高速重載條件下鐵道車輛用鋼的新要求

高速重載條件下鐵道車輛用鋼的新要求

1弱化車輛抗壓強度發(fā)展鐵路工業(yè)的戰(zhàn)略重點是加快和重新啟動，這需要鐵路車輛尤其是卡車的重量。因此需要從選擇合理的設計參數、優(yōu)化結構設計和提高鐵路用鋼(板材和型材)的使用性能(品種規(guī)格、力學性能、耐蝕性能)幾方面聯(lián)合攻關。2鐵路車輛的現狀和當前形勢的要求2.1大厚度和短纖度對碳素鋼耐候鋼耐腐蝕性的影響鐵道車輛的技術進步,一定程度上依賴于我國鋼材的品種、性能與質量。在20世紀80年代以前,鋼結構基本上采用普碳鋼、09Mn2等,耐大氣腐蝕鋼則一直以屈服強度為295MPa的09CuPTiRe和屈服強度為345MPa的09CuPCrNi為主,而美國等一些發(fā)達國家耐候鋼的強度水平已高達550MPa。這種銅磷系列的耐候鋼,科學試驗及運用試驗都說明其耐腐蝕性一般相當于普通碳素鋼的2倍左右,在惡劣環(huán)境中相當于2～3倍。到2001年為止,鐵路主型貨車敞、棚車上都采用的是這種耐候鋼。隨著重載、提速的鐵路主要技術政策的制定,選用高強度、高耐候的結構鋼以降低車輛自重、提高整車性能問題顯得尤為突出和迫切。2.2車輛管理技術政策的改造我國鐵路現保有客車3.8萬輛,貨車56萬輛,每年新造客車約2000輛,貨車約25000輛。對于新造車輛,要按高速、快速、快捷、重載的要求進行設計和生產。對于現有的大量客貨車輛,要使其達到上述技術政策,改造的任務也非常艱巨。由于貨車的數量多,用鋼量大,本文主要探討貨車的問題。貨車今后主要應發(fā)展自重輕、強度高、耐腐蝕的新型通用及專用貨車,發(fā)展運行速度120km/h的快運貨車,開發(fā)應用軸重25t低動力作用的大型4軸貨車。目前我國鐵路專用貨車僅占貨車總量的5%,而美國的專用貨車占其貨車總量60%以上,俄羅斯占32%,應該說我國專用貨車的差距是很大的。3抗高溫合金抗腐蝕板的開發(fā)與實驗3.1凈化能力不斷提高進入“十五”期間,我國鋼鐵工業(yè)得到持續(xù)的快速地發(fā)展,2003年粗鋼產量約2.3億t。當前鋼鐵工業(yè)結構調整已取得顯著成就,尤其是近年來鋼鐵工業(yè)利用國債技改使投資規(guī)模擴大了約1370億元。冶金裝備更新和技術進步為生產國家亟需的高技術鋼材如高強度耐候鋼、管線鋼、汽車用鋼等創(chuàng)造了條件。無論是軋機能力還是冶煉水平都有大幅度提高。近20年來,鋼材質量的提高得益于全連鑄技術的推廣和爐外精煉技術的發(fā)展,鋼的潔凈度在不斷提高。國內各鋼鐵企業(yè)把建立潔凈鋼生產體系列為技術改造的首項任務,都設置有LF等鋼包精煉爐,在第二或第三期改造項目中再添置RH或VD爐。寶鋼、武鋼、鞍鋼等企業(yè)都已完善了S+P+N+H+T.O≤50×10-6的生產流程。潔凈度提高可大幅度改善鋼材性能尤其是沖擊韌性和耐蝕性,典型的轉爐冶煉潔凈鋼生產流程(鐵水預處理、轉爐頂底復吹、LF精煉)可生產C≤0.03%、S≤0.005%、P≤0.005%、N≤0.003%、T.O≤0.002%的鋼水。增置RH精煉、脫碳、深脫硫的效果顯著,可生產C≤0.002%、S≤0.001%、P≤0.003%、N≤0.003%、T.O≤0.0015%的潔凈鋼水。近年國內熱寬帶軋機的改造及已建成和將建設的薄板坯連鑄連軋生產線達20條,2005年預計板帶的生產能力為4500萬t,生產質量也將大大提高。3.2高強度抗污染鋼的制造試驗3.2.1微合金元素nb提高鋼的強度的主要機制有:固溶強化、析出強化或沉淀強化、位錯與亞結構強化、細晶強化等。