铁路货车L—B型制动梁的制造工艺（1）

　　目前，铁路货车L—B型组合式制动梁(以下简称制动梁)已成为我国铁路货车的主型制动梁。自2002年3月首批制动梁开始装车至今，国铁55．4万辆货车中已有20多万辆装用了此型号的制动梁，近期仍将以每年10万辆的速度递增。因此，该型制动梁的制造质量直接影响着我国铁路的运输安全。该型制动梁装车使用以来，已发现多起制动梁梁架(以下简称梁架)裂纹故障，经铁道部组织有关专家进行分析，发现其主要原因是梁架在制造时(热加工和焊接过程中)产生了魏氏组织，破坏了金属的金相组织，造成其机械性能降低。2005年铁道部组织的货车配件质量抽查结果进一步说明了这一点。14件抽查样品中有6件存在2级～3级魏氏组织，其中2件样品低温冲击功不合格，2件样品屈服强度不合格。

　　魏氏组织是影响梁架机械性能的主要原因，是碳钢在热加工过程中出现的一种微观过热缺陷组织，主要是因4种因素引起的金属组织晶粒粗大(在原奥氏体晶粒内出现的片状或针状组织)：一是热加工时加热温度过高，二是在规定的热轧(锻造)与热处理温度范围内停留时间过长，三是热效应使温升过高，四是冷却速度过快或不均衡。在实际生产中，含碳量小于0．6％的亚共析钢和含碳量大于1．25％的过共析钢，在铸造、热轧、锻造后空冷，焊缝或热影响区空冷，或者当加热温度过高并以较快速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体，从奥氏体晶界生长出近于平行的或其他规则排列的针状铁素体或渗碳体加珠光体组织，前者称为铁素体魏氏组织，后者称为渗碳体魏氏组织。魏氏组织的存在可降低梁架的机械性能，特别是使其冲击韧性和塑性显著降低，并可提高脆性转折温度，因而使钢材极易产生裂纹，甚至发生脆性断裂。

　　目前，制造梁架所用材料Q460E是一种碳含量控制严格的亚共析钢，原材料热敏感性强，过热温度较低，如果热加工工艺控制不当，特别是在将方钢轧制成十字型钢或梁架热轧型钢切分、拉伸时热加工工艺控制不当，或加热温度过高、冷却速度过快、变形量过大、保温时间过长时，尤其是加热温度和冷却速度控制不合理时，很容易产生铁素体魏氏组织。存在2级及以上魏氏组织就会使制动梁在使用中产生疲劳裂纹，在低温等恶劣环境下产生梁架微裂纹，继而造成制动梁断裂，引发行车事故。北京二七车辆厂就此进行了梁架制造工艺试验，试验结果(表1)表明，在热轧型钢切分前的加热温度过高时(超过1 000℃)，就会在金属组织中产生2级及以上的魏氏组织，低温冲击功明显下降，并且随着加热温度的提高，魏氏组织急剧增加。

试棒编号	加热温度/℃	空冷时间/min	魏氏组织等级	-40℃低温冲击功Akv/J
				试块1	试块2	试块3
1	1040	15	2	6	6	6
2	1080	15	2	6	4	6
3	1100	15	3	6	6	6
4	1140	15	4	6	6	4

　　梁架的低温冲击功是指在-40℃进行冲击试验时，规定形状和尺寸的试样在冲击力一次作用下折断时所吸收的功。冲击功的大小，表示材料对冲击负荷的抵抗能力。低温冲击功愈高，则材料在低温下抗脆断的能力愈强，反之则愈弱。在铁道部的有关规定中，梁架成品的-40℃冲击功Akv值要求不小于27 J，而该项点不合格的2个厂家的产品低温冲击功仅分别为6 J和11 J，远低于标准值。从试样断口形貌和断面解理特征来看，断口形貌平坦、无塑性变形的痕迹，断面主要呈断裂特征，是典型的脆断。

　　原材料的化学成分也是影响梁架机械性能的重要因素。由于铁路货车原则上无配属、无固定运行区段，可能在全国任何地区、任何季节使用，因此，制动梁的工作环境极为复杂、恶劣。由于使用条件的不确定性，造成制动梁在工作时受力情况复杂多变，因此要求制动梁具备在高寒、高热、高湿地区使用时具有相同的安全性、可靠性、耐候性及使用寿命，即必须保证钢材的化学成分合理，生产工艺稳定，内部质量纯净，有害元素、夹杂物和气体含量低，组织结构致密、均匀，具有优良的表面质量，同时还应具有良好的机械性能和加工工艺性能。所以，对制动梁原材料而言，除严格控制碳、硫、磷、锰、硅等化学成分及提高钢材的机械性能和纯净度外，还应含有适量的铬、钒、铝、铌等合金元素以细化晶粒、清除杂质，特别是钒。钒比铝、铌元素更易熔入钢中，当钢在加热时，钒和碳、氮化物固熔于奥氏体中，在随后的轧制和冷却过程中，钒以碳、氮化物的形态沿奥氏体晶界析出，从而阻滞在热轧过程中奥氏体的再结晶和晶粒长大，避免形成魏氏组织。各化学成分对钢材性能的主要影响见表2。

