Cr和Si含量对重载铁路用75 kg · m ^－1 U77MnCrH钢轨组织与性能的影响

Effect of Cr and Si Contents on the Structure and Properties of 75 kg · m ^－1 U77MnCrH for Heavy-Haul Railway

摘要

为开发适应重载铁路用高强韧、高硬度耐磨钢轨，按照C-Si-Mn-Cr成分设计体系进行U77MnCrH钢轨钢的成分设计和中试试验；基于中试试验的组织性能，筛选出组织性能较好的试验钢进行75 kg · m^－1 U77MnCrH钢轨试制试验；使用金相显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、万能拉伸试验机及硬度计对75 kg · m^－1 U77MnCrH钢轨试样进行组织性能分析。结果表明：随着Cr含量由0.26%增加到0.38%，钢轨钢试样中珠光体片层间距由165 nm减小到146 nm，抗拉强度和硬度均有提高，屈服强度R_p0.2与断后伸长率均有降低；随着Si含量由0.25%增加到0.45%，珠光体片层间距由165 nm减小到132 nm，断后伸长率和硬度均有提高，屈服强度R_p0.2明显增加，抗拉强度变化不大；0.45%的Si配合0.26%的Cr获得的钢轨珠光体更加均匀细小，片层间距分布更加均匀，力学性能与硬度匹配更好，抗拉强度达到1 258 MPa，屈服强度R_p0.2达到845 MPa，断后伸长率达到13.0%，轨头顶面硬度达384 HBW，横断面硬度介于36.2~38.8 HRC。75 kg · m^－1 U77MnCrH钢轨的各项指标对生产实践具有较强的参考价值。

Abstract

To develop high-strength, high-toughness and high-hardness wear-resistant rails for heavy-haul railways, the composition design and intermediate pilot test of U77MnCrH rail steel were conducted according to the C-Si-Mn-Cr compositional design system. Based on the microstructure and properties of the intermediate pilot test, steel with better microstructure and properties was selected for 75 kg · m^－1 U77MnCrH rail rolling test. The microstructure and properties of 75 kg · m^－1 U77MnCrH rail samples were studied using optical microscope, field emission scanning electron microscope, transmission electron microscope, a universal tensile testing machine and a hardness tester. The results show that as the content of chromium increases from 0.26% to 0.38%, the lamellar spacing of pearlite decreases from 165 nm to 146 nm, accompanied by an increase in tensile strength and hardness, but a decrease in yield strength R_p0.2 and elongation at fracture. As the content of silicon increases from 0.25% to 0.45%, the lamellar spacing of pearlite decreases from 165 nm to 132 nm, resulting in increased elongation at fracture and hardness, as well as a notable increase in yield strength R_p0.2, while the tensile strength remains relatively unchanged. The pearlite of rail steel with 0.45% silicon and 0.26% manganese is more uniform and finer with a more homogeneously distribution of lamellar spacing, achieving an optimal balance between mechanical properties and hardness. It demonstrates a tensile strength of 1,258 MPa, a yield strength R_p0.2 of 845 MPa, an elongation at fracture of 13.0%, hardness of rail head top surface of 384 HBW, and a cross-sectional hardness ranging from 36.2 to 38.8 HRC. The various indicators of the 75 kg · m^－1 U77MnCrH rail provide valuable references for production practice.

Graphical abstract

关键词

重载铁路 / 75 kg · m^－1 U77MnCrH钢轨 / 透射电子显微镜 / 万能拉伸试验机 / 珠光体

Key words

Heavy-haul railway / 75 kg · m^－1 U77MnCrH rail / Transmission electron microscope / Universal tensile testing machine / Pearlite

重载铁路是世界铁路货运的重要发展方向，增加轴重是实现重载运输的主要方式之一，是提高运能和效益的有效途径。大秦铁路是我国首条双线电气化重载铁路，也是世界上年运载量最大的铁路，主要以运行25 t轴重货车为主，2014年开始运行27 t轴重的C80E型货车^［1-2］。钢轨是轨道交通运输的重要组成部件，在运输承载和压力传导中起着至关重要的作用，其性能直接影响铁路运输的安全稳定^［3-5］。近年来随着大秦铁路运量、轴重及单列最大载重的不断增加，导致钢轨伤损日益严重，因此开发具有高强韧性匹配、良好的可焊性与焊接性能、高硬度兼具抗耐磨性及抗接触疲劳能力的钢轨，延长重载铁路钢轨使用寿命，已成为轨道交通用钢领域研究学者广泛关注的课题^［6-7］。

