超低鋁貝氏體道岔鋼的研究與開發(fā)①

陳子坤，呂紀永，王忠英，施　楓

(1．鋼鐵研究總院華東分院，江蘇 淮安　223002；2.常熟市龍騰特種鋼有限公司，江蘇 常熟　215511)

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超低鋁貝氏體道岔鋼的研究與開發(fā)①

陳子坤1，呂紀永2，王忠英1，施楓1

(1．鋼鐵研究總院華東分院，江蘇 淮安223002；2.常熟市龍騰特種鋼有限公司，江蘇 常熟215511)

介紹了超低鋁貝氏體道岔鋼的研究、設計思路及開發(fā)意義，針對超低鋁鋼的生產控制提出了主要工藝措施。

道岔鋼;超低鋁；貝氏體

引　言

道岔是鐵路軌道結構的重要組成部件，在機車通過時將受到巨大的車輪沖擊載荷，此時除了受到的靜載荷大大增加外，還將承受相當于靜載荷2～5倍的動載荷，工作條件極為苛刻，因此對道岔用鋼的性能要求非常高。目前，鐵路道岔主要有兩種：—種是高碳鋼組合道岔，用普通高碳鋼軌加工，通過螺栓緊固而成，這種道岔不耐磨，且螺栓易松動，常常會在螺紋孔處形成裂紋等缺陷，導致壽命大幅度縮短；另一種是高錳鋼整體澆鑄道岔，它廣泛鋪設在中國鐵路主要干線上，是中國鐵路道岔的主要類型。隨著中國國民經濟的發(fā)展，鐵路運量迅猛增加，鐵路建設將向著高速、重載的方向發(fā)展，傳統(tǒng)高錳鋼整體澆鑄道岔已不能滿足中國鐵路發(fā)展的需要，根據國家中長期鐵路建設規(guī)劃，開發(fā)使用性能更好、壽命更長的道岔用鋼具有重要意義。隨著冶金技術的發(fā)展和高速鐵路的發(fā)展，各國都致力于開發(fā)高合金貝氏體道岔鋼[1]，本文主要介紹的是超低鋁貝氏體道岔鋼的研究與開發(fā)。

1　鐵路道岔鋼的開發(fā)過程及現狀

1.1國外鐵路道岔鋼的開發(fā)過程及最新動態(tài)

鐵路道岔是鐵路構成中的重要部分，也是鐵路連接與變道的最為關鍵的單獨環(huán)節(jié)，其作為鐵路線路中的薄弱環(huán)節(jié)，在鐵路運行過程中承受來自不同方向的列車對其的作用力，一般要求道岔鋼軌的技術性能要優(yōu)于區(qū)間鋼軌的性能，如具有良好的無縫焊接性能，更高的強度和抗疲勞壽命性能，具有良好的韌性，以提高鐵路運行的安全可靠性。為了滿足這些要求，國外如德國、法國等一些發(fā)達國家在道岔軌道材質選擇時遵從以下原則[2]：1)良好的可焊接性，包括道岔與區(qū)間軌道的焊接； 2)具有均勻的高強度、高硬度、高韌性，且性能要優(yōu)于區(qū)間鋼軌。如德國鐵路道岔注重道岔鋼軌強度性能要優(yōu)于區(qū)間鋼軌，一般采取對鋼軌通長進行淬火處理，其強度可達1100 MPa等級；日本根據其國內地形與氣溫因素，在不同路段的使用要求不同，因地選擇，鐵路道岔多采用強度在800～1100 MPa 之間等級的鋼軌[3]。

因此高合金貝氏體化成為道岔鋼開發(fā)的主流方向，合金體系設計是開發(fā)高速重載鐵路鋼的先決條件，高品質道岔鋼的生產工藝是開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，對于貝氏體鋼道岔主要以低碳高硅錳合金體系為主(w(C)：0.2%～0.4 %),添加Cr，Mo，Ni，B等合金元素，各國所試驗的貝氏體道岔心軌的名義成分如表1所示[4]。

