重载铁路辙叉用新型贝氏体钢的应用基础研究

栾道成，汪思敏，王正云，熊师兵，张 伟

(西华大学材料科学与工程学院， 四川 成都 610039)

近年来，随着我国铁路跨越式发展的不断深入，以“客运高速、货运重载”为代表的铁路发展新格局已逐步形成。铁路辙叉作为承载列车载荷、引导列车运行的关键部件，其质量的优劣直接影响铁路的运营效率和行车安全。由于侧重点不同，辙叉在客、货运铁路中的要求截然不同。具体来说，客运铁路要求列车运行平稳、行车速度快，要求辙叉安全性、可靠性、抗冲击性能高。相比之下，重载铁路由于轴重大、牵引量高、行车密度高，要求辙叉不仅具有良好的耐磨损性能，还具有优异的滚动接触疲劳性能。目前，现阶段重载铁路辙叉存在的问题是：以大秦铁路为例，辙叉磨耗较快，滚动接触疲劳性能不稳定；客运铁路贝氏体钢辙叉在使用中存在辙叉寿命较分散、质量不稳的问题。

为此，本文在已有发明应用的客运铁路贝氏体钢辙叉基础上[1-3]，研究重载铁路辙叉用新型的贝氏体钢，期望大尺寸辙叉心轨能在空冷热处理后得到贝氏体组织，获得高强高韧性能，以代替传统高锰钢辙叉材料，提高辙叉使用寿命。

为了实现心轨大尺寸下(最小2 000 mm×200 mm×250 mm)，热处理空冷态得到贝氏体组织，且具有高强高韧性能，新型贝氏体试验用钢成分，必须满足高的淬火性，贝氏体组织最好为无碳贝氏体，氢脆敏感性小，合金元素设计中含Si、Mn、Cr、Ni、Mo等合金。

1 试验材料与方法

本试验中选用的实验材料是实际生产中采用非真空电弧炉冶炼、普通浇铸成钢锭，然后锻造成心轨(见图1)，再从心轨实物上切取试样。重载铁路辙叉试验用贝氏体钢的化学成分如表1所示。

图1 重载铁路贝氏体钢辙叉心轨

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

参照GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》和GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，开展试验拉伸和冲击性能研究。通过利用OLYMPUS-TOKYO型金相显微镜，Inspect-50型和S-3400N型扫描电镜，JEM-200CX透射电镜，以及DX-1000型X射线衍射分析仪对铁路重载辙叉贝氏体钢组织、断口形貌进行观察并作机理分析。所有试样奥氏体化温度为900 ℃。

2 试验结果与讨论

2.1 辙叉心轨组织特征及分析

从图2A金相显微组织可见，贝氏体辙叉钢的正火态显微组织为板条状或变态的板条状(粒状)贝氏体组织，表明本研究实现了在大尺寸样品中，获得空冷贝氏体组织。不同温度回火对组织的影响如图2B-E所示。可见，在500 ℃以下回火，贝氏体组织形态变化较小，抗回火稳定性强，未明显发生贝氏体组织形态变化和再结晶现象。这与本研究中合金加入较多的Mo和Si合金，尤其是Si合金对贝氏体组织抗回火稳定性的提高有较显著作用[4-5]。

图2 回火温度对贝氏体辙叉钢的显微组织影响

图3为不同温度回火态辙叉贝氏体钢组织的XRD衍射图谱。可以看出，在正火热处理状态，辙叉贝氏体钢组织是XRD衍射峰只有铁素体峰和奥氏体峰。其中奥氏体(111)峰还比较明显，是比较典型的一种无碳化物贝氏体组织，属于新型奥氏体-贝氏体组织[6-7]。在本试验回火温度对此贝氏体钢组织的影响研究表明，在450 ℃以下回火，XRD衍射峰仍为铁素体峰和奥氏体峰，但奥氏体(111)峰强有较明显下降；在550 ℃回火没有出现奥氏体峰，说明残余奥氏体在此温度已所转变。