针对日益严重的轮轨磨耗及伤损问题，近年来国内外学者也做了大量研究工作，研发了一些新钢种并开展了一系列理论和试验研究，并取得了一些成果^［8-10］。田常海等^［11］对大秦铁路铺设的PD3（U75V）热轧钢轨和PG4（U78CrV）热处理钢轨进行试验研究，获得了大秦重载线钢轨伤损率变化及影响因素，为钢轨选择提供了借鉴。陈朝阳等^［12］开展了强度等级为1 200~1 300 MPa的贝氏体钢轨研究，分析后认为贝氏体钢轨的磨耗性能比U75V热轧钢轨和热处理钢轨分别提高67%和33%。Santa等^［13］设计了R260，R350HT和R400HT钢轨钢与ER8车轮钢对磨试验，分析后认为硬度决定钢轨材料的耐磨性能。Hasan等^［14］利用磨损试验机研究2种新设计的低碳连续冷却无碳化物贝氏体钢轨钢与珠光体钢轨钢的磨损性能，分析后认为珠光体钢轨与贝氏体钢轨磨损过程中的材料特性和失效机理存在本质的区别，珠光体钢轨表现出更优异的耐磨性能。Lee等^［15］对比贝氏体钢轨与珠光体钢轨耐磨性，分析后认为贝氏体钢轨耐磨性较差。Masaharu等^［16］模拟重载铁路用钢轨滚动接触疲劳伤损的产生并分析机理，评估不同碳含量对珠光体钢轨伤损的影响，提出了一种抑制高碳珠光体钢疲劳裂纹扩展可能的机理。Sawley K等^［17］、Pavlov等^［18］及Singh等^［19］对含微合金元素Ti或V的贝氏体钢轨进行研究，分析后发现获得的热轧贝氏体钢轨的强韧性匹配仍显不足，难以适应重载铁路应用。综上，国内外学者利用试验室滚动接触疲劳试验机进行了大量研究，从试验参数和材质角度对比分析了不同材质钢轨材料磨损和疲劳的差异及机理，同时开展了贝氏体钢轨和珠光体钢轨材质选择分析，提出了适用于重载铁路钢轨的合理化建议，但是对于如何解决现有典型重载铁路钢轨的耐磨性不高、寿命不长问题没有给出具体的钢种选择，对钢轨母材的组织性能研究相对较少。

本文针对大秦铁路铺设的现有珠光体钢轨存在的耐磨性不高的问题，提出了提高钢轨表面硬度不低于370 HBW的设计思路，采取成分与在线热处理工艺优化设计，在中试试验基础上择优进行现场钢轨生产试制；通过试验研究，优选出强韧性好、硬度高且有利于提升钢轨耐磨性能的合金成分，为大秦铁路钢轨材料使用提供建议。

1 试验材料及试验方案

1.1　成分设计

为解决大秦铁路铺设的珠光体钢轨无法适应高轴重带来的磨损严重问题，对现有TB/T 2344.1—2020《43~75 kg · m^－1钢轨订货技术条件》中U77MnCrH钢轨钢进行了成分优化设计，优化的合金化元素主要包括C，Si，Mn和Cr，由于C和Mn元素属于材料基体基本强化元素，根据现有钢轨成分的设计经验，C元素按0.80%设计，Mn元素按0.95%设计；添加Si和Cr元素在钢轨中的作用为提升钢轨的强度、硬度和韧性，但是这2种元素的含量对钢轨组织性能的影响变化没有明确结论，因此重点研究Si和Cr元素添加对U77MnCrH钢轨组织性能的影响，以便为高强、高硬兼顾高韧性的U77MnCrH钢轨开发提供理论支撑。按照C-Si-Mn-Cr成分设计体系，设计了1^#~6^# U77MnCrH钢轨钢合金成分，具体化学成分的质量分数见表1。

