轍叉用貝氏體鋼的研究進(jìn)展

林云蕾，周清躍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

我國鐵路始建于19世紀(jì)末期，經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，截至2017年底，我國鐵路營業(yè)總里程達(dá)到12.7萬km，其中高速鐵路達(dá)到2.5萬km以上。我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，鐵路高速化和重載化對軌道結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。轍叉作為鐵路結(jié)構(gòu)中受損最嚴(yán)重的部件之一，應(yīng)具有良好的強(qiáng)韌性、抗接觸疲勞性和可焊接性。傳統(tǒng)的高錳鋼轍叉已不能滿足鐵路發(fā)展的需求，本文系統(tǒng)地總結(jié)國內(nèi)外轍叉用貝氏體鋼的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外轍叉用鋼概況

鐵路軌道是鐵路的主要技術(shù)設(shè)備，一般由鋼軌、軌枕、道岔、連接部件等組成。道岔是使機(jī)車車輛從一股軌道轉(zhuǎn)到另一股軌道的設(shè)備。道岔通常分普通單開道岔、單式對稱道岔、三開道岔、交分道岔等種類。鐵路軌道中運(yùn)用最多的是單開道岔。

圖1 普通單開道岔示意

我國常見的普通單開道岔如圖1所示。普通單開道岔由轉(zhuǎn)轍器、轍叉及護(hù)軌、連接部分組成。普通單開道岔的直向容許通過速度小于200 km/h，是目前使用數(shù)量最多的道岔產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于客貨共線鐵路、重載鐵路、城際、高速鐵路以及其他線路。普通單開道岔目前主要采用提速標(biāo)準(zhǔn)的道岔，采用固定型轍叉或可動(dòng)心軌轍叉。

轍叉是鐵路結(jié)構(gòu)中受損最嚴(yán)重的部件。20世紀(jì)90年代，奧鋼聯(lián)的子公司VAE道岔生產(chǎn)集團(tuán)(VAE GmbH，Austria)給出了鐵路轍叉選擇應(yīng)該遵循的規(guī)律：運(yùn)行速度低于100 km/h、軸重小于15 t的情況，選擇普通鋼軌拼接轍叉；運(yùn)行速度低于140 km/h、軸重小于22 t的情況，選擇貝氏體鋼為心軌、珠光體鋼為翼軌的組合轍叉或未預(yù)硬化高錳鋼轍叉；運(yùn)行速度低于180 km/h、軸重小于30 t的情況，選擇預(yù)硬化焊接高錳鋼轍叉；運(yùn)行速度低于200 km/h、軸重小于40 t的情況，選擇馬氏體時(shí)效鋼轍叉；運(yùn)行速度大于200 km/h、軸重大于40 t的情況，選擇可動(dòng)心軌轍叉[1]。目前，我國普速道岔主要采用高錳鋼整鑄轍叉和合金鋼組合轍叉2種固定轍叉。

高錳鋼是傳統(tǒng)的轍叉用鋼，早在19世紀(jì)末，英國的Hadfield首先開發(fā)出哈氏高錳鋼(Hadfield Manganese Steel)。其基本成分含12.0%～14.0%的Mn和1.0%的C。這種鋼具有良好的延展性，硬度高，耐磨性好。隨后Hadfield與新澤西的泰勒鋼鐵公司合作將這種鋼引進(jìn)美國，一開始將其用于制造車輪，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)效果并不理想，后來發(fā)現(xiàn)這種鋼具有良好的韌性和抗沖擊能力，適用于鐵路線路[2]。1899年，費(fèi)城聯(lián)合牽引公司設(shè)計(jì)出第一個(gè)高錳鋼轍叉，經(jīng)過100多年的發(fā)展，高錳鋼仍然是鐵路轍叉的主要用鋼，應(yīng)用最為廣泛。傳統(tǒng)高錳鋼整鑄轍叉通常采用含Mn量1.0%～1.4%(質(zhì)量含量，下同)和含C量11.0%～14.0%的高錳鋼制造。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高錳鋼整鑄轍叉結(jié)構(gòu)示意

