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  2. 機(jī)車車輛用鋼現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    2018-09-27 12:15:58 作者:本網(wǎng)整理 來源:世界金屬導(dǎo)報(bào) 分享至:

        軌道交通車輛用鋼主要在車體、轉(zhuǎn)向架及其他部件,主要用鋼種類包括:低碳低合金鋼、不銹鋼、滲碳合金鋼、調(diào)質(zhì)鋼等,從成型方式上包括鑄鋼、鍛鋼、型材等。以下將對不同車輛的用鋼情況進(jìn)行介紹。


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        車體用鋼現(xiàn)狀


        1.1機(jī)車


        目前,機(jī)車車體用鋼主要有普碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、耐候鋼三類,主要牌號包括:Q235A、Q345B、Q345E、Q420E、Q460E、Q355NH。


        1.2貨車及城軌車輛


        目前,鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)材料幾乎全部為耐大氣腐蝕鋼(耐候鋼)。耐候鋼相對于原來使用的Q235普碳鋼,車輛的廠修期由6年延長至8年左右。最早使用的耐候鋼以09CuPTiRe(屈服強(qiáng)度295MPa)和09CuPCrNi(屈服強(qiáng)度345MPa)為主,其耐腐蝕性一般相當(dāng)于普碳鋼的2倍左右。到2001年時(shí),鐵路主要貨車、敞車、篷車都采用這種耐候鋼。2003年開始采用高強(qiáng)度、高耐候結(jié)構(gòu)鋼以降低車輛自重,提高整體性能,目前,耐候鋼的屈服強(qiáng)度已超過550MPa。


        新造貨車僅車輛用耐候鋼用量每年約為30-40萬噸,再加上路外企業(yè)自備車輛及出口車輛,實(shí)際用量大約在50萬噸左右。城軌車輛車體材料主要為SUS301L不銹鋼,目前主要從日本、韓國進(jìn)口。該材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)有:材料沖壓成型性能較好,具有很高的疲勞強(qiáng)度,不足之處是成本較高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、鋼板的平直度不夠高。針對城軌車輛車體用鋼,需要開發(fā)更為經(jīng)濟(jì)的不銹鋼,其中包括采用SUS304不銹鋼,推廣使用無Ni和低Ni不銹鋼板,如X2CrNi12(1.4003)或TCS(T鐵路貨車,C車體,S不銹鋼,屈服強(qiáng)度345MPa)。2003年12月,研制成功的C80不銹鋼敞車,已經(jīng)在大秦線上使用。


        2 轉(zhuǎn)向架用鋼現(xiàn)狀


        轉(zhuǎn)向架是軌道車輛的關(guān)鍵部件,其主要功能包括:承重、傳力、緩沖、導(dǎo)向。轉(zhuǎn)向架的基本組成包括:輪對、軸箱、懸掛裝置、構(gòu)架、基礎(chǔ)制動裝置、驅(qū)動裝置。


        2.1構(gòu)架


        構(gòu)架的設(shè)計(jì)和制造工藝而言,可分為鑄鋼構(gòu)架和焊接構(gòu)架。焊接構(gòu)架又可分為鋼板焊接構(gòu)架和壓型鋼板焊接構(gòu)架,鑄造構(gòu)架由于重量大、制造工藝復(fù)雜,目前,在機(jī)車上很少采用。機(jī)車構(gòu)架用鋼板主要牌號有:H1001、H1002、Q345E、Q215A、Q235A。


        高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均使用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)架。構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的骨架,承受和傳遞垂直力及水平力。主體框架呈H型,由兩側(cè)梁、橫梁、縱向連接梁、空氣彈簧支承梁及其他焊接附件構(gòu)成。側(cè)梁為箱型斷面,橫梁采用無縫鋼管型材。國內(nèi)高速動車組目前廣泛使用的轉(zhuǎn)向架用鋼是SMA490B耐候結(jié)構(gòu)鋼,其化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1。


