鐵道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼的進展

1、鐵道車輛用高強度耐大氣腐蝕鋼的進展    為加快鐵路現(xiàn)代化建設和全面建設小康社會的總的要求，同時為適應客貨運市場的激烈競爭，滿足鐵路貨運快捷、重載、安全、可靠、優(yōu)質、環(huán)保的要求，隨著國民經濟的發(fā)展和技術進步，鐵路車輛無論是品種、檔次、還是質量都將會有一個較大的提高。鐵道工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點是提速與重載，要求鐵道車輛尤其是貨車減輕車輛自重。減輕車輛自重的途徑除了合理的設計參數選擇，優(yōu)化的結構設計，最重要的是鋼材的品種、性能和質量。由于我國地域 為加快鐵路現(xiàn)代化建設和全面建設小康社會的總的要求，同時為適應客貨運市場的激烈競爭，滿足鐵路貨運快捷、重載、

2、安全、可靠、優(yōu)質、環(huán)保的要求，隨著國民經濟的發(fā)展和技術進步，鐵路車輛無論是品種、檔次、還是質量都將會有一個較大的提高。 鐵道工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點是提速與重載，要求鐵道車輛尤其是貨車減輕車輛自重。減輕車輛自重的途徑除了合理的設計參數選擇，優(yōu)化的結構設計，最重要的是鋼材的品種、性能和質量。 由于我國地域廣闊，氣候條件有較大差異，對材料的腐蝕問題也應予以足夠重視。因腐蝕造成報廢的金屬材料設備相當于金屬年產量的20-40，全世界因腐蝕失效的年損耗金屬超過一億噸，由此帶來的經濟損失占1-3.5GNP。由于腐蝕的原因使我國1020的鋼鐵結構成為廢棄物。 因此需要從選擇合理的設計

3、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。 1 鐵路車輛的現(xiàn)狀和新形勢下的要求 11 鐵路車輛的現(xiàn)狀 長期以來，我國鐵道車輛的技術標準一直源于蘇聯(lián)五、六十年代標準。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。在上世紀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

4、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。 12提速、重載對鐵路車輛技術裝備提出新要求 我國鐵路現(xiàn)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(xiàn)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，文中主要談

5、及貨車的問題。 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低動力作用的大型四軸貨車。 提高軸重是普遍提高貨運能力和經濟效益的途徑，是世界大陸國家鐵路貨物運輸共同的發(fā)展趨勢。中國載重60t及以上的貨車已達貨車總數的95%以上，在站線長度難以繼續(xù)延長又維持21t軸重不變條件下，繼續(xù)增加列車重量的潛力很小，要進一步提高列車重量，開行重載列車，必須加快發(fā)展25t軸重低動力作用的貨車。 發(fā)展專用貨車勢在必行。隨著我國改革開放的深入，鐵路貨運已經進入買方市場。傳統(tǒng)的大宗運輸貨物，如煤炭和油品，將隨著坑

6、口電站的建立，輸油管路的鋪設，鐵路的運量逐漸減少。高附加值的貨物，由于沒有合適的運輸車輛，或速度慢，或運輸周期長，或不能做到門到門的運輸，鐵路運輸在各種運輸方式中所占的份額也在減少。應對這種情況，要提高鐵路在運輸市場的競爭能力，鐵道車輛不應該再是敞、平、棚、罐通用車的一統(tǒng)天下，應該發(fā)展專用車輛，研制適應市場需要的新車種。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大的。專用貨車的發(fā)展對車輛設計制造部門和新材質、新外型的鋼材研究生產部門都是大有作為的新課題。希望制造特種車輛（特種貨車和專用客車）所需的高強度鋼（屈服強度

7、600MPa或以上），國內也可得到供應，減小和消除與國外車輛用鋼技術水平的差距。 2 高強度耐大氣腐蝕鋼的開發(fā) 21 鋼鐵企業(yè)的技術進步 進入“十五”期間，我國鋼鐵工業(yè)得到持續(xù)的快速發(fā)展，2002年粗鋼產量近1.81億噸，鋼材1.92億噸，進口鋼材近2500萬噸，中國不僅是世界第一產鋼大國，也是世界第一鋼材進口大國。加入WTO后，在激烈的國內與國際競爭中，給我國鋼鐵工業(yè)帶來了機遇和新的希望。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