高錳鋼整鑄轍叉具有整體性好、易于加工、上道和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但由于斷面復(fù)雜，鑄造后存在縮孔、疏松等缺陷，對使用壽命有不利影響。并且，與普通鋼軌鋼相比，高錳鋼的強(qiáng)度低，沖擊韌度高。高碳鋼由于含碳量較高，常采用焊前預(yù)熱、小段焊接、后緩冷等方法，避免焊接后出現(xiàn)馬氏體或析出針狀碳化物。而高錳鋼固溶處理后重新加熱到300～900 ℃溫度區(qū)間時(shí)，會析出針狀碳化物，降低高錳鋼的韌性，所以通常會采用焊后急冷等方法降低碳化物的析出。這2種相反的焊接工藝使得高錳鋼和高碳鋼的焊接比較困難，不利于鐵路線路的無縫化和提高列車通過道岔時(shí)的容許速度。

固定型貝氏體鋼轍叉由于具有良好的強(qiáng)韌性，綜合性能比高錳鋼優(yōu)異，引起了世界各國轍叉材料研究者的廣泛關(guān)注。目前世界上約有10%的固定型轍叉用貝氏體鋼制成[3]。

2 國外貝氏體鋼轍叉的發(fā)展與應(yīng)用

貝氏體鋼是指在使用狀態(tài)下具有貝氏體組織形貌的鋼種，工業(yè)上常通過熱處理和熱加工后連續(xù)冷卻獲得貝氏體組織，貝氏體鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，與珠光體鋼和馬氏體鋼相比，同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的韌性。貝氏體鋼和具有貝氏體轉(zhuǎn)變的材料廣泛應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸、石油工業(yè)、汽車工業(yè)、工程機(jī)械、國防工業(yè)等重要領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景，受到廣泛關(guān)注。

道岔的使用條件比較苛刻，轍叉作為道岔的關(guān)鍵部件，其材料的選擇可謂非常嚴(yán)格。鐵路重載化對轍叉的性能提出了更高的要求，尤其是在強(qiáng)韌性方面對轍叉心軌的要求進(jìn)一步提高。為改善目前使用的珠光體轍叉鋼軌的性能，提高轍叉用軌的強(qiáng)韌性，國外廣泛開發(fā)高強(qiáng)度高韌性貝氏體鋼軌，貝氏體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度能夠達(dá)到 1 400 MPa以上，同時(shí)其斷后伸長率可達(dá)到15%～18%[4]。

2.1 英國

英國偏重于提高轍叉的沖擊韌性，YATES[5]認(rèn)為珠光體鋼軌已經(jīng)幾乎發(fā)展到極限，他研發(fā)了一種低碳無碳化物貝氏體鋼，其貝氏體鐵素體板條的層間距達(dá)0.8 μm，經(jīng)過軋制后具有良好的成型性。與傳統(tǒng)的珠光體鋼相比，貝氏體鋼的抗接觸疲勞性能顯著提高。輪軌疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示傳統(tǒng)珠光體鋼在22萬周次時(shí)出現(xiàn)裂紋，而新型貝氏體鋼直到100萬周次試驗(yàn)停止也沒有出現(xiàn)裂紋。英國將這種貝氏體鋼應(yīng)用到英國鐵路斯肯索普段25 t和50 t軸重線路，作為試驗(yàn)段。

20世紀(jì)80年代，英國首先研制出Titan貝氏體鋼轍叉，并成功鋪設(shè)在客貨混運(yùn)干線及倫敦地鐵JUBILEE線上，至1998年累計(jì)鋪設(shè)了 1 000 多組貝氏體鋼轍叉。Titan貝氏體鋼被認(rèn)為是由粒狀貝氏體組成，其鑄態(tài)組織細(xì)小，呈針狀，鐵素體板條間存在塊狀第二相[6-7]。

