師玲萍

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

高速鐵道車(chē)輛焊接轉(zhuǎn)向架材質(zhì)性能和實(shí)踐分析

師玲萍

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

對(duì)16MnR、16MnP、14MnNbq以及SM490C的研究表明，在C、Si、P和S元素當(dāng)中，S對(duì)于鋼鐵所產(chǎn)生的沖擊韌性是最大的。假設(shè)S的含量為0.005%～0.019%，則會(huì)出現(xiàn)隨著S含量的增加，鋼鐵沖擊韌性成倍下降的結(jié)果。本文著重研究了通過(guò)何種焊接材料和具體工藝能夠有效提高轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

高速鐵道；轉(zhuǎn)向架；焊接材料

從力學(xué)以及鋼材實(shí)際運(yùn)用的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，16Mn已經(jīng)有長(zhǎng)達(dá)幾十年的使用歷史，在各行各業(yè)中的應(yīng)用廣泛，該材料的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較純熟。隨著鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)整體水平的不斷提高，對(duì)鋼焊接性能的要求也隨之提高。在橋梁建設(shè)方面，鋼結(jié)構(gòu)的跨度越來(lái)越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型也與幾十年前發(fā)生了翻天覆地的變化。在鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛制造方面，隨著高速列車(chē)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，要求焊接轉(zhuǎn)向架不僅要實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕，而且在整體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，還要有韌性?；诖?，急需尋找一種韌性和焊接性都優(yōu)于16Mn的新材料來(lái)滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需求，14MnNbq就是在這樣一種基本背景下產(chǎn)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(lái)保護(hù)焊絲[1-2]。

1 16Mn系列鋼中的化學(xué)風(fēng)塵和力學(xué)性能

16Mnp和SM490鋼的母材化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 16Mnq和SM490C的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 16Mnp和SM490C的力學(xué)性能

表3 16Mnq和SM490C低溫沖擊

從表1～表3可以看出，國(guó)產(chǎn)16Mnq與國(guó)外SM490C雖然在抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和屈服強(qiáng)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(guó)幅員遼闊，南北地域溫度差非常大，北方地區(qū)冬季最低氣溫為<-40 ℃，因此鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架用鋼的冷脆轉(zhuǎn)變溫度必須<-40 ℃才有可能使用。我國(guó)很多機(jī)車(chē)車(chē)輛生產(chǎn)廠家采用16MnR作為替代鋼種，開(kāi)發(fā)高速機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)：首先，16MnR的化學(xué)成分和力學(xué)性能與SM490C的差距非常大，脆性轉(zhuǎn)變溫度>-40℃，對(duì)于<-40 ℃的使用環(huán)境，適應(yīng)起來(lái)比較困難；其次，16Mn與國(guó)外同類(lèi)先進(jìn)材料相比差距比較大，但是通過(guò)對(duì)成分進(jìn)行改進(jìn)，完全可以提高焊接結(jié)構(gòu)用鋼的韌性水平[4-7]。

2 14MnNbq鋼的化學(xué)成及力學(xué)性能

相比上述提到過(guò)的鋼材，14MnNbq的發(fā)展時(shí)間比較晚，通過(guò)研究和實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他2種材料，具體見(jiàn)表4～表5。

表4 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表5 母材的力學(xué)性能

試制兩動(dòng)一拖動(dòng)力分散式200 km·h-1電動(dòng)車(chē)組非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)所使用的14MnNbq在不同溫度下的V型沖擊試驗(yàn)效果見(jiàn)表6。從表6可以看出，14MnNbq的低溫韌性比較好，在-60 ℃時(shí)的沖擊功依舊>100 J，這個(gè)數(shù)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(yàn)

低合金結(jié)構(gòu)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(lèi)型鋼在轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，沖擊吸收能量大小差別比較大，因此非常不穩(wěn)定，甚至在低于某一具體溫度后，鋼材會(huì)失去韌性，變?yōu)橥耆拇嘈圆牧?，這也是鋼材最容易出現(xiàn)應(yīng)力性損壞的時(shí)刻。通過(guò)具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，鋼材自身具備足夠的韌性?xún)?chǔ)備是規(guī)避許用應(yīng)力內(nèi)出現(xiàn)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(guān)系

從圖2可以看出， 14MnNbq的常溫和低溫沖擊韌性都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于16Mnq以及16MnR，已經(jīng)達(dá)到了日本SM490C鋼低溫韌性的水平；此外，通過(guò)對(duì)圖2的觀察還能夠看出，16MnR的韌性相對(duì)最差，16Mnq的低溫韌性在這幾種材料中最低。

圖2 低合金結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性比較

影響鋼材韌性還有一個(gè)很重要的因素就是化學(xué)成分，在C、Si、Mn、S和P元素當(dāng)中，S是影響沖擊韌性最大的一個(gè)因素，假設(shè)-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(shù)。通過(guò)常規(guī)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出，S適用在0.002%～0.005%，對(duì)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(chǔ)添加TiO2，并且將CaCO3和CaF2的比例進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)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(chǔ)上進(jìn)行的調(diào)整，然后通過(guò)加入Ti、B、Ni和Mn來(lái)達(dá)到細(xì)化焊縫晶粒的目的。

2)富氬氣體保護(hù)焊絲?？茖W(xué)研究表明，富氬氣體對(duì)焊的保護(hù)要比CO2氣體保護(hù)時(shí)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(dǎo)致力學(xué)性能下降，在實(shí)際使用富氬焊的焊絲時(shí)，還可以適當(dāng)對(duì)Si和Mn的含量進(jìn)行調(diào)整。

合金元素對(duì)于焊縫力學(xué)性能的影響主要是當(dāng)w(C)≤0.15%時(shí)，隨著碳含量的不斷增加，會(huì)出現(xiàn)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(shí)，碳會(huì)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(jià)的；因此，應(yīng)將碳的含量控制在一個(gè)科學(xué)、合理的范圍內(nèi)。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(huì)直接造成針狀鐵素體量的持續(xù)增加，而線共析鐵素體及中間層狀組織會(huì)有大幅度的減少，這樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性都會(huì)有大幅度增加。當(dāng)w(S)≤0.05%時(shí)，對(duì)強(qiáng)度的影響相對(duì)比較小，但是對(duì)沖擊韌性依然有非常明顯的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

14MnNbq鋼母材化學(xué)成分的碳含量比較低，焊接性也非常好，強(qiáng)度和16Mn基本一致，沖擊韌性強(qiáng)是其優(yōu)勢(shì)之一，AKV(-40 ℃)≥100 J。TY-J5087Q焊條通過(guò)水引發(fā)檢測(cè)出的結(jié)果為1.99 mL/100 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基本標(biāo)準(zhǔn)要求，韌性滿(mǎn)足AKV(-40 ℃)≥47 J。隨著社會(huì)科學(xué)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于鋼材材質(zhì)的需求已經(jīng)上升到了前所未有的高度，以高速鐵道車(chē)輛焊接轉(zhuǎn)向架材質(zhì)來(lái)看，無(wú)論是相關(guān)技術(shù)或是材質(zhì)本身，我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家都還有不小的差距，只有加強(qiáng)科學(xué)鉆研、努力探究，我國(guó)才能真正成為一個(gè)科技大國(guó)。

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責(zé)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(chē)輛工程和專(zhuān)業(yè)鐵道車(chē)輛等方面的研究。

2014-10-31