在2016年全國軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會上，中國鐵道科學(xué)研究院首席研究員周清躍介紹了我國鐵路用關(guān)鍵材料的研究進展。在鐵路用鋼材中，鋼軌、車輪、車軸、軸承和制動材料最為關(guān)鍵，其研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢如何？

    鋼軌

    鋼軌是軌道交通的重要組成部分。據(jù)周清躍介紹，為滿足我國建設(shè)世界一流高速鐵路的需要，近年來我國鋼軌生產(chǎn)企業(yè)花巨資完成了現(xiàn)代化技術(shù)改造。伴隨中國鐵路的發(fā)展，鋼軌從單重、軌頭廓形、定尺長度到材質(zhì)等方面均取得了長足進步，以適應(yīng)不同運行條件對鋼軌的需求。

    鋼軌生產(chǎn)設(shè)備與工藝。我國主要有攀鋼、鞍鋼、包鋼、武鋼和邯鋼五家鋼軌生產(chǎn)企業(yè)。主要生產(chǎn)設(shè)備包括頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、真空處理爐、大方坯連鑄機、萬能軋制機組、復(fù)合矯直機、鋼軌在線檢測中心和聯(lián)合機床等，采用先進的連鑄、萬能軋制等生產(chǎn)工藝，具有國際先進水平，具備了現(xiàn)代化鋼軌生產(chǎn)能力，可滿足我國高速、重載鐵路等高檔次鋼軌生產(chǎn)需求。

    鋼種的研發(fā)和使用。我國早期使用的鋼軌為碳素鋼軌，強度級別為780MPa。隨著鐵路運輸軸重的不斷加大，運行速度、密度不斷增高，碳素鋼軌的含碳量逐漸提高，強度不斷增大。同時，微合金化在線熱處理技術(shù)也得到發(fā)展。我國鐵路業(yè)通過與冶金業(yè)的共同努力，鋼軌材質(zhì)從880MPa級到1300MPa級，已形成系列。軌型有50kg/m，60kg/m（包括60N）和75kg/m（包括75N），基本滿足高速、重載、客貨混運等不同運輸條件對鋼軌的需求。

    由于珠光體型鋼軌已接近研發(fā)極限，鐵科院于20世紀90年代與鞍鋼合作成功開發(fā)出Si-Cr-Mn-Mo系貝氏體鋼軌，目前已在線路上鋪設(shè)使用。由于貝氏體鋼強韌性能兼?zhèn)?，已在我國道岔上廣泛應(yīng)用。質(zhì)量穩(wěn)定的貝氏體鋼轍叉壽命是高錳鋼的2-4倍。

    近幾年，我國又開發(fā)出含碳量0.90%-1.0%的過共析鋼軌，目前正在鄭州鐵路局貨運線路小半徑曲線上進行使用考核，預(yù)計過共析鋼軌耐磨性能將比1280MPa級熱處理鋼軌提高20%以上。

    鋼軌消費總量。2011年-2015年，國內(nèi)鋼廠向中國鐵路供軌約1389萬噸，其中普速鋼軌958萬噸，高速鋼軌395萬噸，道岔用非對稱斷面鋼軌36萬噸；2013年和2014年供應(yīng)量均超過300萬噸，其他年份約為200萬-280萬噸。各鋼廠每年還有部分鋼軌出口。

    與國外鋼軌技術(shù)水平相比，在高速鐵路用軌方面，我國高速鐵路用鋼軌實物水平已處于國際先進地位，包括幾何尺寸精度、平直度、外觀質(zhì)量等。目前我國修建的高速鐵路全部使用國內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)的百米定尺鋼軌。截至2015年底，已生產(chǎn)和使用高速鐵路用百米定尺鋼軌500萬噸以上。在重載鐵路用軌方面，我國與國外先進水平存在的差距主要體現(xiàn)在鋼種精細化研究方面。例如，日本開發(fā)的過共析珠光體SP3鋼軌，碳含量為0.80%，但通過熱處理，軌面硬度可達到450HB，適用于側(cè)磨比較嚴重的重載鐵路小半徑曲線。目前我國開發(fā)的過共析鋼軌U95Cr，通過在線熱處理后，軌面硬度可達到420HB，但其碳含量大于0.90%。

    周清躍認為，我國高速鐵路全部采用國產(chǎn)百米定尺鋼軌，且應(yīng)用良好，表明我國在鋼軌生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備上已居世界先進水平。在研發(fā)新品種、滿足鐵路發(fā)展需要方面，以下幾點可作為重點方向：新軌頭廓形鋼軌；高強耐磨鋼軌，包括無碳化物貝氏體鋼軌、過共析鋼軌；耐腐蝕鋼軌。在無碳化物貝氏體鋼軌方面，應(yīng)重點解決氫、殘余奧氏體穩(wěn)定性、微觀偏析等問題，滿足可焊、安全使用要求；同時要注重強韌性配合，做到既耐磨又抗疲勞，以延長鋼軌綜合使用壽命。