2.2 美國

美國俄勒岡研究院(OGI)的CLAYTON等[8]利用真空熔煉法制備了9種不同C含量的Mo-B貝氏體鋼，熱軋成直徑12 mm的棒材，加入少量的Ti和Al與N結(jié)合，抑制形成影響鋼淬硬性的氮化物，9種Mo-B貝氏體鋼的成分見表1。將直徑6 mm的貝氏體鋼銷與珠光體環(huán)進(jìn)行銷-環(huán)磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，含C量0.2%的8號鋼的耐磨性最好，其硬度為433 HV，組織為無碳化物貝氏體+下貝氏體[9]。1995年起，美國鐵路協(xié)會與OGI合作進(jìn)行貝氏體鋼的研究，開發(fā)了J7，J9貝氏體轍叉鋼，滾動(dòng)與滑動(dòng)試驗(yàn)表明J9貝氏體轍叉鋼的耐磨損性明顯比哈氏高錳鋼好。J9的化學(xué)成分為0.261C-1.81Mn-0.14Cr-3.02Ni-0.47Mo-0.002B-1.73Si-0.042Ti-0.015Al-0.002Zr。CLAYTON等[9-10]開發(fā)的J6型貝氏體鋼熱軋后強(qiáng)度達(dá) 1 440 MPa,伸長率為4%～15%，斷面收縮率為3%～44%，室溫沖擊韌性為80 J/cm2，綜合性能優(yōu)于熱處理鋼軌。

2.3 日本

日本研制的貝氏體鋼軌含C量在0.20%～0.55%，抗拉強(qiáng)度為810～1 430 MPa。1 400 MPa 級別貝氏體鋼軌的抗磨損性能與 1 300 MPa 級別的珠光體鋼軌基本相同，但韌性得到很大提高[11]。經(jīng)過合金化以及適量的熱處理得到的貝氏體鋼被認(rèn)為是理想的重載鐵路鋼軌材料，表2是日本研制的貝氏體鋼的化學(xué)組成和硬度情況[12]。新日本鋼鐵公司開發(fā)的貝氏體鋼成功地應(yīng)用于轍叉、尖軌和交道口[13]。

表1 9 種貝氏體鋼的化學(xué)組成[8] %

表2 日本研制的貝氏體鋼的化學(xué)組成和硬度情況

新日鐵于2001年發(fā)明了用于高速鐵路的具有良好抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性的高強(qiáng)貝氏體鋼。

2.4 德國

德國奧鋼聯(lián)BWG公司開發(fā)了 1 400 Plus貝氏體鋼，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度和可焊性匹配良好，含碳量≤0.4%，經(jīng)過熱處理后強(qiáng)度可達(dá) 1 450～1 550 MPa。1 400 Plus貝氏體鋼轍叉抗拉強(qiáng)度為 1 350～1 550 MPa，伸長率12%～16%，可焊性良好。該轍叉用于重載線路具有良好的耐磨性，使得壽命延長1倍。自2000年起，1 400 Plus貝氏體鋼被批準(zhǔn)用于轍叉的制造，實(shí)踐證明同等載荷條件下其壽命延長了1倍，適用于無砟軌道和有砟軌道，減少了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

2.5 捷克

捷克Trinec鋼廠針對中碳貝氏體鋼做了大量研究，以 1 400 貝氏體鋼添加Cr作為試驗(yàn)鋼。該貝氏體鋼初始硬度為429 HB，與珠光體鋼相比抗動(dòng)載荷能力更高[12]。捷克轍叉制造商DT Vyhybkarna mostarna與Trinec鋼廠合作設(shè)計(jì)了一種新型貝氏體鋼Lo8CrNiMo，參與發(fā)展計(jì)劃“鑄造轍叉用貝氏體鋼”并在捷克鐵路持續(xù)試驗(yàn)。Lo8CrNiMo成分為0.122C,0.49Si,0.89Mn,1.94Cr,0.53Mo,2.83Ni等[14]。

