國內外鐵路車輛用耐候鋼板發展現狀

陳付紅 高真鳳 黃 維 丁 偉

(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

國內外鐵路車輛用耐候鋼板發展現狀

陳付紅 高真鳳 黃 維 丁 偉

(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

國外鐵路車輛用耐候鋼產品強度高、產品的配套解決方案完善，我國無論在耐候鋼強度級別、產品質量以及推廣應用上均與國外存在著一定的差距，因此急需加快研發高耐蝕性高強度耐候鋼和低成本耐候鋼。

鐵路車輛 耐候 鋼板

隨著鐵路車輛向高速、重載、低成本方向的不斷發展，鐵路車輛用鋼也在向高強度、高耐腐蝕性和經濟型方向發展。為提高材料耐候性，鐵路車輛曾采用鋁合金和不銹鋼等新材料制造，但是鋁合金存在價格高、嚴重電腐蝕的問題，而不銹鋼存在焊接和加工等應用技術問題，所以從實際應用來看，高強度耐候鋼仍是鐵路車輛用鋼的主要趨勢[1]。國外對耐候鋼的研究較早，一些企業如SSAB、新日鐵住金、迪林根和安賽樂米塔爾生產的耐候鋼產品成系列化，性能優良。國內耐候鋼開發較晚，但發展較快，寶鋼、鞍鋼、武鋼和太鋼等企業已成功開發出鐵路車輛用耐候鋼產品并得到廣泛應用。隨著鐵路建設的高速發展，預計2016年鐵路投資規模仍保持在7 000億左右，鐵道行業鋼材需求量基本與2015年持平為2 664萬t左右，鐵路車輛用耐候鋼市場廣闊，需要加快高屈服強度、高耐候性的鐵路車輛用耐候鋼的開發和推廣。

1 國外鐵路車輛用耐候鋼板發展現狀

美國鋼鐵公司于1933年研制出Corten系列耐候鋼，此后，國外鋼鐵公司以Corten系列鋼為基礎，開始大規模研制鐵路車輛用耐候鋼，主要為Cu-P、Cu-P-Cr、Cu-P-Cr-Ni和Cu-Mn-Cr系的傳統耐候鋼，強度級別較低。瑞典SSAB公司開發的鐵路用耐候鋼強度水平較高，且具有良好的焊接性能和成形性能。目前，國內外使用的鐵路用耐候鋼都是通過添加Cu、P、Cr、Ni、Mo等耐蝕合金元素來獲得高耐候性能，成本較高。國外正在研究價格低廉的Si-Al系列耐候鋼，利用Al形成穩定的尖晶石型復雜氧化物FeAl2O4，使銹層具備陽離子選擇性抑制Cl-的侵入，Si也與Fe及O形成穩定的復合氧化物Fe2SiO4，日本在Si-Al系列低成本耐候鋼的研發上已經取得了突破。

1.1 SSAB

瑞典SSAB耐候鋼產品的開發及生產處于世界先進水平。SSAB的耐候鋼產品主要為熱軋耐候鋼Domex系列，包括Domex355W、Domex550W和Domex700W共3個牌號，具有較低的C和Mn含量，添加了細化晶粒的微合金元素Nb、Ti和V，采用熱機械軋制工藝生產，不僅具有高強度、高耐蝕性，還具有良好的成形性和焊接性能。其中，Domex500W使用前通常不需要消除應力，而Domex700W由于強度較高，需要進行熱處理消除應力，兩種強度級別的耐候鋼熱處理時加熱溫度應低于580 ℃，以避免鋼板的強度降低。鋼板的耐蝕性指數執行ASTM G10104(2010)標準。該系列鋼種在戶外使用幾年后，鋼板表面會形成致密光滑的氧化層，從而抑制其進一步的氧化[2]。Domex系列耐候鋼的化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 Domex耐候鋼的化學成分(質量分數)

Table 1 Chemical composition of the Domex weathering steels (mass fraction) %

牌號厚度/mmCSiMnPCuCr微合金元素典型耐蝕性指數355W2．0～10≤0．12≤0．75≤1．00．06～0．150．25～0．550．3～1．25添加7．90550W2．0～6．1≤0．10≤0．45≤0．80≤0．12≤0．35≤0．95—7．897．5～12．7≤0．10≤0．45≤1．50≤0．12≤0．40≤0．95—6．64700W3．0～6．1≤0．12≤0．60≤2．10≤0．03≤0．51≤1．25—6．64

