高速铁道车辆焊接转向架材质性能和实践分析

师玲萍

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

高速铁道车辆焊接转向架材质性能和实践分析

师玲萍

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

对16MnR、16MnP、14MnNbq以及SM490C的研究表明，在C、Si、P和S元素当中，S对于钢铁所产生的冲击韧性是最大的。假设S的含量为0.005%～0.019%，则会出现随着S含量的增加，钢铁冲击韧性成倍下降的结果。本文着重研究了通过何种焊接材料和具体工艺能够有效提高转向架整体结构的力学性能。

高速铁道；转向架；焊接材料

从力学以及钢材实际运用的发展进程来看，16Mn已经有长达几十年的使用历史，在各行各业中的应用广泛，该材料的相关技术已经比较纯熟。随着钢结构力学整体水平的不断提高，对钢焊接性能的要求也随之提高。在桥梁建设方面，钢结构的跨度越来越长，结构类型也与几十年前发生了翻天覆地的变化。在铁路机车车辆制造方面，随着高速列车突飞猛进的发展，要求焊接转向架不仅要实现质量轻，而且在整体结构的抗疲劳性上也必须有很大地提升，既要求钢不仅要有足够的强度，还要有韧性。基于此，急需寻找一种韧性和焊接性都优于16Mn的新材料来满足社会发展的需求，14MnNbq就是在这样一种基本背景下产生的。为了能够与

14MnNbq的母材相匹配，还制作出了TY-J507B、J502Q焊条和ER50-3B混合气体来保护焊丝[1-2]。

1 16Mn系列钢中的化学风尘和力学性能

16Mnp和SM490钢的母材化学成分和力学性能试验结果见表1～表3。

表1 16Mnq和SM490C的化学成分(质量分数) (%)

表2 16Mnp和SM490C的力学性能

表3 16Mnq和SM490C低温冲击

从表1～表3可以看出，国产16Mnq与国外SM490C虽然在抗拉强度、断后伸长率和屈服强度上差别不大，但是在低温冲击韧性方面的差异非常明显[3]。

我国幅员辽阔，南北地域温度差非常大，北方地区冬季最低气温为<-40 ℃，因此铁路机车车辆转向架用钢的冷脆转变温度必须<-40 ℃才有可能使用。我国很多机车车辆生产厂家采用16MnR作为替代钢种，开发高速机车车辆转向架。通过分析可以发现：首先，16MnR的化学成分和力学性能与SM490C的差距非常大，脆性转变温度>-40℃，对于<-40 ℃的使用环境，适应起来比较困难；其次，16Mn与国外同类先进材料相比差距比较大，但是通过对成分进行改进，完全可以提高焊接结构用钢的韧性水平[4-7]。

2 14MnNbq钢的化学成及力学性能

相比上述提到过的钢材，14MnNbq的发展时间比较晚，通过研究和实践表明，14MnNbq钢的低温V型冲击韧性比16MnR和16Mnq高很多，尤其是在-40℃情况下，冲击吸收能量均为>147 J，远远超过其他2种材料，具体见表4～表5。

表4 母材的化学成分(质量分数) (%)

表5 母材的力学性能

试制两动一拖动力分散式200 km·h-1电动车组非动力转向架构所使用的14MnNbq在不同温度下的V型冲击试验效果见表6。从表6可以看出，14MnNbq的低温韧性比较好，在-60 ℃时的冲击功依旧>100 J，这个数值非常理想；因此，该材料的母材韧性效果也非常好。

表6 不同温度及厚度下14MnNbq钢材V型冲击试验

低合金结构钢冲击韧性在不同温度情况下的具体变化如图1所示，这种铁素体类型钢在转变温度时，冲击吸收能量大小差别比较大，因此非常不稳定，甚至在低于某一具体温度后，钢材会失去韧性，变为完全的脆性材料，这也是钢材最容易出现应力性损坏的时刻。通过具体实践经验得出，钢材自身具备足够的韧性储备是规避许用应力内出现疲劳断裂的主要手段之一。