　　焊接性能不良也是影响梁架机械性能的因素。在焊接制动梁时，当线能量(焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量)太大，或连续施焊使焊缝和热影响区温度过高、冷却速度过快时，易造成偏析。焊缝热影响区内产生粗大的魏氏组织，使接头性能不合格，降低接头的冲击韧性、塑性等机械性能，使制动梁易于产生裂纹甚至脆断。

　　热加工时造成梁架不合格的主要原因是加热温度控制不均，测温不准或试棒、构件摆放位置不当，以及冷却速度过快，冷却速度不均等。这些因素都将使钢材的晶粒粗大，产生魏氏组织，降低其机械性能。

　　目前，制动梁制造单位使用的加热设备按供热方式可分为2类：一类是火焰炉(或称燃料炉)，是指用固体、液体或气体燃料在炉内产生的燃烧热量对工件进行加热的设备，常用的主要有燃油炉和燃气炉2种；另一类是电炉，是指在炉内将电能转化为热量进行加热的设备，主要有电阻炉和感应炉(工频)2种。燃油炉和燃气炉有利于降低生产费用，但炉温难以实现精确控制，且污染环境，热效率较低。燃油炉和燃气炉在梁架加热过程中存在的主要问题是，当炉门不密封，燃油、燃气喷射不均匀，梁架摆放位置离烧嘴过近或烧嘴数量和位置设置不合理时，易产生炉温不稳定，使温升速度不符合要求，造成梁架受热不均匀。对梁架这种长构件而言，如果控制不当，极易出现局部温度过高的现象。电阻炉和感应炉(工频)的优点是炉温均匀、波动小，便于实现自动控制，但温升较快，易受电压波动的影响，且保温时问短，流水作业生产中加热温度不易控制，使个别或小批量构件产生加热温度过高的现象。特别是感应炉(工频)，加热时间仅有2 min左右，加热速度非常快，易使梁架受热温度不均，内外温差大，保温时间过短，冷却速度控制难度大。

化学成分	对钢材料性能的主要影响
碳	碳是影响钢材性能的主要元素，含碳量越高，钢的硬度、强度就越高，但是其可塑性和韧性就越差，尤其是低温冲击韧性降低幅度更大
硫	硫元素是急剧提高钢材韧-脆转变温度的元素，是钢材中的有害杂物，含硫较高的钢材在高温进行压力加工时，容易脆裂，故硫含量对低温冲击韧性有较大影响
磷	在一般情况下，磷是钢材中的有害元素，能使钢材的可塑性及韧性明显下降，特别是在低温下更为严熏，但磷可改善钢材的可切削性
锰	锰能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，对晶粒度有细化作用，并能提高钢材的淬透性、屈服强度和抗拉强度，含锰量高的高合金钢(高锰钢)具有良好的耐磨性和其他物理性能，但Mn含量大于2％时会使冲击韧性急剧降低
硅	硅可提高钢材的硬度，但会降低其可塑性和韧性
铬	铬属于中等碳化物形成元素，能提高钢材的淬透性和耐磨性，改善钢材的抗腐蚀能力和抗氧化作用
钒	钒主要通过形成碳、氮化物来影响低钢材的组织结构和性能，比A1、Nb元素更容易熔入钢中，碳化物比氮化物更易溶解，其溶解、析出与氮含量有关，钒能细化钢材的晶粒组织，提高钢材的强度、韧性和耐磨性，当钒在高温熔入奥氏体时，可增加钢材的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低钢材的淬透性
铝	铝与氧、氮有很大的亲和力，脱氧效果显著，并有较好的固氮作用，能细化钢材的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效，还能提高钢材在低温下的韧性、抗氧化性、耐磨性和疲劳强度等
铌	铌能细化晶粒和降低钢材的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降，在普通低合金钢中加铌，可提高其抗大气腐蚀性及高温下抗氢、氮、氨的腐蚀能力，改善焊接性能，在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象