铁路车辆用Q420NQR1耐候H型钢的开发

2016-05-26卜向东周彦宋振东

铁路技术创新 2016年2期

■ 卜向东　周彦　宋振东

■ 卜向东周彦宋振东

摘要：采用异型坯连铸机生产Q420NQR1耐候H型钢时，铸坯表面存在裂纹等影响铸坯质量问题。对其化学成分及产生裂纹的原因进行分析，提出改进措施。通过优化化学成分、改善铸坯温度、调整设备精度，制定合理可行工艺及工艺参数，有效避免Q420NQR1耐候H型钢异型坯横裂纹的产生。

关键词：Q420NQR1耐候H型钢；裂纹；铸坯；铁路车辆

0　引言

随着我国铁路运输业的发展，列车速度越来越快，载质量越来越大，对制造车辆的材料性能要求越来越高。采用耐候钢制造车辆可减少其在大气中的腐蚀，显著提高车辆使用寿命。铁路车辆钢材更新换代后，敞车的厂修期由4年延长到18年，段修由1年延长到2年，耐候钢车体的修补工作量减少约60%[1]。

耐候钢含有较高的Cu元素，铸坯容易产生裂纹。为减少连铸坯裂纹，对影响Q420NQR1耐候H型钢连铸异型坯质量和生产相关因素进行分析，提出相应的改进措施，有效减少了异型坯的连铸坯裂纹。

1　化学成分

Q420NQR1耐候H型钢应具有一定的耐腐蚀及良好的焊接性能。因此，采用钒氮合金进行微合金化，同时加入少量酸溶铝，细化晶粒，提高强度，稳定低温冲击。其化学成分见表1。

在Q420NQR1耐候H型钢化学成分中，Cu是在提高强度的同时不造成脆化的唯一合金元素，其利用固溶强化和沉淀析出两种强化机制，提高了耐蚀性和强度，改善了焊接性、成型性与机加工性等。由于Cu易在含铜钢的钢表面富集，使其在热轧或连铸过程中表面易形成裂纹[2]。Ni可提高钢中Cu在奥氏体中的溶解度，减少Cu在晶界析出；可提高在氧化皮/钢界面Cu析出物的熔化温度，使钢表面的Cu富集层变为熔点超过1 200 ℃的Cu-Ni富集层，避免了含Cu钢表面出现裂纹。在低碳钢中加入Cr可提高强度，但延展性有所降低；Cr可保证中等淬透性，促进晶粒长大，但导致钢的脆性增加。Cr在耐腐蚀方面有着得天独厚的条件，利用其惰性的氧化膜协助铜共同抵御腐蚀[3]。V对奥氏体晶粒细化和再结晶动力学几乎不起作用，其主要通过铁素体中C、N化合物的析出起到强化作用。V能产生沉淀强化作用进而提高屈服强度，但在提高韧脆转变温度方面，其含量一般控制在0.10%以下。

2　存在的问题及原因分析

表1　Q420NQR1耐候H型钢化学成分　%（wt）

包头钢铁（集团）有限责任公司采用异型坯连铸机试制Q420NQR1耐候H型钢，铸坯翼板间距不等，异型坯翼板表面有横裂纹且每个铸坯上均有横向裂纹（见图1）。裂纹起始于翼缘端部，向翼板与腹板交界处延伸50～100 mm，在振痕的波谷内弧处出现，两侧翼缘发生概率一样，外弧几乎没有；裂纹深度几乎贯穿整个翼缘。

图1　异型坯翼板表面横裂纹

在铸坯裂纹处取样进行金相分析，其显微组织见图2。从图2可以看出，金相组织为珠光体+铁素体。在金相组织中，裂纹沿晶界延伸，而在晶粒内部没有裂纹。采用扫描电镜对裂纹进行扫描并分析能谱，扫描电镜图见图3。从图3可以看出，裂纹处除了Fe元素外，没有其他元素，排除了夹杂物沿晶界产生裂纹的影响。此外，对铸坯取样进行了高温拉伸试验，并对试验结果（见图4）进行分析。从图4可以看出，当Q420NQR1耐候H型钢加热到750～850 ℃时，伸长率较低为15%～20%；随着温度升高，伸长率随之增高，但在900～950 ℃时，伸长率有所下降；在950 ℃以上时，随着温度升高，伸长率随之增高。因此，750～950 ℃为Q420NQR1耐候H型钢的脆性区。

通过对铸坯横裂纹发生位置、形态及其金相和扫描电镜图、高温拉伸试验结果的分析，认为矫直温度在Q420NQR1耐候H型钢的脆性区，铸坯内弧受张力作用导致产生裂纹。

图2　裂纹处的显微组织

图3　扫描电镜图

图4　试验结果

3　改进措施

包头钢铁（集团）有限责任公司采用异型坯连铸机再次试制Q420NQR1耐候H型钢，对其成分、工艺和设备精度进行优化。

3.1化学成分优化

为避开包晶反应区，Q420NQR1耐候H型钢的C含量不宜超过0.11%。P、S含量尽可能低。其含有大量Cu、V、N等元素和一定的酸溶铝（Als）。在凝固过程中，这些元素在晶界富集并析出，降低了高温延展性。因此，N含量应不大于150 ppm，Als控制在0.055%以下，Cu/Ni应不小于0.8[4]。

3.2铸坯温度改善

采用弱冷制度和提高拉速，及时下线缓冷36 h以上。拉速提高有利于二次冷却的均匀性，降低了坯壳的热应力。由于异型坯R角传热的局限性，R角处坯壳较薄，提高拉速有一定风险，这对钢水温度的控制提出了更高要求[5]。

钢坯进入拉矫机表面温度调整后，翼缘顶端由600 ℃提高至800 ℃，R角由800 ℃提高至880 ℃，腹板中部由760 ℃提高至850 ℃，总体温度提高80 ℃以上。

3.3设备精度调整

设备精度对异型坯裂纹有重要影响，装配、设备等有关人员研究制定了完整的对弧、对中规程和精度检查制度。结晶器对弧、对中由原设计<0.2 mm精细到≤0.1 mm。

试验表明，优化后连铸坯表面质量较好，仅有一处翼缘出现横裂纹，大幅度降低了裂纹发生概率。通过跟踪对比发现，此段拉速较低、拉矫温度偏低、矫直力较大，出现了铸坯翘头，导致裂纹产生。

4　轨梁轧制

730 mm×370 mm×90 mm异型坯入炉前对坯料进行目测检查，对有结疤、裂纹、夹杂、翘皮等缺陷的坯料做好记录。由于含铜钢在加热及轧制过程中容易出现铜脆造成裂纹，加热温度应为1 100～1 300 ℃；均热温度为1 150～1 280 ℃，均热时间大于40 min。坯料出炉送BD机轧制前，必须经高压水除磷，开轧温度应>1 100 ℃，终轧温度>850 ℃。轧制后，其外形尺寸满足标准要求，相关力学性能满足技术条件要求，力学性能见表2，晶粒度和夹杂物类型及级别见表3。