摘 要 回顾了我国铁道车辆用耐大气腐蚀钢的现状,提出了在高速重载条件下铁道车辆及其用钢的新要求。初步总结了我国高强度耐大气腐蚀钢的研究工作,对比分析了国内几个主要钢厂开发生产的高强度耐大气腐蚀钢的工艺性能。
关键词 铁道车辆 耐大气腐蚀钢 高强度
1 前言
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。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。
2 铁路车辆的现状和新形势下的要求
2.1 铁路车辆的现状
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20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,而美国等一些发达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[2]。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。
2.2 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318万辆,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,本文主要探讨货车的问题。
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4轴货车。
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很大的。
3 高强度耐大气腐蚀钢板的开发和试制
3.1 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地发展,2003年粗钢产量约2.3亿t。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,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、鞍钢等企业都已完善了S+P+N+H+T.O≤50×10-6的生产流程。
洁净度提高可大幅度改善钢材性能尤其是冲击韧性和耐蚀性,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。
近年国内热宽带轧机的改造及已建成和将建设的薄板坯连铸连轧生产线达20条,2005年预计板带的生产能力为4500万t,生产质量也将大大提高。
3.2 高强度耐大气腐蚀钢的生产试制
3.2.1 实验室研究情况
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2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,获得细晶组织,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、鞍钢、攀钢等钢厂也在耐候钢的开发和生产上积累较多的经验[2]。
在研究过程中发现变形诱导铁素体相变(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。
试验选用目前在铁道车辆和集装箱行业大量使用的种耐候钢,即本溪钢铁公司工业大生产的09CuPCrNi和09CuPTiRE,同时分别在钢中添加微合金元素Nb,其化学成分见表1。
应用DIFT机制,在实验室采取低温大压下,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。
(1)不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE的力学性能
轧制后钢板的力学性能和铁素体晶粒尺寸见表2。对于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,与表2中性能值相比,尽管在这种比较苛刻的工艺条件下,一般的大工业生产是无法实现的,但是从铁素体晶粒尺寸看,与常规工业生产的耐候钢的晶粒尺寸(8～10Lm)相比,细化的效果不太明显,力学性能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。
(2)含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE的力学性能
含Nb的钢板轧制后力学性能和铁素体晶粒尺寸见表3。添加微合金元素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3～4mm,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,材料的强度提高50～100MPa。同时,含Nb的耐候钢与工业生产钢相比,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。
(3)超细组织高强度耐候钢板的焊接性和耐蚀性
具有超细组织的09CuPTiRE2Nb高强度耐候钢板经焊接后,其力学性能见表4。超细晶粒耐候钢焊接接头的强度不低于母材的强度。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。
超细组织高强度耐候钢板加速腐蚀试验采用周浸试验。周浸试验中采用普通碳素钢Q235、09CuPTiRE、09CuPTiRE2Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi2Nb钢板。从腐蚀失重来看,普通碳素钢Q235的腐蚀失重最高,是其他耐候钢的2倍以上,说明他的耐蚀性最差;其他几种钢如09CuPTiRE、09CuPTiRE2Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi2Nb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。
含Nb耐候钢的实验室研究工作的结果表明,在原耐候钢的基础上添加少量微合金元素Nb,获得了细晶组织,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板要求的合理而经济的工艺路线。
3.2.2 工业试制生产的情况
宝钢、武钢、本钢、鞍钢、攀钢等企业均通过在原耐候钢成分的基础上添加微量元素Nb、V、Ti的工艺,试制生产了高强度的耐候钢板。开发生产的高强度耐大气腐蚀钢力学性能见表5。
(1)宝钢
宝钢高强度耐候钢板屈服强度能够满足400～450MPa的要求,而且冲击性能很高。用斜Y坡口裂纹试验方法和搭接接头(CTS)焊接裂纹试验方法评定钢材对焊接冷裂纹的敏感程度。试验结果表明:0℃下无论是进行手弧焊还是气保焊,宝钢高强度铁道车辆用耐候钢不会产生焊接冷裂纹,表现出良好的焊接性。用室内加速腐蚀试验方法评价钢的耐腐蚀性能,试验结果表明:宝钢高强度铁路车辆用耐候钢具有优良的耐腐蚀性能,与普通钢相比,时间越长,优势越明显。
(2)武钢
到目前为止,武钢已供铁路货车用09CuPTiRE钢226.7万t,已制造铁路货车近17万辆。09CuPCrNi钢和SPA2H钢88.97万t,分别用于制造铁路客车和集装箱。“七五”期间,武钢预计制造铁路车辆将需要采用高强度耐候钢,分别开发了屈服强度为345MPa和390MPa级的高强度耐候钢。自80年代以来,武钢重点开发了铁路用钢产品,根据铁道部的要求,主要开发了屈服强度为345、400、450、500MPa四个级别的耐候钢。
低合金高强耐候钢是在Cu2P2Cr2Ni合金系的基础上,结合Cu2P2Ti2RE钢的优势,通过添加其它微量合金元素,使材料综合性能得以提高,同时尽量降低材料的屈强比,满足铁路货车需要。
(3)本钢
通过添加Nb,屈服强度提高了110MPa左右,伸长率同时较高,从金相检验可以看出,含Nb试验钢的晶粒要细于常规成分试验钢的晶粒。通过试验,本钢已经基本掌握了生产屈服强度大于450MPa的09CuPTiRE2Nb,并为下一步开发研制屈服强度大于500MPa积累了很多经验。
(4)鞍钢
工业试验的主要工艺特点为冶炼上进行钢质纯净化及Nb、Ti微合金化(为保证良好的焊接接头性能,精炼阶段执行严格的合金化和脱氧顺序管理),轧制上实行分阶段控制温度轧制。为适应设备现状,不同的强度级别在实际成分上略有差别。
(5)攀钢
攀钢在实验室冶炼了20炉试验钢,轧成3～8mm厚度热轧板,性能良好。在实验室研究成功的基础上,≥400级别和≥450级别热轧板进行了批量工业生产,攀钢利用攀枝花资源,采用钒、钛元素复合合金化技术,配合热轧精轧机控轧技术和层流冷却控冷技术,试验钢力学性能良好,具有较佳的强度和韧性配合,试验钢还进行了焊接性能和耐腐蚀性能检验,性能良好。
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板,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。