表2 Domex耐候鋼的力學性能

另外，SSAB并購的芬蘭鋼鐵公司Ruukki開發的高強度耐候鋼Optim系列，包括Optim550W和Optim960W兩個牌號，采用直接淬火工藝生產，其中Optim550W具有高強度、優良的耐腐蝕性和焊接性能，抗拉強度為600～760 MPa，最小斷后伸長率18%，-60 ℃最小夏比沖擊吸收能為40 J，如需進行涂裝，其著色性能優于普通結構鋼，應用于火車車身能夠大大減輕車身自重。Optim960W為超高強耐候結構鋼，其耐大氣腐蝕性能優于COR-TEN B耐候鋼，硬度高于300 HB，是S355結構鋼的2倍，同時具有良好的耐磨性。但由于強度水平高，其彎曲力、回彈和彎曲半徑大于S355結構鋼，在20 ℃時的冷成形性能良好，可以進行任意方向的成形加工，可用于鐵路鋼結構[3]。Optim系列耐候鋼的典型化學成分和力學性能如表3和表4所示。

表3 Optim系列耐候鋼的化學成分(質量分數)

1.2 新日鐵住金

新日鐵住金生產的耐候鋼產品包括COR-TEN系列和NAW系列，其中COR-TEN系列耐候鋼為U S steel公司的注冊商標，根據使用環境的不同COR-TEN鋼有許多種類，耐候性是普通鋼的4～8倍，強度高、加工性能良好，同時還具有良好的低溫沖擊韌性，在寒冷地區冬季使用時仍有足夠的安全性。NAW系列為新日鐵住金開發的耐候鋼產品，可進行無涂裝使用，具有良好的耐磨性[4]。

COR-TEN系列耐候鋼采用TMCP工藝生產，在不增加鋼中合金元素含量的情況下可提高鋼板的抗拉強度，同時降低鋼的碳當量，提高了鋼板的韌性。此外，采用TMCP工藝生產的耐候鋼具有良好的焊接性能，焊接裂紋敏感性低[5]。TMCP工藝與傳統工藝生產的鋼板的強度和Ceq的關系如圖1所示。新日鐵住金耐候鋼產品類別和特點如表5所示。

圖1 TMCP工藝與傳統工藝生產的鋼板的強度和Ceq的關系

Fig.1 Variation of strength withCeq for the steel plates produced by TMCP and traditional technologies

1.3 迪林根

迪林根鋼鐵公司開發的耐候鋼產品為DIWETEN系列，包括DIWETEN235、DIWETEN355和DIWETEN460共3個牌號。該系列耐候鋼采用低C化學成分設計，通過添加Cu、Cr、Ni、Nb、Mo、Ti和Zr等合金元素細化晶粒，提高鋼材的強度、耐蝕性，保證其耐大氣腐蝕指數大于6.0，滿足ASTM G101標準。DIWETEN235、DIWETEN355耐候鋼，抗拉強度分別為350～510 MPa和450～630 MPa，-20 ℃沖擊韌性優良，可進行冷、熱成形加工，焊接性能優良。DIWETEN460耐候鋼采用熱機械軋制工藝生產，合金元素含量少，碳當量低，焊接性能優于同等強度的普通耐候鋼。DIWETEN460根據適用范圍的不同分為兩種類型，其中DIWETEN460 M為普通型，使用溫度最低為-20 ℃，DIWETEN460 ML為低溫型，在-50 ℃時仍具有優良的沖擊韌性[6- 7]。DIWETEN系列耐候鋼化學成分如表6所示。

表5 新日鐵住金耐候鋼產品的類別和特點

表6 DIWETEN系列耐候鋼的化學成分(質量分數)

1.4 安賽樂米塔爾

安賽樂米塔爾開發的耐候鋼為Indaten系列，包括Indaten355A和Indaten355D，產品的耐蝕性滿足EN 10025- 5：2005產品標準，其中Indaten355D具有良好的低溫韌性。該系列耐候鋼為細晶高強結構鋼，可無涂裝暴露在硫酸煙霧的環境下使用，其中鋼中Cu元素質量分數最高可達0.55%，使用時鋼中的Cu元素在基體和銹層之間形成以CuO為主要成分的保護層，與基體結合牢固，有效地減緩鋼材的進一步腐蝕速度。Indaten系列鋼材的最小屈服強度為355 MPa，但抗拉強度高于同級別的耐候鋼，其中Indaten355A的鋼材厚度為1.7～26.5 mm，抗拉強度為490～680 MPa；Indaten355D的鋼材厚度為1.5～20 mm，抗拉強度為470～680 MPa，這是由于該系列耐候鋼的晶粒細小，使鋼的強度較高，同時韌性、塑性良好。該系列耐候鋼含碳量低，焊接性能良好[8]。Indaten系列耐候鋼的化學成分如表7所示。

