铁路辙叉用贝氏体钢研究进展

铁路辙叉用贝氏体钢研究进展内容摘要：

幅 度 的 提 高 ， 目 前 ， 该系 列 贝 氏 体 钢 辙叉已在国内得到 广 泛使用。 2020 年包钢与清 华 大 学 合作完成了全贝 氏 体钢组合辙叉的 设 计和生 产 ，并 于 2020 年 11 月 上道 试 用。 1999 年西 华 大 学 申 报了 关 于 辙 叉 用 贝 氏 体钢 的 研 究 成 果 专 利 [13]， 并 于 2020 年 与 四川 蓝 星 机 械 有 限 公 司合 作 共 同 开 发 这 项专 利 贝 氏 体 钢 辙 叉 ， 其 设 计 方 案 是 以 SiMn 为 主， CrMoNi 合金元 素 为辅， 辅 以稀土 合 金、 V、 Ti 变 质 处 理。 然而 ， 长 期 的 应 用 表明 ， 目 前 ， 我 国 生 产 的 贝 氏 体 钢辙叉服役过程 中 普遍存在早 期 “ 掉 块 ” 现 象 ， 严 重 影 响 了 贝氏 体 钢 辙 叉 的 使 用 和发 展。 2020 年 燕 山大学张福成课 题 组与中铁山桥集 团 有限公 司 合 作 ， 开 发 了 AlW 系 锻 造 贝 氏 体钢 固 定 型 拼 装 辙 叉 ， 解 决 了 贝 氏 体 钢 辙 叉的 氢 脆 问 题 [1415]， 并 且 发 现 ， Al 可以 大 幅度 降 低高 强 贝氏体 钢 的氢 脆 敏 感 性 ，因 此 ， AlW 系 锻 造 贝 氏 体 钢是 一 种 制 造 铁 路 辙 叉安 全 性 能 最 高 的 材 料 [1617]。 我国 广 泛 使 用 的 贝 氏 体钢 拼 装 辙 叉 结 构 如 图 6 所 示。 德 国 贝 氏体 钢 辙 叉 选 用 含 Mo 合 金钢 ， 其 碳 含 量 较 高 ， 为 %， 并 且 Mo 的 含 量 较 高 ，超 过 了 公 认 的 有 效 量 %。 实 际上 ， Mo 的 含量 超 过 % 就能起到明显推迟珠光体转变的作用， 在 %时 效 果 最 好 ， 超 过 %以 后推 迟 作 用 基 本 不再 提 高。 可 能 是 考 虑 到实 际 生 产 中 B 的 含 量 不 易 控制 ， 德 国 贝 氏 体 钢 辙叉 中 没 有 添 加 B 元 素 ， 因 此希 望 通 过 提 高 Mo 的 含 量 来 保证 空 冷 下 获 得 贝氏 体 组 织 ， 故 而 其 Mo 的 添 加 量 达 到 了 %。 这 种 贝氏 体 钢 辙 叉 经 350℃ 6 h 或 24 h 的 退 火 处 理 ， 以 防止 氢 脆 并 降 低 内 部 应 力 [11]。 2 国内贝氏体钢辙叉研究进展 我 国 对 贝氏 体 钢 辙 叉 的 研 究 起步 较 晚 ， 与 西 方 各 国 有 较 大 的差 距。 1996 年 我国 与 德 国 BWG 公 司 合 作 ， 将 他 们 生 产 的 贝 氏体 钢 辙 叉 在 上 海铁 路 局 进 行 了 铺 设 ， 并 与 高 锰 钢 辙叉 的 应 用 情 况 进行 了 对 比 试 验 ， 结 果 表 明 ， 德 国 贝氏 体 辙 叉 通 过 总重 达 到 图 6 我 国 贝氏体钢拼装辙叉的基本 结 构 Fig. 6 Basic structure of bainitic steel boltedcrossing used in China 40℃ 时 的低温冲击 韧 性大 于 35 J/cm2， 硬 度 38~45 HRC， 根 据 此规 定 指 导 我 国 辙叉 用 贝 氏 体 钢 化 学 成分 的 设 计。 对于辙叉用 贝 氏体钢材料化学成分的标准目 前 世 界 各 国 均没 有 制 定 ， 我国 只 是 对 辙 叉 用贝 氏 体 钢的 力 学性 能 进行 了 规定。 