鐵路客車車體結構材料的演變與展望

康興東， 任玉鑫， 高 超， 龔曉波， 劉 鑫

(中車青島四方車輛研究所有限公司， 山東青島 266031)

隨著全球軌道交通市場的迅猛發展，新型輕量化鐵路車輛已成為各國軌道交通制造企業競相研發的重要項目。而新型輕量化車體結構材料的開發與應用，為鐵路車輛的輕量化發展提供了新的研究方向。為此，我們需要了解車體結構材料和制造技術的演變歷程，這樣不但可對鐵路客車車體結構的變遷產生整體認知，同時也為車體輕量化設計和材料的選用梳理思路。

1 鐵路客車車體結構材料所需特性[1-2]

鐵路客車車體結構作為運載工具的主體和重要承載部件，其結構材料必須具備如下特點：(1)優異的機械性能。車體結構材料不僅需要有較高的比強度、比剛度，而且應具有一定的沖擊動態強度和抗疲勞等性能；(2)良好的加工特性。結構材料需根據不同的需求加工成不同的形態以實現某種特定作用，比如鑄造、擠壓、軋制、沖壓成型等；(3)突出的安全性能。結構材料應具有耐腐蝕性、耐火性和阻燃性等特性，以保證車體結構的完整，進而保護乘客及財產安全；(4)易于維護與維修。車體結構需要很高的尺寸控制，因此在材料選擇時應考慮防腐、維護、補修等問題；(5)原材料的可再生利用及報廢后的易分選性。節能環保材料車體將是未來發展的必然趨勢；(6)降低壽命周期成本。壽命周期成本是包括了生產制造、運行維護及后期報廢處理的總成本，有效控制壽命周期成本，必將提升產品競爭力。

2 車體結構材料的演變與發展

全球第一條鐵路是1825年英國建成的斯托克頓-達林頓鐵路，其運載列車為木制車體。1933年芝加哥舉辦的世界博覽會上展出了世界上最早的2輛全鋁合金干線鐵路客車。1934年美國Budd公司為CB&Q公司制造了世界上第一輛不銹鋼鐵路客車Pioneer Zephyr[3]。鐵路車輛發展的近200年里，車體結構隨材料的發展經歷了木制車體結構、鋼制(碳鋼)車體結構、不銹鋼車體結構和鋁合金車體結構、新型輕量化材料車體結構等幾個階段。

2.1 鋼制(碳鋼)車體結構

最早的鐵路車輛采用木制車體，底架和車身均由木材制成。隨著工業革命的推進，為了提高乘客的安全性和車輛的穩定性，1923年出現了普通鋼材替換原有木材的制造工藝，并于1927年逐步形成全鋼制車體結構。1933年美國鋼鐵公司推出了工業化產品“COR-TEN-A”型低合金耐候鋼，并主要應用在貨車車體制造領域。此后世界各國紛紛開展耐候鋼、低合金高強度鋼的研制與應用。耐候鋼由普通碳素鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素組成，具有強韌、成型、焊割、抗疲勞等特性；低合金高強度鋼有較高的屈服極限、良好的加工成型性及焊接性能。目前常用的耐候鋼、低合金高強度鋼主要有Q295GNH、Q310GNH、Q345、Q500和Q690等[1]。

我國鐵路客車21型客車車體采用的是普通碳素鋼，后期研制的22型客車、25型客車及雙層客車車體大多采用耐候鋼和低合金高強度鋼，可見在我國鋼制(碳鋼)車體結構是最常用的一種車體結構。典型輕量化鋼制(碳鋼)車體結構為薄壁筒形板梁結構。板梁間采用點焊或塞焊，梁柱間采用弧焊，車體各部件先預組成，再進行模塊化組焊。這種鋼制(碳鋼)車體結構具有制造成本低、工藝性好、造型簡單、易于維修等優點，同時也存在質量大、耐腐蝕性能差、焊接變形大、壽命周期成本高等缺陷。在追求輕量化、節能環保的今天，鋼制(碳鋼)車體結構已呈逐漸被淘汰趨勢。

2.2 不銹鋼車體結構

不銹鋼是一種添加了鎳與鉻的高強度合金鋼，其表面會自然形成富鉻氧化膜，使不銹鋼表面免受銹蝕和污染。鑒于不銹鋼具有較高的比強度，且無需考慮因腐蝕導致的承載截面變小、涂裝等問題，故采用結構薄壁化以實現車體輕量化。典型輕量化不銹鋼車體結構為整體承載式全焊接板梁結構。為了提高側墻剛度和穩定性，由軋壓成型的薄板與外墻板通過點焊形成封閉腔體；同時，針對車體結構中厚度較大、焊接強度要求高的部位，如底架牽引梁、枕梁等主要承載部件，則選用耐候鋼以降低制造成本并保證底架剛度[4]。

初期不銹鋼車體采用的是SUS304不銹鋼，結構形式與鋼制(碳鋼)車體基本相同，但由于薄壁化、軋壓加工等要求，研發人員開發了SUS301不銹鋼。SUS301不銹鋼具有良好的沖壓加工性能，但SUS301不銹鋼中的碳含量較高，焊縫熱影響區易產生腐蝕。面對易施焊、降低制造成本等要求，通過改進添加元素，開發出了車輛專用經濟不銹鋼材料SUS301L不銹鋼，這類不銹鋼含碳量小于0.03%，可根據延展率的不同分成LT、DLT、ST、MT和HT等多種強度等級，以滿足車體結構中各部位對不同強度的要求(見表1)。目前車體結構常用的不銹鋼主要有SUS301L-DLT、SUS301L-ST、SUS301L-MT、SUS301L-HT、EN 1.4318+2G和EN 1.4318+2H等。

