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铁道车辆用高强度耐大气腐蚀钢的进展

时间: 2011-07-08 06:12 来源: 作者: CITIC-CBMM微合金化中心 侯豁然 点击:
为加快铁路现代化建设和全面建设小康社会的总的要求,同时为适应客货运市场的激烈竞争,满足铁路货运快捷、重载、安全、可靠、优质、环保的要求,随着国民经济的发展和技术进步,铁路车辆无论是品种、档次、还是质量都将会有一个较大的提高。

铁道工业发展的战略重点是提速与重载,要求铁道车辆尤其是货车减轻车辆自重。减轻车辆自重的途径除了合理的设计参数选择,优化的结构设计,最重要的是钢材的品种、性能和质量。

由于我国地域广阔,气候条件有较大差异,对材料的腐蚀问题也应予以足够重视。因腐蚀造成报废的金属材料设备相当于金属年产量的20-40%,全世界因腐蚀失效的年损耗金属超过一亿吨,由此带来的经济损失占1-3.5%GNP。由于腐蚀的原因使我国10-20%的钢铁结构成为废弃物。

因此需要从选择合理的设计参数、优化结构设计和提高铁路用钢(板材和型材)的使用性能(品种规格、力学性能、耐蚀性能)几方面联合攻关。

1 铁路车辆的现状和新形势下的要求

1.1 铁路车辆的现状

长期以来,我国铁道车辆的技术标准一直源于苏联五、六十年代标准。铁道车辆的技术进步,一定程度上依赖于我国钢材的品种、性能与质量。在上世纪80年代以前,钢结构基本上采用普碳钢、09Mn2等,耐大气腐蚀钢则一直以屈服强度为295MPa 的09CuPTiRe和屈服强度为345MPa的09CuPCrNi为主,而美国等一些国家耐候钢的强度水平已高达550MPa。这种铜磷系列的耐候钢,科学试验及运用试验都说明:其耐腐蚀性一般相当于普通碳素钢的2倍左右,在恶劣环境中相当于2-3倍。到2001年为止,铁路主型货车敞、棚车上都采用的是这种耐候钢。随着重载、提速的铁路主要技术政策的制定,选用高强度、高耐候的结构钢以降低车辆自重、提高整车性能问题显得尤为突出和迫切。

1.2提速、重载对铁路车辆技术装备提出新要求

我国铁路现保有客车3.8万辆,货车56万辆,每年新造客车约2000辆,货车约25000辆。对于新造车辆,要按高速、快速、快捷、重载的要求进行设计和生产。对于现有的大量客货车辆,要使其达到上述技术政策,改造的任务也非常艰巨。由于货车的数量多,用钢量大,文中主要谈及货车的问题。

货车今后主要应发展自重轻、强度高、耐腐蚀的新型通用及专用货车,发展运行速度120km/h的快运货车,开发应用轴重25t低动力作用的大型四轴货车。

提高轴重是普遍提高货运能力和经济效益的途径,是世界大陆国家铁路货物运输共同的发展趋势。中国载重60t及以上的货车已达货车总数的95%以上,在站线长度难以继续延长又维持21t轴重不变条件下,继续增加列车重量的潜力很小,要进一步提高列车重量,开行重载列车,必须加快发展25t轴重低动力作用的货车。

发展专用货车势在必行。随着我国改革开放的深入,铁路货运已经进入买方市场。传统的大宗运输货物,如煤炭和油品,将随着坑口电站的建立,输油管路的铺设,铁路的运量逐渐减少。高附加值的货物,由于没有合适的运输车辆,或速度慢,或运输周期长,或不能做到门到门的运输,铁路运输在各种运输方式中所占的份额也在减少。应对这种情况,要提高铁路在运输市场的竞争能力,铁道车辆不应该再是敞、平、棚、罐通用车的一统天下,应该发展专用车辆,研制适应市场需要的新车种。目前我国铁路专用货车仅占货车总量的5%,而美国的专用货车占其货车总量60%以上,俄罗斯占32%,应该说我国专用货车的差距是大的。专用货车的发展对车辆设计制造部门和新材质、新外型的钢材研究生产部门都是大有作为的新课题。希望制造特种车辆(特种货车和专用客车)所需的高强度钢(屈服强度600MPa或以上),国内也可得到供应,减小和消除与国外车辆用钢技术水平的差距。