以上分析表明，研制的重载铁路辙叉试验用贝氏体钢在正火态及正火+低温回火后的组织能完全获得全贝氏体组织。

图3 不同温度回火态辙叉贝氏体钢组织的XRD衍射图谱

图4 重载铁路辙叉贝氏体钢组织的TEM像

2.2 重载辙叉心轨贝氏体钢力学性能研究

重载辙叉心轨贝氏体钢的拉伸性能如表2所示。

表2 重载辙叉心轨贝氏体钢的拉伸性能

从表2可以看出：无论是锻造态还是回火态下，重载辙叉心轨贝氏体钢的屈服强度、断裂强度、伸长率以及断面收缩率都比较理想，强塑性都比较高；回火态下表现出更加优良的塑韧性，说明在回火过程中有去除应力的作用，有利于进一步改善强塑性；同时因尺寸约束效应，小样表现出更为优良的塑性特征。

表3为重载辙叉心轨贝氏体钢冲击强度试验结果。表明锻后回火态的组织、冲击强度均高于锻造态的组织。在常温下，V型缺口的锻造态组织试样的冲击强度为43.4 J，而锻后回火态组织试样高达59.1 J；U型缺口的锻造态组织试样的冲击强度为60.8 J，锻后回火态试样为79.4 J。在低温-40 ℃，V型缺口的锻造态组织试样的冲击强度为15.7 J，锻后回火态试样高达39.8 J。冲击强度试验进一步证明，锻后回火处理对改善重载辙叉心轨贝氏体钢的综合力学性能有比较好的效果。

表3 重载辙叉心轨贝氏体钢冲击强度 J

图5示出回火温度对贝氏体辙叉钢的硬度影响。从图中可知：贝氏体辙叉钢组织的硬度，在350 ℃以下回火，随着温度的升高，开始提高，在350 ℃时达到最高，这与贝氏体中奥氏体膜转变成马氏体或贝氏体组织有关[8-9]；随着回火温度的升高，硬度值开始下降，在550 ℃左右发生较明显下降，这与组织在较高温度回火，发生回复和再结晶，位错密度减小有关；同时，该新型贝氏体钢组织在500 ℃以前回火，硬度下降较小，具有较强的抗回火稳定性。

综上研究表明，研制的新型重载辙叉心轨贝氏体钢，不仅实现了在正火空冷态大尺寸下，获得奥氏体-贝氏体复合组织，贝氏体组织为无碳化物贝氏体，而且复合组织具有优异的综合力学性能，满足了新型重载辙叉心轨高强高韧长寿命的性能要求。

基于此，国内某企业利用本研究成果，已成功开发重载辙叉心轨并在大秦铁路线上试用，其使用性能明显优于传统高锰钢辙叉心轨。

3 结论

1)对研制的新型重载辙叉心轨贝氏体钢成分设计，实现了在正火空冷态大尺寸下，获得奥氏体-贝氏体复合组织，贝氏体组织为无碳化物贝氏体。

2)通过高倍微观分析表明，奥氏体-贝氏体复合组织中，贝氏体是板条状为主，奥氏体为薄膜状分布在贝氏体板条间。

3)奥氏体-贝氏体复合组织具有优异的综合力学性能，断裂强度高达1 400 MPa，常温冲击强度(AKu)达79 J，在低温(-40 ℃)， V型缺口的锻后回火态试样高达39.8 J。新型贝氏体钢组织具有较强的抗回火稳定性，在500 ℃以前回火，其硬度下降较小。

特约作者介绍

栾道成(1964—)，男，四川达州人，1991年中国矿业大学博士毕业，现为西华大学材料科学与工程学院教授，享受国务院政府津贴专家。作为主研或项目负责人，先后承担国家重大专项、国家自然科学基金、四川省重点支撑、基础研究、四川省经信委技术创新、四川省教育厅和各类横向科研项目估计60项。

先后在《金属学报》《摩檫学报》《材料及热处理学报》《钢铁研究学报》《铸造》《粉末冶金》《焊接技术》等发表学术论文80余篇。授权发明专利近10项，鉴定成果10多项，获省科技进步二等奖1项，三等奖4项。多项成果及专利已推广应用，其中发明的新一代铁路辙叉心轨贝氏体耐磨材料及成果，被列为国家重点成果推广应用，代替传统高锰钢辙叉心轨材料在我国铁路系统广泛推广。