表7 Indaten系列耐候鋼的化學成分(質量分數)

2 國內鐵路車輛用耐候鋼板發展現狀

我國在20世紀60年代開始研制耐候鋼，首先在16Mn鋼中加Cu，研制了16MnCu鋼。隨后進行了09CuP Ti耐候鋼薄鋼板的試制。80年代初，相繼開發和仿制出一批耐候鋼，如鞍鋼的08CuPVRE系列、武鋼的09CuP Ti系列、寶鋼的B480GNQR等。2000年以后，鐵道部提出鐵路車輛高速、重載的發展要求，研制和開發出了新一代高強度耐候鋼Q450NQR1，我國目前開發的鐵路用耐候鋼主要為Cu-P-Ti-RE、Cu-P-Cr-Ni、Cu-Mn-Cr-Ni系[9]。近年來，國內鋼鐵企業加快高耐蝕性耐候鋼的開發，相繼開發出S450EW和S450AW新型耐候鋼產品。

2.1 寶鋼

寶鋼采用TMCP生產工藝在國內率先開發出屈服強度400、450、500、550 MPa級鐵路車輛用高強度耐候鋼Q400NQR1、Q450NQR1、Q500NQR1、Q550NQR1熱軋板卷，該系列耐候鋼具有高強度、高韌性、優良的焊接性和成形性能等特點，耐候性能是普通結構鋼的2倍以上，可大大延長車輛的使用壽命。此外，為保證該系列耐候鋼的使用性能，寶鋼還開發了與之相配套的焊絲、焊條等焊接材料及焊接技術。該系列耐候鋼已大批量應用于動車組列車、青藏鐵路列車、城市軌道交通列車和火車車廂的制造。另外寶鋼還開發了S355J0W耐候鋼，具有一定的抗震性和抗疲勞性，用于制造鐵道車輛的轉向架[10]。2011年，寶鋼與鐵道部聯合新開發出高耐蝕性耐候鋼S450EW，其耐候性比傳統耐候鋼增加了30%～50%，貨車壽命從20年增加到30年以上，受到了鐵路行業的青睞，已成功應用于C80E車型的制造。寶鋼耐候鋼產品如表8所示。

表8 寶鋼耐候鋼產品

2.2 武鋼

武鋼根據市場需求，最早開發了09CuPTiRE耐候鋼，其耐大氣腐蝕性能達到或接近Corten A鋼的水平。09CuPCrNi鋼是仿Corten A鋼開發的典型耐候鋼產品，其中 16～25 mm厚的09CuPCrNi- A耐候鋼具有極強的市場競爭力，主要用于我國鐵路客車的制造。傳統耐候鋼由于成分體系中含有較高的Cu、Cr、Ni，成本較高，武鋼結合自身礦石含Cu的特點開發了經濟型耐候鋼JN235、J255、JN345。武鋼開發的高強度耐候鋼Q450NQR1、WQ550NQR1可以滿足我國鐵路高速、重載的發展需求。2008年，武鋼開發的高耐腐蝕性耐候鋼WQ450GN具有優良的低溫韌性和焊接性能，在車輛制造中得到了廣泛應用[11]。2011年，武鋼成功開發出鐵路車輛用高耐蝕型耐候鋼S350EW和S450EW，2014年通過中鐵認證并具備進入鐵路用鋼市場的資質。武鋼耐候鋼典型產品如表9所示。

表9 武鋼耐候鋼典型產品

2.3 太鋼

太鋼生產的鐵路車輛用耐候鋼主要包括Q450NQR1、09CuPCrNi-A等，主要應用于制造C70、C64敞車和P70棚車和特種車輛等。09CuPCrNi-A耐候鋼具有優良的壓延性能，用其制造的冷彎型鋼成形美觀、裂紋產生幾率小，焊接性能優良，其焊接規范、焊絲等已制定成標準。2014年，太鋼高耐蝕型耐候鋼通過中鐵檢驗認證中心認證，為了滿足鐵路行業高速和重載的要求，目前正致力于開發屈服強度550 MPa以上，耐腐蝕性強，塑性、冷彎性能和焊接性能優良的經濟型耐候鋼[12]。

