铁路货车车辆用耐候钢的开发

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强度满足,但是腐蚀速率没有降低,检修周期需要8年 铁道部要求在现有强度水平下,将腐蚀速率降低到60%的 水平,这样壁厚可以进一步降低,而且大修周期可以延长 到12年
箱体腐蚀磨损减薄导致车辆报废
铁道部对耐候车辆箱体损伤减薄的调查结果
耐候钢腐蚀调查结果:
– 腐蚀磨损严重.各个部位的平均减薄速率分布在0.07～ 0.25mm/ a – 局部最大减薄速率则为平均值的2 倍～5 倍 (0.14-1.25mm/ a ) – 下侧门板减薄速率最大,平均减薄速率可达0.25mm/ a. 其局部最大减薄速率可以达到1.25mm/a以上. – 下侧门板减薄速率高的原因可能是受力大,且煤车下部 含水率高,造成磨损腐蚀速率较大有关
其它性能:
符合铁道车辆用耐大气腐蚀钢验收技术条件
耐煤水磨损腐蚀钢的设计思路
钢的耐煤水腐蚀性能: 提高钢中Cr和Ni元素含量,提高基体本身的耐蚀性能; 组织均匀化,减少阴极相的数量,提高电化学性质的均匀性; 钢的耐磨损性能: 提高钢的硬度,同时提高钢中Si和Mn元素的含量,提高钢本体的耐磨损性能; 提高C含量,增加钢的硬度,提高耐磨损性能,C含量范围0.12~0.3%% 提高钢中Cr元素的含量,Cr含量范围7～10%, 提高钢中Ni元素的含量,Ni含量范围1.5~2% 存在的问题: 强度,冲击韧性,疲劳性能和焊接性能的难度加大,需要调整评价和验收标准; 焊材成分和焊接工艺的调整
这些钢的强度级别多为295MPa和345MPa
为了应对车辆发展对高强度耐候钢的需求,近些年来发 展出了450MPa级的耐候钢:
– Q450NQR1
Q450NQR1化学成分 C <0.12 S <0.008 Si <0.75 Cu 0.20-0.55 Mn <1.50 Cr 0.30-1.25 P <0.025 Ni 0.12-0.65
耐蚀成分设计:同Q450相比
– P 耐蚀元素作用显著,但增加裂纹倾向,尝试少量添加,0.07% – Cu 主要耐蚀并且低碳当量元素,提高冲击韧性,适当提高Cu含量 ,0.55 ～ 0.75% – Ni 主要耐蚀元素,价格高,0.65~0.75% – Cr 提高含量,1.50~1.85%,或者再高 – C 降低含量至0.02% ,降低碳当量,同时提高P元素的耐蚀作用 – Mn和Si含量尽量降低,降低C当量
耐煤水磨损腐蚀钢的设计思路
钢的耐煤水腐蚀性能: 提高钢中Cr和Ni元素含量,提高基体本身的耐蚀性能; 组织均匀化,减少阴极相的数量,提高电化学性质的均匀性; 钢的耐磨损性能: 提高钢的硬度,同时提高钢中Si和Mn元素的含量,提高钢本体的耐磨 损性能; 提高C含量,增加钢的硬度,提高耐磨损性能,C含量范围 0.12 ~0.3%% 提高钢中Cr元素的含量,Cr含量范围7～10%, 提高钢中Ni元素的含量,Ni含量范围1.5~2% 存在的问题: 强度,冲击韧性,疲劳性能和焊接性能的难度加大,需要调整评价和验 收标准; 焊材成分和焊接工艺的调整
– Nb,Ti微合金化,细化晶粒,析出强化,保证强度和冲击韧性符合要求
可焊性:
合金元素增加,降低C含量,满足铁道部焊接碳当量≤0.55%的要求
加工工艺:
现有的热连轧工艺: 终轧温度≥840℃,冷却温度范围700~500 ℃,板厚度3～ 20mm(以3～14mm为主) 根据现有工装情况,调整控轧温度区间和水冷温度区间 轧制工艺设计时考虑耐蚀组织设计: 成分和组织均匀化,减少碳化物析出量,提高钢表面电化学的均匀性
3 研究内容和技术路线
研究内容:
1. 车辆用钢失效因素分析 利用现有的Q450NQR1钢及其焊接工艺及 焊接材料, 分别对下述四种损伤类型进行评价试验,探索箱体钢 板及其焊缝失效损伤的主要因素.
