JFE钢轨用钢产品的研发应用
1 JFE钢轨用钢产品的开发历程
为了提高钢轨的耐磨性，JFE从1978年开始使用离线热处理设备生产头部硬化NHH轨钢。1992年，随着在线热处理设备的应用，开发了头部硬化层更厚、布氏硬度达HB370的THH轨钢。在线热处理技术有效地提高了钢轨的耐磨性和质量稳定性。
2000年，JFE开发了超级珠光体SP轨钢以进一步提高钢轨头部的硬度。2008年，开发出轨头硬度更高、耐磨性更好的超级珠光体SP3轨钢，SP3轨钢可在恶劣的使用环境下，有效降低轨道维护成本。2015年，JFE通过将珠光体片层间距细化到极限，开发出具有优异耐磨性和抗滚动接触疲劳（RCF）性能的SP4轨钢。SP4轨钢头部组织为完全珠光体，珠光体片层间距极细，表面布氏硬度为HB450，即使在距轨头表面0.9in.的深度，其布氏硬度也高于HB400；SP4轨钢抗拉强度约为1500MPa，屈服强度约为1000MPa，延伸率约为12%。图2即为JFE目前主要钢轨用钢产品的研发历程。
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2 贝氏体钢轨的研发应用
因铁路重载化、高速化发展对钢轨的强韧性和耐磨性提出了更高的要求，上世纪80-90年代，JFE（原日本钢管NKK）曾开展过贝氏体钢轨用钢的研发和试制工作。JFE研制的贝氏体型钢轨用钢采用中低碳和Mn-Si-Cr-Mo合金体系，再辅以微合金化元素Nb、V等，其典型化学成分见表1。
JFE研制的贝氏体轨钢抗拉强度最高达到了1430MPa。该公司还对珠光体轨钢和贝氏体轨钢的机械性能进行了对比研究，研究表明贝氏体轨钢具有较高的抗滚动接触疲劳能力和较高冲击韧性、断裂韧性等。当其强度达1400MPa时，其耐磨损性能与1300.0MPa强度级别珠光体型轨钢基本一致，但其滚动接触疲劳抗力至少是1300.0MPa级热处理珠光体轨钢的2倍以上。
在实际使用方面，JFE开发的贝氏体钢轨曾在美国著名的FAST测试线上进行了试验，根据1999年新日铁和日本钢管的公开信息，其开发的硬度260-295HV（维氏硬度）的耐剥离、耐磨损焊接贝氏体钢轨，已在主干线上成功地经历4年的考核，累积通过总重1.5亿吨，但进一步的应用情况未见后续报道。
3 超级珠光体SP（Super Pearlite）钢轨的研发应用
本世纪初，JFE就已开展了超级珠光体钢轨的研发，开发背景是基于当时北美重载铁路每节车厢的载荷约是日本客运列车的2.5倍，需要载荷更高、性能更优异的钢轨产品。为满足客户需求，JFE通过成分微合金化设计和TMCP技术来控制钢轨产品的微观结构，研制出了高强度SP（Super Pearlite，超级珠光体）钢轨，其耐磨性和抗滚动接触疲劳性能RCF明显高于常规热处理钢轨。此后，该公司又陆续开发SP2、SP3、SP4超级珠光体铁路用钢轨，SP4是目前该公司开发的最高级别商用SP系列钢轨。
JFE开发的SP3超级珠光体钢轨碳质量分数为0.81%，采用欠速淬火（ slack-quenching，SQ） 热处理工艺，利用钢轨轧制后的余热直接淬火，然后用压缩空气进行在线喷风冷却，将奥氏体状态的钢轨迅速冷却，得到细化珠光体组织。SP3钢轨表面的片层间距细到0.07µm，表面布氏硬度可以超过HB420。实验室和实际使用的性能测试结果都表明，SP3钢轨的耐磨性比传统HB390级热处理钢轨高10%，焊缝性能与传统热处理钢轨相当，且在缓弯曲试验中，焊缝硬度分布和性能均表现较好。
2015年，JFE开发了硬度更高且珠光体片层间距接近工业极限的SP4钢轨。SP4钢轨的屈服强度（0.2%YS）和抗拉强度分别达到1002MPa和1457MPa，且具有良好的延伸性，平均延伸率与HB370级钢轨相当。
表3为JFE开发的SP4钢轨与HB370级钢轨的典型化学成分的比较。经过转炉精炼和RH脱气工艺，钢水经连铸和热轧后，再采用加速冷却（Super-OLAC）、欠速淬火（SQ）的在线热处理方法生产出具有细化珠光体层状组织的SP4成品轨。
