郭 銳,何 博,汪 飛,石 踐

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

目前鐵路集裝箱運輸主要采用X70型集裝箱專用平車(載重70噸，尺寸：13.466 m×3.164 m)，1輛70噸級平車可以放2個20英尺國際標準集裝箱，而2個20英尺標準集裝箱最大總重僅為60.96噸，即70噸級集裝箱專用平車的運力沒有得到充分發(fā)揮。鐵路總公司為進一步推進鐵路供給側改革，深化現(xiàn)代物流建設，充分發(fā)揮70噸集裝箱專用平車的運輸能力[1]。20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱能夠減少貨物在不同運輸方式之間轉換時的裝卸作業(yè)次數(shù)，從而降低由此產(chǎn)生的過程成本，同時符合國家降低市場上的物流運輸成本的發(fā)展要求和當前物流市場的發(fā)展需求，是未來集裝箱戰(zhàn)略[2]的重要組成部分。作為鐵路總公司進一步推進鐵路供給側改革、深化現(xiàn)代物流建設推出的貨運新產(chǎn)品，鐵路總公司同步推出了免收20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱吊裝費和回空費的新政策，大力推進20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱的應用，存在廣闊的市場空間及發(fā)展前景[2～3]。

20英尺35噸鐵路敞頂集裝箱比20英尺國際標準通用集裝箱寬度和高度均有所增加，自重降低了21.72%，載重提高14.27%[4]。滿足降低自重，實現(xiàn)集裝箱輕量化的措施就是結構件采用550 MPa高強耐候鋼替換355 MPa普通耐候鋼。

1 試驗材料與方法

本文在實驗室開展了550 MPa高強耐候鋼的研究，探索其化學成分、軋制工藝及顯微組織控制，為550 MPa高強耐候鋼工業(yè)試制方案的制定提供指導，550 MPa高強耐候鋼目標性能見表1。

表1 550MPa高強耐候鋼目標性能

試驗材料分別為兩種不同化學成分的高強耐候鋼，化學成分如表2所示，為考察卷取溫度對2種試驗鋼性能的影響，卷取溫度分別設定為640 ℃和590 ℃，詳細熱軋工藝參數(shù)如表3所示。

表2 試驗材料化學成分 單位：%

表3 熱軋工藝參數(shù)

從熱軋板上切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，之后用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，再在Leica DMIRM 型光學顯微鏡下進行組織觀察。分別按照GB/T 228、GB/T229和GB232標準，沿熱軋板的橫向切取拉伸試樣、沖擊試樣和冷彎試樣，在Z600電子拉力試驗機上測定鋼板力學性能，在PTM1300沖擊試驗機上測定其沖擊性能，在WZW-2000型彎曲試驗機上測定其冷彎性能。

腐蝕試驗參數(shù)：腐蝕液溫度(45±2)℃、箱內(nèi)環(huán)境溫度(45±2)℃，環(huán)境相對濕度70%±5%R.H.，腐蝕液為0.01 mol/L的亞硫氫鈉溶液，補給液為0.02 mol/L的亞硫酸氫鈉溶液；試驗時間：72 h，每1循環(huán)周期(60±3)min，其中試樣在腐蝕液中浸潤時間(12±1.5)min。腐蝕產(chǎn)物的去除按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》進行，緩蝕劑按表A1中的C3.5配置：500 ml鹽酸+500 ml蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺。

腐蝕失重率(W)按下式進行計算：

式中：W—失重率，g/(m2·h)；G0—試樣原始重量，g；G1—試樣試后重量，g；a—試樣長度，mm；b—試樣寬度，mm；c—試樣厚度，mm；t—試驗時間，h。

相對腐蝕率=W試驗鋼/WQ345B×100%。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

試驗鋼的力學性能如表4所示，對應的顯微組織照片見圖1。試驗鋼1-1的屈服強度為556 MPa，延伸率為20%，滿足目標性能要求。試驗鋼1-2顯微組織為粒狀貝氏體+少量鐵素體，由于貝氏體含量相對較高，屈服強度達到594 MPa，但是延伸率較低，為17%，不滿足目標要求。試驗鋼2-1的屈服強度為578 MPa，延伸率為23%，試驗鋼2-2的延伸率為15%，低于目標要求。加熱溫度和終軋溫度相同，不同卷取溫度的試驗鋼2的顯微組織為鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體。隨著試驗鋼卷取溫度的升高，其屈服強度降低，延伸率升高，采用640 ℃高溫卷取，有利于提高延伸率。粒狀貝氏體+少量鐵素體組織和鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體組織均能達到力學性能目標，但組織為后者的試驗鋼強度和延伸率相對較高，綜合力學性能更好，因而獲得鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體的顯微組織有利于實現(xiàn)550 MPa高強耐候鋼開發(fā)[5]。