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        2.2輪對


        2.2.1車輪用鋼研發(fā)方向


        車輪按制造工藝分為軋制車輪和鑄造車輪。由鋼坯軋制的整體輾制車輪在綜合性能、高低倍組織、力學(xué)性能、金屬利用率和使用壽命等方面均優(yōu)于鑄造車輪。國外高速車輪的生產(chǎn)主要集中在法國、德國和日本,代表生產(chǎn)廠家有法國的萊迪納公司、德國的萊茵克公司和日本的住友制鋼株式會社所屬車輪生產(chǎn)廠,國內(nèi)外高速車輪用鋼材料如表2所示。國內(nèi)高速列車車輪的生產(chǎn)廠家如馬鋼等,2010年10月馬鋼試制生產(chǎn)了D1、D2和D3三個牌號,適合時(shí)速250km高速動車組車輪。


        對于高速列車運(yùn)行速度超過160km/h后,列車的動力學(xué)條件發(fā)生顯著變化,車輪的使用條件也發(fā)生顯著變化,在研究過程中,確立了降C微合金化的技術(shù)思路,而適當(dāng)降低碳含量所帶來的強(qiáng)度和硬度的損失,可以通過添加微合金元素來彌補(bǔ),一次獲得車輪鋼優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,且降低碳含量是提高車輪鋼相變溫度最有效的方法之一。而高速車輪材料的研發(fā)更重要的是要緊跟國外先進(jìn)技術(shù)和水平,不斷提高車輪鋼的冶金純凈度,降低夾雜物和氣體含量,重點(diǎn)研究過去關(guān)注較少的O、N、H氣體對車輪鋼的影響程度,在保證裝備水平的前提下,開發(fā)適應(yīng)中國高速鐵路用車輪鋼。


        高速列車車輪用鋼存在的技術(shù)問題包括:在新材質(zhì)特種鋼的冶煉、軋制、熱處理工藝等關(guān)鍵技術(shù)方面尚不成熟。目前,高速列車車輪還依靠進(jìn)口。在未來發(fā)展中,應(yīng)注重高速車輪材質(zhì)的研發(fā)、新型車輪的預(yù)測和試驗(yàn)方法、新型車輪淬火方式的研發(fā)、車輪檢測方式的研究以及輪對綜合模擬仿真性能檢測等方面。


        我國高速列車車輪用鋼重點(diǎn)研究方向包括:


        1)采用適用于高速運(yùn)行的車輪材質(zhì),降低碳含量并結(jié)合微合金化是我國高速車輪用鋼發(fā)展的主要趨勢,如何提高鋼的強(qiáng)韌性,以提高高速列車車輪的運(yùn)行安全,仍是高速車輪用鋼重要的研究方向;


        2)采用噴丸強(qiáng)化手段提高輻板強(qiáng)度與抗疲勞能力;


        3)重點(diǎn)關(guān)注高速運(yùn)行狀態(tài)下車輪的疲勞和斷裂行為的研究及新型車輪服役壽命和服役狀態(tài)的研究和評價(jià)。


        2.2.2車軸用鋼研發(fā)方向


        我國普通客車、貨車車軸采用的主要鋼種為LZ50中碳鋼,機(jī)車車軸少量采用JZ45鋼,以模鑄居多。目前,連鑄工藝車軸鋼坯也得到快速推廣,動車組用空心車軸則采用了中碳合金鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的技術(shù)路線,目前,我國主要采用進(jìn)口材質(zhì)。針對重載運(yùn)輸快速發(fā)展的需要,我國研制開發(fā)了適用于30t以上重載車輛的新材質(zhì)車軸鋼坯,采用微合金化路線,已經(jīng)在大秦線上裝車考核,實(shí)績運(yùn)用效果良好。與世界發(fā)達(dá)國家相比,更大軸重車軸材料在性能方面還有提升空間,需要進(jìn)一步研究。


