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(jìn)行了分析，介紹了未來電力機(jī)車“輕量化”的發(fā)展趨勢。

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，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)量等級對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)量等級方面分為C、D、E三個(gè)等級，由于應(yīng)用在機(jī)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(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

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。