1.2　试制

对1^#—6^#成分的钢轨钢进行了中试试验，按照75 kg · m^－1钢轨的轨头高度约55 mm，进行中试模拟轧制并进行轧后快速冷却，将铸坯尺寸由140 mm轧制成55 mm，终轧温度为950 ℃，待温至750 ℃时进行加速冷却，冷却方式为模拟现场生产轧后的在线热处理，对钢轨钢表面以2.0 ℃ · s^－1的平均冷速冷至500 ℃，然后空冷至室温。根据中试模拟轧制后的试验钢组织性能结果，选取组织性能较好的试验钢成分进行现场试制，轧后钢轨待温至750 ℃时进行在线热处理加速冷却，钢轨顶面平均冷速为2.0 ℃ · s^－1，降温至500 ℃后空冷至室温，最终钢轨规格为75 kg · m^－1。

钢轨现场试制的具体工艺为：转炉冶炼→钢包精炼炉（Ladle Furnace）精炼→真空精炼炉（Vacuum Ecarburization）脱气→横断面280 mm×380 mm方坯连铸→步进炉加热→高压水除鳞→开坯→粗轧→二次高压水除鳞→万能轧制→热打印→热锯切→余热在线热处理→冷床缓冷→平立复合矫直→平直度检测→表面涡流探伤→超声波探伤→横移分钢→在线检查→ 4面压力矫直→锯钻组合机床加工→收集、入库。

1.3　试样加工与检验

参照行业标准TB/T 2344.1—2020《43~75 kg · m^－1钢轨订货技术条件》，对中试试验的1^#—6^#试验钢进行拉伸、表面硬度、金相试样加工，并使用金相显微镜、万能拉伸试验机和硬度计对1^#—6^#试验钢试样进行组织性能检测。

按照行业标准TB/T 2344.1—2020《43~75 kg · m^－1钢轨订货技术条件》的要求，对现场试制的U77MnCrH钢轨进行轨头拉伸、轨头顶面硬度、轨头横断面硬度和轨头金相试样加工，使用金相显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、万能拉伸试验机和硬度计对钢轨试样进行组织性能分析。

2 试验结果及分析

2.1　中试试验钢轨钢的组织与性能

2.1.1　金相组织

1^#—6^#试验钢的金相组织如图1所示。从图1可以看出：各试验钢的金相组织均为珠光体，不含异常的马氏体，说明试验钢成分设计与热处理工艺设计配合能够获得理想的全珠光体组织；同时也可以发现，相同轧制工艺与热处理工艺条件下，1^#~3^#试验钢与4^#~6^#试验钢的金相组织尺寸相差较大，后者的组织明显得到细化；4^#试验钢与3^#试验钢相比，Cr元素含量明显增加是金相组织尺寸出现明显变化的主要原因，Cr元素的增加使钢的连续冷却转变曲线继续右移，推迟奥氏体向珠光体的转变，即在冷却速度不变的情况下，降低珠光休转变开始温度，增加了珠光体转变的过冷度，提高了试验钢的淬透性，晶粒得到明显细化；4^#和5^#试验钢金相组织均有明显细化，但细化机理不同，5^#试验钢金相组织细化的主要原因为Si元素含量的增加，Si为非碳化物形成元素，随着Si元素的增加，在加速冷却过程中Si被排斥到碳化物与基体界面时便会富集，从而阻止碳原子从基体扩散到碳化物中，阻碍渗碳体的进一步长大，细化了珠光体晶粒。

2.1.2　拉伸性能及表面硬度

1^#—6^#试验钢的拉伸性能结果见表2，表面硬度结果见表3。由表2和表3可知：1^#和2^#试验钢的抗拉强度平均值分别为1 108和1 138 MPa，低于技术条件中的1 180 MPa，表面硬度平均值分别为341和349 HBW，低于技术条件中的最低硬度值350 HBW，说明该成分获得的试验钢虽然金相组织为珠光体，但是抗拉强度和表面硬度均不满足技术条件要求；3^#—6^#试验钢的抗拉强度平均值介于1 218~1 258 MPa，断后延伸率平均值介于11.5%~12.0%，表面硬度介于360~380 HBW，均达到了技术条件要求，可以推断该成分设计满足U77MnCrH钢轨的组织性能要求，对于进一步开展现场试制的钢轨成分选择具有一定的指导意义。

