鞍鋼鐵路貨車車體用鋼研發歷程

郭曉宏 ，劉志偉 ，張瑞琦 ，邢津銘 ，金澤宏 ，孫傲

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司產品制造部，遼寧鞍山114021；3.鞍鋼股份有限公司市場營銷中心，遼寧鞍山114021）

根據2017年鐵路統計公報，全國鐵路貨車擁有量為79.9萬輛，機車擁有量為2.1萬臺，鐵路客車擁有量為 7.3 萬輛，動車組 2 935 組、23 480 輛[1]。 作為國民經濟的大動脈、國家重要基礎設施和大眾化的交通工具，鐵道貨車主要有敞車、棚車、平車、罐車、特種車（冷藏車及漏斗車和集裝箱車）等車型。

在我國鐵路貨車中，敞車是鐵路運輸中的主型車輛，約占貨車總數的60%以上,承擔著全路大部分貨運量[2]。敞車是一種具有車墻而無車頂的車輛，是當前鐵路貨車中數量最多，用途最廣的車型。敞車在露天工作，運行環境復雜，經受陽光、雨雪和各種腐蝕性介質的作用，敞車車體及其它部件極易發生腐蝕，特別是在運煤貨車底部酸性腐蝕介質環境，車底腐蝕強烈，要引起足夠重視。腐蝕不僅增加了材料消耗和維修的工作量，使維修費用增加,還影響鐵路的正常運輸和行車安全。

鐵路貨車車輛的基本構造由車體、車底架、走行部（轉向架）、車鉤緩沖裝置和制動裝置五部分組成。車體用于車輛上供裝載貨物，是安裝與連接車輛其他組成部分的基礎，車體以鋼結構或輕金屬結構為主。

近年來，鐵路貨車的技術發展側重于“重載與快捷”，以滿足貨物運輸重載、快運和安全的要求。降低車輛自重是增加載重量，提高經濟效益的有效途徑之一。因而，車體輕量化設計與制造技術也得到了快速的發展，推動了車體材料用鋼的升級換代。文中主要針對車體材料部分進行討論。

1 鐵路貨車車體用鋼研究現狀

1.1 國外

早在1900年，歐美的科學家就發現銅可以改善鋼在大氣中的耐腐蝕性能。30年代美國的U.S.Steel公司研制成功了耐腐蝕高抗拉強度的含銅低合金鋼—Corten鋼，抗拉強度比普通鋼提高了40%。在應用中人們發現Corten鋼的耐腐蝕性能優良，甚至可以不涂漆裸用，因而不涂漆的耐候鋼首先用于車輛，特別是鐵路車輛。

目前國內外學者致力于研究開發高強度、高耐蝕性、高韌性、高性價比的新型耐候鋼。如美國新一代高性能耐候鋼HPS70W，韓國Ca-Ni系列耐海洋性大氣腐蝕鋼；日本鋼鐵公司570～780 MPa級別的超細晶高強度耐海洋環境大氣腐蝕鋼及瑞典鋼鐵SSAB的Domex系列耐候鋼產品。熱軋耐候鋼 Domex系列包括 Domex355W、Domex550W和Domex700W共3個牌號，這類鋼具有較低的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，還具有良好的成型和焊接性能。

1.2 國內

鐵路貨車用鋼主要經歷了碳素鋼、低合金鋼、耐候鋼、高強度耐候鋼、高強耐蝕鋼等幾個階段。耐候鋼的使用大幅度提高了鐵路貨車車體的耐腐蝕性能，延長了車體檢修周期，減少了檢修工作量，逐漸成為了鐵路貨車用鋼的發展方向。

