貝氏體鋼在鐵路轍叉中的應用

李國輝，劉洪武

（中鐵山橋集團有限公司，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備，其作用是使火車車輪由一股線路轉換到另一股路線。

轍叉不僅受到來自車輪的周期性沖擊載荷，還會受到橫向縱向滑動產生的靜載荷，轍叉的工作條件及其惡劣，是在鐵路結構中損傷最嚴重的部位，所以對轍叉材料的要求也更為嚴格。隨著交通運輸行業的不斷發展，鐵路逐漸向高速、重載方向發展，對轍叉的使用性能尤其是強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：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。傳統的高錳鋼具有容易加工、加工硬化明顯、方便上線等優點，目前在國內各個鐵路路線上廣泛使用。但高錳鋼轍叉主要是采用鑄造成型，鑄件內部不可避免會存在縮松和縮孔、晶粒粗大等，影響其組織致密性及使用安全性。同時，高錳鋼的熱導率低，焊接過程中容易出現裂紋，維護成本高。很難滿足當前高速重載的使用要求，所以必須研究開發新型轍叉材料。傳統的珠光體鋼，無論是其進行熱處理還合金化處理，性能都很難再提升，已經達到極限[1]。

隨著材料強度的不斷提高，材料的強韌匹配問題越來越受到人們重視。馬氏體組織具有較高的強度，貝氏體/馬氏體復相組織同時具有高強高韌的性能，從而得到越來越多的應用。20世紀80年代開始，人們逐漸開始研究貝氏體鋼軌，由于貝氏體鋼軌性能優異，已在國內轍叉上開始應用。質量穩定的貝氏體鋼轍叉的使用壽命是高錳鋼的2~4倍。貝氏體鋼被認為是替代傳統高錳鋼的最佳材料[2]。

2 貝氏體鋼國內外發展現狀

Mo-B系或Mo系貝氏體鋼，該類型貝氏體鋼是由K.J.Irvine和P.B.Pickering研究的，主要是利用Mo可以使CCT曲線高溫區向右移動，而基本不影響貝氏體轉變，B元素可以使鐵素體轉變溫度降低，而對貝氏體轉變影響較小，但Mo元素價格較高，不利于工程應用。

清華大學方鴻生教授，在20世紀70年代研發出了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變溫度，使過冷奧氏體的穩定性增強，延長孕育期，可使空冷得到貝氏體組織。Mn元素來代替Mo元素，可大大降低鋼的成本，促進了貝氏體鋼軌的發展[3]。

東北大學陳昕團隊和鞍鋼合作開發了無碳化物貝氏體鋼軌鋼，通過研究表明，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，運行結果表明該鋼軌有更好的抗疲勞性能和耐磨性[4]。

3 實驗與結果

3.1 試驗材料及測試方法

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

表1 試驗鋼化學成分（wt%）

力學性能測試方法：將鋼軌加工成圓棒拉伸試樣，在WE-300A液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗；取三個尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，試樣缺口類型為KU2，在JBN-300B沖擊試驗機上進行沖擊試驗；在試樣上取多個點進行了硬度測試，取其平均值作為該試驗鋼的硬度值。

微觀組織表征方法：取10mm×10mm的方形試樣金相試樣，經過不同粒度的砂紙打磨，再進行拋光后，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貝氏體微結構進行觀察，掃描時的加速電壓為20KV。采用線切割從貝氏體鋼上取0.35mm厚薄片試樣，后進行機械減薄，減薄至80μm后進行雙噴減薄，采用JEM-2100F型透射電鏡對樣品進行觀察。

3.2 試驗鋼的力學性能

分別對三種試驗鋼進行了力學性能測試，貝氏體鋼與高錳鋼、珠光體鋼性能對比見表2，貝氏體鋼的抗拉強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 試驗鋼的力學性能比較

3.3 試驗鋼顯微組織觀察

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相組織。可以看出奧氏體組織晶粒較大，三種鋼的晶粒度評級分別為7級、2級、8級。

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

圖2 AB1鋼SEM觀察

對AB1貝氏體鋼在掃描電鏡下進行觀察，如圖2所示，組織為貝氏體+馬氏體復相組織。

圖3是試驗鋼在中溫回火時的透射照片，組織中會產生滲碳體，殘余奧氏體也不能穩定存在，對沖擊不利，所以要保證鋼軌的強韌性，貝氏體鋼應在低溫回火。

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

4 結論及展望

通過對貝氏體鋼軌的研究，得出以下結論：隨著鐵路逐漸向高速、重載方向發展，對轍叉的要求越來越高，迫切需要提高材料的綜合性能，來滿足使用需求。珠光體鋼軌的沖擊韌性較低，珠光體鋼和高錳鋼碳當量高，而貝氏體鋼軌良好的強韌性匹配，由于碳當量低而易焊接。所以，開發出并應用高硬度、高強韌性、長使用壽命的具有優異綜合力學性能的轍叉貝氏體鋼成為當務之急。