1.2國內對鐵路道岔鋼的迫切需求與開發(fā)現狀

根據現有的鋼鐵冶金和熱處理加工制造的工藝水平和能力，道岔鋼軌先后選用U71Mn，U75V軌，高速鐵路鋼軌選用性能較好的以PD3為代表的鋼產品，基本都是在傳統(tǒng)的高錳鋼中加入V元素進行微合金強化，來提高強度和綜合性能，所加工的道岔目前廣泛應用在中國各大鐵路主干線上，但同時受其初始硬度偏低(170～230 HB)， 冶金過程不可避免的縮孔、疏松等低倍質量缺陷，以及高碳鋼材質焊接性差等因素的影響，導致了高錳鋼整體澆鑄道岔強度不足，質量不能穩(wěn)定控制，成本高等問題的產生。隨著高速重載鐵路的進展，由于高錳鋼整體澆鑄道岔在使用過程中存在的一些不足，迫切需要眾多科技工作者去開發(fā)、制造性能更好、壽命更長久的高速重載鐵路道岔用鋼，近年來，中國也加強了高合金貝氏體道岔鋼研發(fā)，并取得了顯著的成績。

表1　國外貝氏體鋼道岔心軌的各種化學成分/%

2　貝氏體道岔鋼的研發(fā)、設計

2.1設計思路

按照原鐵道部計劃，鐵路機車軸重由目前的25 t將提高到30 t，這對鐵路道岔性能提出了新的挑戰(zhàn)，需要開發(fā)新的貝氏體鋼合金體系，以滿足軸重提高的要求，基于此，設計研發(fā)了牌號為25ZG的超低鋁貝氏體道岔鋼，經試制檢驗，滿足中國高速重載鐵路發(fā)展的需求。

2.1.1冶金質量的控制

世界各國對鐵路鋼軌道岔鋼的非金屬夾雜物、殘余元素、氣體含量、超聲波探傷等方面的指標做出了具體而嚴格的要求。這需要冶金生產工藝的大幅提高和批量生產穩(wěn)定性的進一步提高。采用鋁脫氧所帶來的B類非金屬夾雜物對道岔的韌性損害非常顯著，通過加入Ca等元素可對B類夾雜物實現變形處理，對B類夾雜改性一直是目前研究的熱點技術。

2.1.2軋制工藝控制

鋼的化學成分決定性能，而組織又能影響性能，化學成分、冶煉工藝以及熱加工工藝都會對最終的組織和性能產生影響。因此，需對冶煉控制與軋制工藝相結合，利用轉爐流程大棒材生產線，設計開發(fā)適合高速重載鐵路上所使用的貝氏體道岔鋼。

2.2研發(fā)設計及關鍵控制點

2.2.1化學成分設計

借鑒國際上關于Mo-B貝氏體鋼軌的設計開發(fā)思路，加入可使連續(xù)冷卻轉變曲線(CCT圖)上下分離，鋼能在足夠寬的冷速范圍內穩(wěn)定產生貝氏體組織相的轉變的有利元素，使得中低碳貝氏體鋼在連續(xù)冷卻過程中實現貝氏體組織的最大量轉變，因此需要加入一定量的Si，Mn，Cr，B等合金元素，以保證實現貝氏體組織的完全轉變。

綜合考慮以上因素，結合C，Si，Mn，Ni，Cr，Mo等合金元素的特性，為滿足30 t軸重所需的高速重載鐵路的使用需求，設計了牌號25ZG合金貝氏體道岔鋼的成分體系，具體化學成分如表2所示。

表2　25ZG道岔鋼化學(熔煉)成分設計/%

2.2.2鋼水純凈化與夾雜物變性控制

LF與RH爐外精煉技術可以減少非金屬夾雜物含量和氣體含量，通過鋇、鈣變性處理技術可控制非金屬夾雜物形態(tài)；采用潔凈煉鋼工藝，減少有害雜質含量；通過合金脫氧，非鋁脫氧工藝方案進行過程深脫氧和渣面脫氧，實現鋼水超低鋁控制，有效控制脆性氧化鋁類夾雜的產生，提高鋼材疲勞壽命。

2.3關鍵技術難點

鐵路道岔用鋼的主要破壞方式是疲勞點蝕，而鋼中非金屬夾雜物是主要的疲勞點蝕源。目前絕大多數鎮(zhèn)靜鋼均使用鋁脫氧。但使用鋁脫氧而產生大量的Al2O3脆性夾雜，對于長期處于摩擦與沖擊環(huán)境下的鋼鐵材料來說，是產生疲勞斷裂的主要根源，嚴重影響了鋼材的使用壽命，所以此類鋼種對鋼中脆性夾雜物具有非常嚴格的要求。鐵路軌道類用鋼即是此類鋼種的典型代表之一，疲勞傷損是其主要的失效形式，如圖1所示。