3 結語

國外開發的鐵路車輛用耐候鋼的強度水平較高，瑞典SSAB開發的屈服強度550 MPa和700 MPa的Domex系列耐候鋼，其旗下Ruukki公司開發的Optim550耐候鋼均可以應用于鐵路車輛的制造，Optim960超高強度耐候鋼可應用于鐵路鋼結構。我國鐵路車輛用耐候鋼的屈服強度水平相對較低，寶鋼、武鋼和鞍鋼開發的鐵路用耐候鋼最高強度級別為550 MPa。但是目前國內鐵路車輛制造廠仍大規模使用450 MPa級的鐵路車輛用耐候鋼，高強度級別的鐵路用耐候鋼的推廣和應用受到鐵路車輛制造廠設備和技術等方面的制約。但隨著鐵路車輛高速、重載的發展趨勢，未來市場前景較好，開發550 MPa級以上高強度鐵路耐候鋼的系列化研究和開發具有重要的戰略意義。

國外鐵路用耐候鋼的產品與產品解決方案是配套開發和推廣的，確保了其產品達到最佳的使用效果。國內鐵路用耐候鋼的產品和產品使用技術標準的開發是相互獨立的，耐候鋼的使用技術標準更大程度上依賴于車輛制造廠的研究和試驗，不利于產品的推廣和使用。低成本是鐵路車輛用耐候鋼發展方向之一，國外正在研發的Si-Al系列耐候鋼已經取得了突破性的進展。國內北京科技大學也在進行這方面的研究，新型耐候鋼的研究動向值得關注。

[1] 宋鳳明，溫東輝，李自剛,等.鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的現狀及研發方向[J].世界鋼鐵，2009(5):11- 13.

[2] Domex high strength steel [EB/OL]. (2011- 02- 24)[2015- 02- 24]. http://www.ssab.com/zh-CN/Brands/Domex/2/Domex- 550-W/.

[3] Weather resistant Optim W structural steel grades[EB/OL]. [2015- 02- 24]. http://www.ruukki.com/Steel/Hot-rolled-steels/Structural-steels/Weather-resistant-Optim-W-structural-steel-grades.

[4] Hot-rolled steel sheets and coils[EB/OL]. [2015- 02- 24]. http://www.nssmc.com/en/product/catalog_download/index.html.

[5] Steel plates[EB/OL].[2015- 01- 15]. http://www.nssmc.com/en/product/catalog_download/index.html.

[6] DIWETEN 235，DIWETEN355[EB/OL].[2015- 05- 14].http://www.dillinger.de/dh/produkte/sparte/stahlbau/werkstoffblatt/index.shtml.en.

[7] DIWETEN460[EB/OL].[2015- 05- 24]. http://www.dillinger.de/dh/produkte/sparte/stahlbau/werkstoffblatt/index.shtml.en.

[8] Indaten R A magical steel in harmonious dialogue with nature[EB/OL].[2015- 04- 15]. http://fce.arcelormittal.com/repository/fce/Brochures/Indaten_promotionsheet_EN.pdf.

[9] 劉清友，汪兵，王向東.耐候鋼的研究、應用及展望[J].鋼結構，2011(S1):112- 113.

[10] 城市軌道交通用鋼[EB/OL]. [2015- 04- 15]. http://www.baosteel.com/group/contents/1771/30247.html.

[11] 劉志勇,陳邦文,陳吉清,等.武鋼鐵路車輛及集裝箱用耐候鋼的現狀及發展[J].鋼鐵研究，2009，6(37):55- 58

[12] 鐵路行業用鋼[EB/OL].[2015- 04- 24].http://tgbx.tisco.com.cn/show.jsp?id=5141.

收修改稿日期：2016- 03- 26

Development Status of Weathering Steel Plate for Railway Vehicle at Home and Abroad

Chen Fuhong Gao Zhenfeng Huang Wei Ding Wei

(Iron & Steel Research Institute of An Steel Group, Anshan Liaoning 114009, China)

The foreign railway vehicle weathering steel and solution of the products are perfect, and there is a big gap of products strength, quality and the application between at home and abroad.The low cost high strength and high corrosion resistance weathering steel plates should be developed as quickly as passible.

railway vehicle，weatherproof，steel plate

陳付紅，女，工程師，從事熱軋板帶鋼情報研究，Email:aschenfh@163.com，電話：18841223925