铌在钢轨钢中的应用

    在“轮一轨”系统中，钢轨必须起承载要素和运行导向的作用。轴负载和轨道导向要求轨钢具有特殊的力学和工艺性能。耐磨性与抗拉强度有关，一般制约使用寿命。疲劳强度、韧性、耐应力裂纹和断裂以及焊接性能也都是重要性能。
    1．钢轨的历史一断面，钢种及生产工艺
    自从轨道交通问世以来，已开发出了各钢轨断面适应客运和工业的需求。如今，平底轨、导向轨、电车轨、吊车轨和特殊轨已广泛使用。这些钢轨都采用适合其用途的钢种生产。吊车轨由具有50%的铁素体和50%的珠光体显微组织的中碳钢。700级平底轨钢也是具有铁素体－珠光体显微组织，而900级以上的高强度钢轨钢完全是珠光体。还有用于特殊目的的贝氏体钢轨。
    生产工艺包括炼钢、热轧、热处理和精整。由于采用了现代二次炼钢工艺，冶炼出的轨钢为洁净钢。通过对轨头的检查和脱落试验来达到高洁净度，能明显降低钢轨的损坏，而低氢含量会防止轧后形成白点。采用有槽轧辊热轧工艺必须与最后产品的尺寸公差相匹配。轧制之后，钢轨可以在空气中缓冷（在冷床上）或进行加速冷却，称之为轨头直接淬火工艺。在离线轨头淬火处理钢轨证明可行后，开发了这种在线工艺。作为钢轨全长处理的初步工艺，轨头淬火处理可以追溯到钢轨还与鱼尾板连接在一起的时代。淬火处理的轨头应耐得住车轮对毗邻钢轨的撞击。因此，钢轨只有一小部分必须采用特殊设备进行热处理。如今钢轨是通过焊接连接起来，因此诞生了无接缝轨道。接着，轨头淬火这个想法被动用于钢轨全长淬火。起初，热处理是在远远低于轧机能力的离线设备上进行。目前，在线工艺具有很高的能力，热处理不再是瓶颈。
    2．工艺性能和显微组织
    耐磨性和抗拉强度之间有很清晰的关系。因此，轨钢等级可以根据抗拉强度分类，便于检验和验收。珠光体是显微组织的一个重要特点，因为它具有良好的耐磨性，所以碳成为轨钢中一个重要的合金化元素。然而，不仅珠光体的含量重要，而且其形态，即渗碳层之间的形状和间距也很重要。珠光体组织越细，其强度就越高，同时仍保留合理的韧性。因此，很显然，开发珠光体轨钢应着眼于珠体细化上。钢的显微组织基本上是钢的成分、加工和热处理共同作用的结果。
    大约60年前，曾作为铁路主要产品的700级钢轨可以看作自其问世以来开发的起点。700级钢约含0.5%C，其轨头显微组织约30%为铁素体，70%为珠光体，这是相关局部进行比较。由于轧制后冷床上的钢轨头部进行相当慢的冷却，所以珠光体组织相对要粗。提高强度及耐磨性的第一步是提高碳含量，达到100%珠光体显微组织。
    当今700级钢轨只用轴向负载低的轨道，如道岔轨。在一些地方，如急弯和山区，但主要是用于运载矿石和煤，需要强度大于900级的钢轨；提高约200MPa的抗拉强度会使钢轨的耐磨性及使用寿命增加一倍。
    珠光体钢轨进一步强化到1100～1200Mpa抗拉强度是在使珠光体细化程度提高的基础上进行的。900级钢的连续冷却相变（CCT）图表明，珠光体显微组织的最大强度约1200MPa，说明实现珠光体细化有两种可能。第一，例如通过添加铬，奥氏体向珠光体转变区可向右边移动，在此轨头空冷将奥氏体转变成了窄片间距的细珠光体。
    这种类型是轧制后仍进行空冷的1100级高强度和高耐磨合金钢。第2种可能是可以使轨头进行加速冷却，让900级钢的奥氏体转变成珠光体区向左移动，以实现细珠光体显微组织；在钢成分相同下产生1100～1200Mpa抗拉强度。这种类型是轨头淬火钢轨。轨头热处理和加速冷却可在加热后（离线）或轧制后仍然直接采用奥氏体显微组织进行。
    这是铁路用钢发展历史的大致方向。由于未来发展的需要，所以用铌微合金化以类似方式对结构钢成功地合金化能否提高钢轨质量是今后要研究的课题。