圖1　鋼軌表面失效示意圖

為提高鋼水純凈度，延長軌道用鋼疲勞壽命，鐵路軌道相關標準中對鋼中夾雜物(主要為A、B類)提出了更為嚴格的要求，并對鋼中Al，P，S，O含量進行了限制，分別要求w(Al)≤0.006%，w(P)≤0.015%，w(S)≤0.015%，w(O)≤25×10-6。目前轉爐煉鋼的主要流程是：轉爐—精煉—真空脫氣處理—連鑄。轉爐生產線冶煉的鋼種絕大部分是鋁鎮(zhèn)靜鋼，即鋼水冶煉過程中主要用Al作為強脫氧元素，以進行強化脫氧，達到脫氧、脫硫的效果，鋼水中通常會保留一定含量的Al。而鐵路道岔用鋼因鋼種的特殊性，為防止因氧化鋁夾雜而影響軌道的疲勞壽命，不能以Al作為脫氧元素，為鋼水脫氧、脫硫帶來了一定困難。鋼中Si也是常用的脫氧元素之一，其脫氧能力僅次于Al。鐵路道岔用鋼通常具有多種合金成分與較高的合金含量(總量大于5%)，給轉爐生產線上合金化帶來了一定困難。而鋼中較高的Si含量會導致因合金化而帶入鋼水中的Al難以氧化去除，導致其含量超出要求。

可見，作為低碳高合金鋼，如何保證鋼中的w(Al)≤0.006%，w(O)≤25×10-6是鐵路道岔鋼生產開發(fā)的技術難點之一，其次，高合金鋼因導熱慢，裂紋敏感性強，如何防止高合金鋼連鑄坯產生冷卻裂紋和軋制、加熱產生應力裂紋是鐵路道岔鋼生產開發(fā)的技術難題;再次，當鋼中硅含量高及含有鎳等合金元素時，如何制定合理的加熱工藝，有效去除連鑄坯表面氧化鐵皮，保證鋼材表面質量，是鐵路道岔鋼開發(fā)、生產的又一技術難題。

3　25ZG超低鋁道岔鋼的研發(fā)試制

3.1生產工藝流程

根據生產線現有的技術能力和生產設備條件，設計的生產工藝流程為：

優(yōu)質廢鋼+鐵水→LD→LF→RH→六機六流圓坯連鑄機→(冷、熱裝)加熱爐(→開坯軋制)→六架高精度連軋機→步進式冷床→入坑緩冷→檢驗、精整→打包→稱重→成品入庫。

3.2主要生產工藝的制定

3.2.1轉爐工藝

(1)為控制w(Al)≤0.006%，生產過程中嚴禁使用鋁作為脫氧劑，而一般合金材料多為鋁電解法加工制造，本鋼種設計的化學成分，又為高硅高錳的合金鋼，合金加入時，一般容易導致鋼水增鋁，故在合金使用時選用低鋁合金原料，要求使用低鈦低鋁硅鐵調硅，使用純度高的金屬錳、低碳鉻鐵，及品位較高的FeTi70和FeV80等特殊材料來專門生產道岔鋼，以防止因合金元素的加入導致鋼水增鋁。

(2)冶煉過程中全程不用鋁脫氧，為防止鋼水過氧化，出鋼碳不宜過低，同時考慮大量合金加入會引起增碳，故轉爐出鋼的碳含量也不宜過高。

(3)為保證道岔鋼具有良好的強度和韌性，殘余元素P不宜過高，控制越低越好，要實現低P控制，故鋼水溫度不能過高，以免高溫回P，同時，考慮大量合金需在轉爐出鋼時加入，以免精煉成分調整時因大量合金加入，影響生產，而又要保證到精煉爐鋼水溫度不能過低，依據生產實際，轉爐出鋼溫度按不低于1615 ℃控制。

(4)由于無強脫氧劑進行脫氧，同時考慮硅、錳合金元素的脫氧能力，為控制鋼中氧含量，在保證出鋼碳含量不得過低的基礎上，選用電石或SiC作為脫氧劑。

11月14日上午9點，在洪峰進入云南之際，云南電網公司召開緊急視頻會議，傳達了南方電網公司總經理曹志安“要把困難估計得大一些，把方案準備得多一些，做到有備無患?！钡囊螅⒃俅螐娬{，相關單位和部門要做到認識到位、組織到位、措施到位、人員到位，進一步做好災情監(jiān)測、人員撤離、應急保電、搶修復電、災后重建等工作。

