一、研究的背景与问题

    我国铁路钢轨的使用寿命大约只有 5 年，而设计使用年限为 10 年，在广深 高速铁路线路、海南省的铁路以及沿海城市铁路、青藏铁路的盐湖地段等钢轨及 扣件锈蚀严重。美国 Robles 等的研究指出，钢轨基面(钢轨与底面垫板接触面) 在湿润的空气、盐离子和杂散电流存在时会发生严重的腐蚀，使钢轨寿命迅速缩 短至一年甚至以下。随着我国汽车使用数量的与日俱增，大气污染有更加恶化的 趋势。可以推断，今后我国包括钢轨在内的所有钢铁制品的腐蚀现象将变得越来 越严重。

    目前，国际上主要有印度材料科学和工程研究院等开发 NCC(Cr-Cu-Ni 系) 和日本 JFE 开发的耐蚀钢轨。

    因此，针对隧道用轨、海洋气候用轨的迫切要求，钢铁研究总院工程用钢研 究所杨忠民教授团队为主导，联合武钢开展耐蚀钢轨的研发工作，通过成分设计 和工艺控制，率先研制成功高性价比和具有较高耐蚀性能新型钢轨 U68CuCr。该 品种钢轨与现在铁路上普遍使用的 U75V 钢轨相比，在保证钢轨的强度、塑性指标和接触疲劳性能的同时，腐蚀率降低了约 50%。另外，该钢轨在组织细化方面也具有新的突破，与传统的热处理钢只有表面一层细珠光体组织相比，U68CuCr 在正常轧制条件下即能保证钢轨全截面超细珠光体，从而保证的钢轨的各项性能 指标良好。

二、解决问题的思路与技术方案

    耐蚀轨核心技术在，通过化学成分的优化研究和结合生产轧制工艺开发研 究，经过的形变机制、微观组织控制和合金体系的控制范围，以及最终钢轨性能 等深入系统的基础性研究，找出了合金成分变化与微观组织及钢轨性能的一系列控制机制，制订了科学的合金成分体系，从而在世界上首次实现了热轧空冷超细 珠光体(索氏体)钢轨的合金控制体系，并获得了国家专利。同时，充分利用 Cr、Cu、Nb 等具有耐蚀性能特点，在其综合使用性能全面超过 U75V 的同时，使 U68CuCr 钢轨具有了耐腐蚀的优异性能，全面实现了各项合同规定的指标。实验 室 2%NaCl 腐蚀液进行周浸实验结果见图 1，相比较腐蚀率降低超过 50%。图 2为 U68CuCr 和 U75V 微观组织图。图 2 表明，U68CuCr 的珠光体团的尺寸范围为4-24μm 约为 U75V 珠光体团的 1/2 以下。U68CuCr 其珠光体片层的尺寸在 0.08-0.15μm 远低于 U75V 珠光体片层 0.17-0.24μm。珠光体细片层间距使 U68CuCr 钢轨具有较高的耐磨性能。二者相比较，U68CuCr 钢轨的磨耗量降低了 20%以上。

三、主要创新性进展

    该技术核心是通过化学成分的优化，实现钢轨的高强度、高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳性、高韧性目标。具体创新性如下:(1)通过 U68CuCr 成分的调控范围，获得热轧控冷索氏体耐蚀钢轨的生产工艺技术方案，极大地简化了生产工艺过程，仅通过热轧就获得了超细珠光体组 织和细化珠光体团，实现了性能优化和大幅提高耐蚀性的目标。实验室试验和现场挂片试验结果均表明，年耐腐蚀率 U68CuCr/U75V 降低≥50%，于 2012 年获得 国家发明专利一项。(2)钢轨母材、闪光焊及铝热焊的焊接性能通过铁道部型式检验，焊接性 能良好。(3)耐蚀钢轨母材性能指标，力学性能为:钢轨踏面硬度平均值为 312HB， 大于 300HB。轨头抗拉强度平均值为 1058MPa，断后伸长率平均值为 12.8%，与 U75V 钢轨强度级别一致，为 980MPa 级钢轨。钢轨轨头、轨腰及轨底冲击功平均 值分别为 17.9J、8.6J 和 20.8J，全断面冲击功平均值为 16.5J;U68CuCr 残余 应力、疲劳性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率、轨头踏面中心线硬度满足标准 TB/T 3276-2011 中对 U75V 的要求。(4)实验室测试和大瑶山隧道使用结果表明耐磨性优于 U75V。

四、应用情况与效果

    耐蚀钢轨 U68CuCr2012 年 11 月在京广线试铺，多年跟踪表明，U68CuCr的耐蚀性、耐磨性能优于同期铺设的 U75V，截至目前，仍在线上服役。同时， 耐蚀钢轨在京广线、广西防城港等铁路线上应用，用量达到 2000 多吨。耐蚀钢 轨由于其优良的耐蚀性和服役性能，大幅减少了线路运营维护时间和成本，提高了铁路运输效率和保障了运行安全，具有显著的社会效益和经济效益。制定的冶金行业标准 YB/T 4817-2020《热轧耐蚀钢轨》将于 2020 年 10 月 1日正式实施。

信息来源:钢铁研究总院工程用钢研究所专稿