20世紀60年代，我國開始進行耐候鋼的研究，1965年試制出09MnCuPTi耐候鋼，并研制出我國第一輛耐候鋼鐵路貨車。此外，結合我國的資源優勢又先后開發出了鞍鋼集團的08CuPVRE系列、武鋼集團的09CuPTi系列、濟南鋼鐵公司的09MnNb、上海第三鋼鐵廠的10CrMoAl和10CrCuSiV等。80年代鐵道部主要采用屈服強度295 MPa的09CuPTiRE和345 MPa的09CuPCrNi（以及集裝箱用 SPA-H）。2000年以后，鐵道部聯合寶鋼、鞍鋼、武鋼等企業開發了 450 MPa級的 Q450NQRl高強度耐候鋼，并廣泛用于70 t、80 t級貨車制造，為貨車增加載重提供了條件。由于大量使用高強度鋼材，車體輕量化后，隨著結構材料厚度的減少，對腐蝕破壞的敏感度大大增強。Q450NQRl在車輛上使用后，其結構強度滿足了70 t級貨車發展要求，但耐腐蝕性能與 09CuPTiRE、09CuPCrNi相比，并沒有明顯提高，難以滿足大軸重貨車進一步延長檢修周期的發展要求，耐腐蝕性仍不能滿足鐵路車輛設計壽命25年的要求。

為提高材料的耐候性，貨車的制造采用鋁合金、不銹鋼等新材料，2005年開始，采用耐候性能更好的Al-Mg系5083-H321鋁合金板材，Al-Mg-Si系6061-T6鋁合金型材和TCS（以及T4003）經濟型鐵素體不銹鋼制造了C80型和C80B型運煤專用敞車，并投入大秦線使用。但是鋁合金存在價格高、電偶腐蝕嚴重的問題，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。

2010年寶鋼開始試制含3．5%Cr的高耐蝕鐵路車輛用鋼，其耐腐蝕性能比現有產品提高了50%。2012年為了滿足不斷變化的市場要求，鞍鋼加快了技術研發的步伐，積極進行拓展創新，成功研發出了新型耐蝕鋼S450AW。鞍鋼自主研發的此項新產品，突破了中國鐵道貨車近50年停留在耐大氣腐蝕的設計思維，樹立了鐵道運煤敞車底部酸性介質腐蝕設計的全新理念。

2 鐵路貨車車體材料及性價比適應性分析

腐蝕是金屬和周圍環境發生化學或電化學反應而導致的一種破壞性侵蝕，金屬的腐蝕是一個自發的過程，金屬材料的腐蝕是金屬設備和構件破壞的重要形式之一，腐蝕問題遍及國民經濟和國防建設的各個領域。

2014年我國調查結果指出：我國各行業腐蝕總成本占國內生產總值GDP的3.34%。總額超過2.1萬億人民幣，相當于每個中國人當年承擔多于1 555元的腐蝕成本。2016年3月，國際腐蝕界的權威機構——美國腐蝕過程協會（NACE）根據全球腐蝕調研項目IMPACT，公布了最新腐蝕調查結果：全球腐蝕成本估算為2.5萬億美元。

因此，防止或減緩鋼鐵材料在服役中腐蝕的重要性不言而喻，采用不銹鋼能有效防止銹蝕，但由于其成本高，不適合大規模使用，而且不銹鋼的力學性能和焊接性能也很難滿足各種工程的需要。耐候鋼就是在這樣的背景下應運而生，耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼，通過在鋼中加人少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，鋼鐵材料在銹層和基體之間形成一層約50～100 μm厚的致密且與基體金屬粘附性好的非晶態尖晶石型氧化物層。由于這層致密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料的縱深發展，從而大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力。

2003年制造的C80型鋁合金敞車，板材為5083H321鋁合金(A1-Mg系)，型材為6061 T6鋁合金 (A1-Mg-Si系)。這兩種鋁合金材料具有與Q235鋼相近的屈服強度，且鋁合金的材料密度約為鋼材的1/3，對減輕車輛自重有利。但鋁合金材料的彈性模量也約為鋼材的1/3，在結構重量減輕的同時，其剛度也與之成比例下降，故鋁合金材料不能用作結構主要承載件。因此，C80型鋁合金車輛的主要承載結構——底架不得不采用高強度耐大氣腐蝕鋼，鋁合金材料與鋼質材料間采用拉鉚方式連接。由于鋁合金材料的電位較低，與其他高電位的金屬鋼接觸后作為陽極，并在電解時溶解為金屬離子，使得材料很快發生電腐蝕。從大秦線運行的實際車輛情況看，鋼鉚釘周圍有電偶腐蝕斑點，端墻、側墻處有大量白色斑點的點腐蝕；此外，鋁合金材料價位過高也是推廣的難點。