(5)一般預熔精煉渣中都含有Al2O3,為防止精煉渣中的鋁被還原進鋼水，故采用石灰+螢石造渣，為保證造渣效果，選用顆粒適中、CaF2含量在95%以上的一級螢石。

3.2.2精煉工藝

(1)爐外精煉技術是現代特殊鋼冶煉的必要技術，通過100 t LF爐，造高堿度白渣保持20 min精煉，100 t RH真空脫氣爐保持15 min以上進行精煉，可有效地將道岔鋼鋼水中的氧含量控制在20×10-6以下，氫含量控制在1.0×10-6以下；精煉過程采取大攪拌和軟吹過程弱攪拌的吹氬思路，促進鋼水中非金屬夾雜物的上浮，有效去除非金屬夾雜物，凈化鋼水。

(2)LF精煉采用石灰和螢石進行適宜堿度造渣進行精煉，渣堿度R≥2。采用低鋁潔凈鋼控制技術及夾雜物Ba、Ca變性處理以降低鋼中氧含量，提高鋼的潔凈度。

(3) RH爐在精煉過程中主要起到真空脫氣、去除夾雜和均勻化學成分的作用。RH爐工藝要求在真空度≤67 Pa的條件下保持時間25 min以上，真空處理后的w(H)≤1.0×10-6。鋼水處理后采用喂鈣線及軟吹氬攪拌，以促使細小夾雜物上浮，進一步提高鋼水的潔凈度和可澆性。

3.2.3連鑄工藝

根據超低鋁貝氏體道岔鋼軋材內部質量及工藝壓縮比設計要求，連鑄坯設計斷面為Ф500 mm。連鑄應用了中間包充氬技術和澆注過程全保護技術，有效地防止了澆注過程鋼水二次氧化；采用低過熱度技術及連鑄全保護技術，實現對鋼水的有效控制，減少連鑄坯中心偏析、疏松、夾雜等缺陷的發(fā)生；優(yōu)化二冷水冷卻制度，防止冷卻應力裂紋產生，所以適當降低二冷水冷卻強度；澆注過程應用了結晶器電磁攪拌技術和末段電磁攪拌技術，提高連鑄坯的致密度，使連鑄坯成分均勻，減輕偏析；選用適合高硅高錳鋼生產的專用保護渣，起到良好的潤滑及冷卻導熱作用；采用低熱度恒拉速澆注工藝，生產過程平穩(wěn)，保證連鑄圓坯的整體質量；連鑄坯高溫入保溫坑緩冷。

3.2.4軋制工藝

(2)軋制：高合金鋼在連鑄過程中，由于選分結晶等冶金特性，鑄坯不可避免存在較大的疏松、縮孔等缺陷，通過軋制過程中均透加熱，高溫軋制、粗軋大壓下量變形、中軋前適當降溫等控溫軋制手段，進行軋制力滲透向心部滲透技術，來有效改善軋材內部質量，提高鋼材致密度。

(3)控溫冷卻：針對鋼種化學成份和軋材進行組織因素，軋材軋制后經過冷床干預冷卻，空冷前期為快冷，后期為緩慢冷卻，以確金相組織的充分轉變，得到了典型的貝氏體組織。軋材400 ℃以上入坑緩冷，緩冷24 h后，待溫度低于180 ℃出坑。

3.3超低鋁冶金控制分析

高硅低鋁鋼中Al含量要求控制在0.006%以下，Si含量高達1.75%。鋼中固定存在的元素Mn因與氧的親和力與Al相差很大，對鋼水中Al含量變化的影響可以忽略；而Ca在鋼水中難以長時間存在，所以鋼中Al含量的控制關鍵在于抑制反應式 4[Al]+3(SiO2)=3[Si]+2(Al2O3)逆向進行。需通過對合金材料、煉鋼輔料的使用對上式各因素的活度加以控制，從而達到控制Al含量的目的。

當鋼中Si含量高達1.75%，可以還原鋼渣中Al2O3而導致鋼水增Al，渣中Al2O3與SiO2含量、鋼中Si含量、鋼渣溫度共同決定了鋼水Al含量。隨著溫度提高，反應有利于正向進行，而溫度下降時則利于逆向進行，精煉過程鋼水持續(xù)加熱升溫，所以上述反應不斷正向進行，鋼中Al含量持續(xù)增加，至精煉末期溫度與鋼中Al含量均達到最大值。RH處理及軟吹過程中鋼水溫度持續(xù)下降，上述反應逆向進行，鋼水Al含量隨之持續(xù)下降，鋼包頂渣Al2O3含量較少，對應的鋼水Al含量也低。

