周劍華 李 闖 任安超 吉 玉 張銀花 齊江華

(1.武漢鋼鐵(集團)公司研究院條材產(chǎn)品研究所 武漢：430080；2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所 北京：100081)

隨著鐵路朝高速、重載以及高密度運營方向發(fā)展，對鋼軌的性能提出了更高的要求。為此國內(nèi)外鋼軌標(biāo)準(zhǔn)對鋼軌質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，在鋼軌的尺寸精度、表面質(zhì)量及內(nèi)在性能(拉伸性能、延伸率、硬度、低倍組織、落錘、殘余應(yīng)力等)上都有明確的技術(shù)要求。

但是，不管國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)(UIC 860)，歐洲鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)(EN 13674)，我國普通鐵路用鋼軌標(biāo)準(zhǔn)(TB/T 2344)，還是我國高速鐵路用鋼軌標(biāo)準(zhǔn)(TB/T 3276)中，對鋼軌斷面的沖擊功都沒有具體要求。為了全面掌握國內(nèi)鋼軌的性能情況，在每年的國產(chǎn)鋼軌質(zhì)量批檢驗中，把鋼軌全斷面縱向沖擊功列為了一個檢驗項目。

本文對國內(nèi)四家鋼軌生產(chǎn)企業(yè)(武鋼、攀鋼、包鋼和鞍鋼)近幾年生產(chǎn)的60kg/m U71Mn(包括U71Mn和U71MnG)和U75V(包括U75V和U75VG)鋼軌的室溫沖擊功進(jìn)行統(tǒng)計分析，為掌握國內(nèi)鋼軌的沖擊性能提供依據(jù)。同時討論了影響鋼軌沖擊功的主要因素，為改進(jìn)鋼軌沖擊性能提供參考。

1 取樣部位及試驗方法

為了分析鋼軌的沖擊功，按圖1所示位置取樣采用擺式?jīng)_擊試驗機(型號為ZBC-1501)進(jìn)行檢驗。其中1～4號為軌頭部位，5～8號為軌腰部位，9～14號為軌底部位，軌頭、軌腰和軌底的沖擊性能為各部位所取試樣沖擊功的平均值。沖擊實驗按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》執(zhí)行。試樣橫斷面尺寸為10mm×10mm，長度為55mm，在試樣中部開2mm深U型缺口(圖1斷面左側(cè)面)，開口方向垂直軋制方向，沖擊試驗溫度為室溫。

2 國產(chǎn)鋼軌軌沖擊功統(tǒng)計

2.1 U71Mn鋼軌沖擊功

國內(nèi)四家鋼廠所生產(chǎn)的U71Mn鋼軌軌頭、軌腰和軌底的沖擊功統(tǒng)計見圖2。從圖中可以看出，軌頭沖擊功平均值為15.65 J，最小值為9 J，最大值為21.5 J。軌腰沖擊功平均值為8.69 J，最小值為6 J，最大值為14.9 J。軌底沖擊功平均值為19.57 J，最小值為12.0 J，最大值為26.5 J。軌底沖功能最高，軌頭次之，軌腰最低。

四家鋼廠U71Mn鋼軌軌頭、軌腰和軌底沖擊功波動范圍和均值見表1?？梢钥闯觯麂搹S生產(chǎn)的U71Mn鋼軌各部位沖擊功的波動范圍和均值基本相同。其中軌頭部位沖擊功的均值相差最大，達(dá)到3.1 J。

圖1 全斷面沖擊試驗取樣位置圖

圖2 U71Mn鋼軌沖擊功統(tǒng)計

表1 國內(nèi)四家鋼廠U71Mn沖擊功對比/J

2.2 U75V鋼軌沖擊功

國內(nèi)四家鋼廠所生產(chǎn)的U75鋼軌軌頭、軌腰和軌底的沖擊功統(tǒng)計見圖3。從圖中可以看出，軌頭沖擊功平均值為14 J，最小值為8.5 J，最大值為24 J。軌腰沖擊功平均值為9.03 J，最小值為4.5 J，最大值為13.5 J。軌底沖擊功平均值為16.28 J，最小值為10.5 J，最大值為21.5 J。軌底沖擊功最高，軌頭次之，軌腰最低。

四家鋼廠U75V鋼軌軌頭、軌腰和軌底沖擊功波動范圍和均值見表2?？梢钥闯觯麂搹SU75V鋼軌各部位沖擊功的波動范圍和均值基本相同，各部位沖擊功的均值相差在1.5 J之內(nèi)。

