鐵路貨車制動配件用熱軋不銹鋼復合板的開發與應用

2012-08-03 11:56:06陳傳玉金建炳郭靜云

鐵道機車車輛 2012年1期

劉純，陳傳玉，金建炳，郭靜云

（1 濟鋼集團山東鮑德金屬復合板有限公司，山東濟南250101；2 四川制動科技股份有限公司，四川眉山620010）

目前，我國鐵路貨車制動缸體廣泛采用鑄鐵制動缸體，由于鑄鐵制動缸體與后蓋分為兩體、加工裝卸工作量大、生產效率低、周期長、質量大、原材料和能源消耗大、缸體內表面粗糙度大、耐磨性差及壽命低等特點，致使檢修周期短，勞動強度大，而國外發達國家已采用整體密封旋壓制動缸。整體密封旋壓制動缸結構合理，作用可靠，具有質量輕、精度高、耐磨性好、檢修周期長、制造和檢修工作量小等優點，是鑄鐵缸的替代產品。但是目前的密封旋壓制動缸的材料一般都是用Q235A和10＃、20＃鋼，在長期的使用過程中，由于空氣中含有水分，導致缸體內壁生銹，內壁受到腐蝕容易脫落，對制動缸的使用壽命產生影響，給鐵路行車安全帶來隱患。為解決上述問題，受中國南車集團眉山車輛廠的委托，共同開發研制優質碳素鋼＋不銹鋼的復合鋼板代替現有鋼板。

1 材料的選擇

鐵路貨車制動配件即密封旋壓制動缸用不銹鋼復合板材料選用主要根據用途考慮復層材料的耐腐蝕、耐磨、耐沖擊、表面摩擦系數等性能，具體根據復層所處的環境、介質、工作條件等選擇復層材料種類；基層材料的選擇也有特殊的要求，多選用10＃、20＃和Q235A等沖壓性能優良的鋼種，設計時基層材料承擔全部應力。

1.1 基層材料的選擇

試制初期我們嘗試用Q235A號鋼板作為坯料進行試驗，由于材質本身的原因，在沖壓或拉旋時出現了裂紋和夾層等現象。后來又選用20＃鋼板進行試驗，通過試驗證明，毛坯材料表面不得有夾雜、裂紋、隔層和斑痕，否則旋壓件易出現斷裂、微裂、起鱗皮及斑點等。整體密封旋壓制動缸在產品制作工藝中經過兩次冷沖壓預成形（中間加退火處理）、酸洗、焊接和最后強旋成形等階段，材料必須要有良好的塑性。延伸率和冷彎性能是衡量鋼材塑性好壞的力學性能指標。對碳素結構鋼而言，碳當量越高，鐵素體含量越小，珠光體含量高，塑性越差。為得到塑性組織，應適當降低鋼的碳當量①。最后我們選擇低碳當量的10＃鋼板進行試驗。

10＃鋼特性：強度稍高于08＃鋼，塑性和韌性也很好，無回火脆性，在正火或冷拉狀態下，其切削加工性較好，在冷態下容易模壓、擠壓成形，但淬硬性、淬透性低。因此選擇10＃鋼板是最適宜的。

1.2 復層材料的選擇

在GB／T 8165國家標準中列出了典型的復層材料有 1Cr13、 0Cr13Al、 0Cr18Ni10Ti、 0Cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2 等不銹鋼，0Cr18Ni9不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能，沖壓彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現象，無磁性。

根據南車集團眉山車輛有限公司委托旋壓密封式制動缸內部防腐環境需要、結構受力等技術要求需要選擇10＃＋0Cr18Ni9材質作為熱軋擴散焊不銹鋼復合板材料，厚度規格為（9＋1）mm作為缸體材料，（4＋1）mm作為前蓋材料。

表1 10＃鋼和0Cr18Ni9的化學成分比較

1.3 生產研制難點

（1）缸體材質采用10＃鋼，不銹鋼復層必須能滿足良好的機械加工性能，必須考慮到不銹鋼層的力學性能不同于碳鋼，如何保證熱軋完后的復合板，在制成缸體后在使用時受力狀態滿足要求是本項目的難點。

（2）如何保證不銹鋼復合板的產品性能，使其達到設計要求，復合率達到99%，剪切強度達到260MPa（國家標準為210MPa），本產品要進行沖壓、熱處理和旋壓是本項目的難點之一。

（3）旋壓密封式制動缸缸體對不銹鋼面的光潔度和表面粗糙度有很高的要求，其旋壓成形后外表面應光潔平整，其粗糙度不高于Ra12.5，缸體內壁表面粗糙度Ra0.8，圓度0.14，直線度0.2。

