高速重载贝氏体钢轨开发的应用基础研究

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利用实验室冶炼、轧制等试验条件,结合工业性生产试制,开展了1200MPa强度级别无碳化物贝氏体钢轨的化学成分优化,生产工艺及其适应性,贝氏体显微组织、钢种性能及其它们之间关系的研究,进而开展了贝氏体钢轨接触焊、气压焊、焊后热处理等焊接性的研究;所开发贝氏体焊接轨在既有铁路试铺,并将其应用在铁路辙叉翼轨、道岔尖轨上。在上述研究的基础上,开展了进一步优化贝氏体钢轨强韧性的研究。上述研究表明:采用无碳化物贝氏体钢轨的成分及组织设计,实现了贝氏体钢轨优异的强韧性匹配。在C-Si-Mn-Mo成分系列的基础上,加入0.5%Ni,可以在一定程度上提高钢中残余奥氏体稳定性,但还不足以取消钢轨的回火处理;在设计的C, Si、 Mn水平上,Mo含量要在0.30%以上。降低终轧温度、提高钢轨轧后冷却速度,可以明显使无碳化物贝氏体组织板条化、细化,实现更好的强韧性匹配。60kg/m、75kg/m、60AT等不同规格的贝氏体钢轨全断面组织均为无碳化物贝氏体组织,全断面拉伸性能、硬度、冲击韧性均匀一致,断裂韧性远高于淬火珠光体钢轨,疲劳裂纹扩展速率达到了高速轨的水平。贝氏体钢轨钢高温塑性满足连铸工艺的要求。热轧—回火—矫直、热轧—矫直—回火两种工艺条件下,全断面组织、性能均匀性变化不大,但热轧—矫直—回火钢轨的强度有所提高,韧性有所降低。300℃-500℃范围内的回火对贝氏体钢轨强度没有明显影响;当回火温度高于400℃,随着碳化物的析出,钢轨的韧性有所降低。热轧空冷无碳化物贝氏体钢轨经低温回火以后,钢中残余奥氏体的稳定性明显提高。同样的塑性变形条件下,即使是在-20℃低温,低温回火贝氏体钢轨中残余奥氏体稳定性也明显高于未经回火的热轧空冷贝氏体钢轨中残余奥氏体室温的稳定性。钢轨经多次回火及延长回火时间处理,性能比较稳定,虽然热轧空冷贝氏体钢轨经在线平立复合矫直以后,轨底中心会产生350MPa左右的矫直残余拉应力,但在模拟低温(-40℃)环境钢轨运营的疲劳试验结束后,钢中残余奥氏体组织仍基本是稳定的。接触焊、气压焊等焊接工艺的研究表明,贝氏体钢轨焊接性能良好。焊接贝氏体钢轨成功试铺,使用寿命比淬火珠光体钢轨提高1倍以上,采用贝氏体翼轨的锻焊辙叉使用寿命比锰钢辙叉提高约10倍;贝氏体AT尖轨在大秦线上成功试铺,其平均使用寿命可以达到U75V材质的4倍。通过微合金化或淬火处理能够进一步提高并优化贝氏体钢轨的强韧性。
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