簡析元素在鋼軌材料中的作用及傷損影響

【摘要】在我國，高速、重載鐵路運(yùn)輸因接觸疲勞導(dǎo)致車輪、鋼軌的服役壽命嚴(yán)重降低。隨著鐵路客貨運(yùn)量的增大和列車速度的提高，輪軌滾動接觸疲勞所造成的破壞變得越來越嚴(yán)重，它不僅大大增加鐵路的運(yùn)營成本，而且直接危害行車安全。

【關(guān)鍵詞】元素；鋼軌傷損；合金

一、引言

不同元素在鋼軌中有不同的作用：C，Si，Mn是基木元素，它們是鋼軌材料的主要構(gòu)成0，H等是有害元素，應(yīng)該盡量減少；如V，Ti，RE等是合金元素，它們是為了提高鋼軌材料不同性能而添加的。

二、碳在鋼軌中的作用

鐵素體和滲碳體這兩個相組成了對組織的影響珠光體“隨鋼中的含碳量的增加，鋼中珠光體的含量是隨之增加的”如果含碳量處于0.77%水平時，整個組織全部為珠光體組織，它是軟韌的鐵素體基體上滲碳體以細(xì)片狀的形式分布，從而由滲使得鐵素體得到強(qiáng)化，這時的珠光體組織也就越細(xì)，強(qiáng)度也就越高，如果含碳量超過共析成分一定程度時，自碳體相就會在鋼的組織中產(chǎn)生，這會對鋼軌使用性能產(chǎn)生極為不利的影響。

三、硅在鋼軌中的作用

鋼中常見的另一種元素是硅″鋼中的51根據(jù)含量不同，可以分為以夾雜物形式殘存于鋼中的形態(tài)，或是在鋼中以合金元素的作用而存的形態(tài)。

（1）在鋼的Si作為雜質(zhì)元素冶煉過程中存下來，是伴隨著脫氧劑硅鐵而進(jìn)入鋼中或者由生鐵中殘留帶來，這時的硅以一種雜質(zhì)元素形式而存在與鋼種，其含量于0.40%，因?yàn)楣枧c氧具有很強(qiáng)的親合力，所以將其作為脫氧劑，硅鐵在煉鋼時加入鋼中，形成5102氧化物，在鋼中以非金屬夾雜物的形式殘存，脆的特性，疲勞傷損的核心往往是其嚴(yán)重聚集的情況下產(chǎn)生的這種氧化物具有硬而鋼的質(zhì)量也就必然受。

（2）作為合金元素的影響對組織的影響，一方面，鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度會因?yàn)楣瓒岣?，從而?dǎo)致較高的溫度下進(jìn)行，其他金屬元素在鋼中與硫化合而生成硫化物”在鋼錠生產(chǎn)的凝固過程中，較多的硫化物夾雜會在鋼液最后凝固的部分聚集，最終出現(xiàn)不均勻的鋼的宏觀組織在鋼液凝固時，一些硫化物溶點(diǎn)較低（如FeS）會沿晶界析出，會造成一些組織呈連續(xù)的或不完全連續(xù)的網(wǎng)狀：而一些硫化物的熔點(diǎn)較高（如MnSC），在鋼液凝固以前或凝固過程中就會在晶粒內(nèi)部形成顆粒狀的夾雜物分布，或使得組織在晶界上呈現(xiàn)出不連續(xù)的網(wǎng)狀。

a.硫?qū)︿摰膹?qiáng)度而言影響不大，但硫化物夾雜的存在降低了鋼的塑性和韌性，特別是經(jīng)軋制后，由于硫化物被沿某一個防線延伸，而使鋼產(chǎn)生了不同程度的方向性.橫向的塑性和韌性隨鍛軋比的增加而降低更多。

b.FeS具有比較低的熔點(diǎn)，容易導(dǎo)致連續(xù)的網(wǎng)狀組織在晶界上形成，因此過熱和過燒在鍛軋加熱時比較容易出現(xiàn)，這就會在鍛軋過程中在鋼的表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫，出現(xiàn)開裂而報廢的現(xiàn)象。

c.硫易于導(dǎo)致焊縫熱裂的同時，在焊接過程中，硫易于氧化而生成SO₂氣體逸出，導(dǎo)致氣孔和疏松在焊接金屬中出現(xiàn)，因此提高鋼的焊接性需要減少硫的存在。

d.有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，“/白點(diǎn)0的概率會因?yàn)榱虻拇嬖诙a(chǎn)生減少，所以硫在軌鋼中的含量應(yīng)當(dāng)適當(dāng)”為此，在歐洲鋼軌標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中：硫的下限為0.008%。

四、磷的作用

在煉鋼過程中，不能除盡的另一種元素是磷“這是一種有害的雜質(zhì)元素必須加以限制”但是，在需要提高鋼的抗大氣腐蝕性能的情況下，提高其在鋼中的含量（特別是在含有Cu的情況下）會有比較好的效果，一般的規(guī)定是：磷在鋼軌中的含量應(yīng)小于0.030%。

（一）對于鋼組織的影響

在鐵素體中，磷的溶解度可達(dá)2.55%（1049.C），溶解度隨著溫度的降低而減少，對于某些鋼容易造成磷偏析，均勻的組織是很困難得到的，要對其組織有所改善的話，只能采用長時間的擴(kuò)散退火得辦法。

（二）對鋼性能的影響

a.在鐵素體當(dāng)中磷會固溶，從而產(chǎn)生強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度的效果，但塑性會由此降低的轉(zhuǎn)變，因此，當(dāng)冷卻條件一般時，較細(xì)的珠光體組織不容易得到”另一方面，鋼的導(dǎo)熱性會由于硅變環(huán)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的鋼的脫碳傾向，所以升溫速度在加熱時不宜太陜.硅還可能導(dǎo)致加熱過程中鐵素體的晶粒粗化。

b.硅對鋼機(jī)械性能的影響

首先，硅可以提高鋼的強(qiáng)度“硅是一種常見的強(qiáng)化元素，硅的含量高則鋼軌硬度就比較高，彈性極限屈強(qiáng)比！強(qiáng)度極限之比和疲勞強(qiáng)度也會因此而增高”這也是硅鋼和硅錳鋼被選擇用來制造彈簧鋼的主要原因所在，硅可以提高鋼的耐磨性能，這是磨擦發(fā)熱時的氧化作用可以由于硅的存在而減少和鋼的冷變形硬化率會因Si提高的關(guān)系“鋼的焊接性能會因硅而降低”主要是鐵與氧的親合力沒有Si強(qiáng)，因此低熔點(diǎn)的硅酸鹽在焊接時容易出現(xiàn)，溶渣和熔化金屬的流動性由此增加而引起較嚴(yán)重的噴濺現(xiàn)象，直接使焊縫的質(zhì)量受到影響“高矽軌在國內(nèi)也有過研究，硅含量在0.75%到1.15%之間，耐磨性能能最好，但其生產(chǎn)和焊接困難，現(xiàn)已基本停止生產(chǎn)和使用了”大量的gSOMPa級的微合金鋼軌目前在鐵路上已得到使用，如U75V（u75V），USNbRE（BNbRE），其中51含量水平為0.50—0.90%，均是作為合金元素加入，一方面提高強(qiáng)度改善耐磨性能，另一方面又能兼顧其焊接性能。