圖3 U75V鋼軌沖擊功統(tǒng)計

表2 內(nèi)四家鋼廠U75V沖擊功對比 / J

3 U71Mn和U75V鋼軌沖擊功對比分析

U71Mn和U75V鋼軌軌頭、軌腰和軌底的沖擊功對比見圖4，從圖中可以看出，U71Mn鋼軌軌頭和軌底部位的沖擊功均高于U75V鋼軌，而軌腰的沖擊功與U75V鋼軌基本相同。

U71Mn和U75V的化學(xué)成分[1，2]見表3。從表中可以看出，U75V鋼軌(包括U75V和U75VG)的化學(xué)成分中C、Si含量范圍均高于U71Mn鋼軌，并含有一定量的合金元素V，只是Mn含量范圍低于U71Mn。U75V鋼軌的抗拉強度和軌頭頂面布氏硬度均大于U71Mn鋼軌，但其韌性低于U71Mn鋼軌。因此，對于相同斷面的U71Mn和U75V鋼軌，其軌頭和軌底沖擊功的差異主要是由化學(xué)成分引起。

圖4 U71Mn和U75V鋼軌沖擊功對比

由于鋼軌軌腰的金屬來自連鑄坯中間部位，軌腰沖擊功受連鑄坯中心偏析、疏松等冶金缺陷的影響更大，因此表現(xiàn)為U71Mn和U75V鋼軌軌腰的沖擊功基本相同。

表3 U71Mn和U75V鋼軌化學(xué)成分及性能要求

4 鋼軌全斷面沖擊功分布分析

U71Mn和U75V鋼軌全斷面14個部位的平均沖擊功見圖5，從圖中可以看出，U71Mn與U75V各部位的沖擊功變化規(guī)律相似。

軌頭部位的1～4號位置中，1號和4號位置的沖擊功高于2號和3號位置，即距離鋼軌斷面對稱中心線越近，沖擊功越低。這是由于鋼軌軋制變形時，越靠近邊部，壓縮比越大，珠光體組織的片層間距越小，沖擊功越高。并且2號和3號位置的金屬來自靠近鑄坯中間部位的金屬，更容易出現(xiàn)偏析等缺陷。

軌腰部位5～8號位置的沖擊功是整個斷面中最低的。這是因為鑄坯到鋼軌的變形過程中，雖然軌腰的壓縮比最大，但連鑄坯中間部位的金屬流到軌腰，鑄坯中心區(qū)域的偏析、疏松等缺陷會遺傳到鋼軌軌腰。其中5號和6號部位對應(yīng)的是鑄坯中心的金屬，偏析最嚴(yán)重[3，4]，從而導(dǎo)致5號和6號部位的沖擊功最低。

軌底9～12號部位的沖擊功的變化規(guī)律和產(chǎn)生原因與軌頭1～4號部位相似。13和14號位置的沖擊功最高，這是因為其位于軌底邊部，變形過程的壓縮比最大，且其對應(yīng)的是鑄坯的邊部金屬，連鑄質(zhì)量最好，同時該部位在冷卻過程中的冷卻速度最快。

圖5 U71Mn和U75V鋼軌全斷面各部位的沖擊功

5 結(jié)論

(1)國內(nèi)四家鋼廠所生產(chǎn)的U71Mn鋼軌軌頭、軌腰和軌底的沖擊功平均值分別為15.65 J、8.69 J和19.57 J；U75V鋼軌軌頭、軌腰和軌底的沖擊功平均值分別為14 J、9.03 J和16.28 J。軌底沖擊功最高，軌頭次之，軌腰最低，各鋼廠生產(chǎn)的U71Mn和U75V沖擊功的均值和波動范圍相似。

(2)U71Mn鋼軌軌頭和軌底的沖擊功高于U75V鋼軌，軌腰的沖擊功與U75V鋼軌相同。

(3)U71Mn和U75V鋼軌全斷面各部位的沖擊功的變化規(guī)律相似，越靠近鋼軌邊部，壓縮比越大，冷卻速度更快，沖擊功越高；而軌腰部位受鑄坯中心區(qū)域的偏析、疏松等缺陷的影響越小，沖擊功最小。

[1] TB/T 3276-2011，高速鐵路用鋼軌[S].

[2] TB/T 2344-2012，43kg/m～75kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件[S].

[3] 周劍華，任安超，吉玉，等.60kg/m重軌軋制過程斷面金屬流動分析[J]. 武鋼技術(shù)，2012，50(5)：14-16.

[4] 宗偉，高密超，田仲良，等.重軌開坯軋制中金屬質(zhì)點流動的有限元模擬機分析[J].中國材料科技與設(shè)備，2008，(4)：72-74.