我国铁路用关键钢铁材料的研究进展

　　在2016年全国轧钢生产技术会上，中国铁道科学研究院首席研究员周清跃介绍了我国铁路用关键材料的研究进展。在铁路用钢材中，钢轨、车轮、车轴、轴承和制动材料最为关键，其研发现状和发展趋势如何？

　　钢轨

　　钢轨是轨道交通的重要组成部分。据周清跃介绍，为满足我国建设世界一流高速铁路的需要，近年来我国钢轨生产企业花巨资完成了现代化技术改造。伴随中国铁路的发展，钢轨从单重、轨头廓形、定尺长度到材质等方面均取得了长足进步，以适应不同运行条件对钢轨的需求。

　　钢轨生产设备与工艺。我国主要有攀钢、鞍钢、包钢、武钢和邯钢五家钢轨生产企业。主要生产设备包括顶底复吹转炉、炉外精炼、真空处理炉、大方坯连铸机、万能轧制机组、复合矫直机、钢轨在线检测中心和联合机床等，采用先进的连铸、万能轧制等生产工艺，具有国际先进水平，具备了现代化钢轨生产能力，可满足我国高速、重载铁路等高档次钢轨生产需求。

　　钢种的研发和使用。我国早期使用的钢轨为碳素钢轨，强度级别为780MPa。随着铁路运输轴重的不断加大，运行速度、密度不断增高，碳素钢轨的含碳量逐渐提高，强度不断增大。同时，微合金化在线热处理技术也得到发展。我国铁路业通过与冶金业的共同努力，钢轨材质从880MPa级到1300MPa级，已形成系列。轨型有50kg/m，60kg/m（包括60N）和75kg/m（包括75N），基本满足高速、重载、客货混运等不同运输条件对钢轨的需求。

　　由于珠光体型钢轨已接近研发极限，铁科院于20世纪90年代与鞍钢合作成功开发出Si-Cr-Mn-Mo系贝氏体钢轨，目前已在线路上铺设使用。由于贝氏体钢强韧性能兼备，已在我国道岔上广泛应用。质量稳定的贝氏体钢辙叉寿命是高锰钢的2-4倍。

　　近几年，我国又开发出含碳量0.90%-1.0%的过共析钢轨，目前正在郑州铁路局货运线路小半径曲线上进行使用考核，预计过共析钢轨耐磨性能将比1280MPa级热处理钢轨提高20%以上。

　　钢轨消费总量。2011年-2015年，国内钢厂向中国铁路供轨约1389万吨，其中普速钢轨958万吨，高速钢轨395万吨，道岔用非对称断面钢轨36万吨；2013年和2014年供应量均超过300万吨，其他年份约为200万-280万吨。各钢厂每年还有部分钢轨出口。

　　与国外钢轨技术水平相比，在高速铁路用轨方面，我国高速铁路用钢轨实物水平已处于国际先进地位，包括几何尺寸精度、平直度、外观质量等。目前我国修建的高速铁路全部使用国内自主研发生产的百米定尺钢轨。截至2015年底，已生产和使用高速铁路用百米定尺钢轨500万吨以上。在重载铁路用轨方面，我国与国外先进水平存在的差距主要体现在钢种精细化研究方面。例如，日本开发的过共析珠光体SP3钢轨，碳含量为0.80%，但通过热处理，轨面硬度可达到450HB，适用于侧磨比较严重的重载铁路小半径曲线。目前我国开发的过共析钢轨U95Cr，通过在线热处理后，轨面硬度可达到420HB，但其碳含量大于0.90%。

　　周清跃认为，我国高速铁路全部采用国产百米定尺钢轨，且应用良好，表明我国在钢轨生产技术、设备上已居世界先进水平。在研发新品种、满足铁路发展需要方面，以下几点可作为重点方向：新轨头廓形钢轨；高强耐磨钢轨，包括无碳化物贝氏体钢轨、过共析钢轨；耐腐蚀钢轨。在无碳化物贝氏体钢轨方面，应重点解决氢、残余奥氏体稳定性、微观偏析等问题，满足可焊、安全使用要求；同时要注重强韧性配合，做到既耐磨又抗疲劳，以延长钢轨综合使用寿命。

