一、研究的背景与问题
铁路作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，近些年铁路的整体发展趋势是向高速、重载方向发展。重载铁路，是指满足牵引质量8000t及以上、轴重为27吨及以上、在至少150km线路区段上年运量大于4亿t三项条件中两项的铁路。火车轴重不断提高，朔黄铁路轴重30吨重载列车试验成功。我国两条运煤重载铁路干线朔黄铁路年运煤量超2亿吨、大秦铁路的年运煤量超4亿吨。随着重载铁路年运量和轴重的提高，给重载铁路用轨提出了更高要求。通过《-货运增量行动方案》的实施，底，我国将有大秦、唐呼、瓦日、蒙华等4条万吨重载铁路通道，其中着名的大秦铁路年运量已提高至4.5亿吨。
辙叉作为铁路运输中的轨道重要部件，除了受到的静载荷大大增加外，还将承受钢轨上最大的动载荷。车辆转股时的动载荷是静载荷的2~5倍。辙叉的工作条件极为苛刻，固定型辙叉由于存在有害空间，是铁路轨道结构中最薄弱的、受损最严重的轨道部件之一。因此，其对材料的要求非常严格。本项目研发和投入应用前，我国铁路上使用的辙叉使用寿命短，不能满足铁路运输量3亿吨以上的寿命要求。
面对我国重载铁路和客混铁路运输量逐年提高，重载列车轴重由25吨提高到30吨的发展趋势，原有的高锰钢辙叉强度低、表面掉块、内部核伤导致的寿命短的问题十分突出，高锰钢辙叉使用寿命仅可满足铁路总通过重量0.7-1.2亿吨，增大了铁路的工程维护成本，严重制约了铁路年运输总量的提高。铁路用户迫切需要新型的合金钢辙叉新品种来突破现有的技术瓶颈，解决频繁更换辙叉问题。
重载铁路用辙叉承载运输量低是世界性难题，国际上德国、美国、英国、日本等均进行了贝氏体合金钢轨及道岔用钢的研究，采用的是Mo系和Mo-B系低合金高强钢的设计体系。Mo的成本高，且由于B在钢中活性大，成分含量不易控制，生产工艺质量控制复杂，并没有得到实际大规模应用。
国内早期开发的辙叉用贝氏体钢主要为奥氏体/贝氏体或贝氏体/马氏体合金体系设计原理。但是由于此类钢中残余奥氏体或马氏体数量的不稳定性给辙叉在线运行的性能稳定带来隐患。此外，无论采用辙叉心轨为贝氏体合金钢+珠光体钢翼轨组合方式或全贝氏体钢心轨+翼轨组合方式都会带来性能的不一致和在线轨道焊接质量不稳定等难以克服的技术难题。
图1是采用贝氏体心轨+珠光体翼轨组合式辙叉在线运行实际效果。在贝氏体心轨服役完好阶段，珠光体翼轨已经出现严重的轨面剥离掉块现象。其原因是在使用过程中，由于固定型辙叉的结构限制，在心轨尖端到心轨50mm断面处，为翼轨和心轨共同受力区，受力面积小，冲击大，工作状况恶劣，而现有辙叉翼轨是普通珠光体钢轨制造，其强度及耐磨性均比合金钢心轨差，容易造成翼轨垂磨超限下道，成为合金钢组合辙叉的一个致命弱点，如图所示。
图1 贝氏体钢轨组合辙叉在线运行效果
二、解决问题的思路与方案
钢铁研究总院工程用钢研究所杨忠民教授团队采取全贝氏体钢合金设计体系控制原则开发出了无碳贝氏体钢，控制钢中的残余奥氏体和马氏体数量<5%，达到残余奥氏体和马氏体数量低到不影响贝氏体钢轨应用性能的目的。全贝氏体钢设计原则，保证钢轨微观组织一致性控制目标，钢轨的宏观性能和服役性能达到了高稳定性，在线服役寿命成倍提高。
开发对称结构的翼轨焊接式合金钢组合辙叉，目的是适应于重载列车上下行往返运输对辙叉正反向通过性能一致要求的需要。三段式焊接翼轨结构设计原则：翼轨的两端是珠光体钢轨中间段是贝氏体钢轨，中间段贝氏体钢轨和心轨承担高冲击高摩擦，翼轨两端珠光体钢轨和线路上珠光体钢轨性能一致，有利于在线铝热焊焊接质量的保证。
贝氏体辙叉钢核心技术在于通过合金元素的优化组合设计和生产工艺及热处理工艺优化，克服了国内其它空冷贝氏体钢中的残余奥氏体和马氏体数量不可控而导致性能波动的缺点，明确了空冷无碳下贝氏体为主和小于5%残余奥氏体/马氏体体积分数的钢轨和辙叉轨最优微观组织控制原则，完成了全套的生产技术，建立了质量检测技术标准体系，获发明专利2项，实用新型12项。项目整体技术成果达到了国际先进水平。
三、主要创新性进展
该技术在钢铁材料和辙叉加工工艺技术领域均有较高技术突破，其主要创新点为：
（1）无碳化物（无碳）贝氏体钢，微观组织中奥氏体和马氏体体积分数均控制在5%以内，生产工艺是热轧+调质。获得国家发明专利。
（2）辙叉心轨为无碳贝氏体钢锻制+机加制造，辙叉翼轨为U75V钢轨与贝氏体钢轨焊三段式组合焊接；U75V钢轨与贝氏体钢轨采用闪光焊焊接。
（3）开发出一代1240MPa级和二代1300MPa无碳贝氏体心轨和翼轨。
图2 贝氏体轨轧制工艺
图3 翼轨焊接，珠光体/贝氏体闪光焊
图4 翼轨焊后热处理
四、应用情况与效果
一代1240MPa级贝氏体合金钢辙叉和二代1300MPa级贝氏体合金钢辙叉已在全国铁路局和地铁中推广应用，表1为两代钢轨的主要性能参数。该产品的应用使我国重载铁路辙叉使用寿命跃升到3亿吨通过总重水平，节省辙叉维护成本20%、节省更换频率时间10%，该成果整体技术水平达到世界领先。所开发的全贝氏体合金钢辙叉产品目前占全国总的产销量71%以上，取得了良好的经济效益和社会效益。在大秦线应用辙叉通过总重达5亿吨，在朔黄线应用通过总重7.91亿吨创世界纪录。制定的冶金行业标准YB/T 4797- 《重载铁路辙叉用钢》将于10月1日正式实施。
信息来源：钢铁研究总院工程用钢研究所专稿