        目前,世界上各主要國家車軸材料,主要分為碳素鋼車軸與合金鋼車軸(如表3)。日本采用普通碳素鋼(如S38C)+表面中頻淬火熱處理工藝,相比歐洲采用合金鋼+調(diào)質(zhì)處理工藝而言,日本高速車軸原材料成本低,熱處理工藝控制精度要求高。歐洲高速車軸材料一般采用合金鋼(如EA4T),通過采用正火+淬火+回火熱處理及拋丸強(qiáng)化處理方法,提高車軸的疲勞性能。同時(shí),通過對輪座表面噴涂涂層,來提高輪座的抗磨損能力,延長車軸使用壽命。所以,歐洲高速車軸原材料成本高,而熱處理工藝相對簡單。


        在普速客貨車車軸材質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)方面,我國工藝裝備優(yōu)良,鋼坯冶煉水平較高。但在重載、高速列車車軸的研究與開發(fā)方面起步較晚,與世界一流水平仍有較大差距。


        2.3制動系統(tǒng)


        制動系統(tǒng)是列車安全可靠運(yùn)行的基本保障,盤型制動則是確保高速列車安全最重要的措施之一,尤其是高速列車在其他安全措施出現(xiàn)故障時(shí),只能依靠盤形制動,作為安全可靠制動的最后保障。作為盤形制動的三大關(guān)鍵元件——制動盤、制動閘片、制動夾鉗,其最基本的功能是吸收制動動能,并將其轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中,在這個過程中,制動盤、閘片和制動夾鉗的材料、結(jié)構(gòu)和性能不被破壞。


        2.3.1制動盤


        日本以Ni-Cr合金化的方式,研究開發(fā)的鍛鋼制動盤,可用于275km/h的高速動車組,而德國主要以Cr-Ni-Mo合金化的方式,研究開發(fā)的鑄鋼制動盤,可以適用于350km/h的高速動車組。目前,我國通過對日本和歐洲高速客車制動盤材料的研究,掌握了鑄鋼/鍛鋼制動盤的制造技術(shù),已完全實(shí)現(xiàn)了該部件的國產(chǎn)化。


        2.3.2 制動閘片


        閘片主要包括樹脂基閘片和粉末冶金閘片兩類,使用最多的是銅基粉末冶金閘片。日本的新干線、法國的TGV和德國的ICE高速列車,均采用銅基粉末冶金閘片。我國自主研制和生產(chǎn)的銅基粉末冶金閘片,與國際先進(jìn)水平的差距越來越小,已基本能滿足300km/h以下時(shí)速的緊急制動要求。為了滿足350km/h時(shí)速以上的緊急制動要求,在閘片材料的理論設(shè)計(jì)方面,仍需要進(jìn)行基礎(chǔ)研究,尤其是摩擦性能的影響因素、機(jī)理、實(shí)現(xiàn)途徑等方面要有所突破。


        2.3.3 制動夾鉗


        制動夾鉗和支持架是動車組上制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件,其鑄件質(zhì)量的好壞,直接關(guān)系到動車組制動的可靠性。200km/h制動夾鉗的制造技術(shù)從日本KYB公司引進(jìn),其材質(zhì)為SCMn3B,在國產(chǎn)化的過程中,采用低合金鑄鋼(如表4),碳當(dāng)量采用 CE≈0.495,與SCMn3B的碳當(dāng)量CE≈0.58相比,碳當(dāng)量減小了,焊接裂紋傾向有所減輕,也提高了鑄造工藝性。


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        2.4驅(qū)動裝置


        2.4.1齒輪鋼研發(fā)方向


        國內(nèi)外齒輪滲碳鋼主要有Cr-Mn系、Cr-Mo系、Cr-Ni系、Cr-Ni-Mo系等,其碳含量一般在0.10% -0.25% 之間,屬于低碳鋼;為了提高淬透性,保證芯部強(qiáng)度,在滲碳鋼中加入各種合金元素如:Ni、Cr、Mn、Mo等,同時(shí)還加入一定量的V、W、Ti等合金元素,以細(xì)化晶粒。我國軌道交通齒輪鋼材料主要有:17CrNiMo6、20CrMnMo、20CrNi2Mo、20Cr2Ni4、42CrMo等,其中18Cr零件在滲碳過程中發(fā)生過熱。由于不同的鋼種合金元素特別是Cr、Ni含NiMo7-6、20CrMnMo、20CrNi2Mo、20Cr2Ni4為滲碳齒輪鋼,42CrMo為感應(yīng)淬火鋼。在軌道交通高速重載方面,國內(nèi)大多采用17CrNiMo6滲碳鋼。


