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(qiáng)度發(fā)展鐵路工業(yè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)是加快和重新啟動(dòng)，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(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高鐵路用鋼(板材和型材)的使用性能(品種規(guī)格、力學(xué)性能、耐蝕性能)幾方面聯(lián)合攻關(guān)。2鐵路車輛的現(xiàn)狀和當(dāng)前形勢(shì)的要求2.1大厚度和短纖度對(duì)碳素鋼耐候鋼耐腐蝕性的影響鐵道車輛的技術(shù)進(jìn)步,一定程度上依賴于我國(guó)鋼材的品種、性能與質(zhì)量。在20世紀(jì)80年代以前,鋼結(jié)構(gòu)基本上采用普碳鋼、09Mn2等,耐大氣腐蝕鋼則一直以屈服強(qiáng)度為295MPa的09CuPTiRe和屈服強(qiáng)度為345MPa的09CuPCrNi為主,而美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家耐候鋼的強(qiáng)度水平已高達(dá)550MPa。這種銅磷系列的耐候鋼,科學(xué)試驗(yàn)及運(yùn)用試驗(yàn)都說(shuō)明其耐腐蝕性一般相當(dāng)于普通碳素鋼的2倍左右,在惡劣環(huán)境中相當(dāng)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(shù)政策的制定,選用高強(qiáng)度、高耐候的結(jié)構(gòu)鋼以降低車輛自重、提高整車性能問(wèn)題顯得尤為突出和迫切。2.2車輛管理技術(shù)政策的改造我國(guó)鐵路現(xiàn)保有客車3.8萬(wàn)輛,貨車56萬(wàn)輛,每年新造客車約2000輛,貨車約25000輛。對(duì)于新造車輛,要按高速、快速、快捷、重載的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。對(duì)于現(xiàn)有的大量客貨車輛,要使其達(dá)到上述技術(shù)政策,改造的任務(wù)也非常艱巨。由于貨車的數(shù)量多,用鋼量大,本文主要探討貨車的問(wèn)題。貨車今后主要應(yīng)發(fā)展自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的新型通用及專用貨車,發(fā)展運(yùn)行速度120km/h的快運(yùn)貨車,開(kāi)發(fā)應(yīng)用軸重25t低動(dòng)力作用的大型4軸貨車。目前我國(guó)鐵路專用貨車僅占貨車總量的5%,而美國(guó)的專用貨車占其貨車總量60%以上,俄羅斯占32%,應(yīng)該說(shuō)我國(guó)專用貨車的差距是很大的。3抗高溫合金抗腐蝕板的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)3.1凈化能力不斷提高進(jìn)入“十五”期間,我國(guó)鋼鐵工業(yè)得到持續(xù)的快速地發(fā)展,2003年粗鋼產(chǎn)量約2.3億t。當(dāng)前鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整已取得顯著成就,尤其是近年來(lái)鋼鐵工業(yè)利用國(guó)債技改使投資規(guī)模擴(kuò)大了約1370億元。冶金裝備更新和技術(shù)進(jìn)步為生產(chǎn)國(guó)家亟需的高技術(shù)鋼材如高強(qiáng)度耐候鋼、管線鋼、汽車用鋼等創(chuàng)造了條件。無(wú)論是軋機(jī)能力還是冶煉水平都有大幅度提高。近20年來(lái),鋼材質(zhì)量的提高得益于全連鑄技術(shù)的推廣和爐外精煉技術(shù)的發(fā)展,鋼的潔凈度在不斷提高。國(guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)把建立潔凈鋼生產(chǎn)體系列為技術(shù)改造的首項(xiàng)任務(wù),都設(shè)置有LF等鋼包精煉爐,在第二或第三期改造項(xiàng)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(chǎn)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(zhuǎn)爐冶煉潔凈鋼生產(chǎn)流程(鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹、LF精煉)可生產(chǎn)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(chǎn)C≤0.002%、S≤0.001%、P≤0.003%、N≤0.003%、T.O≤0.0015%的潔凈鋼水。近年國(guó)內(nèi)熱寬帶軋機(jī)的改造及已建成和將建設(shè)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線達(dá)20條,2005年預(yù)計(jì)板帶的生產(chǎn)能力為4500萬(wàn)t,生產(chǎn)質(zhì)量也將大大提高。