在這些強化機制中,只有細晶強化是既提高強度又提高韌性的唯一有效的方法。依靠合理有效的合金設計和優(yōu)化的TMCP工藝,不改變現行耐大氣腐蝕鋼的成分體系,添加少量微合金元素Nb、V、Ti,采取控制軋制工藝,得到細晶組織,依靠細晶強化作用提高強度和韌性。選用目前最常用的2種耐候鋼09CuPCrNi和09CuPTiRE,添加微合金元素Nb,采用變形誘導鐵素體相變(DIFT)原理,獲得細晶組織,使強度有較大提高,同時韌性、焊接性和腐蝕性與原耐候鋼09CuPCrNi和09CuPTiRE相當或提高。有關這方面的研究工作,鋼鐵研究總院在理論基礎研究和工業(yè)性試制方面取得了較大進展,同時寶鋼、武鋼、本鋼、鞍鋼、攀鋼等鋼廠也在耐候鋼的開發(fā)和生產上積累較多的經驗。在研究過程中發(fā)現變形誘導鐵素體相變(DIFT)機制對組織和晶粒細化的作用十分明顯,這一細化方法和原理已在我國幾家鋼廠進行了生產并供貨,主要品種為普通碳素鋼和微合金鋼,目前已應用在汽車等行業(yè)。但變形誘導鐵素體相變機制以及微合金元素Nb對耐候鋼特別是銅磷系的耐候鋼其晶粒細化作用如何以前研究的不是很多,本文試將近階段的研究成果進行總結。試驗選用目前在鐵道車輛和集裝箱行業(yè)大量使用的種耐候鋼,即本溪鋼鐵公司工業(yè)大生產的09CuPCrNi和09CuPTiRE,同時分別在鋼中添加微合金元素Nb,其化學成分見表1。應用DIFT機制,在實驗室采取低溫大壓下,精軋的開軋溫度在850～820℃,卷曲溫度在400～600℃,由坯厚40mm軋到3mm。不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE和含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE其試驗結果如下。(1)鐵素體晶粒尺寸對強度的影響軋制后鋼板的力學性能和鐵素體晶粒尺寸見表2。對于鋼廠常規(guī)生產的耐候鋼,09CuPCrNi的屈服強度約為400MPa,09CuPTiRE的屈服強度約為345MPa,與表2中性能值相比,盡管在這種比較苛刻的工藝條件下,一般的大工業(yè)生產是無法實現的,但是從鐵素體晶粒尺寸看,與常規(guī)工業(yè)生產的耐候鋼的晶粒尺寸(8～10μm)相比,細化的效果不太明顯,力學性能比正常生產耐候鋼的性能增加不多。可見,如果不改變耐候鋼的成分設計,不添加微合金元素,即使在低溫大壓下這樣苛刻的工藝條件下也無法較大幅度提高耐候鋼的力學性能。(2)鐵素體晶粒尺寸對鋼板力學性能的影響含Nb的鋼板軋制后力學性能和鐵素體晶粒尺寸見表3。添加微合金元素Nb后,細化效果十分明顯,鋼的組織顯著細化,鐵素體的晶粒尺寸基本上都在3～4μm,鋼板的強度顯著提高,而且保持良好的韌性。與不含Nb的鋼相比,在相同的工藝條件下,材料的強度提高50～100MPa。同時,含Nb的耐候鋼與工業(yè)生產鋼相比,強度提高100MPa以上。如果工藝和組織控制合理,鋼板的屈服強度達到450MPa級是完全有可能的。(3)腐蝕失穩(wěn)結構具有超細組織的09CuPTiRE-Nb高強度耐候鋼板經焊接后,其力學性能見表4。超細晶粒耐候鋼焊接接頭的強度不低于母材的強度。當采用較小的焊接熱輸入和多道焊時有利于提高焊縫及熱影響區(qū)的沖擊性能。超細組織高強度耐候鋼板加速腐蝕試驗采用周浸試驗。周浸試驗中采用普通碳素鋼Q235、09CuPTiRE、09CuPTiRE-Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi-Nb鋼板。