        “高速、重載”是鐵路機(jī)車的發(fā)展趨勢,隨著機(jī)車速度的提高與載荷的增加,作為機(jī)車關(guān)鍵零部件的牽引齒輪工況也趨于惡劣,對齒輪的工作性能提出了更高的要求。對此,一方面通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與精密加工來提高齒輪的外在質(zhì)量;另一方面具有更高的彎曲與接觸疲勞強(qiáng)度的滲碳硬化齒輪,獲得越來越廣泛的應(yīng)用,并通過材料精煉與熱處理來提高齒輪的內(nèi)在質(zhì)量。


        目前,滲碳淬火仍是高速重載齒輪的主要表面質(zhì)量強(qiáng)化手段之一,齒輪滲碳過程中最大問題就是熱處理變形大。齒輪的變形直接關(guān)系到齒輪的強(qiáng)度、精度等質(zhì)量指標(biāo)。對于滲碳淬火的齒輪,特別是大型齒輪,其變形量較大且影響因素多、難以控制,已成為國內(nèi)外齒輪制造的技術(shù)難點(diǎn)之一。較大的變形不僅會使磨量增加、成本提高,而且影響齒輪的制造精度,降低承載能力,最終使用壽命大大下降。齒輪滲碳淬火變形的因素復(fù)雜,包括齒輪的幾何形狀尺寸、原材料及冶金質(zhì)量、鍛造和機(jī)加工的殘余應(yīng)力、裝料方式和熱處理工藝及設(shè)備等諸多方面。


        綜觀近年來國內(nèi)外齒輪材料的發(fā)展, 齒輪用鋼將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢:


        1)降低滲碳層表面氧化傾向大的合金元素含量,添加氧化傾向小的合金元素。


        2)開發(fā)窄淬透性帶齒輪鋼, 而冶煉窄淬透性帶齒輪鋼的重要環(huán)節(jié),集中在對材料化學(xué)成分的把控, 同時(shí),對材料組織均勻性提出了更高要求。一般來說,可以通過建立化學(xué)成分與淬透性相關(guān)的方法,再輔以計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化工具監(jiān)測材料成分變化,來達(dá)到嚴(yán)格控制化學(xué)成分的目的。


        3)開發(fā)滲層高韌性齒輪鋼,要求增加重載齒輪的負(fù)荷,同時(shí),也要提高鋼承受沖擊的強(qiáng)度, 為了抑制齒輪形體的大型化,在基體具有高的強(qiáng)度和韌性的前提下,抑制的關(guān)鍵在于防止?jié)B層裂紋的形成,以達(dá)到提高滲層韌性的目的。主要采用降低Si、P 元素并同時(shí)添加Ni、Mo 元素的方法。當(dāng)然, 更為有效的措施選用氧含量不超過10ppm 的超低氧鋼。


        4)開發(fā)低氧含量齒輪鋼。它的原理是通過降低齒輪鋼中氧含量, 提高鋼的純度,會使齒輪疲勞壽命大幅提升。原因是鋼中氧含量下降的同時(shí),氧化物夾雜也會減少, 從而抑制夾雜物對疲勞性能的影響。


        5)優(yōu)化噴丸強(qiáng)化技術(shù)。通過系列噴丸工藝試驗(yàn)及檢測分析,優(yōu)化噴丸強(qiáng)化工藝,獲得優(yōu)化的殘余壓應(yīng)力場和細(xì)化的形變組織結(jié)構(gòu),確保齒輪材料表層殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變,降低表面粗糙度,顯著提高齒輪材料的表面顯微硬度。


