超低铝贝氏体道岔钢的研究与开发①

陈子坤，吕纪永，王忠英，施　枫

(1．钢铁研究总院华东分院，江苏 淮安　223002；2.常熟市龙腾特种钢有限公司，江苏 常熟　215511)



超低铝贝氏体道岔钢的研究与开发①

陈子坤1，吕纪永2，王忠英1，施枫1

(1．钢铁研究总院华东分院，江苏 淮安223002；2.常熟市龙腾特种钢有限公司，江苏 常熟215511)

介绍了超低铝贝氏体道岔钢的研究、设计思路及开发意义，针对超低铝钢的生产控制提出了主要工艺措施。

道岔钢;超低铝；贝氏体

引　言

道岔是铁路轨道结构的重要组成部件，在机车通过时将受到巨大的车轮冲击载荷，此时除了受到的静载荷大大增加外，还将承受相当于静载荷2～5倍的动载荷，工作条件极为苛刻，因此对道岔用钢的性能要求非常高。目前，铁路道岔主要有两种：—种是高碳钢组合道岔，用普通高碳钢轨加工，通过螺栓紧固而成，这种道岔不耐磨，且螺栓易松动，常常会在螺纹孔处形成裂纹等缺陷，导致寿命大幅度缩短；另一种是高锰钢整体浇铸道岔，它广泛铺设在中国铁路主要干线上，是中国铁路道岔的主要类型。随着中国国民经济的发展，铁路运量迅猛增加，铁路建设将向着高速、重载的方向发展，传统高锰钢整体浇铸道岔已不能满足中国铁路发展的需要，根据国家中长期铁路建设规划，开发使用性能更好、寿命更长的道岔用钢具有重要意义。随着冶金技术的发展和高速铁路的发展，各国都致力于开发高合金贝氏体道岔钢[1]，本文主要介绍的是超低铝贝氏体道岔钢的研究与开发。

1　铁路道岔钢的开发过程及现状

1.1国外铁路道岔钢的开发过程及最新动态

铁路道岔是铁路构成中的重要部分，也是铁路连接与变道的最为关键的单独环节，其作为铁路线路中的薄弱环节，在铁路运行过程中承受来自不同方向的列车对其的作用力，一般要求道岔钢轨的技术性能要优于区间钢轨的性能，如具有良好的无缝焊接性能，更高的强度和抗疲劳寿命性能，具有良好的韧性，以提高铁路运行的安全可靠性。为了满足这些要求，国外如德国、法国等一些发达国家在道岔轨道材质选择时遵从以下原则[2]：1)良好的可焊接性，包括道岔与区间轨道的焊接； 2)具有均匀的高强度、高硬度、高韧性，且性能要优于区间钢轨。如德国铁路道岔注重道岔钢轨强度性能要优于区间钢轨，一般采取对钢轨通长进行淬火处理，其强度可达1100 MPa等级；日本根据其国内地形与气温因素，在不同路段的使用要求不同，因地选择，铁路道岔多采用强度在800～1100 MPa 之间等级的钢轨[3]。

因此高合金贝氏体化成为道岔钢开发的主流方向，合金体系设计是开发高速重载铁路钢的先决条件，高品质道岔钢的生产工艺是开发的重要环节，对于贝氏体钢道岔主要以低碳高硅锰合金体系为主(w(C)：0.2%～0.4 %),添加Cr，Mo，Ni，B等合金元素，各国所试验的贝氏体道岔心轨的名义成分如表1所示[4]。