2 復合工藝技術方案和質量控制

（1）采用真空擴散焊專利技術保證不銹鋼復合板的復合率及復合強度；熱軋復合技術依據熱軋釬焊不銹鋼復合板專利技術，經過對技術的優化和創新，目前形成熱軋擴散焊復合技術，技術已經成熟，一次復合率達到98%以上，復合板的剪切強度達到300～450MPa，比標準210MPa有顯著提高。

（2）采用適當的熱處理工藝來降低熱軋不銹鋼復合板的應力。

（3）不銹鋼復合板經超聲波探傷、力學性能試驗、剪切、成形。

（4）生產關鍵技術

①熱軋擴散焊復合工藝是指在高溫、高壓、真空和表面清潔的條件下通過軋制實現不銹鋼與碳鋼達到冶金結合，其核心是復合坯的設計。由于碳鋼和不銹鋼的延伸率有差別，在復合坯料設計時通過系數調整兩種材料的基板尺寸。合理設計不銹鋼復合板的生產方案，優化組坯質量是本工藝的關鍵；

②不銹鋼與碳鋼表面全部進行潔凈化處理，增強不銹鋼與碳鋼的擴散能力；

③采用控溫控軋制工藝提高復合鋼板的強韌性，保證材質性能；

④采用熱處理工藝提高復合鋼板強度和降低復合板應力，保證材料板型；

⑤技術裝備保證

在以步進式加熱爐、4 300mm寬厚板軋機、3 500 mm中厚板軋機、1 700mm熱連軋機和2 500mm中板軋機為“四位一體”的裝備優勢為基礎的同時，又根據工藝特點自行設計并制作了組坯、抽真空、滿焊、精整等生產線，連續批量生產熱軋擴散焊不銹鋼復合板的技術裝備保證能力日漸雄厚，工藝線達到國內領先水平。

3 復合板實物質量

3.1 力學性能

熱軋擴散焊不銹鋼復合板沒有表面缺陷，板型平整。經超聲波探傷及力學性能試驗判定合格后發貨。表2為生產的熱軋擴散焊不銹鋼復合板實際力學性能試驗參數。

表2 熱軋擴散焊不銹鋼復合板實際力學性能試驗參數

3.2 探傷情況（圖1）

按照JB／T 4730－2005《承壓設備無損檢測標準第3部分－超聲波部分》的有關規定，通過GB／T 8165－2008《不銹鋼復合鋼板和鋼帶》的有關缺陷波形的規定，對上述鋼板進行了超聲波探傷，未發現有超過2個標準規定的缺陷波形（未發現第一次底波高度不大于熒光屏滿刻度的5%，且缺陷波大于熒光屏滿刻度的5%的部分）。

3.3 冷彎情況（圖2）

對熱軋擴散焊不銹鋼復合板試樣進行180°冷彎試驗，彎曲部分的外面、里面和側面未見裂紋、裂斷和分層現象。

3.4 結合組織分析

通過對熱軋擴散焊不銹鋼復合板的試樣經拋光浸蝕后宏觀可以清楚地顯示出所有的不銹鋼與碳鋼復合交界處呈擴散結合形態（圖3），在掃描電子顯微鏡下觀察，結合區基板和復板的結合方式是直接結合，中間沒有新合金生成，利用X射線能譜儀進行微區成分分析表明，從復層到基層合金元素成分發生急劇變化，大部分能保持原材料基體的成分，這種結合方式占主要方式。

圖1 剪切試件

圖2 彎曲試樣

圖3 結合區域

4 用戶使用情況跟蹤

4.1 用戶使用情況

2009年12月份眉山車輛廠生產的C70C型敞車裝用10＃＋0Cr18Ni9不銹鋼復合板制作成305×254FH旋壓密封式制動缸（A型）進行運用考驗，總計裝車198輛。

4.2 運用情況

2010年6月在鐵道部相關部門的協助下，山東鮑德公司和眉山車輛有限公司對該批裝用305×254FH旋壓密封式制動缸（A型）的車輛進行了調研，主要調研區段有石太線的太原北車輛段，所調研的車輛制動緩解均動作靈活，無卡滯現象，未出現運用故障。

2011年1月眉山車輛有限公司設計、山東鮑德公司售后服務人員赴太原北車輛段，在石太線（石家莊—太原）進行現場調研，針對305×254FH旋壓密封式制動缸（A型）的運用情況與車輛段的技術人員進行了交流。南車集團眉山車輛有限公司生產的裝用305×254FH旋壓密封式制動缸（A型）的C70C型敞車，在運用和檢修中未發現任何制動缸故障，使用情況良好。具體見圖4所示。

4.3 檢測

為詳細了解305×254FH旋壓密封式制動缸（A型）的缸體是否出現分層現象，南車集團眉山車輛有限公司用兩套新的性能完全符合要求的305×254FH旋壓密封式制動缸（A型）替換已經運行1年多舊的305×254FH旋壓密封式制動缸（A型），對其進行性能試驗測試，同時檢測缸體的磨損情況，并對其進行剖切，檢驗是否出現分層。