高速鐵道車輛焊接轉向架材質性能和實踐分析

師玲萍

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710014)

高速鐵道車輛焊接轉向架材質性能和實踐分析

師玲萍

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710014)

對16MnR、16MnP、14MnNbq以及SM490C的研究表明，在C、Si、P和S元素當中，S對于鋼鐵所產生的沖擊韌性是最大的。假設S的含量為0.005%～0.019%，則會出現隨著S含量的增加，鋼鐵沖擊韌性成倍下降的結果。本文著重研究了通過何種焊接材料和具體工藝能夠有效提高轉向架整體結構的力學性能。

高速鐵道；轉向架；焊接材料

從力學以及鋼材實際運用的發展進程來看，16Mn已經有長達幾十年的使用歷史，在各行各業中的應用廣泛，該材料的相關技術已經比較純熟。隨著鋼結構力學整體水平的不斷提高，對鋼焊接性能的要求也隨之提高。在橋梁建設方面，鋼結構的跨度越來越長，結構類型也與幾十年前發生了翻天覆地的變化。在鐵路機車車輛制造方面，隨著高速列車突飛猛進的發展，要求焊接轉向架不僅要實現質量輕，而且在整體結構的抗疲勞性上也必須有很大地提升，既要求鋼不僅要有足夠的強度，還要有韌性。基于此，急需尋找一種韌性和焊接性都優于16Mn的新材料來滿足社會發展的需求，14MnNbq就是在這樣一種基本背景下產生的。為了能夠與

14MnNbq的母材相匹配，還制作出了TY-J507B、J502Q焊條和ER50-3B混合氣體來保護焊絲[1-2]。

1 16Mn系列鋼中的化學風塵和力學性能

16Mnp和SM490鋼的母材化學成分和力學性能試驗結果見表1～表3。

表1 16Mnq和SM490C的化學成分(質量分數) (%)

表2 16Mnp和SM490C的力學性能

表3 16Mnq和SM490C低溫沖擊

從表1～表3可以看出，國產16Mnq與國外SM490C雖然在抗拉強度、斷后伸長率和屈服強度上差別不大，但是在低溫沖擊韌性方面的差異非常明顯[3]。

我國幅員遼闊，南北地域溫度差非常大，北方地區冬季最低氣溫為<-40 ℃，因此鐵路機車車輛轉向架用鋼的冷脆轉變溫度必須<-40 ℃才有可能使用。我國很多機車車輛生產廠家采用16MnR作為替代鋼種，開發高速機車車輛轉向架。通過分析可以發現：首先，16MnR的化學成分和力學性能與SM490C的差距非常大，脆性轉變溫度>-40℃，對于<-40 ℃的使用環境，適應起來比較困難；其次，16Mn與國外同類先進材料相比差距比較大，但是通過對成分進行改進，完全可以提高焊接結構用鋼的韌性水平[4-7]。

2 14MnNbq鋼的化學成及力學性能

相比上述提到過的鋼材，14MnNbq的發展時間比較晚，通過研究和實踐表明，14MnNbq鋼的低溫V型沖擊韌性比16MnR和16Mnq高很多，尤其是在-40℃情況下，沖擊吸收能量均為>147 J，遠遠超過其他2種材料，具體見表4～表5。

表4 母材的化學成分(質量分數) (%)

表5 母材的力學性能

試制兩動一拖動力分散式200 km·h-1電動車組非動力轉向架構所使用的14MnNbq在不同溫度下的V型沖擊試驗效果見表6。從表6可以看出，14MnNbq的低溫韌性比較好，在-60 ℃時的沖擊功依舊>100 J，這個數值非常理想；因此，該材料的母材韌性效果也非常好。

表6 不同溫度及厚度下14MnNbq鋼材V型沖擊試驗

低合金結構鋼沖擊韌性在不同溫度情況下的具體變化如圖1所示，這種鐵素體類型鋼在轉變溫度時，沖擊吸收能量大小差別比較大，因此非常不穩定，甚至在低于某一具體溫度后，鋼材會失去韌性，變為完全的脆性材料，這也是鋼材最容易出現應力性損壞的時刻。通過具體實踐經驗得出，鋼材自身具備足夠的韌性儲備是規避許用應力內出現疲勞斷裂的主要手段之一。

圖1 低合金鋼沖擊韌性與溫度之間的關系

從圖2可以看出， 14MnNbq的常溫和低溫沖擊韌性都要遠遠大于16Mnq以及16MnR，已經達到了日本SM490C鋼低溫韌性的水平；此外，通過對圖2的觀察還能夠看出，16MnR的韌性相對最差，16Mnq的低溫韌性在這幾種材料中最低。

