重載鐵路轍叉用新型貝氏體鋼的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

欒道成，汪思敏，王正云，熊師兵，張 偉

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610039)

近年來，隨著我國鐵路跨越式發(fā)展的不斷深入，以“客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載”為代表的鐵路發(fā)展新格局已逐步形成。鐵路轍叉作為承載列車載荷、引導(dǎo)列車運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鐵路的運(yùn)營效率和行車安全。由于側(cè)重點(diǎn)不同，轍叉在客、貨運(yùn)鐵路中的要求截然不同。具體來說，客運(yùn)鐵路要求列車運(yùn)行平穩(wěn)、行車速度快，要求轍叉安全性、可靠性、抗沖擊性能高。相比之下，重載鐵路由于軸重大、牽引量高、行車密度高，要求轍叉不僅具有良好的耐磨損性能，還具有優(yōu)異的滾動(dòng)接觸疲勞性能。目前，現(xiàn)階段重載鐵路轍叉存在的問題是：以大秦鐵路為例，轍叉磨耗較快，滾動(dòng)接觸疲勞性能不穩(wěn)定；客運(yùn)鐵路貝氏體鋼轍叉在使用中存在轍叉壽命較分散、質(zhì)量不穩(wěn)的問題。

為此，本文在已有發(fā)明應(yīng)用的客運(yùn)鐵路貝氏體鋼轍叉基礎(chǔ)上[1-3]，研究重載鐵路轍叉用新型的貝氏體鋼，期望大尺寸轍叉心軌能在空冷熱處理后得到貝氏體組織，獲得高強(qiáng)高韌性能，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)高錳鋼轍叉材料，提高轍叉使用壽命。

為了實(shí)現(xiàn)心軌大尺寸下(最小2 000 mm×200 mm×250 mm)，熱處理空冷態(tài)得到貝氏體組織，且具有高強(qiáng)高韌性能，新型貝氏體試驗(yàn)用鋼成分，必須滿足高的淬火性，貝氏體組織最好為無碳貝氏體，氫脆敏感性小，合金元素設(shè)計(jì)中含Si、Mn、Cr、Ni、Mo等合金。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)中選用的實(shí)驗(yàn)材料是實(shí)際生產(chǎn)中采用非真空電弧爐冶煉、普通澆鑄成鋼錠，然后鍛造成心軌(見圖1)，再從心軌實(shí)物上切取試樣。重載鐵路轍叉試驗(yàn)用貝氏體鋼的化學(xué)成分如表1所示。

圖1 重載鐵路貝氏體鋼轍叉心軌

CSiMnCrMoPSNi0.25～0.351.5～2.491.5～2.49<1.5<1.5<0.03<0.02微量

參照GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》和GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，開展試驗(yàn)拉伸和沖擊性能研究。通過利用OLYMPUS-TOKYO型金相顯微鏡，Inspect-50型和S-3400N型掃描電鏡，JEM-200CX透射電鏡，以及DX-1000型X射線衍射分析儀對(duì)鐵路重載轍叉貝氏體鋼組織、斷口形貌進(jìn)行觀察并作機(jī)理分析。所有試樣奧氏體化溫度為900 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 轍叉心軌組織特征及分析

從圖2A金相顯微組織可見，貝氏體轍叉鋼的正火態(tài)顯微組織為板條狀或變態(tài)的板條狀(粒狀)貝氏體組織，表明本研究實(shí)現(xiàn)了在大尺寸樣品中，獲得空冷貝氏體組織。不同溫度回火對(duì)組織的影響如圖2B-E所示?？梢姡?00 ℃以下回火，貝氏體組織形態(tài)變化較小，抗回火穩(wěn)定性強(qiáng)，未明顯發(fā)生貝氏體組織形態(tài)變化和再結(jié)晶現(xiàn)象。這與本研究中合金加入較多的Mo和Si合金，尤其是Si合金對(duì)貝氏體組織抗回火穩(wěn)定性的提高有較顯著作用[4-5]。

圖2 回火溫度對(duì)貝氏體轍叉鋼的顯微組織影響

圖3為不同溫度回火態(tài)轍叉貝氏體鋼組織的XRD衍射圖譜?？梢钥闯?，在正火熱處理狀態(tài)，轍叉貝氏體鋼組織是XRD衍射峰只有鐵素體峰和奧氏體峰。其中奧氏體(111)峰還比較明顯，是比較典型的一種無碳化物貝氏體組織，屬于新型奧氏體-貝氏體組織[6-7]。在本試驗(yàn)回火溫度對(duì)此貝氏體鋼組織的影響研究表明，在450 ℃以下回火，XRD衍射峰仍為鐵素體峰和奧氏體峰，但奧氏體(111)峰強(qiáng)有較明顯下降；在550 ℃回火沒有出現(xiàn)奧氏體峰，說明殘余奧氏體在此溫度已所轉(zhuǎn)變。

