■ 卜向東　周彥　宋振東

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鐵路車輛用Q420NQR1耐候H型鋼的開發(fā)

■ 卜向東周彥宋振東

摘 要：采用異型坯連鑄機(jī)生產(chǎn)Q420NQR1耐候H型鋼時(shí)，鑄坯表面存在裂紋等影響鑄坯質(zhì)量問題。對(duì)其化學(xué)成分及產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施。通過優(yōu)化化學(xué)成分、改善鑄坯溫度、調(diào)整設(shè)備精度，制定合理可行工藝及工藝參數(shù)，有效避免Q420NQR1耐候H型鋼異型坯橫裂紋的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：Q420NQR1耐候H型鋼；裂紋；鑄坯；鐵路車輛

0　引言

隨著我國鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，列車速度越來越快，載質(zhì)量越來越大，對(duì)制造車輛的材料性能要求越來越高。采用耐候鋼制造車輛可減少其在大氣中的腐蝕，顯著提高車輛使用壽命。鐵路車輛鋼材更新?lián)Q代后，敞車的廠修期由4年延長到18年，段修由1年延長到2年，耐候鋼車體的修補(bǔ)工作量減少約60%[1]。

耐候鋼含有較高的Cu元素，鑄坯容易產(chǎn)生裂紋。為減少連鑄坯裂紋，對(duì)影響Q420NQR1耐候H型鋼連鑄異型坯質(zhì)量和生產(chǎn)相關(guān)因素進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效減少了異型坯的連鑄坯裂紋。

1　化學(xué)成分

Q420NQR1耐候H型鋼應(yīng)具有一定的耐腐蝕及良好的焊接性能。因此，采用釩氮合金進(jìn)行微合金化，同時(shí)加入少量酸溶鋁，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，穩(wěn)定低溫沖擊。其化學(xué)成分見表1。

在Q420NQR1耐候H型鋼化學(xué)成分中，Cu是在提高強(qiáng)度的同時(shí)不造成脆化的唯一合金元素，其利用固溶強(qiáng)化和沉淀析出兩種強(qiáng)化機(jī)制，提高了耐蝕性和強(qiáng)度，改善了焊接性、成型性與機(jī)加工性等。由于Cu易在含銅鋼的鋼表面富集，使其在熱軋或連鑄過程中表面易形成裂紋[2]。Ni可提高鋼中Cu在奧氏體中的溶解度，減少Cu在晶界析出；可提高在氧化皮/鋼界面Cu析出物的熔化溫度，使鋼表面的Cu富集層變?yōu)槿埸c(diǎn)超過1 200 ℃的Cu-Ni富集層，避免了含Cu鋼表面出現(xiàn)裂紋。在低碳鋼中加入Cr可提高強(qiáng)度，但延展性有所降低；Cr可保證中等淬透性，促進(jìn)晶粒長大，但導(dǎo)致鋼的脆性增加。Cr在耐腐蝕方面有著得天獨(dú)厚的條件，利用其惰性的氧化膜協(xié)助銅共同抵御腐蝕[3]。V對(duì)奧氏體晶粒細(xì)化和再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)幾乎不起作用，其主要通過鐵素體中C、N化合物的析出起到強(qiáng)化作用。V能產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用進(jìn)而提高屈服強(qiáng)度，但在提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度方面，其含量一般控制在0.10%以下。

2　存在的問題及原因分析

表1　Q420NQR1耐候H型鋼化學(xué)成分　%（wt）

包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司采用異型坯連鑄機(jī)試制Q420NQR1耐候H型鋼，鑄坯翼板間距不等，異型坯翼板表面有橫裂紋且每個(gè)鑄坯上均有橫向裂紋（見圖1）。裂紋起始于翼緣端部，向翼板與腹板交界處延伸50～100 mm，在振痕的波谷內(nèi)弧處出現(xiàn)，兩側(cè)翼緣發(fā)生概率一樣，外弧幾乎沒有；裂紋深度幾乎貫穿整個(gè)翼緣。

圖1　異型坯翼板表面橫裂紋

在鑄坯裂紋處取樣進(jìn)行金相分析，其顯微組織見圖2。從圖2可以看出，金相組織為珠光體+鐵素體。在金相組織中，裂紋沿晶界延伸，而在晶粒內(nèi)部沒有裂紋。采用掃描電鏡對(duì)裂紋進(jìn)行掃描并分析能譜，掃描電鏡圖見圖3。從圖3可以看出，裂紋處除了Fe元素外，沒有其他元素，排除了夾雜物沿晶界產(chǎn)生裂紋的影響。此外，對(duì)鑄坯取樣進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（見圖4）進(jìn)行分析。從圖4可以看出，當(dāng)Q420NQR1耐候H型鋼加熱到750～850 ℃時(shí)，伸長率較低為15%～20%；隨著溫度升高，伸長率隨之增高，但在900～950 ℃時(shí)，伸長率有所下降；在950 ℃以上時(shí)，隨著溫度升高，伸長率隨之增高。因此，750～950 ℃為Q420NQR1耐候H型鋼的脆性區(qū)。