　　车轮

　　车轮是轮轨系统中的核心部件之一，其安全可靠性直接影响到运输安全。因此，车轮材料的性能和质量对列车的运行安全具

　　有十分重要的意义。

　　目前我国铁路车轮用材料主要以中碳钢为主，普通客车和货车车轮材料为CL60钢，普通机车车轮材料略有不同，但基本与CL60相近。周清跃认为，目前，我国动车组整车技术已基本国产化，但作为转向架重要组成部分的走行部轮轴系统还没有国产化。

　　据周清跃介绍，欧洲和日本等以客运铁路为主的国家使用的主要是辗钢车轮。受生产能力和运用观念等方面的影响，欧洲没有铸钢车轮的运用案例。以货运铁路为主的美国广泛使用的是铸钢车轮。此外，铸钢车轮在加拿大、印度、巴西、墨西哥等国家也有应用，应用范围主要是货车，也有应用于客车和机车的情况。

　　一般认为，欧洲采用含碳量较低的技术路线，目的是保证材料的韧性，以满足列车高速、安全运行的需要。但是，欧洲近期在车轮研究领域的着眼点是，大幅度提高强度和硬度，目的是提高疲劳性能和耐磨性。日本高速车轮材料一直是含碳量为0.60%-0.75%的高碳钢，轮辋硬度高。历经40余年的高速运用实践，不仅具有使用可靠性，车轮凹磨和多边形也比较轻微。

　　周清跃认为，在普通客车、货车及机车的车轮材料与制造方面，我国与世界先进水平相当，但在高速列车车轮的研究与开发领域仍有一定差距，我国高速列车车轮材料尚未实现国产化。

　　车轮制造技术的发展方向是：采用优化配方、改善热处理工艺等方法，提高重载、高速铁路用车轮轮辋的硬度，尤其要尽快提高车轮硬度，以减少高铁运营过程中车轮出现严重踏面凹磨和多边形，延长镟轮周期、降低维修成本。

　　车轴

　　车轴是直接关系到列车运行安全的重要部件之一，它的断裂将导致列车脱轨。高速、重载机车车辆车轴要保证在所规定的使用条件下，具有足够的安全性、可靠性和长的使用寿命。车轴用钢材应具有良好的疲劳强度，因此车轴钢材的冶金质量十分重要。为此，国外已开始较普遍地采用钢包脱气、真空冶炼等精炼方法生产车轴用钢，大幅度提高精炼钢的疲劳强度和冲击性能。

　　我国车轴制造方面，据周清跃介绍，我国普通客车、货车车轴采用的主要钢种为LZ50中碳钢；机车车轴少量采用JZ45钢，以模铸居多，目前连铸工艺车轴钢坯也得到快速推广。动车组用空心车轴，则采用了中碳合金钢并进行调质处理的技术路线，目前主要采用进口材质。针对重载运输快速发展的需要，国内研制开发了适用于30吨以上重载车辆的新材质车轴钢坯，采用微合金化路线，已经在大秦线上进行装车考核，运用效果良好。更大轴重车轴材料与世界重载发达国家相比，在性能等方面还有提升空间，需要进一步研究。

　　世界上各主要国家车轴材料，分为碳素钢车轴和合金钢车轴两大类。日本采用普通碳素钢（如S38C）加表面中频淬火热处理工艺，相比欧洲采用合金钢加调质处理工艺而言，日本高速车轴原材料成本低，热处理工艺控制精度要求高。

　　欧洲高速车轴材料一般采用合金钢（如EA4T），通过采用正火淬火回火热处理及抛丸强化处理方法，提高车轴的疲劳性能。同时，通过对轮座表面喷涂涂层来提高轮座的抗磨损能力，延长车轴使用寿命。所以，欧洲高速车轴原材料成本高，而热处理工艺相对简单。

　　据周清跃介绍，在普速客货车车轴材质及生产技术方面，我国工艺装备优良，钢坯冶炼水平较高。但在重载、高速列车车轴的研究与开发方面起步较晚，与世界一流水平仍有较大差距。我国应尽快改变高速铁路用车轴全部进口的现状，尽早实现国产化。

　　轴承

　　铁路列车轴箱轴承需要在高速、高接触应力和大冲击载荷状态下能够连续、稳定、可靠地工作，因此对轴承材料的可靠性、寿命、稳定性提出更高要求。由于历史原因，我国铁路轴承用钢的冶炼方法一直被限定为电渣重溶。经过长期研究积累，中国铁路总公司于2006年组织制定了新的铁路货车轴承用钢技术条件，涵盖电渣重熔轴承钢和真空脱气轴承钢。

