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针对我国高强度高硬度的贝氏体钢轨,本文研究了适用于高强度贝氏体钢轨的贝氏体铝热焊焊剂、焊后热处理工艺及设备,并对贝氏体铝热焊接头的组织和性能进行了分析,完成了贝氏体铝热焊接头在大秦线试验铺设。贝氏体铝热焊剂的研究表明,在铸态下,锰硅含量比过高会导致焊缝的晶粒内部中出现残余奥氏体组织,使得接头踏面硬度提高;锰硅含量比过低会导致焊缝的晶界处出现铁素体,使得接头踏面硬度降低。锰硅含量比在1.1~1.2范围内,接头的组织主要由贝氏体+少量铁素体+少量残余奥氏体组成,踏面硬度在320~330HB。随着Cr含量提高,接头组织中铁素体消失、残余奥氏体出现,提升接头踏面硬度。Cr元素代替部分Mn元素的结果表明,Cr对组织和力学性能影响与Mn作用相似。焊剂中添加Ni元素会导致铝热焊接头中残余奥氏体增多,接头踏面硬度提高。设计的两种焊剂方案对比研究发现,合金元素含量为0.20%~0.30%C、1.50%~1.90%Mn、1.40%~1.90%Si、0.40%~0.60%Cr,0.30%~0.50%Mo时,铝热焊接头经过正火处理,焊缝、熔合区组织均匀性好,踏面硬度可达到350~360HB,冲击功平均AKU=24.25J(室温),静弯强度、抗拉强度均满足TB/T1632.3-2014要求。贝氏体铝热焊接头的热处理工艺研究表明,加热+喷风不适用贝氏体铝热焊焊后热处理;本研究研发了适合贝氏体铝热焊的加热+缓冷的热处理工艺,以及便于操作的热处理设备。经热处理后,接头组织全断面由无碳化物贝氏体+粒状贝氏体组成,踏面硬度为340~350HB,抗拉强度平均σb=808.11MPa,熔合区组织均匀,静弯强度平均为2504.83kN。贝氏体铝热焊接头中的粒状贝氏体的形成与Cr、Mo元素分布不均匀有关,粒状贝氏体平均硬度337.44HV低于无碳化物贝氏体400.92HV。贝氏体铝热焊接头在疲劳测试过程导致的断裂,是由于轨底夹渣造成,经过改进的砂型底板可以满足接头疲劳性能测试。经过疲劳测试的铝热焊接头会出现少量针状组织,但并未影响接头通过疲劳测试。选用贝氏体焊剂进行贝氏体+珠光体钢轨铝热焊接,经过热处理后,接头的熔合区贝氏体一侧组织均匀,珠光体一侧晶粒细化,接头静弯强度平均为1909.22kN,踏面硬度平均为312HB,抗拉强度平均σb=809.89MPa,贝氏体一侧软化区宽度12mm,珠光体一侧软化区宽度6mm。贝氏体铝热焊接头在大秦试验段试铺结果表明,贝氏体铝热焊接头性能良好。