        2.4.2軸承鋼研發(fā)方向


        鐵路列車軸箱軸承需要在高速、高接觸應(yīng)力和大沖擊載荷狀態(tài)下能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作,因此,對軸承材料的可靠性、壽命、穩(wěn)定性提出了更高要求。由于歷史原因,我國鐵路軸承用鋼的冶煉方法一直被限定為電渣重熔。經(jīng)過長期研究和積累,中國鐵路總公司已于2006年組織制定了新的鐵路貨車軸承用鋼技術(shù)條件,涵蓋電渣重熔軸承鋼和真空脫氣軸承鋼。在普通機(jī)車車輛用軸承研究與制造領(lǐng)域,我國總體技術(shù)水平基本與世界先進(jìn)水平相當(dāng)。現(xiàn)階段我國的高速鐵路列車均采用進(jìn)口軸承。


        隨著列車運(yùn)行速度的提高和載重的增加,各國廣泛使用滲碳鋼制造的圓錐滾子軸承。瑞典SKF公司、美國Timken公司、日本NSK公司和NTN公司等均采用表面滲碳鋼制作圓錐滾子軸承,有效地提高了軸承免維護(hù)運(yùn)行里程及其安全可靠性。


        長期以來,美國、日本、瑞典、德國等軸承生產(chǎn)強(qiáng)國均致力于開發(fā)先進(jìn)的軸承設(shè)計(jì)、制造、密封性能以及潤滑技術(shù)等,以滿足鐵路的使用要求,并在激烈的市場競爭中保持著領(lǐng)先地位。特別是在軸承的基礎(chǔ)性研究、系統(tǒng)性研究和前瞻性研究等方面,這些國家均積累了豐富經(jīng)驗(yàn),這也是其保持技術(shù)領(lǐng)先的主要原因,我國應(yīng)在這些方面盡快縮小差距。


        3 其他部件用鋼現(xiàn)狀


        3.1鉤緩系統(tǒng)


        鉤緩裝置是使車輛與車輛,機(jī)車或動車相互連掛,傳遞牽引力,制動力并緩和縱向沖擊力的車輛部件。它由車鉤、緩沖器、鉤尾框等組成一個整體,安裝于車底架構(gòu)端的牽引梁內(nèi)。其中車鉤與鉤尾框等關(guān)鍵部件均采用鑄鋼或鍛鋼材料。車鉤用鑄鋼材質(zhì)主要有:SCC60、ZG18MnNiV、40Cr、E級鋼與D級鋼。動車車鉤鉤體材料牌號原先采用為JRISE4201標(biāo)準(zhǔn)中的SCC60。通過試驗(yàn)對材料成分和力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)分析,系統(tǒng)地研究了不同元素成分、含量對材料力學(xué)性能的影響,最終確定材料牌號為ZG18MnNiV。兩種牌號的材料化學(xué)成分與力學(xué)性能如表5所示。E級鋼與D級鋼化學(xué)成分與力學(xué)性能如表6所示。復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組車鉤連桿采用的是40Cr鍛鋼。


        3.2彈簧鋼研發(fā)方向


        軌道交通彈簧鋼國內(nèi)外一般采用Si-Mn系、Cr-Mn系、Cr-V系合金鋼,我國鐵路車輛的提速,要求進(jìn)一步延長車輛用彈簧鋼的疲勞壽命,提高彈簧的靜撓度,以確保鐵路運(yùn)輸?shù)母咝Ш桶踩椈射摫仨氂袠O佳的冶金質(zhì)量(良好的純凈度、均勻度和穩(wěn)定性以及表面質(zhì)量)和優(yōu)良的力學(xué)性能。但目前,我國合金彈簧鋼的生產(chǎn)工藝水平總體上還較落后,產(chǎn)品檔次和質(zhì)量與世界先進(jìn)水平尚有較大差距,主要反映在鋼的性能穩(wěn)定性、純凈度、表面質(zhì)量、外形尺寸等方面。因而,目前仍然需要從國外進(jìn)口。