3.2高強(qiáng)度抗污染鋼的制造試驗(yàn)3.2.1微合金元素nb提高鋼的強(qiáng)度的主要機(jī)制有:固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等。在這些強(qiáng)化機(jī)制中,只有細(xì)晶強(qiáng)化是既提高強(qiáng)度又提高韌性的唯一有效的方法。依靠合理有效的合金設(shè)計(jì)和優(yōu)化的TMCP工藝,不改變現(xiàn)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(xì)晶組織,依靠細(xì)晶強(qiáng)化作用提高強(qiáng)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(dǎo)鐵素體相變(DIFT)原理,獲得細(xì)晶組織,使強(qiáng)度有較大提高,同時(shí)韌性、焊接性和腐蝕性與原耐候鋼09CuPCrNi和09CuPTiRE相當(dāng)或提高。有關(guān)這方面的研究工作,鋼鐵研究總院在理論基礎(chǔ)研究和工業(yè)性試制方面取得了較大進(jìn)展,同時(shí)寶鋼、武鋼、本鋼、鞍鋼、攀鋼等鋼廠也在耐候鋼的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)上積累較多的經(jīng)驗(yàn)。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)變形誘導(dǎo)鐵素體相變(DIFT)機(jī)制對(duì)組織和晶粒細(xì)化的作用十分明顯,這一細(xì)化方法和原理已在我國(guó)幾家鋼廠進(jìn)行了生產(chǎn)并供貨,主要品種為普通碳素鋼和微合金鋼,目前已應(yīng)用在汽車等行業(yè)。但變形誘導(dǎo)鐵素體相變機(jī)制以及微合金元素Nb對(duì)耐候鋼特別是銅磷系的耐候鋼其晶粒細(xì)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(jìn)行總結(jié)。試驗(yàn)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(chǎn)的09CuPCrNi和09CuPTiRE,同時(shí)分別在鋼中添加微合金元素Nb,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。應(yīng)用DIFT機(jī)制,在實(shí)驗(yàn)室采取低溫大壓下,精軋的開(kāi)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(yàn)結(jié)果如下。(1)鐵素體晶粒尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響軋制后鋼板的力學(xué)性能和鐵素體晶粒尺寸見(jiàn)表2。對(duì)于鋼廠常規(guī)生產(chǎn)的耐候鋼,09CuPCrNi的屈服強(qiáng)度約為400MPa,09CuPTiRE的屈服強(qiáng)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(chǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,但是從鐵素體晶粒尺寸看,與常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)的耐候鋼的晶粒尺寸(8～10μm)相比,細(xì)化的效果不太明顯,力學(xué)性能比正常生產(chǎn)耐候鋼的性能增加不多。可見(jiàn),如果不改變耐候鋼的成分設(shè)計(jì),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(wú)法較大幅度提高耐候鋼的力學(xué)性能。(2)鐵素體晶粒尺寸對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響含Nb的鋼板軋制后力學(xué)性能和鐵素體晶粒尺寸見(jiàn)表3。添加微合金元素Nb后,細(xì)化效果十分明顯,鋼的組織顯著細(xì)化,鐵素體的晶粒尺寸基本上都在3～4μm,鋼板的強(qiáng)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(qiáng)度提高50～100MPa。同時(shí),含Nb的耐候鋼與工業(yè)生產(chǎn)鋼相比,強(qiáng)度提高100MPa以上。如果工藝和組織控制合理,鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到450MPa級(jí)是完全有可能的。(3)腐蝕失穩(wěn)結(jié)構(gòu)具有超細(xì)組織的09CuPTiRE-Nb高強(qiáng)度耐候鋼板經(jīng)焊接后,其力學(xué)性能見(jiàn)表4。超細(xì)晶粒耐候鋼焊接接頭的強(qiáng)度不低于母材的強(qiáng)度。當(dāng)采用較小的焊接熱輸入和多道焊時(shí)有利于提高焊縫及熱影響區(qū)的沖擊性能。超細(xì)組織高強(qiáng)度耐候鋼板加速腐蝕試驗(yàn)采用周浸試驗(yàn)。周浸試驗(yàn)中采用普通碳素鋼Q235、09CuPTiRE、09CuPTiRE-Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi-Nb鋼板。