铁道 部 (2020) 165 号 文 规 定 ， 用 于 制 造 铁 路 辙 叉的 贝 氏 体 钢 的 抗拉 强 度 大 于 1 240 MPa，常 温 冲 击 韧 性 大 于 70 J/cm2， 清华大学方鸿生课题组发明的辙叉专用超高 韧 可 焊接 空 冷 鸿 康 贝 氏 体 钢 ， 是 以 Mn、 Si 为 主 要 第 1 期 张福成 等 铁路辙叉用贝氏体 钢 研究进展 5 合 金 元 素 ， 辅 以 Cr、 Ni、 Mo 等 元 素 ， 经 奥氏 体 化 后 空冷 得 到贝氏 体 /马 氏体 复 相组织 ， 基础 化 学 成 分 为 (%)： C ~， Si≤ ， Mn ~， Cr ~， Ni≤ ， Mo≤ ， 其 余 是 Fe [12]。 这 种 钢 具 有 很好 的 贝 氏 体 空 冷 淬 透性 ， 热 加工 后 具 有优良的强韧性 配 合，可免除淬火 处 理、简化工 艺 、 节 约 能 源和 降 低 成 本。 西华大学研 制 和开发的辙叉心轨用贝氏体钢 的 化 学 成 分 为 [13]： C ~， Si ~， Mn ~， Mo ~， Cr ~， Ni ~， Re ~， 以 及 V、 Ti 中一 种 或 者 二 种 合 金 元素。 此种钢正火后的 组 织为贝氏体铁素 体 和残余奥氏 体 双 相 组 织。 其 抗 拉 强 度 为 1 240~1 346 MPa； 冲 击 韧 度 为 76~94 J/cm2； 伸 长 率 为 17%~20%； 硬 度 为 41~45 HRC。 这种 低 合金贝氏体钢辙叉具有 高 强 度 和 硬 度 ， 同 时 韧 性也 很 好 ， 具 有 良 好 的综 合 力 学 性 能 ， 能够 满 足 辙 叉 心 轨 强 度高 、 韧 性 好 、 易 焊 接 等 要 求。 近 年 来 ， 燕 山 大 学 张 福 成课 题 组 在 辙 叉 用 贝 氏 体 钢 方 面 不 断 研 究 探索 ， 设 计出 具 有 优 异 焊 接 性 能 的新贝氏 体 钢辙叉和低成本 高 寿命的全贝氏体钢 辙叉 [1718]。 全 贝 氏 体 钢辙 叉 翼 轨 钢为 23MnCrSi AlNiMo 钢 ， 其 具 体 化学 成 分 为 (%)： C ~， Mn ~， Al ~， Ni ~， Cr ~， Si ~， 其 余 为 Fe。 该 贝氏 体 钢 冶 炼 以 后 通 过 连 铸 热 轧 成 标 准 铁 路钢 轨 ， 轧制 后 在 空 气 中 冷 却 至 室 温 ， 可 获 得 优 异 的 综 合力 学 性 能 ， 同 时 具 有 很 好 的焊接性 能。 这种全贝氏体 钢 辙叉心轨的材质是 35MnCrSiAlNiMo 贝 氏 体 钢 ， 要 求其 中 的 O、 H、 B、 V、 Nb、 S 和 P 有 害 杂 质 含量 很 低。 这 种 全 贝 氏 体 钢 辙 叉 具 有 优 异的 机 械 性 能 ， 同 时 还 具 有 高 的 使 用 寿 命。 3 展望 尽 管 辙 叉 用 贝 氏体 钢 的 研 究 时 间相 对 较 短 ， 但 贝氏体钢 辙 叉优异的服役性 能 已引得广泛的关注 和 认 可 ， 不 断 有 新 的 贝 氏体 钢 辙 叉 上 道 服役。 随 着 铁 路 逐 渐 向 重 载 、 高 速 和跨 区 间 无 缝 方 向发 展 ， 对 辙 叉 提 出 了 更 高 的 要求 ， 迫 切需 要 提 高 辙 叉 材 料 的 综 合 性 能 ， 来 满 足 铁 路 发展 的 要 求 ， 因 此 研 究 贝 氏 体钢辙叉 新 材料具有巨大的 理 论研究和实际工程 意 义。 从上述的铁 路 辙叉专用贝氏体钢的化学成分 看 ， 这 些 贝 氏 体 钢 均 为中 低 碳 低 合 金 钢 ， 按合 金 系 划 分 大 多 属 SiMnMo 系 或 MoB 系。 其 中都 存 在 合 金 元 素 Si 和 Mo， 且含 有 微 合 金 元 素 V、 Nb、 Ti 或 B 等。 随 着 工 业 化 的 不断 前 进 ， 世 界 上 Mo 资 源 日 趋 匮 乏 ， 因 此 ， 目 前 大 量 的研 究 集 中 在 利 用 W 代 替 Mo。 因 为 研 究 表 明 W 对 钢 的 珠 光 体和 贝 氏 体 相 变 都 有 很大 的 影 响 ， 并且 可 显 著 阻 碍 奥氏 体 晶。