[发明专利]一种高速铁路用钢轨及其生产方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速铁路用钢轨及其生产方法和应用。

背景技术

近些年，我国高速铁路经历了历史性的大发展时期，在此期间，已经建成了过万公里的时速200km、250km和时速350km高速铁路系统，基本形成了“四横四纵”高速网络。高速铁路由于列车轴重较轻，需要钢轨强度级别较低，如通常采用HB260级的U71Mn热轧钢轨。但是，该钢轨在高速弯道中的磨损速度较快，需要部分线路开始采用高速热处理钢轨来提高弯道钢轨的使用性能。

在高速线路弯道中，在轮轨早期的接触阶段，由于轮轨匹配度不高，造成其接触应力过大，前期采用热轧钢轨，可以快速地将钢轨轨距角处的金属磨损掉，可以有效地减少疲劳伤损的产生。但是在采用高速热处理钢轨后，由于其强度和耐磨耗性能提高，其轨距角金属不易被磨掉，这样在早期反而会容易造成接触疲劳伤损，影响铁路的运营安全。

针对高速铁路钢轨的科学使用，国内外研究人员在采取不同措施进行改善，以期使钢轨使用更为安全，铁路运输更为顺畅。例如，北美地区的美国、加拿大等通过利用将轨距角处的三段圆弧优化为四段圆弧，使轮轨接触应力更小。国内钢轨研究工作者近些年也开始借鉴北美的技术思路来改善轮轨接触条件，如周清跃、张银花、田常海等发表的“60N钢轨的廓形设计及试验研究”论文中介绍，针对我国铁路多种型面的车轮在线路上混跑的实际情况，为改善轮轨接触关系，减少轮轨接触应力、改善车辆动力学性能，研究设计具有新轨头廓型的60N钢轨。仿真结果表明：60N钢轨与LM，S1002CN和LMA型面车轮接触时的接触点基本在轨头踏面中心区域；60N钢轨的最大接触应力和最大Mises等效应力与60钢轨相比，分别降低约19％和13％。

同时，国内专利CN101921950B“用于高速和准高速铁路的钢轨及其制造方法”中公开了本发明公开了一种用于高速和准高速铁路的钢轨及其制造方法。通过降低碳含量，并配合轧后控制冷却的方式，得到具有优良的滚动接触疲劳性能的钢轨，所述钢轨包含的化学成分以重量计为：0.40％～0.64％的C，0.10％～1.00％的Si，0.30％～1.50％的Mn，少于等于0.025％的P，少于等于0.025％的S，少于等于0.005％的Al，大于0少于等于0.05％的稀土元素，总量大于0且小于等于0.20％的V、Cr和Ti中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。根据该发明的方法制造的钢轨保持了现有高速铁路的钢轨的强度和硬度的同时提高了钢轨的韧塑性和屈服强度，并提高了形成在钢轨表层的疲劳微裂纹萌生及扩展所需的能量值，从而在相同条件下可以改善钢轨的滚动接触疲劳性能，最终提高钢轨的使用寿命和运输安全性。然而该方法虽然提高了高速钢轨的抗接触疲劳性能，但是部分降低了钢轨基体的抗磨耗性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有的货运铁路在使用早期容易出现接触疲劳劳损的现状，提供一种高速铁路用钢轨及其生产方法，该高速铁路用钢轨具有高强度、高耐磨性和高抗接触疲劳性能，尤其在使用前期具有优异的耐磨性能和抗接触疲劳性能。

本发明提供了一种高速铁路用钢轨，该高速铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组织构成，所述轨距角的厚度为3-5mm，硬度为290-319HB，延伸率为13.5-17.0％。

本发明还提供了生产本发明的高速铁路用钢轨的方法，该方法包括：将终轧后的钢轨进行快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温；快速冷却的条件包括：开冷温度为800-880℃，冷却速度为2-10℃/s，终冷温度为360-410℃；快速加热和保温的条件包括：以3.0-4.0℃/s的升温速度将轨距角温度升高至710-810℃并保温2-4min。

本发明另外提供了本发明生产高速铁路用钢轨的方法生产得到的高速铁路用钢轨。

本发明的发明人发现球状珠光体组织由于其较好的塑形性能和稍低的耐磨耗性能非常适合用作轨距角的金相组织，这样的轨距角由于具有更好的塑形性能，能被快速磨掉，形成良好的轮轨接触关系，使钢轨在使用前期具有良好的耐磨耗性能和抗接触疲劳性能。本发明的发明人进一步研究发现，为了得到球状珠光体组织的轨距角，可以在钢轨的生产后期进行特殊的热处理，例如先快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温，能够使轨距角处生成球状珠光体组织。本发明的方法得到的钢轨兼具优异的强度、耐磨性和抗接触疲劳性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明