以上分析表明，研制的重載鐵路轍叉試驗(yàn)用貝氏體鋼在正火態(tài)及正火+低溫回火后的組織能完全獲得全貝氏體組織。

圖3 不同溫度回火態(tài)轍叉貝氏體鋼組織的XRD衍射圖譜

圖4 重載鐵路轍叉貝氏體鋼組織的TEM像

2.2 重載轍叉心軌貝氏體鋼力學(xué)性能研究

重載轍叉心軌貝氏體鋼的拉伸性能如表2所示。

表2 重載轍叉心軌貝氏體鋼的拉伸性能

從表2可以看出：無論是鍛造態(tài)還是回火態(tài)下，重載轍叉心軌貝氏體鋼的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、伸長率以及斷面收縮率都比較理想，強(qiáng)塑性都比較高；回火態(tài)下表現(xiàn)出更加優(yōu)良的塑韌性，說明在回火過程中有去除應(yīng)力的作用，有利于進(jìn)一步改善強(qiáng)塑性；同時(shí)因尺寸約束效應(yīng)，小樣表現(xiàn)出更為優(yōu)良的塑性特征。

表3為重載轍叉心軌貝氏體鋼沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。表明鍛后回火態(tài)的組織、沖擊強(qiáng)度均高于鍛造態(tài)的組織。在常溫下，V型缺口的鍛造態(tài)組織試樣的沖擊強(qiáng)度為43.4 J，而鍛后回火態(tài)組織試樣高達(dá)59.1 J；U型缺口的鍛造態(tài)組織試樣的沖擊強(qiáng)度為60.8 J，鍛后回火態(tài)試樣為79.4 J。在低溫-40 ℃，V型缺口的鍛造態(tài)組織試樣的沖擊強(qiáng)度為15.7 J，鍛后回火態(tài)試樣高達(dá)39.8 J。沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)一步證明，鍛后回火處理對(duì)改善重載轍叉心軌貝氏體鋼的綜合力學(xué)性能有比較好的效果。

表3 重載轍叉心軌貝氏體鋼沖擊強(qiáng)度 J

圖5示出回火溫度對(duì)貝氏體轍叉鋼的硬度影響。從圖中可知：貝氏體轍叉鋼組織的硬度，在350 ℃以下回火，隨著溫度的升高，開始提高，在350 ℃時(shí)達(dá)到最高，這與貝氏體中奧氏體膜轉(zhuǎn)變成馬氏體或貝氏體組織有關(guān)[8-9]；隨著回火溫度的升高，硬度值開始下降，在550 ℃左右發(fā)生較明顯下降，這與組織在較高溫度回火，發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，位錯(cuò)密度減小有關(guān)；同時(shí)，該新型貝氏體鋼組織在500 ℃以前回火，硬度下降較小，具有較強(qiáng)的抗回火穩(wěn)定性。

綜上研究表明，研制的新型重載轍叉心軌貝氏體鋼，不僅實(shí)現(xiàn)了在正火空冷態(tài)大尺寸下，獲得奧氏體-貝氏體復(fù)合組織，貝氏體組織為無碳化物貝氏體，而且復(fù)合組織具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，滿足了新型重載轍叉心軌高強(qiáng)高韌長壽命的性能要求。

基于此，國內(nèi)某企業(yè)利用本研究成果，已成功開發(fā)重載轍叉心軌并在大秦鐵路線上試用，其使用性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)高錳鋼轍叉心軌。

3 結(jié)論

1)對(duì)研制的新型重載轍叉心軌貝氏體鋼成分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在正火空冷態(tài)大尺寸下，獲得奧氏體-貝氏體復(fù)合組織，貝氏體組織為無碳化物貝氏體。

2)通過高倍微觀分析表明，奧氏體-貝氏體復(fù)合組織中，貝氏體是板條狀為主，奧氏體為薄膜狀分布在貝氏體板條間。

3)奧氏體-貝氏體復(fù)合組織具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度高達(dá)1 400 MPa，常溫沖擊強(qiáng)度(AKu)達(dá)79 J，在低溫(-40 ℃)， V型缺口的鍛后回火態(tài)試樣高達(dá)39.8 J。新型貝氏體鋼組織具有較強(qiáng)的抗回火穩(wěn)定性，在500 ℃以前回火，其硬度下降較小。

特約作者介紹

欒道成(1964—)，男，四川達(dá)州人，1991年中國礦業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)，現(xiàn)為西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，享受國務(wù)院政府津貼專家。作為主研或項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，先后承擔(dān)國家重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、四川省重點(diǎn)支撐、基礎(chǔ)研究、四川省經(jīng)信委技術(shù)創(chuàng)新、四川省教育廳和各類橫向科研項(xiàng)目估計(jì)60項(xiàng)。

先后在《金屬學(xué)報(bào)》《摩檫學(xué)報(bào)》《材料及熱處理學(xué)報(bào)》《鋼鐵研究學(xué)報(bào)》《鑄造》《粉末冶金》《焊接技術(shù)》等發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇。授權(quán)發(fā)明專利近10項(xiàng)，鑒定成果10多項(xiàng)，獲省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)4項(xiàng)。多項(xiàng)成果及專利已推廣應(yīng)用，其中發(fā)明的新一代鐵路轍叉心軌貝氏體耐磨材料及成果，被列為國家重點(diǎn)成果推廣應(yīng)用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高錳鋼轍叉心軌材料在我國鐵路系統(tǒng)廣泛推廣。