3 我國貝氏體鋼轍叉的研究概況

我國在貝氏體鋼轍叉方面的研究已開展了幾十年。目前，我國速度160 km/h 以下的線路廣泛使用的是合金鋼組合轍叉，心軌采用貝氏體鋼。1998年，鐵道部科學(xué)研究院(現(xiàn)稱中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司)與浙江貝爾集團(tuán)合作研制了貝氏體鋼叉心拼裝轍叉，強(qiáng)度達(dá)到 1 230 MPa以上，硬度38～42 HRC，并且具有良好的韌性(常溫沖擊韌性大于70 J/cm2)。經(jīng)上道試鋪結(jié)果表明其壽命較高錳鋼整鑄轍叉有較大的提高。開發(fā)的60 kg/m鋼軌12號單開道岔組合轍叉于2001年通過了鐵道部科技成果鑒定，并在北京、上海、南昌等鐵路局鋪設(shè)使用。

寶雞橋梁廠(現(xiàn)稱中鐵寶橋集團(tuán)有限公司)與清華大學(xué)合作開發(fā)貝氏體鋼轍叉，并研制出了具有良好低溫沖擊韌性的新型貝氏體轍叉鋼。燕山大學(xué)的張福成教授課題組，廣泛開展Al代替Si的貝氏體轍叉鋼的研究。他們發(fā)現(xiàn)，用Al部分代替或全部代替Si，可降低貝氏體鋼的氫脆敏感性。龔本富等[15]研究了Si含量及熱處理參數(shù)對低合金奧-貝鋼的性能和組織的影響，試驗(yàn)鋼Si含量在0.7%～1.7%，280～320 ℃范圍等溫處理后得到貝氏體+奧氏體組織，綜合性能較好。鐵科院的周清躍課題組[16-17]對貝氏體鋼軌進(jìn)行了長期研究，其成分以C,Mn,Si,Mo,Cr元素為主，經(jīng)過空冷+回火處理后得到空冷貝氏體組織，組織類型以無碳化物貝氏體為主。他們實(shí)現(xiàn)了貝氏體鋼軌在我國鐵路上的首次試鋪，試鋪后發(fā)現(xiàn)，貝氏體鋼軌顯示出優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，與同強(qiáng)度珠光體鋼軌相比其耐磨性能更佳。

北京特冶公司與包鋼合作，采用軋制拼裝方式生產(chǎn)的貝馬復(fù)相貝氏體鋼轍叉已在中南通道等線路進(jìn)行試用。我國自2010年開展了 1 500 MPa 級貝氏體鋼軌的研究，熱處理后強(qiáng)度可達(dá) 1 500 MPa，組織為細(xì)小的無碳化物貝氏體，如圖3所示[18]。

圖3 1 500 MPa級貝氏體鋼軌顯微組織

朔黃線采用貝氏體鋼鋼軌、轍叉等，使用效果良好。朔黃線黃驊港站一場西岔區(qū)140號道岔由于磨損嚴(yán)重，影響行車安全。2009年將140號道岔尖軌更換為貝氏體鋼，重車碾壓后剝離掉塊現(xiàn)象明顯減少，使用壽命增加，現(xiàn)場維護(hù)成本降低。朔黃線黃驊港站貝氏體尖軌的平均使用壽命可達(dá)345 d，而普通U75 V尖軌使用壽命僅為20 d[19]。

4 展望

隨著我國鐵路向重載化、高速化的方向發(fā)展，重載鐵路年運(yùn)量及軸重不斷增加，鋼軌的服役條件越來越苛刻。為滿足我國鐵路發(fā)展的需要，急需研制高強(qiáng)、耐磨、抗接觸疲勞傷損的鋼軌。目前，我國已成功研制出 1 180 MPa 和 1 280 MPa 級別的空冷貝氏體鋼軌。

為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，保證轍叉鋼的安全性和使用性，提高強(qiáng)度和韌性，改善焊接性能，延長轍叉的服役壽命，采用合金化和在線熱處理相結(jié)合的方法，獲得了強(qiáng)度等級為 1 300～1 400 MPa 級別的轍叉用鍛造貝氏體鋼。其組織為空冷無碳化物貝氏體，性能穩(wěn)定，綜合力學(xué)性能良好，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)展高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，不犧牲材料的斷裂韌性，同時(shí)保證一定的抗疲勞性能，是未來鐵路用鋼的要求和趨勢。