1.2国内对铁路道岔钢的迫切需求与开发现状

根据现有的钢铁冶金和热处理加工制造的工艺水平和能力，道岔钢轨先后选用U71Mn，U75V轨，高速铁路钢轨选用性能较好的以PD3为代表的钢产品，基本都是在传统的高锰钢中加入V元素进行微合金强化，来提高强度和综合性能，所加工的道岔目前广泛应用在中国各大铁路主干线上，但同时受其初始硬度偏低(170～230 HB)， 冶金过程不可避免的缩孔、疏松等低倍质量缺陷，以及高碳钢材质焊接性差等因素的影响，导致了高锰钢整体浇铸道岔强度不足，质量不能稳定控制，成本高等问题的产生。随着高速重载铁路的进展，由于高锰钢整体浇铸道岔在使用过程中存在的一些不足，迫切需要众多科技工作者去开发、制造性能更好、寿命更长久的高速重载铁路道岔用钢，近年来，中国也加强了高合金贝氏体道岔钢研发，并取得了显著的成绩。

表1　国外贝氏体钢道岔心轨的各种化学成分/%

2　贝氏体道岔钢的研发、设计

2.1设计思路

按照原铁道部计划，铁路机车轴重由目前的25 t将提高到30 t，这对铁路道岔性能提出了新的挑战，需要开发新的贝氏体钢合金体系，以满足轴重提高的要求，基于此，设计研发了牌号为25ZG的超低铝贝氏体道岔钢，经试制检验，满足中国高速重载铁路发展的需求。

2.1.1冶金质量的控制

世界各国对铁路钢轨道岔钢的非金属夹杂物、残余元素、气体含量、超声波探伤等方面的指标做出了具体而严格的要求。这需要冶金生产工艺的大幅提高和批量生产稳定性的进一步提高。采用铝脱氧所带来的B类非金属夹杂物对道岔的韧性损害非常显著，通过加入Ca等元素可对B类夹杂物实现变形处理，对B类夹杂改性一直是目前研究的热点技术。

2.1.2轧制工艺控制

钢的化学成分决定性能，而组织又能影响性能，化学成分、冶炼工艺以及热加工工艺都会对最终的组织和性能产生影响。因此，需对冶炼控制与轧制工艺相结合，利用转炉流程大棒材生产线，设计开发适合高速重载铁路上所使用的贝氏体道岔钢。

2.2研发设计及关键控制点

2.2.1化学成分设计

借鉴国际上关于Mo-B贝氏体钢轨的设计开发思路，加入可使连续冷却转变曲线(CCT图)上下分离，钢能在足够宽的冷速范围内稳定产生贝氏体组织相的转变的有利元素，使得中低碳贝氏体钢在连续冷却过程中实现贝氏体组织的最大量转变，因此需要加入一定量的Si，Mn，Cr，B等合金元素，以保证实现贝氏体组织的完全转变。

综合考虑以上因素，结合C，Si，Mn，Ni，Cr，Mo等合金元素的特性，为满足30 t轴重所需的高速重载铁路的使用需求，设计了牌号25ZG合金贝氏体道岔钢的成分体系，具体化学成分如表2所示。

表2　25ZG道岔钢化学(熔炼)成分设计/%

2.2.2钢水纯净化与夹杂物变性控制

LF与RH炉外精炼技术可以减少非金属夹杂物含量和气体含量，通过钡、钙变性处理技术可控制非金属夹杂物形态；采用洁净炼钢工艺，减少有害杂质含量；通过合金脱氧，非铝脱氧工艺方案进行过程深脱氧和渣面脱氧，实现钢水超低铝控制，有效控制脆性氧化铝类夹杂的产生，提高钢材疲劳寿命。

2.3关键技术难点

铁路道岔用钢的主要破坏方式是疲劳点蚀，而钢中非金属夹杂物是主要的疲劳点蚀源。目前绝大多数镇静钢均使用铝脱氧。但使用铝脱氧而产生大量的Al2O3脆性夹杂，对于长期处于摩擦与冲击环境下的钢铁材料来说，是产生疲劳断裂的主要根源，严重影响了钢材的使用寿命，所以此类钢种对钢中脆性夹杂物具有非常严格的要求。铁路轨道类用钢即是此类钢种的典型代表之一，疲劳伤损是其主要的失效形式，如图1所示。