        鐵路提速要求彈簧鋼向高性能化方向發(fā)展,抗疲勞破壞和抗彈性減退為彈簧鋼研究的主題。開發(fā)高性能彈簧鋼的途徑為:①研制新鋼種,一方面要優(yōu)化現(xiàn)有彈簧鋼的合金元素含量并添加微合金化元素;另一方面則借鑒航空用超高強(qiáng)度鋼的經(jīng)驗(yàn),降低碳含量并添加V和Nb等微合金化元素;②改進(jìn)冶金工藝和加工方法。在現(xiàn)有鋼種成分基本不變的情況下,探索形變熱處理、感應(yīng)熱處理、在線熱處理和噴丸、表面處理、強(qiáng)壓處理等工藝技術(shù)。


        4 機(jī)車車輛用鋼發(fā)展趨勢


        1)鋼材品種簡統(tǒng)化:機(jī)車使用鋼材品種盡量少,便于組織生產(chǎn),降低成本;鋼材盡量使用統(tǒng)一的型材、壓型件,在輕量化前提下提高利用率。


        2)選用鋼材具有良好的環(huán)境適應(yīng)性:由于對環(huán)境要求的逐步提高,目前機(jī)車采用的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,均是低溫沖擊性能良好的、質(zhì)量等級為E的鋼材料(或相當(dāng));對運(yùn)用在濕熱、鹽霧、風(fēng)沙等環(huán)境下的車體,使用高強(qiáng)度低合金耐大氣腐蝕鋼。


        3)選用鋼材強(qiáng)度逐步提升:隨著高速重載對機(jī)車車輛靜強(qiáng)度等級要求的提高,車體及轉(zhuǎn)向架理想的鋼鐵材料是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,要求其綜合力學(xué)性能、焊接性能、低溫韌性良好。


        4)未來輕量化替代材料的應(yīng)用:在非承載結(jié)構(gòu)處,逐步選用輕量化的材料,如:鋁合金結(jié)構(gòu)、玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。


        5)采用優(yōu)化配方、改善熱處理工藝等方法,提高重載、高速鐵路用車輪輪輞的硬度,尤其要盡快提高車輪的硬度;以減少高鐵運(yùn)營過程中,車輪出現(xiàn)嚴(yán)重踏面凹磨和多邊形等缺陷,延長鏇輪周期、降低維修成本。


        6)盡快改變高速鐵路用車軸全部進(jìn)口的現(xiàn)狀,盡早實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。


        7)高速列車軸承用鋼國產(chǎn)化,是當(dāng)務(wù)之急。


        8)開展制動系統(tǒng)、鉤緩系統(tǒng)材料國產(chǎn)化工作,滿足高速鐵路發(fā)展的需要。


        結(jié)語


        與鐵路技術(shù)發(fā)達(dá)的國家相比,我國普速鐵路技術(shù)與國外差距不大。由于我國在高速與重載鐵路技術(shù)上起步較晚,在引進(jìn)、消化、吸收及再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,逐步實(shí)現(xiàn)了高速、重載列車與鐵路技術(shù)的國產(chǎn)化,但作為高速與重載列車重要安全部件的基礎(chǔ)材料(如車輪、車軸、軸承等),目前尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。


        高速與重載鐵路技術(shù)專有性強(qiáng),核心技術(shù)僅僅掌握在少數(shù)幾個國家,知識產(chǎn)權(quán)壁壘極高。當(dāng)前,我國高速、重載鐵路發(fā)展的主要障礙之一是關(guān)鍵材料國產(chǎn)化進(jìn)程滯后,過分依靠國外引進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品,特別是對速度在250km/h以上的高速列車用系列關(guān)鍵材料缺乏技術(shù)儲備。


        為此,必須著眼現(xiàn)實(shí)、面向未來,著眼材料的高性能化和低成本化,在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上,通過自主創(chuàng)新,提出創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)原理和生產(chǎn)工藝,不斷突破高速、重載列車與鐵路關(guān)鍵材料技術(shù),為我國鐵路事業(yè)的發(fā)展提供高質(zhì)量材料保障。

     

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    責(zé)任編輯:殷鵬飛

     

     


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