表4 力學性能

圖1 顯微組織

2.2 冷彎性能和沖擊性能

試驗鋼上取橫向冷彎試樣進行了180°(d=2a)冷彎試驗，彎曲后的照片如圖2所示。為規(guī)避表面氧化層的影響，冷彎試驗后試樣表面采用了酸洗處理。冷彎試驗后試樣表面無裂紋出現(xiàn)，表明試驗鋼1和試驗鋼2都具有良好的冷彎性能，表明試驗鋼具有良好的成型性能。

酸洗前表面180°(d=2a)

A類硫化物夾雜一般以長條狀的MnS存在，A類硫化物夾雜物級別較高的鋼材，發(fā)生變形時會優(yōu)先在夾雜物與金屬界面出發(fā)生分離，并在其周圍形成很多細小的空洞，這些空洞隨著形變過程不斷擴展，相互合并，最終形成大量裂紋，惡化鋼材的冷彎性能[6]。試驗鋼的非金屬夾雜物種類及級別如表5所示，試驗鋼中各類夾雜物級別≤0.5級，其中A類硫化物夾雜物級別為0，因而試驗鋼的冷彎性能較好。

表5 非金屬夾雜物類型和級別

試驗鋼的系列沖擊吸收功和斷面纖維率如表6所示，沖擊功隨溫度變化曲線如圖3所示，兩種試驗鋼的-40 ℃沖擊功>50 J，達到目標要求。兩種試驗鋼的系列沖擊功比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)急劇降低的現(xiàn)象，且沖擊試樣斷口的纖維率都為100%，基本沒有出現(xiàn)脆性斷裂，且韌脆轉變溫度都低于-60 ℃，沖擊性能及穩(wěn)定性良好。

試驗鋼1-1 試驗鋼2-1

表6 系列溫度沖擊

試驗鋼2-1的系列溫度沖擊斷口宏觀形貌如圖4所示，SEM形貌如圖5所示?？梢娫?60 ℃下沖擊斷口仍然以微孔聚集型的韌窩斷裂為主，韌窩底部較為潔凈，未見夾雜物存在，表現(xiàn)為沖擊韌性良好[6]。

圖4 系列溫度沖擊斷口宏觀形貌

圖5 系列溫度沖擊斷口SEM形貌

2.3 耐腐蝕性能

試驗鋼和對比鋼Q345B進行72 h的周期浸潤腐蝕試驗之后，試驗鋼1和試驗鋼2相對于Q345B腐蝕率分別為54%和53%，詳見表7所示，試樣表面形貌見圖6所示。Q345B表面銹層較為疏松，表面粗糙，銹層出現(xiàn)大量脫落。而試驗鋼銹層致密完整，具備阻礙腐蝕介質滲透進去，抑制進一步腐蝕基體的作用，因而耐蝕性能明顯優(yōu)于Q345B。Cr元素形成一層致密的Cr2O3氧化膜保護基體，張海濤[7]提到Cr元素還可以使得實驗鋼銹層孔洞裂紋減少，有利于銹層的致密化，Cu元素富集形成致密的CuO氧化層。宋春暉[8]提到Cu可以提高α-FeOOH形核率，而α-FeOOH是絕緣的非活性物質，它是最穩(wěn)定的羥基鐵氧化物，是保護性銹層的主要構成相。相對Q345B來說，耐候鋼中的Cu元素使銹層結構得到細化，促進銹層形成α-FeOOH，提高鋼的耐腐蝕性能。Ni不僅可以提高鋼材的耐蝕性，還能顯著改善鋼的低溫韌性。由此表明：Cr、Ni、Cu等合金元素提高鋼板耐腐蝕性能的主要原因是提升銹層致密性[9～10]。

表7 腐蝕速率

圖6 腐蝕宏觀形貌

對試驗鋼的內(nèi)銹層進行了EDS能譜分析，如圖7所示。可見內(nèi)銹層腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，銹層還存在著Cr、Cu等耐蝕性元素的富集。Cr在內(nèi)銹層富集能有效提高銹層對腐蝕性介質的選擇透過特性。Cu和Cr在銹層內(nèi)部產(chǎn)生附集，兩種元素的協(xié)同增強了銹層的保護作用，使試驗鋼的耐蝕性能明顯增強[11]。

圖7 內(nèi)銹層EDS能譜圖

3 結論

(1)采用0.09C+1.35Mn+0.050Nb+0.015Ti或0.06C+1.10Mn+0.050Nb+0.030Ti的化學成分設計和640 ℃高溫卷取工藝，試驗鋼的力學、冷彎和沖擊性能良好，達到目標性能，韌脆轉變溫度低于-60 ℃。

(2)粒狀貝氏體+少量鐵素體組織和鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體組織類型的試驗鋼均能達到試驗鋼的目標性能，但組織為鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體的試驗鋼的強度和延伸率相對較高，綜合力學性能更好。

(3)試驗鋼中添加了Cr、Ni、Cu，使其表面生成的銹層致密完整，有效阻礙了腐蝕介質進一步腐蝕基體，同時Cr、Cu元素在內(nèi)銹層中富集并產(chǎn)生協(xié)同作用增強了銹層對基體的保護，使試驗鋼的耐蝕性能明顯增強，相對于Q345B腐蝕率≤55%。