從腐蝕失重來(lái)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(shuō)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(shuō)明在耐候鋼中添加Nb對(duì)耐蝕性基本沒(méi)有損害。通過(guò)對(duì)銹層表面組織的觀察及銹層減薄的測(cè)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(shí)驗(yàn)室研究工作的結(jié)果表明,在原耐候鋼的基礎(chǔ)上添加少量微合金元素Nb,獲得了細(xì)晶組織,能夠大幅度提高耐候鋼的力學(xué)性能,而且其焊接性和耐蝕性都與原來(lái)的耐候鋼相當(dāng)或有所提高,證明這是一條滿足新型鐵道車輛用高強(qiáng)度耐候鋼板要求的合理而經(jīng)濟(jì)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(guò)在原耐候鋼成分的基礎(chǔ)上添加微量元素Nb、V、Ti的工藝,試制生產(chǎn)了高強(qiáng)度的耐候鋼板。開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼力學(xué)性能見(jiàn)表5。(1)搭接接頭焊接裂紋試驗(yàn)寶鋼高強(qiáng)度耐候鋼板屈服強(qiáng)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(yàn)方法和搭接接頭(CTS)焊接裂紋試驗(yàn)方法評(píng)定鋼材對(duì)焊接冷裂紋的敏感程度。試驗(yàn)結(jié)果表明:0℃下無(wú)論是進(jìn)行手弧焊還是氣保焊,寶鋼高強(qiáng)度鐵道車輛用耐候鋼不會(huì)產(chǎn)生焊接冷裂紋,表現(xiàn)出良好的焊接性。用室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)鋼的耐腐蝕性能,試驗(yàn)結(jié)果表明:寶鋼高強(qiáng)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(shí)間越長(zhǎng),優(yōu)勢(shì)越明顯。(2)高強(qiáng)度耐候鋼到目前為止,武鋼已供鐵路貨車用09CuPTiRE鋼226.7萬(wàn)t,已制造鐵路貨車近17萬(wàn)輛。09CuPCrNi鋼和SPA-H鋼88.97萬(wàn)t,分別用于制造鐵路客車和集裝箱?！捌呶濉逼陂g,武鋼預(yù)計(jì)制造鐵路車輛將需要采用高強(qiáng)度耐候鋼,分別開(kāi)發(fā)了屈服強(qiáng)度為345MPa和390MPa級(jí)的高強(qiáng)度耐候鋼。自80年代以來(lái),武鋼重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了鐵路用鋼產(chǎn)品,根據(jù)鐵道部的要求,主要開(kāi)發(fā)了屈服強(qiáng)度為345、400、450、500MPa四個(gè)級(jí)別的耐候鋼。低合金高強(qiáng)耐候鋼是在Cu-P-Cr-Ni合金系的基礎(chǔ)上,結(jié)合Cu-P-Ti-RE鋼的優(yōu)勢(shì),通過(guò)添加其它微量合金元素,使材料綜合性能得以提高,同時(shí)盡量降低材料的屈強(qiáng)比,滿足鐵路貨車需要。(3)試驗(yàn)鋼的相檢驗(yàn)通過(guò)添加Nb,屈服強(qiáng)度提高了110MPa左右,伸長(zhǎng)率同時(shí)較高,從金相檢驗(yàn)可以看出,含Nb試驗(yàn)鋼的晶粒要細(xì)于常規(guī)成分試驗(yàn)鋼的晶粒。通過(guò)試驗(yàn),本鋼已經(jīng)基本掌握了生產(chǎn)屈服強(qiáng)度大于450MPa的09CuPTiRE-Nb,并為下一步開(kāi)發(fā)研制屈服強(qiáng)度大于500MPa積累了很多經(jīng)驗(yàn)。(4)i微合金化焊接接頭工業(yè)試驗(yàn)的主要工藝特點(diǎn)為冶煉上進(jìn)行鋼質(zhì)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(yán)格的合金化和脫氧順序管理),軋制上實(shí)行分階段控制溫度軋制。為適應(yīng)設(shè)備現(xiàn)狀,不同的強(qiáng)度級(jí)別在實(shí)際成分上略有差別。(5)試驗(yàn)鋼和試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能攀鋼在實(shí)驗(yàn)室冶煉了20爐試驗(yàn)鋼,軋成3～8mm厚度熱軋板,性能良好。在實(shí)驗(yàn)室研究成功的基礎(chǔ)上,≥400級(jí)別和≥450級(jí)別熱軋板進(jìn)行了批量工業(yè)生產(chǎn),攀鋼利用攀枝花資源,采用釩、鈦元素復(fù)合合金化技術(shù),配合熱軋精軋機(jī)控軋技術(shù)和層流冷卻控冷技術(shù),試驗(yàn)鋼力學(xué)性能良好,具有較佳的強(qiáng)度和韌性配合,試驗(yàn)鋼還進(jìn)行了焊接性能和耐腐蝕性能檢驗(yàn),性能良好。4蝕鋼板的制作(1)隨著冶金企業(yè)