碳鋼材料在HXD1C中的應(yīng)用研究

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

Fe作為工業(yè)生產(chǎn)中常用的金屬元素，在地殼中分布十分廣泛。純Fe化學(xué)性質(zhì)活潑，低機(jī)械強(qiáng)度限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。在Fe基體中加入合金元素如C、Si和Mn等起到彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化從而提高其機(jī)械力學(xué)性能。

通常含C量在0.02-2.11%的Fe-C合金稱之為碳鋼，在航天航空和軌道交通等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。在電力機(jī)車方面主要涉及司機(jī)室、車體頂蓋和轉(zhuǎn)向架等零部件。碳鋼在室溫平衡狀態(tài)下的顯微組織主要為鐵素體和滲碳體，隨著C含量的增加組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因而引起材料性能的變化；另一方面對(duì)碳鋼材料采用不同的熱加工工藝可以大幅度的改變其組織和性能。本文主要從C含量和熱處理工藝對(duì)碳鋼材料性能的影響進(jìn)行了分析，介紹了未來電力機(jī)車“輕量化”的發(fā)展趨勢(shì)。

1 C在碳鋼材料中的組織形態(tài)

Fe有α、γ和δ三種同素異形體。碳鋼材料中C元素在Fe中呈有限固溶，C在體心立方晶體結(jié)構(gòu)(α和δ)中的間隙固溶體為鐵素體，727 ℃時(shí)在α-Fe中最大溶碳量為0.02%，在δ-Fe中為高溫鐵素體，鐵素體展現(xiàn)出良好的塑韌性，強(qiáng)硬度較低；C在γ-Fe中的間隙固溶體為奧氏體，在1 148 ℃時(shí)其最大溶解度為2.11%，奧氏體強(qiáng)硬度高，塑韌性較好。而當(dāng)含C量超過其溶解能力時(shí)，F(xiàn)e和C元素之間會(huì)形成一種金屬化合物滲碳體(Fe3C)，強(qiáng)硬度高，脆性大，塑韌性差。珠光體為鐵素體與滲碳體形成的一種機(jī)械混合物，力學(xué)機(jī)械性能介于兩者之間。

在電力機(jī)車中一方面需考慮材料力學(xué)性能和焊接性能，如車體端部在貨運(yùn)牽引過程中需保證其足夠的抗拉強(qiáng)度，避免在貨運(yùn)牽引過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；另一方面由于電力機(jī)車受到空氣環(huán)境等因素的長(zhǎng)期腐蝕，需保證其具有高的耐腐蝕性。因此在電力機(jī)車中需合理選擇C元素的含量范圍。

2 不同C含量的碳鋼材料在電力機(jī)車中的應(yīng)用

碳鋼材料按照含C量的不同分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。隨著碳含量的增加材料的強(qiáng)硬度增加，但加工性能下降，脆性增加易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。為了同時(shí)保證材料的抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性能和焊接性能，只能選取特定碳含量的碳鋼材料。下面重點(diǎn)介紹Q345A、Q345E和Q460E等材料在電力機(jī)車中的應(yīng)用研究。

2.1 Q345在電力機(jī)車中的應(yīng)用

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-2008中規(guī)定，Q345為一種低碳鋼材料。Q代表材料的屈服強(qiáng)度即材料發(fā)生0.2%時(shí)的應(yīng)力值，Q345表明其屈服強(qiáng)度為345MPa，由于加入了Mn和Si等合金元素，其強(qiáng)度比同C質(zhì)量百分含量的碳素結(jié)構(gòu)鋼高20%-30%，耐腐蝕性能高20%-40%，在軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Q345材料分A、B、C、D和E五個(gè)質(zhì)量等級(jí)，Q345A表示不做沖擊試驗(yàn)，Q345E為-40 ℃條件下做的沖擊試驗(yàn)，低溫條件下沖擊功數(shù)值越大，低溫性能越好，表明由A-E質(zhì)量等級(jí)對(duì)材料的性能要求越高。表1為Q345A和Q345E兩種材料的化學(xué)成分表，由表1可知等級(jí)越高，材料中的C質(zhì)量百分含量下降，P和S作為有害雜質(zhì)元素，嚴(yán)重影響材料的性能，在高質(zhì)量等級(jí)的Q345中需嚴(yán)格控制P和S等有害元素的含量。

表1 Q345A和Q345E的化學(xué)成分表 (wt.%)[2]

隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的發(fā)展，軌道交通裝備順應(yīng)“一帶一路”戰(zhàn)略已出口歐洲等世界各地，在最新的標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》Q345已更改為Q355，對(duì)Q345的力學(xué)性能提出了更高的要求。

2.2 Q460E在電力機(jī)車中的應(yīng)用

相對(duì)于Q345，Q460具有更高的強(qiáng)度，成型與焊接性能好，電力機(jī)車中在牽引部件和重要承載部位有廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用板材厚度達(dá)到了20 mm以上，國(guó)家“鳥巢”體育中心在結(jié)構(gòu)材料選擇方面也采用Q460E[3]。同Q345一樣，Q460在質(zhì)量等級(jí)方面分為C、D、E三個(gè)等級(jí)，由于應(yīng)用在機(jī)車車輛的重要零部件中，對(duì)Q460的焊接性能、耐腐蝕性能以及抗拉抗壓強(qiáng)度等均有較高的要求，因此Q460在選擇過程中主要選擇質(zhì)量等級(jí)最高的Q460E。表2為Q460E的化學(xué)成分表，Mn合金元素質(zhì)量百分含量較高，增強(qiáng)Fe-C合金的強(qiáng)度。