8、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，起碼都設置有等鋼包精煉爐，在第二或第三期改造項目中再添置或爐。寶鋼、武鋼、鞍鋼及舞鋼等企業(yè)都已完善了SPNHT.O50ppm的生產流程。 在鋼的微合金化和超細晶粒鋼的研究中，肯定了雜質元素存在某些有利作用，如拖曳晶界移動、晶界釘扎、抑制再結晶等等。 潔凈度提高對鋼材性能尤其是沖擊韌性和耐蝕性的大幅度改善是眾所周知的，典型的轉爐冶煉潔凈鋼

9、生產流程（鐵水預處理、轉爐頂底復吹、LF精煉）可生產 C0.03%、S0.005%、P0.005%、N0.003%、T.O0.002%的鋼水。增置精煉、脫碳、深脫硫的效果顯著，可生產C0.002%、S0.001%、P0.003%、N0.003%、T.O0.0015%的潔凈鋼水。當代世界超潔凈的控制水平在（SPNHT.O）50ppm。 目前，我國已投入生產的帶鋼軋機共15套，其中：連軋及半連軋機9套，薄板坯連鑄連軋機5套，爐卷軋機1套。在建和續(xù)建的熱軋寬帶鋼軋機有9套，其中熱連軋機3套，薄板坯連鑄連軋機5套，爐卷軋機1套。預計到2005年，我國熱軋寬帶鋼生產能力將超過5000

10、萬噸，生產質量也將大大提高。 22 高強度耐大氣腐蝕鋼的生產試制 眾所周知，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(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。 選用目前最常用的兩種耐候鋼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，得到細晶組織，使強度有較

11、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、攀鋼、馬鋼等鋼廠也在耐候鋼的開發(fā)和生產上積累較多的經驗。 在國家973 “新一代鋼鐵材料重大基礎研究” 項目中，以晶粒細化為主要手段來提高鋼的性能，在研究過程中發(fā)現(xiàn)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

12、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。 試驗選用本鋼生產的在鐵道車輛和集裝箱行業(yè)大量使用的兩種耐候鋼，即工業(yè)大生產的09CuPCrNi和09CuPTiRE，同時分別在鋼中添加微合金元素Nb，添加的Nb含量分別為（wt%）：09CuPCrNiNb鋼0.0210.03%，09CuPTiRENb鋼0.0170.03%。 應用DIFT機制，采取低溫大壓下工藝，精軋的開軋溫度在850820，卷曲溫度在400600，由坯厚40mm軋到3mm。不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE和含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE其試驗

13、結果如下。 不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE的力學性能 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。盡管在目前的試驗中采取的工藝條件比較苛刻，一般的大工業(yè)生產無法實現(xiàn)，但通過與軋制后鋼板的力學性能和鐵素體晶粒尺寸相比較，鋼板的強度和鐵素體晶粒尺寸與大生產的耐候鋼相比沒有明顯的改進。從鐵素體晶粒尺寸看，經低溫大壓下后鐵素體晶粒尺寸為6.810.2m，與常規(guī)工業(yè)生產的耐候鋼的晶粒尺寸（810m）相比，細化的效果不太明顯；軋制后09CuPCrNi鋼屈服強度為430 MPa，09CuPT

14、iRE鋼屈服強度為350 MPa，比正常生產耐候鋼的性能增加不多?？梢?，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。 含Nb的09CuPCrNiNb和09CuPTiRENb力學性能 添加少量微合金元素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35m，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，09CuPCrNiNb鋼屈服強度為500 MPa，09CuPTiRENb鋼屈服強度穩(wěn)定達到400 MPa以上，比不含N