大气腐蚀评价试验(周浸,水雾,循环试验等) 煤水腐蚀评价试验(浸泡,周浸) 煤水磨损腐蚀(微动磨损腐蚀,振动磨损腐蚀等) 磨损(煤块磨损,煤粉磨损)
2 研究目标
研究目标:
1. 利用现有的Q450NQR1钢,针对大气腐蚀,煤水腐蚀,煤 水磨损腐蚀和煤磨损四种损伤类型,进行损伤评价试验,找 出导致箱体减薄的主要损伤与因素,为新钢种设计奠定方向 目标 2. 在四种类型损伤评价试验的基础上,修改铁道部现有标准, 建立能够放映车辆箱体真正损伤过程的评价方法 3. 在现有Q450NQR1钢的基础上,针对主要损伤减薄类型, 进行钢种开发,在维持材料强韧性水平和可焊性的基础之上 ,材料的腐蚀损伤速率降低到现有钢种的60%,成本控制 达到铁道部的要求
2. 高耐蚀钢种开发
在上述失效因素评价的基础上,针对主要的失效类型,研发耐蚀 钢种. – 材料制备研究:成分设计, 冶炼, 控轧控冷 – 性能评价:腐蚀评价,强度评价,韧性评价,疲劳评价 –材料表面锈层的力学,化学及其与基体结合力评价,抗腐蚀 和磨损损伤能力的评价
3. 焊接材料与焊接工艺研究
在保证现有焊接材料的焊接接头强度韧性水平基础上,开发与母 材相匹配的高耐蚀的焊接材料,并探索相适应的焊接工艺
– 高强度:可以减少满足强度要求的车辆壁厚 – 高耐蚀:可以减少满足腐蚀寿命的壁厚裕量
降低壁厚
但在高强度高耐蚀前提下,具有良好的焊接性能 和足够的性能价格比是另外两个约束条件
典型的抗蚀耐候钢:
– 09CuPTiRE – 09CuPCrNi 及在此基础上改进开发的一些钢种 – 08CuPVRE 系列,09CuPTi 系列,09MnNb, 10CrMoAl ,10CrCuSiV
以运煤箱体为例,车辆受到的腐蚀和磨损损伤来自于下述 四个方面:
– 车厢在大气中所受的大气腐蚀 – 车厢煤水浸泡环境中的煤水腐蚀(水来源:雨水和酸雨) – 车厢由于煤的运动摩擦导致的煤水磨损腐蚀 – 车厢由于干煤造成的磨损
上述四种损伤形式那一种对箱体的减薄起主导作用,目前 尚无定论.但目前铁道部标准只利用周浸试验来模拟大气 腐蚀对钢板耐蚀性进行评价,没有考虑到后几种损伤类型 ,所以需要探索能反应真正减薄过程的评价方法
– 成分设计和焊材开发
– 焊接工艺开发 – 焊接接头性能评定(腐蚀,强度,韧性,疲劳等)
技术路线 钢种开发需要基于其所对应的主要损伤失效的类型来进行开 发.例如,对于大气腐蚀的钢种我们可以按照下述技术 路线进行开发.其它类型的失效形式开发的技术路线相 似. 提高耐蚀性能的成分设计思路:
在现有Q450钢成分和工艺基础上进行耐蚀成分的调整,提 高耐蚀成分的含量及组合作用,提高耐蚀性能,同时结 合TMCP工艺和微合金化技术优化新成分钢种的力学和 焊接性能
新型铁路车辆用耐候钢及其耐 蚀焊接技术开发
北京科技大学 路民旭
Leabharlann Baidu
2009年9月26日
报告内容
1 2 3 研发背景和现状 研究目标和意义 研究内容和技术路线
1 研发背景和现状
随着我国铁路货车高速化和重载化的迅速发展, 车体减重和高强度储备已成为发展趋势,对高强 度高耐蚀车辆用钢的需求已经非常迫切.
耐蚀性能评定: 室内模拟实验方法以及铁道部标准方法 耐蚀性能比较:比较新旧钢种耐蚀性能差别 耐蚀成分的优选: 优选出耐蚀性能达到要求的新钢种成分3～5种
焊接技术开发:
焊材成分,焊接工艺的确定: 1,调整焊材成分,提高焊缝金属的耐蚀性能 提高焊材中Ni元素和Cu元素 2,调整焊接工艺,使焊接接头的热影响区的冲击韧性 3,焊接接头腐蚀性能:焊接接头腐蚀性能不低于本体 材料 焊接性能符合铁道部低合金钢焊接技术条件