    車輪

    車輪是輪軌系統(tǒng)中的核心部件之一，其安全可靠性直接影響到運輸安全。因此，車輪材料的性能和質(zhì)量對列車的運行安全具有十分重要的意義。

    目前我國鐵路車輪用材料主要以中碳鋼為主，普通客車和貨車車輪材料為CL60鋼，普通機車車輪材料略有不同，但基本與CL60相近。周清躍認為，目前，我國動車組整車技術(shù)已基本國產(chǎn)化，但作為轉(zhuǎn)向架重要組成部分的走行部輪軸系統(tǒng)還沒有國產(chǎn)化。

    據(jù)周清躍介紹，歐洲和日本等以客運鐵路為主的國家使用的主要是輾鋼車輪。受生產(chǎn)能力和運用觀念等方面的影響，歐洲沒有鑄鋼車輪的運用案例。以貨運鐵路為主的美國廣泛使用的是鑄鋼車輪。此外，鑄鋼車輪在加拿大、印度、巴西、墨西哥等國家也有應(yīng)用，應(yīng)用范圍主要是貨車，也有應(yīng)用于客車和機車的情況。

    一般認為，歐洲采用含碳量較低的技術(shù)路線，目的是保證材料的韌性，以滿足列車高速、安全運行的需要。但是，歐洲近期在車輪研究領(lǐng)域的著眼點是，大幅度提高強度和硬度，目的是提高疲勞性能和耐磨性。日本高速車輪材料一直是含碳量為0.60%-0.75%的高碳鋼，輪輞硬度高。歷經(jīng)40余年的高速運用實踐，不僅具有使用可靠性，車輪凹磨和多邊形也比較輕微。

    周清躍認為，在普通客車、貨車及機車的車輪材料與制造方面，我國與世界先進水平相當，但在高速列車車輪的研究與開發(fā)領(lǐng)域仍有一定差距，我國高速列車車輪材料尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化。

    車輪制造技術(shù)的發(fā)展方向是：采用優(yōu)化配方、改善熱處理工藝等方法，提高重載、高速鐵路用車輪輪輞的硬度，尤其要盡快提高車輪硬度，以減少高鐵運營過程中車輪出現(xiàn)嚴重踏面凹磨和多邊形，延長鏇輪周期、降低維修成本。

    車軸

    車軸是直接關(guān)系到列車運行安全的重要部件之一，它的斷裂將導(dǎo)致列車脫軌。高速、重載機車車輛車軸要保證在所規(guī)定的使用條件下，具有足夠的安全性、可靠性和長的使用壽命。車軸用鋼材應(yīng)具有良好的疲勞強度，因此車軸鋼材的冶金質(zhì)量十分重要。為此，國外已開始較普遍地采用鋼包脫氣、真空冶煉等精煉方法生產(chǎn)車軸用鋼，大幅度提高精煉鋼的疲勞強度和沖擊性能。

    我國車軸制造方面，據(jù)周清躍介紹，我國普通客車、貨車車軸采用的主要鋼種為LZ50中碳鋼；機車車軸少量采用JZ45鋼，以模鑄居多，目前連鑄工藝車軸鋼坯也得到快速推廣。動車組用空心車軸，則采用了中碳合金鋼并進行調(diào)質(zhì)處理的技術(shù)路線，目前主要采用進口材質(zhì)。針對重載運輸快速發(fā)展的需要，國內(nèi)研制開發(fā)了適用于30噸以上重載車輛的新材質(zhì)車軸鋼坯，采用微合金化路線，已經(jīng)在大秦線上進行裝車考核，運用效果良好。更大軸重車軸材料與世界重載發(fā)達國家相比，在性能等方面還有提升空間，需要進一步研究。

    世界上各主要國家車軸材料，分為碳素鋼車軸和合金鋼車軸兩大類。日本采用普通碳素鋼（如S38C）加表面中頻淬火熱處理工藝，相比歐洲采用合金鋼加調(diào)質(zhì)處理工藝而言，日本高速車軸原材料成本低，熱處理工藝控制精度要求高。

    歐洲高速車軸材料一般采用合金鋼（如EA4T），通過采用正火淬火回火熱處理及拋丸強化處理方法，提高車軸的疲勞性能。同時，通過對輪座表面噴涂涂層來提高輪座的抗磨損能力，延長車軸使用壽命。所以，歐洲高速車軸原材料成本高，而熱處理工藝相對簡單。

    據(jù)周清躍介紹，在普速客貨車車軸材質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)方面，我國工藝裝備優(yōu)良，鋼坯冶煉水平較高。但在重載、高速列車車軸的研究與開發(fā)方面起步較晚，與世界一流水平仍有較大差距。我國應(yīng)盡快改變高速鐵路用車軸全部進口的現(xiàn)狀，盡早實現(xiàn)國產(chǎn)化。

    軸承

    鐵路列車軸箱軸承需要在高速、高接觸應(yīng)力和大沖擊載荷狀態(tài)下能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作，因此對軸承材料的可靠性、壽命、穩(wěn)定性提出更高要求。由于歷史原因，我國鐵路軸承用鋼的冶煉方法一直被限定為電渣重溶。經(jīng)過長期研究積累，中國鐵路總公司于2006年組織制定了新的鐵路貨車軸承用鋼技術(shù)條件，涵蓋電渣重熔軸承鋼和真空脫氣軸承鋼。