15、b的材料的強度提高50-100MPa，同時比工業(yè)大生產耐候鋼的強度提高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。 超細組織高強度耐候鋼板的焊接性 具有超細組織的09CuPTiRE-Nb高強度耐候鋼板經焊接后，超細晶粒耐候鋼焊接接頭的強度不低于母材的強度。雖然在熱影響區(qū)的外側有小范圍的軟化區(qū)，但不會引起接頭強度的下降。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。超細晶粒耐候鋼經過焊接熱作用，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織隨著焊接熱輸入的增加而明顯變粗。 超細組織高強度耐大氣腐蝕鋼板的腐蝕性 采用

16、周浸試驗和鹽霧試驗兩種方法對普通碳素鋼Q235及超細組織高強度耐候鋼板進行加速腐蝕試驗。普通碳素鋼Q235的腐蝕失重最高，是其它耐候鋼的2倍以上，說明它的耐蝕性最差；其它幾種鋼如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，關于Nb、RE以及晶粒尺寸對耐候鋼耐蝕性的影響有待進一步研究。 綜合以上關于含Nb耐候鋼的實驗室研

17、究工作的進展，在原耐候鋼的基礎上添加少量微合金元素Nb，得到細晶組織，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要求的合理而經濟的工藝路線。 國內鋼鐵企業(yè)中現(xiàn)有寶鋼、武鋼、本鋼、馬鋼、攀鋼等鋼廠通過在鋼中添加微合金元素Nb、V等試制生產了高強度的耐候鋼板、車輪、熱軋型鋼以及冷彎型鋼等。 寶鋼、武鋼、鞍鋼、本鋼和攀鋼開發(fā)生產的高強度耐大氣腐蝕鋼性能等級能夠滿足屈服強度400MPa、450MPa、500MPa或更高級別的要求。馬鋼 自1997年以來，馬鋼以先進的爐外精煉裝備為依托，已開

18、發(fā)了碳含量0.45-0.77%的各種牌號車輪以及多種H型鋼，涵蓋提速、準高速、高速客車，提速貨車以及地鐵車輛等各種用途，產品質量均能達到相應標準的要求。車輪典型產品概述如下： a） KKD、HDS車輪 分別用于提速客車（120-160Km/h）、貨車（80-120Km/h），鋼種均為8601-88標準中的CL60鋼，但機械性能和潔凈度要求大幅度提高，主要體現(xiàn)在強度、硬度、B類夾雜和氫含量上。 b） UIC標準系列車輪 主要為R7、R8、R9三種車輪，其中R7車輪在國內用于160-200Km/h級準高速客車和300 Km/h級

19、高速列車，同時是主要的出口產品；R8車輪用于香港廣九鐵路；R9車輪用于地鐵車輛。200Km/h車輪已經過5年多的運用考驗，狀態(tài)良好；R8、R9車輪分別在香港廣九鐵路和上海地鐵使用了5年以上；高速試驗用車輪在鐵道部組織的高速試驗上得到了應用。以及AAR系列車輪和整體機車車輪等。 H型鋼用于鐵道集裝箱平車。到目前為止，馬鋼已生產4.5萬噸H型鋼供各車輛廠生產平車。另外，還為青島四方旁巴迪公司開發(fā)了豪華客車用槽鋼。馬鋼在含Nb的型鋼方面也做了大量工作，通過添加Nb可以使型鋼減重，產品的強度、塑性和低溫沖擊韌性大大提高，成分均勻，質量穩(wěn)定。開發(fā)的典型品種有： SM400BH512×202 H型鋼、Q345TH600×200 H型鋼、Q235D18#槽鋼等。 冷彎型鋼     冷彎型鋼以其尺寸精確、外型美觀、性能穩(wěn)定、與熱軋產品比較重量輕，并能以較復雜斷面尺寸滿足用戶要求而廣泛應用于各類建筑、橋梁、機械制造等行業(yè)，但在鐵路貨車上的應用進程比較緩慢。隨著鐵路貨車的重載和提速，要求我們在設計車輛時要不斷地優(yōu)化車體結構，在不降低車輛性能的前提下合理減輕自重，以提高載重和車輛綜合性能，而車輛結構設計中采用冷彎型鋼就是一個有效