重載鐵路60kg·m-1貝氏體鋼軌試驗(yàn)及應(yīng)用

金紀(jì)勇，王 冬，陳 昕，劉 祥，張 瑜

（鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心, 遼寧鞍山 114009）

近年來，隨著我國鐵路運(yùn)輸向著重載和高速方向發(fā)展，尤其是隨著列車軸重的增加、運(yùn)行速度的提高和運(yùn)行環(huán)境的日益復(fù)雜，給鋼軌的服役條件提出更高的要求［1］。鋼軌的高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性和良好的抗剝離掉塊能力，逐漸成為適應(yīng)鐵路發(fā)展尤其是重載方向發(fā)展的必要條件，現(xiàn)有的珠光體鋼軌因磨損、疲勞而導(dǎo)致的剝離、隱傷甚至斷裂等傷損的頻率大幅增加，導(dǎo)致重載鐵路維護(hù)費(fèi)用成本顯著增加［2-4］。貝氏體鋼軌強(qiáng)度高、塑性好，并顯示出強(qiáng)度與韌塑性的良好配合，尤其韌性更好，為珠光體鋼軌的2～5 倍，具有優(yōu)良的抗接觸疲勞和耐磨性，被譽(yù)為“21 世紀(jì)的鋼軌鋼”，已成為新一代高強(qiáng)度重載鋼軌的研發(fā)重點(diǎn)和發(fā)展方向［5-8］。我國鋼鐵生產(chǎn)部門與鐵路部門合作開展貝氏體鋼軌的研究近20 年，經(jīng)過不斷創(chuàng)新，已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)出60 kg·m-1和75 kg·m-1貝氏體鋼軌，其中60 kg·m-1貝氏體鋼軌首次在國內(nèi)鐵路運(yùn)營干線上進(jìn)行了試鋪。截至目前，對(duì)鋪設(shè)中的貝氏體鋼軌組織性能和應(yīng)用情況研究鮮有報(bào)道。

本文利用蔡司倒置式光學(xué)顯微鏡、透射電鏡及靜態(tài)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)60 kg·m-1貝氏體鋼軌的微觀組織、母材綜合力學(xué)性能、閃光焊接性能進(jìn)行研究，并對(duì)鋼軌和道岔轍叉翼軌、尖軌進(jìn)行試鋪應(yīng)用分析，進(jìn)一步驗(yàn)證60 kg·m-1貝氏體鋼軌的強(qiáng)韌耐磨性能。

1 母材試制及組織性能

1.1 貝氏體鋼軌化學(xué)成分和冶煉試制

為優(yōu)化篩選60 kg·m-1貝氏體鋼軌化學(xué)成分及其范圍，確保貝氏體鋼軌的性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)室大量模擬冶煉和軋制基礎(chǔ)上，確定現(xiàn)場(chǎng)試制生產(chǎn)的冶煉成分后，任選1 爐試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)分析，具體結(jié)果見表1。

表1 貝氏體鋼軌化學(xué)成分

60 kg·m-1貝氏體鋼軌的試制生產(chǎn)工藝：大方坯連鑄→步進(jìn)爐加熱→高壓水除鱗→開坯→粗軋→二次高壓水除鱗→萬能軋制→熱打印→熱鋸切→熱預(yù)彎→冷床緩冷→平立復(fù)合矯直→平直度檢測(cè)→渦流表面探傷→超聲波探傷→橫移分鋼→在線檢查→四面壓力矯直→鋸鉆組合機(jī)床加工→收集、入庫。

1.2 貝氏體鋼軌的脫碳層、非金屬夾雜及組織特征

選取編號(hào)依次為1#，2#和3#的3 爐60 kg·m-1貝氏體鋼軌試樣，分別進(jìn)行脫碳層檢驗(yàn)取樣，分析脫碳穩(wěn)定性。按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012《43～75 kg·m-1鋼軌訂貨技術(shù)條件》的規(guī)定，取樣位置為鋼軌軌頭的圓角和踏面中心處，脫碳層檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2 可以發(fā)現(xiàn)，3 爐貝氏體鋼軌脫碳層深度均很淺，全部滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012 中脫碳層≤0.5 mm的要求。