圖2 低合金結構鋼沖擊韌性比較

影響鋼材韌性還有一個很重要的因素就是化學成分，在C、Si、Mn、S和P元素當中，S是影響沖擊韌性最大的一個因素，假設-40 ℃沖擊吸收能量為Y，得到下述公式：

Y=m1w(C)+m2w(Si)+m3+m3w(Mn)+

m4w(S)+m5w(P)+b

式中，m1～m5以及b都是常數。通過常規數學運算得出，S適用在0.002%～0.005%，對沖擊韌性的影響比較明顯。

3 14MnNbq焊接性材料

1)電焊條。TY-J507B和TY-J507Q的配方都是以CaF2-CaCO3-SiO2為基礎添加TiO2，并且將CaCO3和CaF2的比例進行了適當調整，進而形成的新型CaF2-CaCO3-SiO2-TiO2渣系。電焊條具體成分是在C-Si-Mn的基礎上進行的調整，然后通過加入Ti、B、Ni和Mn來達到細化焊縫晶粒的目的。

2)富氬氣體保護焊絲。科學研究表明，富氬氣體對焊的保護要比CO2氣體保護時的焊化性弱很多。為了能夠很好地避免焊縫中S、P含量的增加導致力學性能下降，在實際使用富氬焊的焊絲時，還可以適當對Si和Mn的含量進行調整。

合金元素對于焊縫力學性能的影響主要是當w(C)≤0.15%時，隨著碳含量的不斷增加，會出現柱狀晶邊界處共析鐵素體量減少、針狀鐵素體量增加的情況，同時，碳會讓焊縫金屬的硬度和固溶度有很明顯的提升，但這是以犧牲韌性為代價的；因此，應將碳的含量控制在一個科學、合理的范圍內。而Mn就是能夠起到很大作用的元素，在C-Mn系焊縫中，Mn含量的增加將會直接造成針狀鐵素體量的持續增加，而線共析鐵素體及中間層狀組織會有大幅度的減少，這樣屈服強度、抗拉強度和沖擊韌性都會有大幅度增加。當w(S)≤0.05%時，對強度的影響相對比較小，但是對沖擊韌性依然有非常明顯的影響。

4 結語

14MnNbq鋼母材化學成分的碳含量比較低，焊接性也非常好，強度和16Mn基本一致，沖擊韌性強是其優勢之一，AKV(-40 ℃)≥100 J。TY-J5087Q焊條通過水引發檢測出的結果為1.99 mL/100 g，遠遠高于基本標準要求，韌性滿足AKV(-40 ℃)≥47 J。隨著社會科學及經濟的不斷發展，對于鋼材材質的需求已經上升到了前所未有的高度，以高速鐵道車輛焊接轉向架材質來看，無論是相關技術或是材質本身，我國與國外發達國家都還有不小的差距，只有加強科學鉆研、努力探究，我國才能真正成為一個科技大國。

[1] 丁偉,黃辰奎,王貴山.等.孫口黃河大橋母材及埋弧自動焊試驗研究[M].北京：鐵道部科學研究院，2012.

[2] 袁博,顧衛華.轉向架關鍵部件性能分析[D].大連：大連交通大學,2012.

[3] 金光，楊少輝. 鐵路客車轉向架構架材料焊接接頭的組織與性能研究[D].大連：大連交通大學，2008.

[4] 廖英英,張國棟.高速鐵道車輛半主動懸掛系統動力學建模優化與仿真分析[D].北京：北京交通大學,2012.

[5] 丁然,孫曄. 認知不確定性下高速鐵道客車轉向架焊接構架疲勞可靠性研究[D].成都：電子科技大學,2013.

[6] 王文林. 高速列車可調式線性油壓減振器的設計理論與應用研究[D].杭州：浙江大學,2013.

[7] 田華彬，劉嬟惜. 鐵路機車總體結構材料的性能分析與選用——以機車車體和轉向架結構為主要研究對象[J]. 南方職業教育學刊,2011(4)：12-15.

責任編輯李思文

ShallowofHigh-speedRailwayVehicleBogieWeldingMaterialPerformanceandPracticeAnalysis

SHI Ling Ping

(Xi′an Railway Vocational and Technical College,Xi′an 710014,China)

Through the 16 MnR, 16 MnP, 14 MnNbq and SM490C research, the results showed that among the elements of C, Si, P and S, S is the biggest factor of all for the steel produced by the impact toughness. It was assumed that the content of S range was between 0.005% ～ 0.019%, it would appear that impact toughness of steel exponentially declined with the increasing of S content. The paper discussed emphatically how the welding material and the specific process could effectively improve the mechanical performance of the whole structure of bogie.

high-speed railway, bogie, welding materials

TG 421

：A

師玲萍(1987-)，女，助教，主要從事車輛工程和專業鐵道車輛等方面的研究。

2014-10-31