　　周清跃认为，在普通机车车辆用轴承研究与制造领域，我国总体技术水平基本与世界先进水平相当。现阶段我国高速铁路列车均采用进口轴承。我国货车轴承主要采用电渣重熔或真空脱气的渗碳轴承钢和高碳铬轴承钢，每年用钢量约4万吨。近年来，铁路货车轴承采用国外较先进的SKF公司技术标准，轴承寿命由十年提高到15年，大修周期由五年提高到八年，轴承标准的提高带动了轴承钢的技术发展。

　　随着列车运行速度的提高和载重的增加，各国广泛使用渗碳钢制造的圆锥滚子轴承。瑞典SKF、美国铁姆肯、日本NSK和NTN等公司采用表面渗碳钢制作圆锥滚子轴承，有效提高了轴承免维护运行里程及其安全可靠性。

　　据周清跃介绍，长期以来，美国、日本、瑞典、德国等轴承生产强国均致力于开发先进的轴承设计、制造、密封性能以及润滑技术等，以满足铁路的使用要求，并在激烈的市场竞争中保持着领先地位。特别是在轴承的基础性研究、系统性研究和前瞻性研究等方面，这些国家均积累了丰富经验，这也是其保持技术领先的主要原因，我国应在这些方面尽快缩小差距，加快高速列车轴承用钢的国产化。

　　制动材料

　　制动系统是列车安全可靠运行的基本保障，盘形制动则是确保高速列车安全最重要的措施之一，尤其是高速列车在其他安全措施出现故障时，只能依靠盘形制动作为安全可靠制动的最后保障。作为盘形制动的两大关键元件——制动盘和制动闸片，其最基本的功能是吸收制动动能并将之转化为热能散发到空气中，在这个过程中，制动盘和闸片的材料、结构和性能不被破坏。

　　制动盘。目前国内外已开发出三大类制动盘，即铸（锻）钢制动盘、铝基复合材料制动盘和C/C复合材料制动盘。目前，高速列车制动盘主要采用钢质制动盘。日本以Ni-Cr合金化方式，研究开发的锻钢制动盘可用于275km/h；德国以Cr-Ni-Mo合金化方式，研究开发的铸钢制动盘可适用于350km/h。我国通过对日本和欧洲高速客车钢制动盘材料的研究，初步掌握了钢制动盘的制造技术，基本实现国产化。

　　制动闸片。国外开发的高速列车盘形制动用闸片主要包括树脂基闸片和粉末冶金闸片两类，使用最多的是铜基粉末冶金闸片。粉末冶金闸片分铁基和铜基两种。日本的新干线、法国的TGV和德国的ICE高速列车，均采用铜基粉末冶金闸片。我国自主研制和生产的铜基粉末冶金闸片，与国际先进水平之间的差距越来越小，已基本能满足300km/h以下速度紧急制动的要求。为满足350km/h以上速度紧急制动的要求，在闸片材料的理论设计方面，更需要进行基础研究，尤其是摩擦性能的影响因数、机理、实现途径等方面要有所突破。周清跃认为，我国要在制动材料方面开展国产化，以满足高速铁路发展的需要。

　　总结

　　周清跃表示，与铁路技术发达国家相比，我国普速铁路技术与国外差距不大。由于我国在高速与重载铁路技术上起步较晚，在引进、消化、吸收及再创新的基础上，逐步实现了高速、重载列车与铁路技术的国产化，但作为高速与重载列车重要安全部件的基础材料（如车轮、车轴、轴承等），目前尚未实现国产化。

　　高速与重载铁路技术专有性强，核心技术仅仅掌握在少数几个国家，知识产权壁垒极高。当前，我国高速、重载铁路发展的主要障碍之一是关键材料国产化进程滞后，过分依靠国外引进技术和产品，特别是对速度250km/h以上的高速列车用系列关键材料缺乏技术储备。

　　为此，我们必须着眼现实、面向未来，着眼材料的高性能化和低成本化，在引进、消化、吸收的基础上，通过自主创新，提出创新的材料设计原理和生产工艺，不断突破高速、重载列车与铁路关键材料技术，为我国铁路事业的发展提供保障。