貝氏體鋼在鐵路轍叉中的應(yīng)用

李國(guó)輝，劉洪武

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066200）

鐵路轍叉是鐵路線上的一種軌線平面交叉設(shè)備，其作用是使火車(chē)車(chē)輪由一股線路轉(zhuǎn)換到另一股路線。

轍叉不僅受到來(lái)自車(chē)輪的周期性沖擊載荷，還會(huì)受到橫向縱向滑動(dòng)產(chǎn)生的靜載荷，轍叉的工作條件及其惡劣，是在鐵路結(jié)構(gòu)中損傷最嚴(yán)重的部位，所以對(duì)轍叉材料的要求也更為嚴(yán)格。隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路逐漸向高速、重載方向發(fā)展，對(duì)轍叉的使用性能尤其是強(qiáng)度和硬度提出了更高的要求。

1 鋼軌材料

鋼軌鋼可以分成以下幾類(lèi)：珠光體、奧氏體、貝氏體型鋼軌。目前，全世界鐵路轍叉90%以上是高錳鋼鑄造轍叉。傳統(tǒng)的高錳鋼具有容易加工、加工硬化明顯、方便上線等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)各個(gè)鐵路路線上廣泛使用。但高錳鋼轍叉主要是采用鑄造成型，鑄件內(nèi)部不可避免會(huì)存在縮松和縮孔、晶粒粗大等，影響其組織致密性及使用安全性。同時(shí)，高錳鋼的熱導(dǎo)率低，焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋，維護(hù)成本高。很難滿足當(dāng)前高速重載的使用要求，所以必須研究開(kāi)發(fā)新型轍叉材料。傳統(tǒng)的珠光體鋼，無(wú)論是其進(jìn)行熱處理還合金化處理，性能都很難再提升，已經(jīng)達(dá)到極限[1]。

隨著材料強(qiáng)度的不斷提高，材料的強(qiáng)韌匹配問(wèn)題越來(lái)越受到人們重視。馬氏體組織具有較高的強(qiáng)度，貝氏體/馬氏體復(fù)相組織同時(shí)具有高強(qiáng)高韌的性能，從而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，人們逐漸開(kāi)始研究貝氏體鋼軌，由于貝氏體鋼軌性能優(yōu)異，已在國(guó)內(nèi)轍叉上開(kāi)始應(yīng)用。質(zhì)量穩(wěn)定的貝氏體鋼轍叉的使用壽命是高錳鋼的2~4倍。貝氏體鋼被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)高錳鋼的最佳材料[2]。

2 貝氏體鋼國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

Mo-B系或Mo系貝氏體鋼，該類(lèi)型貝氏體鋼是由K.J.Irvine和P.B.Pickering研究的，主要是利用Mo可以使CCT曲線高溫區(qū)向右移動(dòng)，而基本不影響貝氏體轉(zhuǎn)變，B元素可以使鐵素體轉(zhuǎn)變溫度降低，而對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響較小，但Mo元素價(jià)格較高，不利于工程應(yīng)用。

清華大學(xué)方鴻生教授，在20世紀(jì)70年代研發(fā)出了Mn-B系貝氏體鋼，Mn可以提高鋼的淬透性，大幅度降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，使過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，延長(zhǎng)孕育期，可使空冷得到貝氏體組織。Mn元素來(lái)代替Mo元素，可大大降低鋼的成本，促進(jìn)了貝氏體鋼軌的發(fā)展[3]。

東北大學(xué)陳昕團(tuán)隊(duì)和鞍鋼合作開(kāi)發(fā)了無(wú)碳化物貝氏體鋼軌鋼，通過(guò)研究表明，加入適量的Si元素，可以抑制組織中碳化物的析出，由于組織中殘余奧氏體代替了的碳化物，所以使貝氏體鋼仍能保持高韌性，該鋼軌并已成功鋪設(shè)，運(yùn)行結(jié)果表明該鋼軌有更好的抗疲勞性能和耐磨性[4]。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