從腐蝕失重來看,普通碳素鋼Q235的腐蝕失重最高,是其他耐候鋼的2倍以上,說明他的耐蝕性最差;其他幾種鋼如09CuPTiRE、09CuPTiRE-Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi-Nb的腐蝕失重有少量區(qū)別,但相差不多;而且RE耐候鋼的耐蝕性高于含CrNi的耐候鋼,說明在耐候鋼中添加Nb對耐蝕性基本沒有損害。通過對銹層表面組織的觀察及銹層減薄的測量,含稀土RE的耐候鋼與CrNi系耐候鋼的銹層形貌有明顯差異。含Nb耐候鋼的實驗室研究工作的結果表明,在原耐候鋼的基礎上添加少量微合金元素Nb,獲得了細晶組織,能夠大幅度提高耐候鋼的力學性能,而且其焊接性和耐蝕性都與原來的耐候鋼相當或有所提高,證明這是一條滿足新型鐵道車輛用高強度耐候鋼板要求的合理而經濟的工藝路線。3.2.2耐候鋼板的制作寶鋼、武鋼、本鋼、鞍鋼、攀鋼等企業(yè)均通過在原耐候鋼成分的基礎上添加微量元素Nb、V、Ti的工藝,試制生產了高強度的耐候鋼板。開發(fā)生產的高強度耐大氣腐蝕鋼力學性能見表5。(1)搭接接頭焊接裂紋試驗寶鋼高強度耐候鋼板屈服強度能夠滿足400～450MPa的要求,而且沖擊性能很高。用斜Y坡口裂紋試驗方法和搭接接頭(CTS)焊接裂紋試驗方法評定鋼材對焊接冷裂紋的敏感程度。試驗結果表明:0℃下無論是進行手弧焊還是氣保焊,寶鋼高強度鐵道車輛用耐候鋼不會產生焊接冷裂紋,表現出良好的焊接性。用室內加速腐蝕試驗方法評價鋼的耐腐蝕性能,試驗結果表明:寶鋼高強度鐵路車輛用耐候鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,與普通鋼相比,時間越長,優(yōu)勢越明顯。(2)高強度耐候鋼到目前為止,武鋼已供鐵路貨車用09CuPTiRE鋼226.7萬t,已制造鐵路貨車近17萬輛。09CuPCrNi鋼和SPA-H鋼88.97萬t,分別用于制造鐵路客車和集裝箱?！捌呶濉逼陂g,武鋼預計制造鐵路車輛將需要采用高強度耐候鋼,分別開發(fā)了屈服強度為345MPa和390MPa級的高強度耐候鋼。自80年代以來,武鋼重點開發(fā)了鐵路用鋼產品,根據鐵道部的要求,主要開發(fā)了屈服強度為345、400、450、500MPa四個級別的耐候鋼。低合金高強耐候鋼是在Cu-P-Cr-Ni合金系的基礎上,結合Cu-P-Ti-RE鋼的優(yōu)勢,通過添加其它微量合金元素,使材料綜合性能得以提高,同時盡量降低材料的屈強比,滿足鐵路貨車需要。(3)試驗鋼的相檢驗通過添加Nb,屈服強度提高了110MPa左右,伸長率同時較高,從金相檢驗可以看出,含Nb試驗鋼的晶粒要細于常規(guī)成分試驗鋼的晶粒。通過試驗,本鋼已經基本掌握了生產屈服強度大于450MPa的09CuPTiRE-Nb,并為下一步開發(fā)研制屈服強度大于500MPa積累了很多經驗。(4)i微合金化焊接接頭工業(yè)試驗的主要工藝特點為冶煉上進行鋼質純凈化及Nb、Ti微合金化(為保證良好的焊接接頭性能,精煉階段執(zhí)行嚴格的合金化和脫氧順序管理),軋制上實行分階段控制溫度軋制。為適應設備現狀,不同的強度級別在實際成分上略有差別。(5)試驗鋼和試驗鋼的力學性能攀鋼在實驗室冶煉了20爐試驗鋼,軋成3～8mm厚度熱軋板,性能良好。在實驗室研究成功的基礎上,≥400級別和≥450級別熱軋板進行了批量工業(yè)生產,攀鋼利用攀枝花資源,采用釩、鈦元素復合合金化技術,配合熱軋精軋機控軋技術和層流冷卻控冷技術,試驗鋼力學性能良好,具有較佳的強度和韌性配合,試驗鋼還進行了焊接性能和耐腐蝕性能檢驗,性能良好。4蝕鋼板的制作(1)隨著冶金企業(yè)