图1　钢轨表面失效示意图

为提高钢水纯净度，延长轨道用钢疲劳寿命，铁路轨道相关标准中对钢中夹杂物(主要为A、B类)提出了更为严格的要求，并对钢中Al，P，S，O含量进行了限制，分别要求w(Al)≤0.006%，w(P)≤0.015%，w(S)≤0.015%，w(O)≤25×10-6。目前转炉炼钢的主要流程是：转炉—精炼—真空脱气处理—连铸。转炉生产线冶炼的钢种绝大部分是铝镇静钢，即钢水冶炼过程中主要用Al作为强脱氧元素，以进行强化脱氧，达到脱氧、脱硫的效果，钢水中通常会保留一定含量的Al。而铁路道岔用钢因钢种的特殊性，为防止因氧化铝夹杂而影响轨道的疲劳寿命，不能以Al作为脱氧元素，为钢水脱氧、脱硫带来了一定困难。钢中Si也是常用的脱氧元素之一，其脱氧能力仅次于Al。铁路道岔用钢通常具有多种合金成分与较高的合金含量(总量大于5%)，给转炉生产线上合金化带来了一定困难。而钢中较高的Si含量会导致因合金化而带入钢水中的Al难以氧化去除，导致其含量超出要求。

可见，作为低碳高合金钢，如何保证钢中的w(Al)≤0.006%，w(O)≤25×10-6是铁路道岔钢生产开发的技术难点之一，其次，高合金钢因导热慢，裂纹敏感性强，如何防止高合金钢连铸坯产生冷却裂纹和轧制、加热产生应力裂纹是铁路道岔钢生产开发的技术难题;再次，当钢中硅含量高及含有镍等合金元素时，如何制定合理的加热工艺，有效去除连铸坯表面氧化铁皮，保证钢材表面质量，是铁路道岔钢开发、生产的又一技术难题。

3　25ZG超低铝道岔钢的研发试制

3.1生产工艺流程

根据生产线现有的技术能力和生产设备条件，设计的生产工艺流程为：

优质废钢+铁水→LD→LF→RH→六机六流圆坯连铸机→(冷、热装)加热炉(→开坯轧制)→六架高精度连轧机→步进式冷床→入坑缓冷→检验、精整→打包→称重→成品入库。

3.2主要生产工艺的制定

3.2.1转炉工艺

(1)为控制w(Al)≤0.006%，生产过程中严禁使用铝作为脱氧剂，而一般合金材料多为铝电解法加工制造，本钢种设计的化学成分，又为高硅高锰的合金钢，合金加入时，一般容易导致钢水增铝，故在合金使用时选用低铝合金原料，要求使用低钛低铝硅铁调硅，使用纯度高的金属锰、低碳铬铁，及品位较高的FeTi70和FeV80等特殊材料来专门生产道岔钢，以防止因合金元素的加入导致钢水增铝。

(2)冶炼过程中全程不用铝脱氧，为防止钢水过氧化，出钢碳不宜过低，同时考虑大量合金加入会引起增碳，故转炉出钢的碳含量也不宜过高。

(3)为保证道岔钢具有良好的强度和韧性，残余元素P不宜过高，控制越低越好，要实现低P控制，故钢水温度不能过高，以免高温回P，同时，考虑大量合金需在转炉出钢时加入，以免精炼成分调整时因大量合金加入，影响生产，而又要保证到精炼炉钢水温度不能过低，依据生产实际，转炉出钢温度按不低于1615 ℃控制。

(4)由于无强脱氧剂进行脱氧，同时考虑硅、锰合金元素的脱氧能力，为控制钢中氧含量，在保证出钢碳含量不得过低的基础上，选用电石或SiC作为脱氧剂。

11月14日上午9点，在洪峰进入云南之际，云南电网公司召开紧急视频会议，传达了南方电网公司总经理曹志安“要把困难估计得大一些，把方案准备得多一些，做到有备无患。”的要求，并再次强调，相关单位和部门要做到认识到位、组织到位、措施到位、人员到位，进一步做好灾情监测、人员撤离、应急保电、抢修复电、灾后重建等工作。