    周清躍認為，在普通機車車輛用軸承研究與制造領(lǐng)域，我國總體技術(shù)水平基本與世界先進水平相當?，F(xiàn)階段我國高速鐵路列車均采用進口軸承。我國貨車軸承主要采用電渣重熔或真空脫氣的滲碳軸承鋼和高碳鉻軸承鋼，每年用鋼量約4萬噸。近年來，鐵路貨車軸承采用國外較先進的SKF公司技術(shù)標準，軸承壽命由十年提高到15年，大修周期由五年提高到八年，軸承標準的提高帶動了軸承鋼的技術(shù)發(fā)展。

    隨著列車運行速度的提高和載重的增加，各國廣泛使用滲碳鋼制造的圓錐滾子軸承。瑞典SKF、美國鐵姆肯、日本NSK和NTN等公司采用表面滲碳鋼制作圓錐滾子軸承，有效提高了軸承免維護運行里程及其安全可靠性。

    據(jù)周清躍介紹，長期以來，美國、日本、瑞典、德國等軸承生產(chǎn)強國均致力于開發(fā)先進的軸承設(shè)計、制造、密封性能以及潤滑技術(shù)等，以滿足鐵路的使用要求，并在激烈的市場競爭中保持著領(lǐng)先地位。特別是在軸承的基礎(chǔ)性研究、系統(tǒng)性研究和前瞻性研究等方面，這些國家均積累了豐富經(jīng)驗，這也是其保持技術(shù)領(lǐng)先的主要原因，我國應(yīng)在這些方面盡快縮小差距，加快高速列車軸承用鋼的國產(chǎn)化。

    制動材料

    制動系統(tǒng)是列車安全可靠運行的基本保障，盤形制動則是確保高速列車安全最重要的措施之一，尤其是高速列車在其他安全措施出現(xiàn)故障時，只能依靠盤形制動作為安全可靠制動的最后保障。作為盤形制動的兩大關(guān)鍵元件——制動盤和制動閘片，其最基本的功能是吸收制動動能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，在這個過程中，制動盤和閘片的材料、結(jié)構(gòu)和性能不被破壞。

    制動盤。目前國內(nèi)外已開發(fā)出三大類制動盤，即鑄（鍛）鋼制動盤、鋁基復(fù)合材料制動盤和C/C復(fù)合材料制動盤。目前，高速列車制動盤主要采用鋼質(zhì)制動盤。日本以Ni-Cr合金化方式，研究開發(fā)的鍛鋼制動盤可用于275km/h；德國以Cr-Ni-Mo合金化方式，研究開發(fā)的鑄鋼制動盤可適用于350km/h。我國通過對日本和歐洲高速客車鋼制動盤材料的研究，初步掌握了鋼制動盤的制造技術(shù)，基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。

    制動閘片。國外開發(fā)的高速列車盤形制動用閘片主要包括樹脂基閘片和粉末冶金閘片兩類，使用最多的是銅基粉末冶金閘片。粉末冶金閘片分鐵基和銅基兩種。日本的新干線、法國的TGV和德國的ICE高速列車，均采用銅基粉末冶金閘片。我國自主研制和生產(chǎn)的銅基粉末冶金閘片，與國際先進水平之間的差距越來越小，已基本能滿足300km/h以下速度緊急制動的要求。為滿足350km/h以上速度緊急制動的要求，在閘片材料的理論設(shè)計方面，更需要進行基礎(chǔ)研究，尤其是摩擦性能的影響因數(shù)、機理、實現(xiàn)途徑等方面要有所突破。周清躍認為，我國要在制動材料方面開展國產(chǎn)化，以滿足高速鐵路發(fā)展的需要。

    總結(jié)

    周清躍表示，與鐵路技術(shù)發(fā)達國家相比，我國普速鐵路技術(shù)與國外差距不大。由于我國在高速與重載鐵路技術(shù)上起步較晚，在引進、消化、吸收及再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，逐步實現(xiàn)了高速、重載列車與鐵路技術(shù)的國產(chǎn)化，但作為高速與重載列車重要安全部件的基礎(chǔ)材料（如車輪、車軸、軸承等），目前尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化。

    高速與重載鐵路技術(shù)專有性強，核心技術(shù)僅僅掌握在少數(shù)幾個國家，知識產(chǎn)權(quán)壁壘極高。當前，我國高速、重載鐵路發(fā)展的主要障礙之一是關(guān)鍵材料國產(chǎn)化進程滯后，過分依靠國外引進技術(shù)和產(chǎn)品，特別是對速度250km/h以上的高速列車用系列關(guān)鍵材料缺乏技術(shù)儲備。

    為此，我們必須著眼現(xiàn)實、面向未來，著眼材料的高性能化和低成本化，在引進、消化、吸收的基礎(chǔ)上，通過自主創(chuàng)新，提出創(chuàng)新的材料設(shè)計原理和生產(chǎn)工藝，不斷突破高速、重載列車與鐵路關(guān)鍵材料技術(shù)，為我國鐵路事業(yè)的發(fā)展提供保障。

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