2006年2 月鐵素體不銹鋼敞車相繼投入大秦線使用，同年8月，部分車輛大橫梁封板部位出現裂紋，次年10月沖擊座處的連接板、端板及牽引梁處出現焊縫及連接板本體裂紋。在焊接熱循環的作用下導致焊縫熱影響區晶粒粗大是鐵素體不銹鋼焊接后的最主要特點，會導致焊接接頭粗晶區韌性下降和耐腐蝕性能下降。因為鋼中的碳與鉻結合形成碳化鉻，焊接時在晶界析出導致晶界附近貧鉻，容易發生晶界腐蝕。一旦發生晶界腐蝕，會降低材料的耐應力腐蝕性能，在拉伸應力的共同作用下發生擴展，使金屬晶粒之間的結合力降低，表面缺口向更深處或沿晶間擴展，最終導致裂紋。鐵素體不銹鋼能自鈍化，而Q450NQRl高強耐候鋼在溶液中不能自鈍化，一直處于活性溶解狀態，也就是說，異種鋼材接頭會加速Q450NQRl高強耐候鋼的腐蝕。因此，不銹鋼的焊接及與Q450NQRl高強度耐候鋼接觸部位的焊接質量，直接影響不銹鋼的推廣應用。

從長遠發展考慮，鐵道車輛用鋼仍然以鋼鐵材料為主，在具有較高強度及內外在質量的同時，具備更高的耐腐蝕性、優良的焊接及加工性能（壓延性、成型性）。

3 鞍鋼S450AW關鍵應用技術研究

3.1 S450AW設計理念

鞍鋼新型耐蝕鋼S450AW設計理念是根據原鋼板在運營維護過程中發現的問題，在保持接口關系及性能要求不變的前提下，考慮腐蝕最苛刻部位的腐蝕情況，優化耐腐蝕設計，最終使整車的防腐性能得到提高。

3.2 S450AW研制目標

（1）針對運煤貨車底部及側墻下部腐蝕嚴重的現象，鞍鋼提出了一種新型耐蝕鋼S450AW，其耐大氣腐蝕性能與上一代Q450NQR1相當。

（2）強度級別為450 MPa，不改變現有車輛廠加工和涂漆工藝流程。

（3）沿用原有焊接工藝，可采用原有TH550-NQ-II焊絲，推薦使用TH550-NS-II焊絲。

（4）冷成型性能與Q450NQR1相當。

（5）耐腐蝕性能，依據 GB/T10124《金屬材料試驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，在 （23±2）℃、10%H2SO4+3.5%NaCl、全浸24 h條件下，相對于Q345B，腐蝕速率小于1.5%；

3.3 S450AW各項性能

3.3.1 優異的焊接性能

采用TH550-NQ-Ⅱ氣體保護焊實芯焊絲對S450AW試驗鋼板進行焊接，并對焊后接頭的組織和綜合力學性能進行評價。結果發現，焊接接頭低溫韌性良好，-40℃沖擊功實際平均值均在115 J以上，滿足要求且余量較大，焊接接頭沖擊性能檢驗結果見圖1。硬度檢驗結果如圖2所示，焊接接頭各個位置的硬度整體水平不高，且各個區域的硬度值變化不大，與350HV相比余量較大。

圖1 焊接接頭沖擊性能檢驗結果

圖2 焊接接頭硬度檢驗結果

3.3.2 優異冷成型性能

影響鋼板冷彎性能指標主要因素有：鋼的化學成分，鋼的純凈度，鋼中夾雜物類型、數量、形態及分布，軋制工藝制度，及金相組織和鋼材表面質量等。采用純凈鋼冶煉和控軋控冷技術，才能得到預期的強度、高的塑性和良好的冷成型性。

