A注 : 11 欧洲钢轨标准 EN1367421 规定 , 在与 95 %的割线相交以前未发生 Pop2in 时 , 判据 PmaxPQ 应小于 1110 。对其他类型曲线不规定 PmaxPQ 的标准 。21 国标规定 , 但凡 PmaxPQ 大于 1110 , 测定值无效 。显然 , 按 EN 规定测得的断裂韧性 KIC要比按国标的低 。2110疲劳裂纹扩展速率由表 12 可见 , 国产及进口钢轨疲劳裂纹扩展 速率均满足 “暂行技术条件规定的要求 。PD3 轨钢 的 断 裂 韧 性 基 本 处 于 同 一 水 平 , 而 进 口UIC900

27、A 钢轨的断裂韧性尤其低温断裂韧性要稍高 于国产 PD3 钢轨 。 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 6 期国产 PD3 钢轨与进口钢轨材质性能的比照研究103表 12轨钢疲劳裂纹扩展速率试验结果12 K = 1315 MPam12时的 d ad N (mGc) K = 10 MPam钢厂炉号时的 d ad N(mGc)61351051491061710131012191722135530672202144D0379F64279攀钢鞍钢法国技术要求PD3 (

28、轧态)UIC900A2111 试样拉压疲劳试验结果如图 2 所示 。由此可知 , 攀钢 PD3 、 法国 UIC900A 钢 轨 疲 劳 极 限 - 1 分 别 为 369 MPa ,351 MPa , 前者比后者提高约 5 % 。众所周知 , 钢的 疲劳极限主要取决于其强度 , 因 为 PD3 钢 轨 强 度 等级比 UIC900A 高 , 因此疲劳极限也高 。2112 轨底剩余应力国 产 及 进 口 钢 轨 残 余 应 力 测 试 结 果 见 表 1 3图 2 攀钢 PD3 与法国 UIC900A 轨钢拉压疲劳曲线(负值为压应力) 。由结果可知 , 三种钢轨的轨头顶面和轨底面分布拉应力 ,

29、 轨腰为压应力 , 是典型的 矫直应力分布特征 。另外 , 攀钢 、鞍钢和进口钢轨 轨底最 大 拉 应 力 分 别 为 15414 MPa , 12818 MPa 和10917 MPa , 均 小 于 250 MPa , 满 足 “暂 行 技 术 条 件的要求 。表 13钢轨剩余应力/ MPa轨头部位轨腰部位轨底部位钢厂炉号1234567891011121311110105184110681193188714561139171714131016181610- 119- 51022183614- 1915- 1910- 3811- 202115111319- 2021- 2021- 3715-

30、3317- 1315- 1812- 1714- 1913- 514- 6412- 3817- 2717- 3111- 8314- 1415- 7612- 6113- 8419- 8617- 5419- 3915- 1118- 1016- 4216- 2517- 2312- 1519- 2814- 3319- 1517- 1712- 413- 1110- 817- 1415- 3219- 23185713721741813101611211714511154141281811712109171031830672307804D19964D19976426564279- 512- 2818- 511

31、5- 2711- 2113攀钢鞍钢法国轨底剩余应力均满足 “暂行技术条件的要求 , 鞍钢 、攀钢产 PD3 轨的 KIC 根本相当 , 而 UIC900A 钢轨的低温 KIC 稍高于国产 PD3 钢轨 ; PD3 轨钢的拉 压疲劳极限比法国 UIC900A 高出约 5 % ; 攀钢 PD3 钢 轨 轨 底 残 余 应 力 较 鞍 钢 PD3 钢 轨 略 高 些 , 而 UIC900A 钢轨最低 。3) 进口钢轨的脱碳层深度较浅 , 攀钢钢轨脱 碳层较为稳定 , 而鞍钢钢轨脱碳层有的炉次超过了“暂行技术条件的规定 。4) 与进口钢轨相比 , 国产钢轨在化学成分波 动范围的控制 , 进一步降低轨钢

32、中有害元素 P 及 B 类 、C 类夹杂物的含量 , 钢轨外表脱碳层深度等方面仍有待努力 。3结论1) 所试 验 钢 轨 的 化 学 成 分 , H , O 含 量 , 非金属夹杂物 , 低倍及显微组织均符合 “暂行技术条 件的 要 求 , 力 学 性 能 指 标 超 过 规 定 值 , 其 中 , UIC900A 的 b = 945 MPa 965 MPa , 5 = 11 % 14 % ; 攀钢 PD3 的 b = 1 010 MPa1 060 MPa , 5= 10 %12 % ; 鞍钢 PD3 的 b = 1 020 MPa1 060MPa , 5 = 9 %13 % ; UIC900

33、A , 攀钢及鞍钢 PD3钢轨的踏面硬度分别为 271 HB280 HB , 282 HB309 HB 和 283 HB297 HB 。2)断裂韧性 、裂纹扩展速率 、拉压疲劳以及参考文献铁道部 . 时速 300 km 高速铁路 60 kgm - 1 钢轨暂行技术条件铁道部 . 时速 200 km 客运专线 60 kgm - 1 钢轨暂行技术条件123Z, 1998.Z, 1998.刘学文 , 周清跃 , 张银花 , 陈朝阳 , 周镇国 , 等 . 秦沈客运专线综合试验段进口及国产钢轨试验研究 (阶段研究报告) R ,北京 : 铁道科学研究院 , 2002. 1994-2021 China A

34、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中国铁道科学第 24 卷104铁道技术监督 , 2002 , (12) :9 11.4567詹新伟 , 周清跃 . 钢轨轨底剩余应力限定值的研究 J .Allan M , Zarembski . Improving Rail Steels : New Approaches J . Railway Track & Structures , 1994 , (3) : 12 13.周清跃 , 潘建华 . 国外钢轨开展的新趋势 J . 铁道技术监督 , 1997 , (1

35、) : 13 17.EN1367421 , Railway Application2Track Rail Part 1 : Flat Bottom Symmetricalrailway Rails 46 kgm - 1 and Above Z. 1998.Comparison of and Study on Quality ofImported and Domestic PD3 Ra ilsZHOU Qing2yue1 , ZHAN G Yin2hua2 , CHEN Zhao2yang2 , ZHOU Zhen2guo2(11Research and Development Center ,

36、 China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081 , China21Metal and Chemistry Research Institute , China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081 , China)Abstract : According to the requirements of“Tentative Technical Specifications of 60 kgm - 1 rails used on 200 kmh - 1Passenger Dedicated L

37、ines, the performance of UIC900A , Pangang PD3 and Angang PD3 rail steels is compared and studied . Study results reveal that all three kinds of steel are up to the requirements of the“Tentative Technical Specifica2 tionsin the chemical components , the H and O contents , the non2metal inclusion , t

38、he macro and micro amplificationorgans , break durability , crack expansion rate , pull and press fatigue and rail base residual stress. The mechanics per2 formance index exceeds the specified value . Angang and Pangang produced PD3 rails are roughly the same in KIC . Bu the UIC900A low temperature

39、KIC is a little higher than the domestic ones. The PD3 rail steel is higher than the UIC900A in pull and press fatigue limit by 5 %. The rail base residual stress of Pangang PD3 is a little higher than that of Angang , with UIC900A the lowest . In addition , the imported rail has relatively shallowe

40、r carbon spin2offs while thePangang steel as a stable carbon spin2off layer . But in this some batches of Angang steel exceeds the“Tentative TechnicalSpecifications.Key words :Rail ; Material ; Comparison and study(责任编辑贺振中) 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.