贝氏体钢在铁路辙叉中的应用

李国辉，刘洪武

（中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066200）

铁路辙叉是铁路线上的一种轨线平面交叉设备，其作用是使火车车轮由一股线路转换到另一股路线。

辙叉不仅受到来自车轮的周期性冲击载荷，还会受到横向纵向滑动产生的静载荷，辙叉的工作条件及其恶劣，是在铁路结构中损伤最严重的部位，所以对辙叉材料的要求也更为严格。随着交通运输行业的不断发展，铁路逐渐向高速、重载方向发展，对辙叉的使用性能尤其是强度和硬度提出了更高的要求。

1 钢轨材料

钢轨钢可以分成以下几类：珠光体、奥氏体、贝氏体型钢轨。目前，全世界铁路辙叉90%以上是高锰钢铸造辙叉。传统的高锰钢具有容易加工、加工硬化明显、方便上线等优点，目前在国内各个铁路路线上广泛使用。但高锰钢辙叉主要是采用铸造成型，铸件内部不可避免会存在缩松和缩孔、晶粒粗大等，影响其组织致密性及使用安全性。同时，高锰钢的热导率低，焊接过程中容易出现裂纹，维护成本高。很难满足当前高速重载的使用要求，所以必须研究开发新型辙叉材料。传统的珠光体钢，无论是其进行热处理还合金化处理，性能都很难再提升，已经达到极限[1]。

随着材料强度的不断提高，材料的强韧匹配问题越来越受到人们重视。马氏体组织具有较高的强度，贝氏体/马氏体复相组织同时具有高强高韧的性能，从而得到越来越多的应用。20世纪80年代开始，人们逐渐开始研究贝氏体钢轨，由于贝氏体钢轨性能优异，已在国内辙叉上开始应用。质量稳定的贝氏体钢辙叉的使用寿命是高锰钢的2~4倍。贝氏体钢被认为是替代传统高锰钢的最佳材料[2]。

2 贝氏体钢国内外发展现状

Mo-B系或Mo系贝氏体钢，该类型贝氏体钢是由K.J.Irvine和P.B.Pickering研究的，主要是利用Mo可以使CCT曲线高温区向右移动，而基本不影响贝氏体转变，B元素可以使铁素体转变温度降低，而对贝氏体转变影响较小，但Mo元素价格较高，不利于工程应用。

清华大学方鸿生教授，在20世纪70年代研发出了Mn-B系贝氏体钢，Mn可以提高钢的淬透性，大幅度降低贝氏体转变温度，使过冷奥氏体的稳定性增强，延长孕育期，可使空冷得到贝氏体组织。Mn元素来代替Mo元素，可大大降低钢的成本，促进了贝氏体钢轨的发展[3]。

东北大学陈昕团队和鞍钢合作开发了无碳化物贝氏体钢轨钢，通过研究表明，加入适量的Si元素，可以抑制组织中碳化物的析出，由于组织中残余奥氏体代替了的碳化物，所以使贝氏体钢仍能保持高韧性，该钢轨并已成功铺设，运行结果表明该钢轨有更好的抗疲劳性能和耐磨性[4]。

3 实验与结果

3.1 试验材料及测试方法

试验所用珠光体钢轨为包钢生产，贝氏体钢轨采用鞍钢生产，高锰钢为中铁山桥生产的，钢轨成分分别满足TB/T2344-2012《43kg m~75kg m钢轨订货技术条件》、Q/JH013-2013《贝氏体钢轨技术条件》、TB/T447-2004《高锰刚辙叉技术条件标准》，试验钢成分如表1所示。由表可知，贝氏体钢碳当量最低，焊接性能较好。

表1 试验钢化学成分（wt%）

力学性能测试方法：将钢轨加工成圆棒拉伸试样，在WE-300A液压万能试验机上进行拉伸试验；取三个尺寸为10mm×10mm×55mm的冲击试样，试样缺口类型为KU2，在JBN-300B冲击试验机上进行冲击试验；在试样上取多个点进行了硬度测试，取其平均值作为该试验钢的硬度值。

微观组织表征方法：取10mm×10mm的方形试样金相试样，经过不同粒度的砂纸打磨，再进行抛光后，采用浓度为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在OLYMPUS GX51型光学显微镜下观察试样的显微组织。采用VEGA3 TESCAN型扫描电子显微镜对贝氏体微结构进行观察，扫描时的加速电压为20KV。采用线切割从贝氏体钢上取0.35mm厚薄片试样，后进行机械减薄，减薄至80μm后进行双喷减薄，采用JEM-2100F型透射电镜对样品进行观察。

3.2 试验钢的力学性能

分别对三种试验钢进行了力学性能测试，贝氏体钢与高锰钢、珠光体钢性能对比见表2，贝氏体钢的抗拉强度是高锰钢和珠光体钢的1.5倍左右，硬度是1.5~2倍，冲击韧性也较高。

表2 试验钢的力学性能比较

3.3 试验钢显微组织观察

图1分别为三种钢的金相组织，U71Mn为珠光体组织，ZGMn13为奥氏体组织，AB1为贝氏体和马氏体复相组织。可以看出奥氏体组织晶粒较大，三种钢的晶粒度评级分别为7级、2级、8级。

图 1 试验钢组织 a)U71Mn（500X） b)ZGMn13（100X） c)AB1（500X）

图2 AB1钢SEM观察

对AB1贝氏体钢在扫描电镜下进行观察，如图2所示，组织为贝氏体+马氏体复相组织。

图3是试验钢在中温回火时的透射照片，组织中会产生渗碳体，残余奥氏体也不能稳定存在，对冲击不利，所以要保证钢轨的强韧性，贝氏体钢应在低温回火。

图3 AB1样品中温回火渗碳体的透射观察a)明场像 b)暗场像 c)选区衍射花样

4 结论及展望

通过对贝氏体钢轨的研究，得出以下结论：随着铁路逐渐向高速、重载方向发展，对辙叉的要求越来越高，迫切需要提高材料的综合性能，来满足使用需求。珠光体钢轨的冲击韧性较低，珠光体钢和高锰钢碳当量高，而贝氏体钢轨良好的强韧性匹配，由于碳当量低而易焊接。所以，开发出并应用高硬度、高强韧性、长使用寿命的具有优异综合力学性能的辙叉贝氏体钢成为当务之急。