碳鋼材料在HXD1C中的應用研究

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

Fe作為工業生產中常用的金屬元素，在地殼中分布十分廣泛。純Fe化學性質活潑，低機械強度限制了其在工業生產中的應用。在Fe基體中加入合金元素如C、Si和Mn等起到彌散強化和固溶強化從而提高其機械力學性能。

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域有廣泛的應用[1]。在電力機車方面主要涉及司機室、車體頂蓋和轉向架等零部件。碳鋼在室溫平衡狀態下的顯微組織主要為鐵素體和滲碳體，隨著C含量的增加組織結構發生變化，因而引起材料性能的變化；另一方面對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碳鋼材料性能的影響進行了分析，介紹了未來電力機車“輕量化”的發展趨勢。

1 C在碳鋼材料中的組織形態

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在體心立方晶體結構(α和δ)中的間隙固溶體為鐵素體，727 ℃時在α-Fe中最大溶碳量為0.02%，在δ-Fe中為高溫鐵素體，鐵素體展現出良好的塑韌性，強硬度較低；C在γ-Fe中的間隙固溶體為奧氏體，在1 148 ℃時其最大溶解度為2.11%，奧氏體強硬度高，塑韌性較好。而當含C量超過其溶解能力時，Fe和C元素之間會形成一種金屬化合物滲碳體(Fe3C)，強硬度高，脆性大，塑韌性差。珠光體為鐵素體與滲碳體形成的一種機械混合物，力學機械性能介于兩者之間。

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

2 不同C含量的碳鋼材料在電力機車中的應用

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硬度增加，但加工性能下降，脆性增加易出現斷裂的現象。為了同時保證材料的抗拉強度、耐腐蝕性能和焊接性能，只能選取特定碳含量的碳鋼材料。下面重點介紹Q345A、Q345E和Q460E等材料在電力機車中的應用研究。

2.1 Q345在電力機車中的應用

根據標準GB/T1591-2008中規定，Q345為一種低碳鋼材料。Q代表材料的屈服強度即材料發生0.2%時的應力值，Q345表明其屈服強度為345MPa，由于加入了Mn和Si等合金元素，其強度比同C質量百分含量的碳素結構鋼高20%-30%，耐腐蝕性能高20%-40%，在軌道交通領域廣泛應用。Q345材料分A、B、C、D和E五個質量等級，Q345A表示不做沖擊試驗，Q345E為-40 ℃條件下做的沖擊試驗，低溫條件下沖擊功數值越大，低溫性能越好，表明由A-E質量等級對材料的性能要求越高。表1為Q345A和Q345E兩種材料的化學成分表，由表1可知等級越高，材料中的C質量百分含量下降，P和S作為有害雜質元素，嚴重影響材料的性能，在高質量等級的Q345中需嚴格控制P和S等有害元素的含量。

表1 Q345A和Q345E的化學成分表 (wt.%)[2]

隨著國內軌道交通的發展，軌道交通裝備順應“一帶一路”戰略已出口歐洲等世界各地，在最新的標準中GB/T 1591-2018《低合金高強度結構鋼》Q345已更改為Q355，對Q345的力學性能提出了更高的要求。

2.2 Q460E在電力機車中的應用

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

表2 Q460E的化學成分表 (wt.%)[3]

2.3 其他材料在電力機車中的應用

16MnDR為低溫容器鋼板材料，其中Mn質量百分含量為1.6%左右，同Q460E一樣具有良好的低溫性能，因此根據最新標準GB/T3531-2014中提出嚴格控制有害元素P和S，適合電力機車在高海拔和低溫等惡劣環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在最新的材料標準中牌號已經更改為06Cr19Ni10，表3為06Cr19Ni10化學成分表，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的含量相對于Q345和Q460材料有所下降，其C含量≤0.08%，因此其力學性能會下降，耐腐蝕性能增加。在電力機車車體的制造過程中合理選擇C含量的碳鋼材料能促進軌道交通裝備的進一步發展。

表3 16MnDR和0Cr18Ni9的化學成分表 (wt.%)[4]

3 熱處理對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部組織結構，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構。

碳鋼的熱處理是將其加熱、保溫和冷卻的過程，達到一種非平衡相組織結構，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新的組織，但是可以降低材料的硬度和內部應力，提高塑韌性和加工性能，細化晶粒。正火工藝是將碳鋼材料加熱到AC3(912 ℃)溫度以上，保溫一段時間后在空氣中冷卻，相對于退火，正火工藝冷卻速度更快，減少了晶粒的再結晶時間，獲得了更細的晶粒組織結構，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，保溫一段時間后在油或水等液體中快速冷卻，奧氏體轉變為馬氏體。淬火后出現了新的組織馬氏體，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，馬氏體由奧氏體轉變而來具有更高的強硬度，但會降低其塑韌性。

淬火后的零部件需進行回火，加熱到AC1(727 ℃)溫度以上保溫一段時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應力，減少其實際應用中出現的“脆斷”現象。

4 碳鋼材料的缺點和發展趨勢

目前運行的機車主要有內燃機車和電力機車兩種。隨著科技的發展和環保等要求，電力機車已逐步取代內燃機車。為了提高其運輸能力，電力機車朝“整體化”和“輕量化”方向發展。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，遠高于鋁合金材料，不方便進行運輸和車體的組裝過程。同時車體在制造工藝過程會對碳鋼材料進行火焰加熱調平，造成碳鋼材料的各向異性，破壞了整體性結構。相對于不銹鋼材料，碳鋼材料的耐腐蝕性能較低。電力機車在室外運行長期受到大氣環境等因素的侵蝕，會降低車體的使用性能。

5 結語

電力機車的“輕量化”主要從車體的結構設計和材料的選擇兩方面進行，在未來車體的設計過程中優化內部設備和牽引設備等整體化設計，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展高強度低密度的的材料已經應用在軌道交通裝備上，如2018年德國柏林軌道交通展上青島四方設計的碳纖維車體受到全世界的關注，因此未來電力機車的制造過程中創新型的工業設計和新材料應用成為發展主流之一。