表2 Q460E的化學(xué)成分表 (wt.%)[3]

2.3 其他材料在電力機(jī)車中的應(yīng)用

16MnDR為低溫容器鋼板材料，其中Mn質(zhì)量百分含量為1.6%左右，同Q460E一樣具有良好的低溫性能，因此根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T3531-2014中提出嚴(yán)格控制有害元素P和S，適合電力機(jī)車在高海拔和低溫等惡劣環(huán)境中零部件制造材料的使用。為了提高材料的耐腐性能，需在Fe-C合金中加入合金元素如Ni和Cr等元素，0Cr18Ni9在最新的材料標(biāo)準(zhǔn)中牌號(hào)已經(jīng)更改為06Cr19Ni10，表3為06Cr19Ni10化學(xué)成分表，可以看出在06Cr19Ni10中Cr的含量為18%-20%，Ni的含量為8.0%-10.5%。但其中C的含量相對(duì)于Q345和Q460材料有所下降，其C含量≤0.08%，因此其力學(xué)性能會(huì)下降，耐腐蝕性能增加。在電力機(jī)車車體的制造過程中合理選擇C含量的碳鋼材料能促進(jìn)軌道交通裝備的進(jìn)一步發(fā)展。

表3 16MnDR和0Cr18Ni9的化學(xué)成分表 (wt.%)[4]

3 熱處理對(duì)碳鋼材料組織的影響

由于不同溫度下C在Fe中的固溶度不同，因此通過熱加工工藝可以改變碳鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善其加工性能和使用性能。由表1和表2可知Q345和Q460等碳鋼材料的含碳量均低于0.2%，介于0.02%-0.77%。在平衡狀態(tài)下相變過程中1538 ℃高溫條件下為液相(L)，隨著溫度的下降，高溫條件下從L中析出奧氏體(A)，最后在室溫下形成鐵素體和滲碳體的雙相組織結(jié)構(gòu)。

碳鋼的熱處理是將其加熱、保溫和冷卻的過程，達(dá)到一種非平衡相組織結(jié)構(gòu)，常用的熱處理方法有退火、正火、淬火和回火。碳鋼材料的退火工藝是將其加熱到AC1(727 ℃)溫度以上，保溫一段時(shí)間然后以緩慢的冷卻速度(隨爐冷卻)獲得接近平衡組織的一種熱處理方式，因此退火處理后未出現(xiàn)新的組織，但是可以降低材料的硬度和內(nèi)部應(yīng)力，提高塑韌性和加工性能，細(xì)化晶粒。正火工藝是將碳鋼材料加熱到AC3(912 ℃)溫度以上，保溫一段時(shí)間后在空氣中冷卻，相對(duì)于退火，正火工藝?yán)鋮s速度更快，減少了晶粒的再結(jié)晶時(shí)間，獲得了更細(xì)的晶粒組織結(jié)構(gòu)，硬度更高，塑韌性與退火工藝近。淬火是將碳鋼材料加熱到AC3(912 ℃)溫度以上，保溫一段時(shí)間后在油或水等液體中快速冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。淬火后出現(xiàn)了新的組織馬氏體，由于快速冷卻C在α-Fe中形成的過飽和滲碳體。含C量是影響馬氏體形成的主要因素，由于Q345和Q460含C量較低，形成的主要是板條狀馬氏體，馬氏體由奧氏體轉(zhuǎn)變而來具有更高的強(qiáng)硬度，但會(huì)降低其塑韌性。

淬火后的零部件需進(jìn)行回火，加熱到AC1(727 ℃)溫度以上保溫一段時(shí)間再緩慢冷卻的熱處理工藝，主要目的在于消除碳鋼材料淬火后的內(nèi)應(yīng)力，減少其實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的“脆斷”現(xiàn)象。

4 碳鋼材料的缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

目前運(yùn)行的機(jī)車主要有內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車兩種。隨著科技的發(fā)展和環(huán)保等要求，電力機(jī)車已逐步取代內(nèi)燃機(jī)車。為了提高其運(yùn)輸能力，電力機(jī)車朝“整體化”和“輕量化”方向發(fā)展。如城軌車輛主要選擇鋁合金作為車體材料。碳鋼材料密度在7.8 g/cm3左右，遠(yuǎn)高于鋁合金材料，不方便進(jìn)行運(yùn)輸和車體的組裝過程。同時(shí)車體在制造工藝過程會(huì)對(duì)碳鋼材料進(jìn)行火焰加熱調(diào)平，造成碳鋼材料的各向異性，破壞了整體性結(jié)構(gòu)。相對(duì)于不銹鋼材料，碳鋼材料的耐腐蝕性能較低。電力機(jī)車在室外運(yùn)行長(zhǎng)期受到大氣環(huán)境等因素的侵蝕，會(huì)降低車體的使用性能。

5 結(jié)語

電力機(jī)車的“輕量化”主要從車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇兩方面進(jìn)行，在未來車體的設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化內(nèi)部設(shè)備和牽引設(shè)備等整體化設(shè)計(jì)，未承重零部件如頂蓋等采用鋁合金等輕型化材料；另一方面隨著科技的發(fā)展高強(qiáng)度低密度的的材料已經(jīng)應(yīng)用在軌道交通裝備上，如2018年德國(guó)柏林軌道交通展上青島四方設(shè)計(jì)的碳纖維車體受到全世界的關(guān)注，因此未來電力機(jī)車的制造過程中創(chuàng)新型的工業(yè)設(shè)計(jì)和新材料應(yīng)用成為發(fā)展主流之一。