(5)一般预熔精炼渣中都含有Al2O3,为防止精炼渣中的铝被还原进钢水，故采用石灰+萤石造渣，为保证造渣效果，选用颗粒适中、CaF2含量在95%以上的一级萤石。

3.2.2精炼工艺

(1)炉外精炼技术是现代特殊钢冶炼的必要技术，通过100 t LF炉，造高碱度白渣保持20 min精炼，100 t RH真空脱气炉保持15 min以上进行精炼，可有效地将道岔钢钢水中的氧含量控制在20×10-6以下，氢含量控制在1.0×10-6以下；精炼过程采取大搅拌和软吹过程弱搅拌的吹氩思路，促进钢水中非金属夹杂物的上浮，有效去除非金属夹杂物，净化钢水。

(2)LF精炼采用石灰和萤石进行适宜碱度造渣进行精炼，渣碱度R≥2。采用低铝洁净钢控制技术及夹杂物Ba、Ca变性处理以降低钢中氧含量，提高钢的洁净度。

(3) RH炉在精炼过程中主要起到真空脱气、去除夹杂和均匀化学成分的作用。RH炉工艺要求在真空度≤67 Pa的条件下保持时间25 min以上，真空处理后的w(H)≤1.0×10-6。钢水处理后采用喂钙线及软吹氩搅拌，以促使细小夹杂物上浮，进一步提高钢水的洁净度和可浇性。

3.2.3连铸工艺

根据超低铝贝氏体道岔钢轧材内部质量及工艺压缩比设计要求，连铸坯设计断面为Ф500 mm。连铸应用了中间包充氩技术和浇注过程全保护技术，有效地防止了浇注过程钢水二次氧化；采用低过热度技术及连铸全保护技术，实现对钢水的有效控制，减少连铸坯中心偏析、疏松、夹杂等缺陷的发生；优化二冷水冷却制度，防止冷却应力裂纹产生，所以适当降低二冷水冷却强度；浇注过程应用了结晶器电磁搅拌技术和末段电磁搅拌技术，提高连铸坯的致密度，使连铸坯成分均匀，减轻偏析；选用适合高硅高锰钢生产的专用保护渣，起到良好的润滑及冷却导热作用；采用低热度恒拉速浇注工艺，生产过程平稳，保证连铸圆坯的整体质量；连铸坯高温入保温坑缓冷。

3.2.4轧制工艺

(2)轧制：高合金钢在连铸过程中，由于选分结晶等冶金特性，铸坯不可避免存在较大的疏松、缩孔等缺陷，通过轧制过程中均透加热，高温轧制、粗轧大压下量变形、中轧前适当降温等控温轧制手段，进行轧制力渗透向心部渗透技术，来有效改善轧材内部质量，提高钢材致密度。

(3)控温冷却：针对钢种化学成份和轧材进行组织因素，轧材轧制后经过冷床干预冷却，空冷前期为快冷，后期为缓慢冷却，以确金相组织的充分转变，得到了典型的贝氏体组织。轧材400 ℃以上入坑缓冷，缓冷24 h后，待温度低于180 ℃出坑。

3.3超低铝冶金控制分析

高硅低铝钢中Al含量要求控制在0.006%以下，Si含量高达1.75%。钢中固定存在的元素Mn因与氧的亲和力与Al相差很大，对钢水中Al含量变化的影响可以忽略；而Ca在钢水中难以长时间存在，所以钢中Al含量的控制关键在于抑制反应式 4[Al]+3(SiO2)=3[Si]+2(Al2O3)逆向进行。需通过对合金材料、炼钢辅料的使用对上式各因素的活度加以控制，从而达到控制Al含量的目的。