表2 60 kg·m-1貝氏體鋼軌軌頭脫碳層檢驗(yàn)結(jié)果

按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012，分別對(duì)1#，2#和3#鋼軌試樣進(jìn)行非金屬夾雜物取樣，再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)各試樣進(jìn)行非金屬夾雜物級(jí)別評(píng)定，結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定見表3。

表3 60 kg·m-1貝氏體鋼軌非金屬夾雜評(píng)級(jí)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

從表3 可以發(fā)現(xiàn)，3 爐貝氏體鋼軌的非金屬夾雜物均滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012 中關(guān)于非金屬夾雜物的相關(guān)要求。

按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012，分別對(duì)1#，2#和3#鋼軌試樣進(jìn)行金相取樣，經(jīng)研磨、拋光并用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，各試樣組織穩(wěn)定、分布均勻，為無碳化物貝氏體+少量塊狀鐵素體，說明60 kg·m-1貝氏體鋼軌組織穩(wěn)定性較好。

圖1 60 kg·m-1貝氏體鋼軌金相組織（放大500倍）

為更加準(zhǔn)確分析貝氏體鋼軌組織的形貌和構(gòu)成，利用場(chǎng)發(fā)射透射電鏡FEM-TEM（JEM-2010F）對(duì)1#試樣進(jìn)行進(jìn)一步觀察分析，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，60 kg·m-1貝氏體鋼軌組織為無碳化物板條貝氏體+板塊裝鐵素體+少量殘余奧氏體+M/A 組織（馬奧島，即被板條狀鐵素體包圍、由殘余奧氏體和高碳馬氏體組成的島狀部分）；殘余奧氏體分布在板條貝氏體的板條之間；無碳化物板條貝氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)85%以上，符合貝氏體鋼軌基體組織要求。

圖2 1#試樣TEM組織形貌

1.3 貝氏體鋼軌母材性能

按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344—2012 的取樣要求，對(duì)60 kg·m-1貝氏體鋼軌母材常規(guī)性能和特殊性能取樣檢驗(yàn)，常規(guī)性能包括軌頭踏面硬度和拉伸性能，特殊性能包括殘余應(yīng)力、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率和試樣疲勞壽命，檢驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5 和表6。從表4—表6可以發(fā)現(xiàn)：貝氏體鋼軌踏面硬度和拉伸性能穩(wěn)定且達(dá)到了較高水平，斷后延伸率達(dá)到了12.5%以上；殘余應(yīng)力、疲勞裂紋擴(kuò)展速率良好，尤其是-20℃斷裂韌性指標(biāo)達(dá)到了較高水平，展現(xiàn)出了優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配和塑性指標(biāo)，符合技術(shù)要求。

表4 貝氏體鋼軌軌頭踏面硬度

表5 貝氏體鋼軌拉伸性能

表6 貝氏體鋼軌特殊性能

2 焊接接頭組織性能

60 kg·m-1貝氏體鋼軌閃光焊試驗(yàn)在某焊軌基地進(jìn)行，焊接設(shè)備采用GASS80/580型焊機(jī)。根據(jù)貝氏體鋼軌合金元素含量較高、熱強(qiáng)度高、傳熱性較差等特點(diǎn)，經(jīng)過焊接工藝優(yōu)化，確定較優(yōu)焊接工藝方案，并在焊后進(jìn)行焊接接頭落錘和靜彎試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第2 部分：閃光焊接》對(duì)焊接接頭的質(zhì)量要求規(guī)定，即在落錘高度為3.1 m、2 次錘擊不斷的焊接接頭質(zhì)量要求下，受檢的25 個(gè)焊接接頭試件連續(xù)試驗(yàn)合格，靜彎試驗(yàn)受檢的15 個(gè)焊接接頭連續(xù)試驗(yàn)合格，軌頭受壓試驗(yàn)載荷達(dá)到2 300 kN不斷，軌頭受拉試驗(yàn)載荷達(dá)到2 000 kN 不斷，且在彎曲疲勞最小載荷為95 kN 和最大載荷為470 kN、支距為1 m 的疲勞試驗(yàn)條件下受檢焊接接頭試件達(dá)到200 萬次不斷。結(jié)果表明，貝氏體鋼軌落錘試驗(yàn)、靜彎試驗(yàn)的結(jié)果優(yōu)異。

