鐵路車輛用Q420NQR1耐候H型鋼的開發

■ 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

■ 卜向東周彥宋振東

摘 要：采用異型坯連鑄機生產Q420NQR1耐候H型鋼時，鑄坯表面存在裂紋等影響鑄坯質量問題。對其化學成分及產生裂紋的原因進行分析，提出改進措施。通過優化化學成分、改善鑄坯溫度、調整設備精度，制定合理可行工藝及工藝參數，有效避免Q420NQR1耐候H型鋼異型坯橫裂紋的產生。

關鍵詞：Q420NQR1耐候H型鋼；裂紋；鑄坯；鐵路車輛

0　引言

隨著我國鐵路運輸業的發展，列車速度越來越快，載質量越來越大，對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。鐵路車輛鋼材更新換代后，敞車的廠修期由4年延長到18年，段修由1年延長到2年，耐候鋼車體的修補工作量減少約60%[1]。

耐候鋼含有較高的Cu元素，鑄坯容易產生裂紋。為減少連鑄坯裂紋，對影響Q420NQR1耐候H型鋼連鑄異型坯質量和生產相關因素進行分析，提出相應的改進措施，有效減少了異型坯的連鑄坯裂紋。

1　化學成分

Q420NQR1耐候H型鋼應具有一定的耐腐蝕及良好的焊接性能。因此，采用釩氮合金進行微合金化，同時加入少量酸溶鋁，細化晶粒，提高強度，穩定低溫沖擊。其化學成分見表1。

在Q420NQR1耐候H型鋼化學成分中，Cu是在提高強度的同時不造成脆化的唯一合金元素，其利用固溶強化和沉淀析出兩種強化機制，提高了耐蝕性和強度，改善了焊接性、成型性與機加工性等。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富集層變為熔點超過1 200 ℃的Cu-Ni富集層，避免了含Cu鋼表面出現裂紋。在低碳鋼中加入Cr可提高強度，但延展性有所降低；Cr可保證中等淬透性，促進晶粒長大，但導致鋼的脆性增加。Cr在耐腐蝕方面有著得天獨厚的條件，利用其惰性的氧化膜協助銅共同抵御腐蝕[3]。V對奧氏體晶粒細化和再結晶動力學幾乎不起作用，其主要通過鐵素體中C、N化合物的析出起到強化作用。V能產生沉淀強化作用進而提高屈服強度，但在提高韌脆轉變溫度方面，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型鋼化學成分　%（wt）

包頭鋼鐵（集團）有限責任公司采用異型坯連鑄機試制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，在振痕的波谷內弧處出現，兩側翼緣發生概率一樣，外弧幾乎沒有；裂紋深度幾乎貫穿整個翼緣。

圖1　異型坯翼板表面橫裂紋

在鑄坯裂紋處取樣進行金相分析，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，而在晶粒內部沒有裂紋。采用掃描電鏡對裂紋進行掃描并分析能譜，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生裂紋的影響。此外，對鑄坯取樣進行了高溫拉伸試驗，并對試驗結果（見圖4）進行分析。從圖4可以看出，當Q420NQR1耐候H型鋼加熱到750～850 ℃時，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，伸長率有所下降；在950 ℃以上時，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。

通過對鑄坯橫裂紋發生位置、形態及其金相和掃描電鏡圖、高溫拉伸試驗結果的分析，認為矯直溫度在Q420NQR1耐候H型鋼的脆性區，鑄坯內弧受張力作用導致產生裂紋。

圖2　裂紋處的顯微組織

圖3　掃描電鏡圖

圖4　試驗結果

3　改進措施

包頭鋼鐵（集團）有限責任公司采用異型坯連鑄機再次試制Q420NQR1耐候H型鋼，對其成分、工藝和設備精度進行優化。

3.1化學成分優化

為避開包晶反應區，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含量應不大于150 ppm，Als控制在0.055%以下，Cu/Ni應不小于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，提高拉速有一定風險，這對鋼水溫度的控制提出了更高要求[5]。

鋼坯進入拉矯機表面溫度調整后，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設備精度調整

設備精度對異型坯裂紋有重要影響，裝配、設備等有關人員研究制定了完整的對弧、對中規程和精度檢查制度。結晶器對弧、對中由原設計<0.2 mm精細到≤0.1 mm。

試驗表明，優化后連鑄坯表面質量較好，僅有一處翼緣出現橫裂紋，大幅度降低了裂紋發生概率。通過跟蹤對比發現，此段拉速較低、拉矯溫度偏低、矯直力較大，出現了鑄坯翹頭，導致裂紋產生。

4　軌梁軋制

730 mm×370 mm×90 mm異型坯入爐前對坯料進行目測檢查，對有結疤、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銅脆造成裂紋，加熱溫度應為1 100～1 300 ℃；均熱溫度為1 150～1 280 ℃，均熱時間大于40 min。坯料出爐送BD機軋制前，必須經高壓水除磷，開軋溫度應>1 100 ℃，終軋溫度>850 ℃。軋制后，其外形尺寸滿足標準要求，相關力學性能滿足技術條件要求，力學性能見表2，晶粒度和夾雜物類型及級別見表3。

表2　H型鋼力學性能

表3　實際晶粒度和夾雜物類型及級別

5　結論

試制表明，采用異型坯生產Q420NQR1耐候H型鋼工藝可行，工藝路線及工藝參數制定合理，鑄坯及H型鋼表面和內部質量較好。通過優化“二冷”制度、調整拉坯速度、提高鑄機精度、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生。

6　參考文獻

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

[2] 楊才福，蘇航，李麗，等. Cu、Ni在含銅時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對耐候鋼力學性能及耐蝕性能的影響[J]. 材料熱處理學報，2012，33(1)：110-116.

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

[5] 湯寅波，付振宇. 海洋石油平臺用鋼SM490YB橫裂紋控制[C]//華東五省煉鋼學術交流會論文集. 馬鞍山，2011.

卜向東：內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心，助理工程師，內蒙古 包頭，014010

周 彥：內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心，工程師，內蒙古 包頭，014010

宋振東：內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心，工程師，內蒙古 包頭，014010

責任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U27

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0025-03