当钢中Si含量高达1.75%，可以还原钢渣中Al2O3而导致钢水增Al，渣中Al2O3与SiO2含量、钢中Si含量、钢渣温度共同决定了钢水Al含量。随着温度提高，反应有利于正向进行，而温度下降时则利于逆向进行，精炼过程钢水持续加热升温，所以上述反应不断正向进行，钢中Al含量持续增加，至精炼末期温度与钢中Al含量均达到最大值。RH处理及软吹过程中钢水温度持续下降，上述反应逆向进行，钢水Al含量随之持续下降，钢包顶渣Al2O3含量较少，对应的钢水Al含量也低。

且精炼过程渣面脱氧所使用的电石溶于顶渣而形成的[Ca]，也可还原渣中Al2O3而加剧钢水Al含量升高。在使用相同原辅料的情况下，精炼过程顶渣Al2O3增量相当，精炼到站时顶渣成分决定了最终Al2O3含量。表3为试制炉次成品Al含量及精炼渣样分析数据。

表3　Al含量及精炼渣分析

其余产品炼钢生产均采用Al脱氧法，并使用Al2O3含量较高的预熔精炼渣或轴承钢专用精炼渣进行造渣，导致精炼终渣Al2O3含量均在10%～20%之间。

3.4成品钢材质量检验

Ф500 mm大圆坯经轧制为F185×115 mm规格道岔加工用扁平材，进行化学成分、气体含量、非金属夹杂物、金相组织、低倍质量经验，钢材内外部质量优良，达到设计目标，满足高速重载铁路道岔的加工需求。

3.4.1化学成分及气体含量检验

经光谱复检，化学成分与熔炼成分吻合，满足成分设计的要求，关键控制元素如表4所示。

表4　化学成分分析结果/%

3.4.2非金属夹杂物检测

对钢材进行非金属夹杂物检验，夹杂物形貌如图2所示，检测结果如表5所示。

图2　低铝试样夹杂物形态

试样号夹杂物(级)ABCD粗细粗细粗细粗细DS812低铝00.50.51.00000.50

从以上分析可以看出，控制钢中Al含量，可有效控制钢中B类夹杂的产生，B类夹杂的最大宽度不超过15 μm。

3.4.3金相组织和晶粒度检验

钢材的金相组织照片如图3所示，金相检验结果如表6所示。从金相组织可以看出，道岔钢为高合金钢，钢材中含有大量易于贝氏体组织转变的化学成分，故大规格道岔钢钢材顺利地实现了贝氏体组织的转变，得到了性能优良的贝氏体组织。

图3　低铝试样金相组织

试样号金相组织低铝贝氏体道岔钢贝氏体组织(板条状或变态的板条状铁素体,板条间分布有不连续的第二相)

从以上分析可以看出，经过控制冷却和高温入坑缓冷后，道岔钢都得到了板条状贝氏体组织，而铝含量的高低对组织无影响，按GB/T 6394—2002检验热轧材的奥氏体晶粒度，晶粒度级别为7.0级，符合设计对晶粒度不小于6级的要求。

4　结束语

(1)对于超低铝高合金钢的生产，Al含量的控制是难点，如果生产时钢包口及内壁残渣较多，精炼顶渣Al2O3含量偏高，会致使冶炼过程与之平衡的钢水Al含量居高不下；当钢中Si含量高达1.75%，可以还原钢渣中Al2O3而导致钢水增Al；精炼过程宜采用Si-Mn复合沉淀脱氧方式，可有效保证精炼后期钢水中的Al不回升。

(2)超低铝贝氏体道岔钢的生产工艺可行，钢材化学成分均匀，钢水纯净度、B类夹杂物得到有效控制，组织均匀，得到了均匀、细小的贝氏体组织，具有良好的强度和韧性等力学性能，且钢材具有优良的焊接性、耐磨性等物理性能。

[1]熊卫东，等．高速铁路钢轨浅析[J]．铁道物资科学管理，1999,(1)：34—36.

[2]周清跃等．进口钢轨的性能分析[J]．中国铁道科学，1997,18(1)：53—61.

[3]徐勇，等．法国、德国高速铁路钢轨的生产和使用技术[J]．中国铁路，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

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

TG142.41