按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接第1部分：通用技術(shù)條件》，對(duì)60 kg·m-1貝氏體鋼軌的焊接接頭進(jìn)行拉伸性能、沖擊性能、硬度和金相組織檢驗(yàn)，其中硬度檢驗(yàn)主要包括焊接接頭踏面硬度檢驗(yàn)和縱斷面硬度檢驗(yàn)。拉伸和沖擊性能檢驗(yàn)結(jié)果見表7；踏面硬度和縱斷面硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表8，其分布如圖3所示；金相組織檢驗(yàn)如圖4所示。

圖3 60 kg·m-1貝氏體鋼軌焊接接頭硬度分布

圖4 60 kg·m-1貝氏體鋼軌焊接接頭金相組織（放大500倍）

表7 貝氏體鋼軌焊接接頭拉伸性能

表8 貝氏體鋼軌焊接接頭硬度

由焊接試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：貝氏體鋼軌焊接接頭拉伸性能穩(wěn)定性良好，強(qiáng)塑性匹配良好，室溫沖擊吸收功較高；從硬度分布可以看出，貝氏體鋼軌閃光焊接接頭硬度符合TB/T 1632.2-2014《鋼軌焊接第2部分：閃光焊接》規(guī)定的1.10HP≥HJ≥0.85HP且HJ1≥0.8HP要求；從金相組織可以發(fā)現(xiàn)，貝氏體鋼軌閃光焊接接頭組織為無碳化物貝氏體+極少量塊狀鐵素體，符合金相組織要求。

3 貝氏體鋼軌鋪設(shè)使用情況

將60 kg·m-1貝氏體鋼軌鋪設(shè)于沈局沈山線曲線上股（無縫線路），試鋪近48個(gè)月，鋪設(shè)線路總長(zhǎng)為1.66 km，通過總重近6億t；鋪設(shè)于哈爾濱西王孫上行線曲線段，服役13 個(gè)月，鋪設(shè)于濱綏線國境段K496 緩圓上股曲線段服役42 個(gè)月。60 kg·m-1貝氏體鋼軌經(jīng)哈局齊齊哈爾工務(wù)機(jī)械廠加工成轍叉翼軌達(dá)6 000 余根并鋪設(shè)應(yīng)用，通過總重達(dá)3 億t。此外，由60 kg·m-1貝氏體鋼軌加工的AT 尖軌相繼通過北京保定道岔廠上道試鋪、通過蕪湖道岔廠上道試鋪、通過北京南口道岔廠上道試鋪。貝氏體鋼軌服役時(shí)的表面情況如圖5所示。

圖5 不同地段貝氏體鋼軌服役時(shí)的表面情況

經(jīng)過跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，60 kg·m-1貝氏體鋼軌在試鋪中展現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能和抗剝離掉塊能力，在相同曲線上使用壽命比珠光體熱處理鋼軌提高1倍以上；由60 kg·m-1貝氏體鋼軌加工成的轍叉翼軌也同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能和抗剝離掉塊能力，綜合使用性能優(yōu)良；加工成的AT 尖軌耐磨性能突出，使用壽命更是比U75V 材質(zhì)尖軌提高3～4倍。由此可見，60 kg·m-1貝氏體鋼軌在使用中展現(xiàn)出高強(qiáng)、高韌、高耐磨的性能特點(diǎn)，綜合應(yīng)用性能良好，更適合在重載鐵路上鋪設(shè)應(yīng)用。