試驗(yàn)所用珠光體鋼軌為包鋼生產(chǎn)，貝氏體鋼軌采用鞍鋼生產(chǎn)，高錳鋼為中鐵山橋生產(chǎn)的，鋼軌成分分別滿足TB/T2344-2012《43kg m~75kg m鋼軌訂貨技術(shù)條件》、Q/JH013-2013《貝氏體鋼軌技術(shù)條件》、TB/T447-2004《高錳剛轍叉技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)》，試驗(yàn)鋼成分如表1所示。由表可知，貝氏體鋼碳當(dāng)量最低，焊接性能較好。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（wt%）

力學(xué)性能測(cè)試方法：將鋼軌加工成圓棒拉伸試樣，在WE-300A液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；取三個(gè)尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，試樣缺口類(lèi)型為KU2，在JBN-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；在試樣上取多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了硬度測(cè)試，取其平均值作為該試驗(yàn)鋼的硬度值。

微觀組織表征方法：取10mm×10mm的方形試樣金相試樣，經(jīng)過(guò)不同粒度的砂紙打磨，再進(jìn)行拋光后，采用濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡下觀察試樣的顯微組織。采用VEGA3 TESCAN型掃描電子顯微鏡對(duì)貝氏體微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，掃描時(shí)的加速電壓為20KV。采用線切割從貝氏體鋼上取0.35mm厚薄片試樣，后進(jìn)行機(jī)械減薄，減薄至80μm后進(jìn)行雙噴減薄，采用JEM-2100F型透射電鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察。

3.2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

分別對(duì)三種試驗(yàn)鋼進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，貝氏體鋼與高錳鋼、珠光體鋼性能對(duì)比見(jiàn)表2，貝氏體鋼的抗拉強(qiáng)度是高錳鋼和珠光體鋼的1.5倍左右，硬度是1.5~2倍，沖擊韌性也較高。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能比較

3.3 試驗(yàn)鋼顯微組織觀察

圖1分別為三種鋼的金相組織，U71Mn為珠光體組織，ZGMn13為奧氏體組織，AB1為貝氏體和馬氏體復(fù)相組織。可以看出奧氏體組織晶粒較大，三種鋼的晶粒度評(píng)級(jí)分別為7級(jí)、2級(jí)、8級(jí)。

圖 1 試驗(yàn)鋼組織 a)U71Mn（500X） b)ZGMn13（100X） c)AB1（500X）

圖2 AB1鋼SEM觀察

對(duì)AB1貝氏體鋼在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，如圖2所示，組織為貝氏體+馬氏體復(fù)相組織。

圖3是試驗(yàn)鋼在中溫回火時(shí)的透射照片，組織中會(huì)產(chǎn)生滲碳體，殘余奧氏體也不能穩(wěn)定存在，對(duì)沖擊不利，所以要保證鋼軌的強(qiáng)韌性，貝氏體鋼應(yīng)在低溫回火。

圖3 AB1樣品中溫回火滲碳體的透射觀察a)明場(chǎng)像 b)暗場(chǎng)像 c)選區(qū)衍射花樣

4 結(jié)論及展望

通過(guò)對(duì)貝氏體鋼軌的研究，得出以下結(jié)論：隨著鐵路逐漸向高速、重載方向發(fā)展，對(duì)轍叉的要求越來(lái)越高，迫切需要提高材料的綜合性能，來(lái)滿足使用需求。珠光體鋼軌的沖擊韌性較低，珠光體鋼和高錳鋼碳當(dāng)量高，而貝氏體鋼軌良好的強(qiáng)韌性匹配，由于碳當(dāng)量低而易焊接。所以，開(kāi)發(fā)出并應(yīng)用高硬度、高強(qiáng)韌性、長(zhǎng)使用壽命的具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的轍叉貝氏體鋼成為當(dāng)務(wù)之急。