[发明专利]耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮

说明书

技术领域

本发明是一种耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮，它属于一种长寿命的新型钢轨或车轮，具体的说是在钢轨或车轮的非工作面包覆、贴合或安置阳极，并在钢轨或车轮的表面涂覆具有离子导电和缓蚀功能的碱性缓蚀层(代替涂油)，从而实现阴极保护与缓蚀剂相结合的新型电化学保护，消除应力腐蚀或腐蚀疲劳引起耐磨轨轮(或普通轨轮)产生的裂纹或断裂，并消除腐蚀引起的各种故障，大幅度延长轨轮及其配件的使用寿命。本发明打破了电化学防腐蚀与轨轮生产及运用这两个不同技术领域间存在的缺乏沟通之壁垒，从而实现了一项创举。

背景技术

随着铁路运输负荷的加重，钢轨、车轮及轨道配件的损伤愈益严重，使用寿命大幅度下降，给铁路运输增加了巨额的经济负担，给行驶安全带来严重威胁，尤其是重载货运对钢轨和车轮的磨损严重，特别是在曲线段钢轨的侧磨更为严重，已经开发了多种高强度的耐磨钢轨，其耐磨性能比普通钢轨提高了4～5倍，此外对钢轨涂润滑油，也有效地降低了钢轨的侧磨现象。但这两项提高轨轮耐磨性的技术措施，在实施过程中，却带来了危害性更大的裂纹和断裂等严重事故，对钢轨的使用寿命和交通安全的影响，甚至比磨损所造成的损害更为严重。采用高强度高硬度钢材制作的耐磨车轮也存在同样现象。高速客运是当今世界铁路运输的发展趋势，对铁路线的平稳和安全性要求更高，中国铁路多数是客、货共线，要同时满足高速客运和重载货运的要求，难度极大，轨轮的严重损伤已成为制约铁路事业发展的瓶颈。

目前铁路科技部门普遍认为钢轨的耐磨和抗裂(抗剥离)是一对相互制约的矛盾，为了减轻和防止发生断轨等严重事故，主张使钢轨保持适当的磨损状态，限制钢轨硬度和耐磨性的提高，限制涂润滑油，采用增加轮轨间磨耗的办法，磨去不断萌生的微裂纹，依靠这种办法来减少剝离掉块和防止断轨(参阅中国铁道出版社2005年出版的《钢轨的材质性能及相关工艺》一书p103，p105)。铁路科技界认为“产生这些故障的原因是轮轨接触应力超过了材料的屈服极限值，引起材料塑性变形，在反复载荷作用下，塑性变形的累积(疲劳)使钢轨表面产生微裂纹，在法向和切向应力作用下裂纹逐渐扩大，引起剥离掉块或钢轨断裂”(参阅[铁路钢轨损伤机理研究]《中国机械工程》2002.9一文)；“随着材料含碳量、硬度和耐磨性的提高，剥离也越严重”(参阅[车轮剝离性能试验研究]《中国机械工程》2005.4一文)。这里有一个疑问：耐磨钢轨的强度和屈服极限(与普通钢轨相比)有了大幅度提高，按上述分析，在同样的接触应力下，普通钢轨应该更容易产生塑性变形和萌生微裂纹，但为什么裂纹和断轨事故，耐磨钢轨却比普通钢轨严重的多？对此的解释是这样的“普通钢轨由于耐磨性差，产生的微裂纹很快被磨掉了，而耐磨钢轨的硬度高，所产生的微裂纹不会被磨掉，微裂纹逐渐扩展而引起钢轨剥离掉块或断裂”。

上面的技术分析将轨轮裂纹的萌生和扩展，钢轨的断裂，看成是单纯应力和疲劳所引起的破坏，依靠磨耗来减缓裂纹的发展，因此也就无法解决耐磨性和抗裂性之间的矛盾，不能在大幅度提高轨轮耐磨性的同时也提高其抗断裂的性能，顾此失彼，无法做到两全，成为一大技术难关。

要解决上述技术难关，必须首先认清事物的本质。产生裂纹和断轨最主要的原因，是高强度钢极易发生应力腐蚀，这是世界腐蚀科技界早已证明的事实，但在铁路系统却还是一项尚未认知的新问题。环境腐蚀因素和钢轨所承受的应力相叠加(或交替反应)，引起耐磨钢轨裂纹的萌生和迅速扩展，并造成钢轨断裂，在自然环境(尤其是潮湿地区)中长期使用的高强度钢在张应力或交变应力作用下所发生的断裂，几乎全属于应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂现象，因为氧和水这个基本腐蚀介质随时随处都存在，不仅在南方的潮湿环境，即使是气候较干燥的北方，由于昼夜温差大，也会在钢轨表面形成露水、霜冻或雾气，从而提供应力腐蚀或腐蚀疲劳的环境。在腐蚀科技领域，大量使用实践和试验验证都已证明高強度钢对应力腐蚀或腐蚀疲劳存在高度的敏感性。