4 分析與討論

4.1 貝氏體鋼軌強(qiáng)韌性能

Bhadeshia 和Caballero 等［9-12］研究認(rèn)為，對(duì)于研究高強(qiáng)度高韌性貝氏體鋼，合適的合金成分體系設(shè)計(jì)是獲得精細(xì)貝氏體組織的關(guān)鍵。研究時(shí)，為使60 kg·m-1貝氏體鋼軌具有高強(qiáng)度高韌性，在成分設(shè)計(jì)上選擇C-Si-Mn-Mo 合金體系，微觀組織以無碳化物貝氏體為基體（以提高強(qiáng)度），伴有少量殘余奧氏體和M/A組織（以增加韌塑性）。

沈金強(qiáng)等［13］研究指出，Mn 在一定含量時(shí)使奧氏體的連續(xù)和等溫轉(zhuǎn)變曲線形狀發(fā)生變化，并且使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度（Bs 點(diǎn)）下降，使奧氏體在空冷狀態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)韌性很好的貝氏體。較低的Bs點(diǎn)致使貝氏體中不可避免地存在M/A 組織，可以提供一定的塑性；Si可抑制奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)滲碳體的析出，增加殘余奧氏體的穩(wěn)定性，獲得無碳化物貝氏體組織，以提高鋼軌的強(qiáng)韌性；Mo 的添加可在細(xì)化晶粒的基礎(chǔ)上減少或避免閃光焊接過程中出現(xiàn)仿晶鐵素體，以提高焊接組織穩(wěn)定性、提升焊接性能。

4.2 貝氏體鋼軌耐磨性能

黃維剛等［14］研究發(fā)現(xiàn)，貝氏體強(qiáng)度的2/3 來自板條的細(xì)化，其余來自位錯(cuò)強(qiáng)化、基體晶格強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。60 kg·m-1貝氏體鋼軌經(jīng)過大變形軋制以及Si 元素的作用，使貝氏體鋼微觀組織中存在較多細(xì)小亞單元［15］（見圖3（c）），并且無碳化物貝氏體板條發(fā)達(dá)、長(zhǎng)寬比大、板條之間排列緊密（見圖3（a）和3（b）），細(xì)晶強(qiáng)韌化效應(yīng)明顯，顯著提高了耐磨性能。另外，殘余奧氏體能夠協(xié)調(diào)變形抗力，易于松弛微觀組織中的應(yīng)力集中，能夠吸收部分沖擊功，并使疲勞裂紋尖端鈍化，大大改善韌性，提高抗剝離掉塊能力。而且經(jīng)過軋制大變形，在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中板條貝氏體內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)（見圖3），進(jìn)一步細(xì)化了晶粒，同時(shí)位錯(cuò)與變形抗力相互作用，位錯(cuò)相互交割增加變形抗力，變形抗力的增加又使位錯(cuò)塞積、密度增加，顯著提高貝氏體鋼軌的硬度和強(qiáng)度，耐磨性能也隨之提高。

5 結(jié) 論

（1）60 kg·m-1貝氏體鋼軌母材組織均勻，基體為無碳化物貝氏體，存在少量穩(wěn)定殘余奧氏體和M/A組織。

（2）60 kg·m-1貝氏體鋼軌母材具有良好的強(qiáng)韌性匹配，硬度較高，展現(xiàn)出良好的耐磨性。

（3）60 kg·m-1貝氏體鋼軌固定閃光焊焊接頭組織與性能良好，試用期間基本未出現(xiàn)重傷情況。

（4）60 kg·m-1貝氏體鋼軌試鋪于重載線路曲線段服役48 個(gè)月期間，通過總重近6 億t，使用壽命比珠光體鋼軌提高1 倍以上，應(yīng)用于道岔尖軌及轍叉翼軌使用壽命比U75V 材質(zhì)提高3～4 倍，具有良好的耐磨性和抗剝離掉塊能力，綜合使用性能突出。