图1 低合金钢冲击韧性与温度之间的关系

从图2可以看出， 14MnNbq的常温和低温冲击韧性都要远远大于16Mnq以及16MnR，已经达到了日本SM490C钢低温韧性的水平；此外，通过对图2的观察还能够看出，16MnR的韧性相对最差，16Mnq的低温韧性在这几种材料中最低。

图2 低合金结构钢冲击韧性比较

影响钢材韧性还有一个很重要的因素就是化学成分，在C、Si、Mn、S和P元素当中，S是影响冲击韧性最大的一个因素，假设-40 ℃冲击吸收能量为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都是常数。通过常规数学运算得出，S适用在0.002%～0.005%，对冲击韧性的影响比较明显。

3 14MnNbq焊接性材料

1)电焊条。TY-J507B和TY-J507Q的配方都是以CaF2-CaCO3-SiO2为基础添加TiO2，并且将CaCO3和CaF2的比例进行了适当调整，进而形成的新型CaF2-CaCO3-SiO2-TiO2渣系。电焊条具体成分是在C-Si-Mn的基础上进行的调整，然后通过加入Ti、B、Ni和Mn来达到细化焊缝晶粒的目的。

2)富氩气体保护焊丝。科学研究表明，富氩气体对焊的保护要比CO2气体保护时的焊化性弱很多。为了能够很好地避免焊缝中S、P含量的增加导致力学性能下降，在实际使用富氩焊的焊丝时，还可以适当对Si和Mn的含量进行调整。

合金元素对于焊缝力学性能的影响主要是当w(C)≤0.15%时，随着碳含量的不断增加，会出现柱状晶边界处共析铁素体量减少、针状铁素体量增加的情况，同时，碳会让焊缝金属的硬度和固溶度有很明显的提升，但这是以牺牲韧性为代价的；因此，应将碳的含量控制在一个科学、合理的范围内。而Mn就是能够起到很大作用的元素，在C-Mn系焊缝中，Mn含量的增加将会直接造成针状铁素体量的持续增加，而线共析铁素体及中间层状组织会有大幅度的减少，这样屈服强度、抗拉强度和冲击韧性都会有大幅度增加。当w(S)≤0.05%时，对强度的影响相对比较小，但是对冲击韧性依然有非常明显的影响。

4 结语

14MnNbq钢母材化学成分的碳含量比较低，焊接性也非常好，强度和16Mn基本一致，冲击韧性强是其优势之一，AKV(-40 ℃)≥100 J。TY-J5087Q焊条通过水引发检测出的结果为1.99 mL/100 g，远远高于基本标准要求，韧性满足AKV(-40 ℃)≥47 J。随着社会科学及经济的不断发展，对于钢材材质的需求已经上升到了前所未有的高度，以高速铁道车辆焊接转向架材质来看，无论是相关技术或是材质本身，我国与国外发达国家都还有不小的差距，只有加强科学钻研、努力探究，我国才能真正成为一个科技大国。

[1] 丁伟,黄辰奎,王贵山.等.孙口黄河大桥母材及埋弧自动焊试验研究[M].北京：铁道部科学研究院，2012.

[2] 袁博,顾卫华.转向架关键部件性能分析[D].大连：大连交通大学,2012.

[3] 金光，杨少辉. 铁路客车转向架构架材料焊接接头的组织与性能研究[D].大连：大连交通大学，2008.

[4] 廖英英,张国栋.高速铁道车辆半主动悬挂系统动力学建模优化与仿真分析[D].北京：北京交通大学,2012.

[5] 丁然,孙晔. 认知不确定性下高速铁道客车转向架焊接构架疲劳可靠性研究[D].成都：电子科技大学,2013.

[6] 王文林. 高速列车可调式线性油压减振器的设计理论与应用研究[D].杭州：浙江大学,2013.

[7] 田华彬，刘嬟惜. 铁路机车总体结构材料的性能分析与选用——以机车车体和转向架结构为主要研究对象[J]. 南方职业教育学刊,2011(4)：12-15.

责任编辑李思文

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

师玲萍(1987-)，女，助教，主要从事车辆工程和专业铁道车辆等方面的研究。

2014-10-31