2 高强度耐大气腐蚀钢的开发

2.1 钢铁企业的技术进步

进入“十五”期间,我国钢铁工业得到持续的快速发展,2002年粗钢产量近1.81亿吨,钢材1.92亿吨,进口钢材近2500万吨,中国不仅是世界第一产钢大国,也是世界第一钢材进口大国。加入WTO后,在激烈的国内与国际竞争中,给我国钢铁工业带来了机遇和新的希望。当前钢铁工业结构调整已取得显著成就,尤其是近年来钢铁工业利用国债技改使投资规模扩大了约1370亿元。冶金装备更新和技术进步为生产国家亟需的高技术钢材如高强度耐候钢、管线钢、汽车用钢等创造了条件。无论是轧机能力还是冶炼水平都有大幅度提高。

近20年来,钢材质量的提高得益于全连铸技术的推广和炉外精炼技术的发展,钢的洁净度在不断提高。国内各钢铁企业把建立洁净钢生产体系列为技术改造的首项任务,起码都设置有LF等钢包精炼炉,在第二或第三期改造项目中再添置RH或VD炉。宝钢、武钢、鞍钢及舞钢等企业都已完善了S+P+N+H+T.O≤50ppm的生产流程。

在钢的微合金化和超细晶粒钢的研究中,肯定了杂质元素存在某些有利作用,如拖曳晶界移动、晶界钉扎、抑制再结晶等等。

洁净度提高对钢材性能尤其是冲击韧性和耐蚀性的大幅度改善是众所周知的,典型的转炉冶炼洁净钢生产流程(铁水预处理、转炉顶底复吹、LF精炼)可生产 C≤0.03%、S≤0.005%、P≤0.005%、N≤0.003%、T.O≤0.002%的钢水。增置RH精炼、脱碳、深脱硫的效果显著,可生产C≤0.002%、S≤0.001%、P≤0.003%、N≤0.003%、T.O≤0.0015%的洁净钢水。当代世界超洁净的控制水平在(S+P+N+H+T.O)≤50ppm。

目前,我国已投入生产的带钢轧机共15套,其中:连轧及半连轧机9套,薄板坯连铸连轧机5套,炉卷轧机1套。在建和续建的热轧宽带钢轧机有9套,其中热连轧机3套,薄板坯连铸连轧机5套,炉卷轧机1套。预计到2005年,我国热轧宽带钢生产能力将超过5000万吨,生产质量也将大大提高。

2.2 高强度耐大气腐蚀钢的生产试制

众所周知,提高钢的强度的主要机制有:固溶强化、析出强化或沉淀强化、位错与亚结构强化、细晶强化等。在这些强化机制中,只有细晶强化是既提高强度又提高韧性的唯一有效的方法。依靠合理有效的合金设计和优化的TMCP工艺,不改变现行耐大气腐蚀钢的成分体系,添加少量微合金元素Nb、V、Ti,采取控制轧制工艺,得到细晶组织,依靠细晶强化作用提高强度和韧性。

选用目前最常用的两种耐候钢09CuPCrNi和09CuPTiRE,添加微合金元素Nb,采用变形诱导铁素体相变(DIFT)原理,得到细晶组织,使强度有较大提高,同时韧性、焊接性和腐蚀性与原耐候钢09CuPCrNi和09CuPTiRE相当或提高。有关这方面的研究工作,钢铁研究总院在理论基础研究和工业性试制方面取得了较大进展,同时宝钢、武钢、本钢、攀钢、马钢等钢厂也在耐候钢的开发和生产上积累较多的经验。

2.2.1实验室研究情况

在国家973 “新一代钢铁材料重大基础研究” 项目中,以晶粒细化为主要手段来提高钢的性能,在研究过程中发现DIFT机制对组织和晶粒细化的作用十分明显,这一细化方法和原理已在我国几家钢厂进行了生产并供货,主要品种为普通碳素钢和微合金钢,目前已应用在汽车等行业。但变形诱导铁素体相变机制以及微合金元素Nb对耐候钢特别是铜磷系的耐候钢其晶粒细化作用如何以前研究的不是很多,本文试将近阶段的研究成果进行总结。