图3为SP4钢轨和HB370级钢轨轨头光学微观结构和扫描电镜微观结构的对比。所有钢轨均表现出完全珠光体的微观结构。SP4在轨头表面处的珠光体片层间距为69nm，在1in.（25.4mm）深度处的珠光体片层间距为81nm。HB370级钢轨在轨头表面处的珠光体片层间距为90nm，在1in.（25.4mm）深度处的珠光体片层间距为130nm。与HB370类钢轨相比，SP4钢轨的珠光体片层间距更加细化。
图4为SP4钢轨和HB370级钢轨的硬度分布比较。SP4钢轨在轨头表面处硬度约为HB450，在22.9mm深度处硬度约为HB400。与HB370级钢轨相比，SP4钢轨通过细化珠光体片层间距可以提高硬度HB65及以上。
图5、图6、图7分别为SP4钢轨和HB370级钢轨的拉伸试验结果。SP4钢轨的屈服强度（0.2%YS）和抗拉强度分别为1002MPa和1457.1MPa，均高于HB370级钢轨。虽然SP4与HB370级钢轨相比具有较高的强度，但SP4的平均延伸率与HB370级钢轨相当。因此，SP4钢轨的延展性良好。
图8为参照AREMA标准采用腹板锯切法测量的SP4钢轨和HB370级钢轨残余应力的位移值测量结果。SP4钢轨残余应力测定结果符合AREMA标准位移值±3.75mm波动范围，其平均值为-2.8mm，与HB370级钢轨的平均值相当（-2.5mm）。
利用双圆盘式滚动接触试验机进行了磨损试验和RCF试验。磨损试验和RCF试验所用的样品取自钢轨轨头。磨损试验是在接触应力为1.2GPa和滑动比为10%的非润滑（干燥）环境下进行的。RCF试验是在接触应力为2.8GPa和滑动比为20%的润滑（油润）环境下进行的。图9为SP4钢轨和HB370级钢轨的磨损试验和RCF试验的结果，SP4钢轨的耐磨性和RCF性能明显优于HB370级钢轨。
JFE和美国BNSF铁路公司在美国内布拉斯加州和爱达荷州的同一段曲线轨道上，交替使用SP3钢轨和传统头部硬化钢轨来进行货运交通试验。一年多的测试结果表明，SP3钢轨在急转弯货运路线上使用时，其寿命将比传统钢轨长10%。于是，2010年2月BNSF铁路公司和JFE签下了第一份SP3钢轨商业订单，购买了约600吨（约9km长）的SP3钢轨。接着，JFE于当年4月向澳大利亚出口了4000吨SP3钢轨，用于力拓集团位于西澳大利亚皮尔巴拉地区的重载铁矿石专用铁路。实践表明，SP3轨钢内部和表面都特别坚固，耐磨性远高于一般的细化珠光体钢轨，可使用户的铁路维护和更换成本大大降低。
SP4钢轨也已在美国交通技术中心（TTCI）的FAST试验线上进行测试，但尚未见工程应用的公开报道。
4 JFE轨钢专利技术概况
通过智慧芽全球专利数据库，对近20年JFE钢轨钢专利技术进行了检索和分析。采用的主要检索策略为：TA_ALL:（rail steel） AND IPC:（C22 OR C21 OR C23） AND ANS:（JFE OR NKK），经人工去重和清洗后，共检出钢轨钢制造和热处理相关发明专利111项，其中有效专利占比67.57%，审中专利占比16.22%，其它失效、期满等占比16.21。图10为JFE钢轨钢专利申请概况。蓝色代表申请总量，绿色表示当前时间段申请专利的被授权量。由图10中数据可知，JFE公司有两个专利申请活跃期，即2004年-2008年以及2014年-2018年，专利申请数量较多，且技术主题主要集中于钢的合金化、材料的热处理工艺和热处理装备以及金属的轧制方法等领域。
JFE公司在我国申请授权的轨钢专利涉及高性能珠光体轨钢的成分设计、冶炼方法、轧制和热处理方法以及空冷贝氏体钢轨的制造方法。其中，1999年公开授权的贝氏体轨钢专利CN1211633A已因未缴年费，专利权已于2001年终止，其它专利均处于有效期内。JFE公司从2008年开始在我国进行珠光体轨钢技术专利的布局，2009年公开授权专利CN101405419A提供了廉价、抗拉强度为1200MPa以上且耐延迟破坏特性优良的高强度珠光体系钢轨的制造方法；2010年公开授权的专利CN101646795A则描述了更详尽的成分设计和制造方法；2019年公开授权专利CN106661651B则阐述了一种添加各种合金元素，头部表层的硬度以及韧性优秀的热处理钢轨的制造方法以及制造装置。
本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》26期B10。