2.2　现场试制钢轨的组织与性能

经过对中试试验获得的1^#—6^#试验钢的组织性能分析后发现，3^#—6^#试验钢成分具备开展现场试制条件，但综合考虑钢轨开发过程中在满足技术指标要求的情况下，合理降低合金成本，在中试试验满足试制条件的3^#~6^#试验钢成分中刨除合金含量最高的6^#试验钢成分，选择3^#—5^#试验钢成分进行现场试制，对应的成分钢轨编号为3^#—5^#，进一步分析评价钢轨的组织性能，为75 kg · m^－1 U77MnCrH钢轨的工业化大生产提供成分选择理论支撑。

2.2.1　拉伸性能与硬度

对现场试制的3^#—5^#钢轨进行拉伸性能和顶面硬度检测，各成分试制的钢轨分别取2个拉伸试样，编号分别为3^#-1，3^#-2，4^#-1，4^#-2，5^#-1和5^#-2，结果分别见表4和表5，变化趋势如图2所示。

由表4、表5并结合中试试验结果可知：相同成分条件下，现场试制获得的钢轨拉伸性能各项指标均优于中试试验获得的钢轨钢拉伸性能。从图2可以看出：现场试制的钢轨随着Cr含量由0.26%增加到0.38%，抗拉强度和顶面硬度均有提高，屈服强度R_p0.2与断后伸长率均有降低；随着Si含量由0.25%增加到0.45%，断后伸长率及顶面硬度均有提高，屈服强度R_p0.2明显增加，抗拉强度变化不大；0.45%的Si配合0.26%的Cr获得的钢轨力学性能与硬度匹配更好，抗拉强度达到1 258 MPa，屈服强度R_p0.2达到845 MPa，断后伸长率达到13%，轨头顶面硬度达到384 HBW。

对3^#—5^#钢轨进行轨头横断面硬度测试，钢轨横断面共测试5条线，分别为OA，OB，OC，OD，OE线，OD，OE线与下颚距离为5 mm；OB，OC线为OA，OD线和OA，OE线夹角平分线。每条线上取测试点以钢轨廓型表面向内部依次记为A₁—A₄，B₁—B₅，C₁—C₅，D₁—D₃和E₁—E₃，第1点距表面5 mm，其余点之间间距均为5 mm，具体如图3所示，测试结果见表6。

由表6可知：3^#~5^#钢轨的横断面硬度A₁—E₁硬度值范围分别为36.2~36.9 HRC，36.8~37.3 HRC和37.1~38.1 HRC，满足技术条件中的36.0~42.0 HRC的要求；A₄，B₅，C₅，D₃，E₃硬度值范围分别为35.7~36.5 HRC，35.4~37.3 HRC和36.5~38.4 HRC，满足技术条件中的≥35.0 HRC的要求。综合表4—表6可知：5^#钢轨拉伸性能、轨头顶面硬度与横断面硬度最优，更适用于重载铁路铺设。

2.2.2　金相组织与扫描形貌

对现场试制的3^#—5^#钢轨进行金相组织观察，结果如图4所示。从图4可以看出：热处理加速冷却条件下不同成分获得的金相组织均为珠光体，珠光体由不均匀的珠光体团和不均匀的片层无规律地混合而成，合金元素的变化对珠光体组织大小产生一定影响，但金相组织中无法看出显著差异。

为了进一步分析Si和Cr含量的变化对珠光体尺寸的影响，同时看清珠光体片层的分布情况，对3^#—5^#钢轨进行了扫描电镜观察，获得的扫描微观形貌如图5所示。从图5可以看出：存在明显的珠光体团区域（蓝色线圈区域），该区域呈现相同位向均匀排布的铁素体与渗碳体层层堆叠；随着Cr含量由0.26%（图5（a））增加到0.38%（图5（b）），珠光体团尺寸变小，片层间距也有细化的趋势；随着Si含量由0.25%（图5（a））增加到0.45%（图5（c）），珠光体团尺寸更加细化，片层间距更加细小。综合图5和表5可以看出：随着珠光体团尺寸的细化，钢轨顶面硬度均值由375 HBW上升到383 HBW。