通過對(duì)鑄坯橫裂紋發(fā)生位置、形態(tài)及其金相和掃描電鏡圖、高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果的分析，認(rèn)為矯直溫度在Q420NQR1耐候H型鋼的脆性區(qū)，鑄坯內(nèi)弧受張力作用導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

圖2　裂紋處的顯微組織

圖3　掃描電鏡圖

圖4　試驗(yàn)結(jié)果

3　改進(jìn)措施

包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司采用異型坯連鑄機(jī)再次試制Q420NQR1耐候H型鋼，對(duì)其成分、工藝和設(shè)備精度進(jìn)行優(yōu)化。

3.1化學(xué)成分優(yōu)化

為避開包晶反應(yīng)區(qū)，Q420NQR1耐候H型鋼的C含量不宜超過0.11%。P、S含量盡可能低。其含有大量Cu、V、N等元素和一定的酸溶鋁（Als）。在凝固過程中，這些元素在晶界富集并析出，降低了高溫延展性。因此，N含量應(yīng)不大于150 ppm，Als控制在0.055%以下，Cu/Ni應(yīng)不小于0.8[4]。

3.2鑄坯溫度改善

采用弱冷制度和提高拉速，及時(shí)下線緩冷36 h以上。拉速提高有利于二次冷卻的均勻性，降低了坯殼的熱應(yīng)力。由于異型坯R角傳熱的局限性，R角處坯殼較薄，提高拉速有一定風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)鋼水溫度的控制提出了更高要求[5]。

鋼坯進(jìn)入拉矯機(jī)表面溫度調(diào)整后，翼緣頂端由600 ℃提高至800 ℃，R角由800 ℃提高至880 ℃，腹板中部由760 ℃提高至850 ℃，總體溫度提高80 ℃以上。

3.3設(shè)備精度調(diào)整

設(shè)備精度對(duì)異型坯裂紋有重要影響，裝配、設(shè)備等有關(guān)人員研究制定了完整的對(duì)弧、對(duì)中規(guī)程和精度檢查制度。結(jié)晶器對(duì)弧、對(duì)中由原設(shè)計(jì)<0.2 mm精細(xì)到≤0.1 mm。

試驗(yàn)表明，優(yōu)化后連鑄坯表面質(zhì)量較好，僅有一處翼緣出現(xiàn)橫裂紋，大幅度降低了裂紋發(fā)生概率。通過跟蹤對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此段拉速較低、拉矯溫度偏低、矯直力較大，出現(xiàn)了鑄坯翹頭，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

4　軌梁軋制

730 mm×370 mm×90 mm異型坯入爐前對(duì)坯料進(jìn)行目測(cè)檢查，對(duì)有結(jié)疤、裂紋、夾雜、翹皮等缺陷的坯料做好記錄。由于含銅鋼在加熱及軋制過程中容易出現(xiàn)銅脆造成裂紋，加熱溫度應(yīng)為1 100～1 300 ℃；均熱溫度為1 150～1 280 ℃，均熱時(shí)間大于40 min。坯料出爐送BD機(jī)軋制前，必須經(jīng)高壓水除磷，開軋溫度應(yīng)>1 100 ℃，終軋溫度>850 ℃。軋制后，其外形尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)力學(xué)性能滿足技術(shù)條件要求，力學(xué)性能見表2，晶粒度和夾雜物類型及級(jí)別見表3。

表2　H型鋼力學(xué)性能

表3　實(shí)際晶粒度和夾雜物類型及級(jí)別

5　結(jié)論

試制表明，采用異型坯生產(chǎn)Q420NQR1耐候H型鋼工藝可行，工藝路線及工藝參數(shù)制定合理，鑄坯及H型鋼表面和內(nèi)部質(zhì)量較好。通過優(yōu)化“二冷”制度、調(diào)整拉坯速度、提高鑄機(jī)精度、精確窄成分控制，有效避免了Q420NQR1耐候H型鋼異型坯橫裂紋的產(chǎn)生。

6　參考文獻(xiàn)

[1] 賈暉. 鐵路車輛用耐候鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].武鋼技術(shù)，2003，41(3)：59-63．

[2] 楊才福，蘇航，李麗，等. Cu、Ni在含銅時(shí)效鋼表面氧化層中的富集[J]. 鋼鐵，2007，42 (4)：57-60．

[3] 封輝，劉峰，王本賢，等. Cu和Cr對(duì)耐候鋼力學(xué)性能及耐蝕性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33(1)：110-116.

[4] 王步更，吳堅(jiān)，楊應(yīng)東. 異型坯表面橫裂紋的控制技術(shù)[J]. 連鑄，2014(5)：29-34.

[5] 湯寅波，付振宇. 海洋石油平臺(tái)用鋼SM490YB橫裂紋控制[C]//華東五省煉鋼學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集. 馬鞍山，2011.

卜向東：內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心，助理工程師，內(nèi)蒙古 包頭，014010

周 彥：內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心，工程師，內(nèi)蒙古 包頭，014010

宋振東：內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心，工程師，內(nèi)蒙古 包頭，014010

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號(hào)：U27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2016）02-0025-03