试验选用本钢生产的在铁道车辆和集装箱行业大量使用的两种耐候钢,即工业大生产的09CuPCrNi和09CuPTiRE,同时分别在钢中添加微合金元素Nb,添加的Nb含量分别为(wt%):09CuPCrNiNb钢-0.021~0.03%,09CuPTiRENb钢-0.017~0.03%。

应用DIFT机制,采取低温大压下工艺,精轧的开轧温度在850℃-820℃,卷曲温度在400℃-600℃,由坯厚40mm轧到3mm。不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE和含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE其试验结果如下。

不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE的力学性能

钢厂常规生产的耐候钢,09CuPCrNi的屈服强度约为400MPa,09CuPTiRE的屈服强度约为345MPa。尽管在目前的试验中采取的工艺条件比较苛刻,一般的大工业生产无法实现,但通过与轧制后钢板的力学性能和铁素体晶粒尺寸相比较,钢板的强度和铁素体晶粒尺寸与大生产的耐候钢相比没有明显的改进。从铁素体晶粒尺寸看,经低温大压下后铁素体晶粒尺寸为6.8-10.2μm,与常规工业生产的耐候钢的晶粒尺寸(8-10μm)相比,细化的效果不太明显;轧制后09CuPCrNi钢屈服强度为430 MPa,09CuPTiRE钢屈服强度为350 MPa,比正常生产耐候钢的性能增加不多。可见,如果不改变耐候钢的成分设计,不添加微合金元素,即使在低温大压下这样苛刻的工艺条件下也无法较大幅度提高耐候钢的力学性能。

含Nb的09CuPCrNiNb和09CuPTiRENb力学性能

添加少量微合金元素Nb后,细化效果十分明显,钢的组织显著细化,铁素体的晶粒尺寸基本上都在3-5μm,钢板的强度显著提高,而且保持良好的韧性。与不含Nb的钢相比,在相同的工艺条件下,09CuPCrNiNb钢屈服强度为500 MPa,09CuPTiRENb钢屈服强度稳定达到400 MPa以上,比不含Nb的材料的强度提高50-100MPa,同时比工业大生产耐候钢的强度提高100MPa以上。如果工艺和组织控制合理,钢板的屈服强度达到450MPa级是完全有可能的。

超细组织高强度耐候钢板的焊接性

具有超细组织的09CuPTiRE-Nb高强度耐候钢板经焊接后,超细晶粒耐候钢焊接接头的强度不低于母材的强度。虽然在热影响区的外侧有小范围的软化区,但不会引起接头强度的下降。当采用较小的焊接热输入和多道焊时有利于提高焊缝及热影响区的冲击性能。超细晶粒耐候钢经过焊接热作用,热影响区粗晶区的组织随着焊接热输入的增加而明显变粗。

超细组织高强度耐大气腐蚀钢板的腐蚀性

采用周浸试验和盐雾试验两种方法对普通碳素钢Q235及超细组织高强度耐候钢板进行加速腐蚀试验。普通碳素钢Q235的腐蚀失重最高,是其它耐候钢的2倍以上,说明它的耐蚀性最差;其它几种钢如09CuPTiRE、09CuPTiRE-Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi-Nb的腐蚀失重有少量区别,但相差不多;而且RE耐候钢的耐蚀性高于含CrNi的耐候钢,说明在耐候钢中添加Nb对耐蚀性基本没有损害。通过对锈层表面组织的观察及锈层减薄的测量,含稀土RE的耐候钢与CrNi系耐候钢的锈层形貌有明显差异,关于Nb、RE以及晶粒尺寸对耐候钢耐蚀性的影响有待进一步研究。

综合以上关于含Nb耐候钢的实验室研究工作的进展,在原耐候钢的基础上添加少量微合金元素Nb,得到细晶组织,能够大幅度提高耐候钢的力学性能,而且其焊接性和耐蚀性都与原来的耐候钢相当或有所提高,证明这是一条满足新型铁道车辆用高强度耐候钢要求的合理而经济的工艺路线。