鐵路貨車的覆蓋件多數是成型件，在產品外觀質量要求越來越高和車輛自重系數要求越來越低的情況下，板材成型成為鐵路貨車沖壓加工的技術難點，貨車中門及小門為起伏成型沖壓，要求具有較高的強度和剛度，不允許有明顯褶皺、變形、劃傷、裂痕等質量缺陷，外表還要美觀。

利用成品廠現有的壓型模具，對厚度規格為5 mm的S450AW鋼板進行側開中門及小門壓型試驗。壓型件成型質量良好，尺寸符合技術要求，經外觀檢查，未發現裂紋、起皺等缺陷。

壓型試驗前在鋼板上涂上預置網格，測量區域見圖3，然后用德國進口軟件進行FLD成型應變分析，見圖4、圖5和圖6。在產品中門測量區域內最小成型極限值為19.0%（目標值大于15%），最大厚向減薄率為14.4%（目標值小于25%）；因此，該零件成型結果安全可靠。

圖3 中門測量區域

圖4 鋼板表面應變分布和成型極限圖

圖5 鋼板厚度減薄率圖

圖6 鋼板厚度變化圖

3.3.3 優異的耐磨性能

對S450AW、Q450NQR1和Q345B三種材料進行了初步的磨損實驗。實驗條件：磨銷轉速r=200 r/min，磨損時間 t=10 min，載荷 P=80～160 N，對磨副為GCr15鋼，在上述條件下，分別對三種材料的磨損量進行測量，結果見圖7。

圖7 三種材料磨損率隨外加載荷的變化關系

由圖7可見，3種材料的磨損率隨著載荷的增加而增加；在載荷較大時，Q345B磨損率高于S450AW和Q450NQR1，當載荷較小時，Q450NQR1和Q345B材料磨損率較接近，但均高于S450AW材料。S450AW的磨損率始終低于Q450NQR1和Q345B，因此，S450AW在磨損試驗中表現出優異的耐磨損性能。

3.3.4 優異的耐腐蝕性能

分別將S450AW、Q450NQR1、S450EW鋼裝入電解池進行電化學試驗，測試它們在0.01 mol/L NaHSO3溶液中的開路電位變化曲線及極化曲線，結果見圖8，從圖8中可以看出，S450AW的耐蝕性能最好，其次是S450EW和Q450NQR1。在設定的溫度和濃度下，進行全浸泡試驗，用失重法評價金屬腐蝕情況，結果表明，S450AW耐腐蝕性能同樣優于Q450NQR1、S450EW鋼，三種鋼的相對腐蝕速率見圖9。

圖8 開路電位變化曲線及極化曲線

圖9 相對腐蝕速率比較

通過SEM觀察上述試樣，見圖10，S450AW銹層致密，連續性好，提高了銹層對鋼的附著力，細化銹層顆粒，增強鋼基體與水和空氣的隔絕作用，抑制氧氣和水的供給；對基體有很好的保護作用，有效地阻止了腐蝕介質向基體的滲透，起到良好的物理阻擋效果，降低了鋼的腐蝕速率，而其它鋼種銹層中的孔較粗大，銹層本身疏松。

圖10 四種鋼的SEM圖片

S450AW鋼中特殊合金元素間協同作用改變了銹層性質，完整、致密的腐蝕產物對基體金屬有保護作用，而不連續、疏松的腐蝕產物則容易導致垢下腐蝕。

4 結語

（1）鐵路發展離不開先進的鋼鐵材料，隨著對鋼鐵材料性能要求的日益苛刻，選材設計及服役行為是軌道交通制造的核心。

（2）鞍鋼根據鐵路貨車腐蝕機理，從材料的實際使用和服役環境條件出發，通過分析失效過程，逆向研制新材料，設計的新材料耐腐蝕性能評價方法更加接近實際環境模擬條件。

（3）鞍鋼新型耐蝕鋼S450AW兼顧高強度、高韌性、優異的焊接、耐磨及冷成型性能，而優異耐腐蝕性能和經濟性更是決定其是有生命力的鋼鐵材料。