且精煉過程渣面脫氧所使用的電石溶于頂渣而形成的[Ca]，也可還原渣中Al2O3而加劇鋼水Al含量升高。在使用相同原輔料的情況下，精煉過程頂渣Al2O3增量相當，精煉到站時頂渣成分決定了最終Al2O3含量。表3為試制爐次成品Al含量及精煉渣樣分析數據。

表3　Al含量及精煉渣分析

其余產品煉鋼生產均采用Al脫氧法，并使用Al2O3含量較高的預熔精煉渣或軸承鋼專用精煉渣進行造渣，導致精煉終渣Al2O3含量均在10%～20%之間。

3.4成品鋼材質量檢驗

Ф500 mm大圓坯經軋制為F185×115 mm規(guī)格道岔加工用扁平材，進行化學成分、氣體含量、非金屬夾雜物、金相組織、低倍質量經驗，鋼材內外部質量優(yōu)良，達到設計目標，滿足高速重載鐵路道岔的加工需求。

3.4.1化學成分及氣體含量檢驗

經光譜復檢，化學成分與熔煉成分吻合，滿足成分設計的要求，關鍵控制元素如表4所示。

表4　化學成分分析結果/%

3.4.2非金屬夾雜物檢測

對鋼材進行非金屬夾雜物檢驗，夾雜物形貌如圖2所示，檢測結果如表5所示。

圖2　低鋁試樣夾雜物形態(tài)

試樣號夾雜物(級)ABCD粗細粗細粗細粗細DS812低鋁00.50.51.00000.50

從以上分析可以看出，控制鋼中Al含量，可有效控制鋼中B類夾雜的產生，B類夾雜的最大寬度不超過15 μm。

3.4.3金相組織和晶粒度檢驗

鋼材的金相組織照片如圖3所示，金相檢驗結果如表6所示。從金相組織可以看出，道岔鋼為高合金鋼，鋼材中含有大量易于貝氏體組織轉變的化學成分，故大規(guī)格道岔鋼鋼材順利地實現了貝氏體組織的轉變，得到了性能優(yōu)良的貝氏體組織。

圖3　低鋁試樣金相組織

試樣號金相組織低鋁貝氏體道岔鋼貝氏體組織(板條狀或變態(tài)的板條狀鐵素體,板條間分布有不連續(xù)的第二相)

從以上分析可以看出，經過控制冷卻和高溫入坑緩冷后，道岔鋼都得到了板條狀貝氏體組織，而鋁含量的高低對組織無影響，按GB/T 6394—2002檢驗熱軋材的奧氏體晶粒度，晶粒度級別為7.0級，符合設計對晶粒度不小于6級的要求。

4　結束語

(1)對于超低鋁高合金鋼的生產，Al含量的控制是難點，如果生產時鋼包口及內壁殘渣較多，精煉頂渣Al2O3含量偏高，會致使冶煉過程與之平衡的鋼水Al含量居高不下；當鋼中Si含量高達1.75%，可以還原鋼渣中Al2O3而導致鋼水增Al；精煉過程宜采用Si-Mn復合沉淀脫氧方式，可有效保證精煉后期鋼水中的Al不回升。

(2)超低鋁貝氏體道岔鋼的生產工藝可行，鋼材化學成分均勻，鋼水純凈度、B類夾雜物得到有效控制，組織均勻，得到了均勻、細小的貝氏體組織，具有良好的強度和韌性等力學性能，且鋼材具有優(yōu)良的焊接性、耐磨性等物理性能。

[1]熊衛(wèi)東，等．高速鐵路鋼軌淺析[J]．鐵道物資科學管理，1999,(1)：34—36.

[2]周清躍等．進口鋼軌的性能分析[J]．中國鐵道科學，1997,18(1)：53—61.

[3]徐勇，等．法國、德國高速鐵路鋼軌的生產和使用技術[J]．中國鐵路，2001,(4)：49—51.

[4]Pendleton D R，Compton K，Jones E G. Welded and cast-centre crossing accepted after trials [J].Railway Gazette International，1986,142(3)：176—177.

2016-05-23

陳子坤(1967—)，男，工程師。E-mail:yelangbalu@163.com

TG142.41