2.2.2 工业试制生产的情况

国内钢铁企业中现有宝钢、武钢、本钢、马钢、攀钢等钢厂通过在钢中添加微合金元素Nb、V等试制生产了高强度的耐候钢板、车轮、热轧型钢以及冷弯型钢等。
宝钢、武钢、鞍钢、本钢和攀钢开发生产的高强度耐大气腐蚀钢性能等级能够满足屈服强度400MPa、450MPa、500MPa或更高级别的要求。关于这几家钢厂工业试制和生产的耐候钢主要性能在表1中综合给出。



马钢

自1997年以来,马钢以先进的炉外精炼装备为依托,已开发了碳含量0.45-0.77%的各种牌号车轮以及多种H型钢,涵盖提速、准高速、高速客车,提速货车以及地铁车辆等各种用途,产品质量均能达到相应标准的要求。车轮典型产品概述如下:

a) KKD、HDS车轮

分别用于提速客车(120-160Km/h)、货车(80-120Km/h),钢种均为8601-88标准中的CL60钢,但机械性能和洁净度要求大幅度提高,主要体现在强度、硬度、B类夹杂和氢含量上。

b) UIC标准系列车轮

主要为R7、R8、R9三种车轮,其中R7车轮在国内用于160-200Km/h级准高速客车和300 Km/h级高速列车,同时是主要的出口产品;R8车轮用于香港广九铁路;R9车轮用于地铁车辆。200Km/h车轮已经过5年多的运用考验,状态良好;R8、R9车轮分别在香港广九铁路和上海地铁使用了5年以上;高速试验用车轮在铁道部组织的高速试验上得到了应用。以及AAR系列车轮和整体机车车轮等。

H型钢用于铁道集装箱平车。到目前为止,马钢已生产4.5万吨H型钢供各车辆厂生产平车。另外,还为青岛四方-旁巴迪公司开发了豪华客车用槽钢。马钢在含Nb的型钢方面也做了大量工作,通过添加Nb可以使型钢减重,产品的强度、塑性和低温冲击韧性大大提高,成分均匀,质量稳定。开发的典型品种有: SM400B-H512×202 H型钢、Q345T-H600×200 H型钢、Q235D18#槽钢等。

冷弯型钢

冷弯型钢以其尺寸精确、外型美观、性能稳定、与热轧产品比较重量轻,并能以较复杂断面尺寸满足用户要求而广泛应用于各类建筑、桥梁、机械制造等行业,但在铁路货车上的应用进程比较缓慢。随着铁路货车的重载和提速,要求我们在设计车辆时要不断地优化车体结构,在不降低车辆性能的前提下合理减轻自重,以提高载重和车辆综合性能,而车辆结构设计中采用冷弯型钢就是一个有效的手段。

铁路敞车上到目前共开发并应用三种冷弯型钢。在1985年开发了两种,分别为端墙横带和帽型钢侧柱。在1993年开发了尖角矩形管上侧梁,材质为耐候钢09CuPTiRE-A,屈服强度为295MPa。

铁路棚车上冷弯型钢开发应用较敞车要晚,在设计新型P64A大容积棚车时,于1994年同期开发了车顶侧梁、冷弯波纹门板,在1997年开发了左门右框和右门左框。为了适应铁路货车重载的要求,齐车集团公司在2OO1年下半年又开发研制了新型的P64G型减轻自重棚车,同时开发了四种冷弯型钢应用在该车上,分别为冷弯变Z型车顶侧梁、矩形空心型钢上侧梁、上边框和U型冷弯型钢侧柱。其材质为高耐候结构钢09CuPCrNi-A,屈服强度为345MPa。

4 结语

(1)随着冶金企业装备不断更新和技术不断进步,无论是轧机能力还是冶炼水平都有大幅度提高,完全能够生产高强度耐大气腐蚀钢,满足铁道部门的要求。

(2)为推动我国铁道车辆的技术进步,铁道部门和冶金企业共同携手,共同就国内外车辆结构用钢材的现状与发展、我国现有车辆钢材的水平与期望、我国车辆结构用高强度耐大气腐蚀钢材研制新动态、新钢材物理化学性能的期望标准等方面进行研究,把铁路用钢搞上去,把高速重载搞上去,实现我国铁路的跨跃式发展,满足全面建设小康社会对铁路运输的需求。(end)

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