2.2.3　珠光体片层间距

为了进一步研究本试验合金元素Si，Cr对钢轨珠光体片层间距的影响，对3^#—5^#钢轨进行扫描电镜高倍组织观察，并利用式（1）和式（2）对3^#—5^#钢轨珠光体片层间距进行计算，计算区域如图6所示。图中：红圈区域即为计算区域。

I_{\mathrm{S}\mathrm{P}\mathrm{r}}=\frac{\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{c}}}{nM}（1）

I_{\mathrm{S}\mathrm{P}}=\frac{I_{\mathrm{S}\mathrm{P}\mathrm{r}}}{\mathrm{2}}（2）

式中：I_SPr为随机测量的珠光体间距平均值，nm；M为放大倍数；d_c为所测圆形区域直径，nm；n为圆形测量区域内渗碳体片的截点数，个；I_SP为实际珠光体片间距，nm。

测得不同Si和Cr含量的3^#—5^#钢轨珠光体片层间距及其顶面硬度平均值见表7。由表7可知：Cr含量由0.26%增加到0.38%时，珠光体片层间距由165 nm减小到146 nm，顶面硬度平均值由375 HRC提高到378 HRC；随着Si含量由0.25%增加到0.45%，珠光体片层间距由165 nm减小到132 nm，顶面硬度平均值由375 HRC提高到383 HRC；0.45%的Si配合0.26%的Cr获得的钢轨珠光体更加均匀细小，片层间距分布更加均匀。

2.2.4　透射组织形貌

珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物，其转变是一种典型的扩散型相变，在相变过程中，面心立方的奥氏体分解成体心立方的铁素体和正交渗碳体。为了更清晰地观察研究对象的微观形貌，对3^#—5^#钢轨进行透射电镜观察，获得的透射形貌如图7所示。从图7可以看出：3^#—5^#钢轨中珠光体由黑白相间的渗碳体和铁素体平行交替排列构成，渗碳体区域存在明显的位错结构，其中5^#钢轨中渗碳体和铁素体交替排列的片层间距更加细小，晶界与亚晶界数量最多，由此也说明了5^#钢轨综合性能最好，即珠光体转变时，随着加速冷却的进行，Cr在铁素体和渗碳体间通过扩散进行再分配，减慢了珠光体长大速度，同时Si限制了碳化物转移的速率，共同细化了珠光体片间距。

由此可以认为，Si，Cr元素在U77MnCrH钢轨的强化过程中发挥了重要作用。随着Cr含量的增加，珠光体片层厚度得到细化，从而使相界面增多，材料抗塑性变形能力增强，因此U77MnCrH钢轨的强度、硬度明显提升。Si作为U77MnCrH钢轨的合金元素之一，能够以固溶方式强化U77MnCrH钢轨中的铁素体相，提高U77MnCrH钢轨的强度。同时，Si含量的增加会降低先共析渗碳体的形核驱动力，使得形核位置大大减少，抑制先共析网状渗碳体组织的析出，且渗碳体的增厚速率受Si的分布控制，从而发挥了细化珠光体片间距的重要作用。因此，增Si降Cr不仅对铁素体起到固溶强化的作用，还能够有效抑制先共析渗碳体的析出。

3 结论

（1）随着Cr含量由0.26%增加到0.38%，钢轨钢试样中珠光体片层间距由165 nm减小到146 nm，抗拉强度和硬度均有提高，屈服强度R_p0.2与断后伸长率均有降低。

（2）随着Si含量由0.25%增加到0.45%，钢轨钢试样中珠光体片层间距由165 nm减小到132 nm，断后伸长率及硬度均有提高，屈服强度R_p0.2明显增加，抗拉强度变化不大。

（3）0.45%的Si配合0.26%的Cr获得的钢轨珠光体更加均匀细小，片层间距分布更加均匀，力学性能与硬度匹配更好，抗拉强度介于1 255~ 1 258 MPa，屈服强度R_p0.2介于842~845 MPa，断后伸长率达到13.0%，轨头顶面硬度平均值达383 HBW，横断面硬度介于36.2~38.8 HRC。对75 kg · m^-1 U77MnCrH钢轨的批量化生产具有较强的指导意义。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFB2601000)