不銹鋼車體的發展經歷了蒙皮不銹鋼車體、半不銹鋼車體、全不銹鋼車體和輕量化不銹鋼車體4個階段。1934年Budd公司制造了世界上第一輛不銹鋼車Pioneer Zephyr。日本最初的不銹鋼車輛于1952年制成，1959年末日本東急車輛公司從美國引進不銹鋼車體技術，并于1962年生產了7000系全不銹鋼車。我國在1987年由原長春客車廠采用太原鋼鐵公司的0Cr18Ni9材料制造了2輛RW2型不銹鋼車，1998年又與韓國合作生產了30輛不銹鋼客車。鑒于不銹鋼材料具有強度高、延展性良好、耐腐蝕性能和耐熱性能優異、無需涂裝等優點，歐美地區大部分地鐵和鐵路客車均采用不銹鋼車體，而我國CRH1型動車組也采用了不銹鋼車體結構。

表1 SUS301L不銹鋼的調質分類與車體結構中主要應用部位

2.3 鋁合金車體結構

鋁合金車體結構和制造工藝的演變歷程如圖1所示。鋁合金車體與不銹鋼車體的研發時間基本同步。初期的鋁合金車體結構與鋼制(碳鋼)車體結構相似，分別采用A5083合金(Al-Mg系)和A6061合金(Al-Mg-Si系)制成外板和小型骨架，各部件之間采用焊接接合，車體結構則采用鉚接技術進行組成。雖然車體實現了減重，但車體結構剛度較低，于是開發了A7N01合金和A7003合金(Al-Zn-Mg系)。這類合金強度高、焊接性能好且具有優異的擠壓性能。因此，車體的部分外板和骨架可設計制成一體的擠壓型材，并采用MIG焊和點焊形成薄型材的單殼車體結構。不過Al-Zn-Mg系鋁合金存在應力腐蝕裂紋的問題，且價格較高，大量使用會導致制造成本的增加。在這種情況下，既有較高強度，又具有可加工性、焊接性能的A6N01(Al-Mg-Si系)鋁合金得以開發應用。這種合金通過擠壓加工成型材，同時采用自動化焊接技術，應用在車體底架及上部結構中。隨著鋁合金制造技術的發展，目前輕量化鋁合金車體結構采用了大型中空擠壓型材，這使得車體結構具有雙層外殼結構，不僅減少了零部件數量、易于實現自動化、降低了制造成本，同時也改善了車體剛度、保溫、降噪等性能。1991年由英國焊接研究所研發出了攪拌摩擦焊(FSW)——一種通過焊接工具高速旋轉摩擦、攪拌實現的新型固相連接技術。這種技術不僅避免了MIG焊焊縫區易產生裂紋、氣孔等缺陷，而且具有焊接區域力學性能良好、焊接變形小、尺寸精度高等優點。1997年日本HITACHI公司率先將FSW技術應用在鋁合金車體結構部件的制造領域。目前FSW焊已廣泛應用于鐵路車輛車體結構的生產制造中，我國新一代的中國標準化動車組"復興號"高速列車中也采用了攪拌摩擦焊技術，涉及的部件有車鉤座板、連接板、隔墻、底板和裙板等[5]。

1896年法國率先將鋁合金用于鐵路客車車窗上。1905年英國鐵路電動車的外墻板采用了鋁合金材料。1933年芝加哥展出了最初的2輛全鋁合金干線鐵路客車。1952年倫敦地鐵電車最早批量生產鋁合金車輛。20世紀60年代以來，德國科隆、波恩鐵路的市郊電動車組也相繼采用了鋁合金車體。日本從1962年的山陽電鐵2000系開始采用鋁合金車體。我國最早于1997年由原長春客車廠自購德國型材，并手工焊接了國內第一輛鋁合金車體。發展至今，我國就鋁合金車體的研發已形成譜系化產品平臺，現有大部分高速鐵路客車和城軌車輛車體都采用了鋁合金材料，如復興號高速列車、長沙磁浮快線等。

圖1 鋁合金車體結構和制造工藝的演變歷程

3 新型輕量化材料的研究與應用

傳統車體結構材料在面對風沙、高寒、高海拔等惡劣環境時，難以滿足更高的舒適安全、節能環保等要求。不銹鋼車體存在氣密性差、局部屈曲、表面劃傷難處理等問題；鋁合金車體存在應力腐蝕、疲勞強度低、低溫脆性等缺陷，同時現有資源也在日益枯竭，因此急需新型輕量化材料和先進生產制造工藝以實現全面可持續發展。

3.1 納米組織控制鋁合金[6-7]

鋁合金是由基礎元素鋁、主加元素(硅、銅、鎂、鋅、錳)和輔加元素(鎳、鈦、鉻、鐵、鋰)組合而成。納米組織控制鋁合金是通過對鋁合金金屬組織進行納米級控制，以提升鋁合金的強度，從而采用結構薄壁化設計以實現車體結構輕量化。

3.1.1納米組織控制鋁合金強度的提升

研究選用鋁合金車體常用的A6N01鋁合金和A7N01鋁合金，分別將兩種鋁合金材料進行鑄造處理、固溶處理、固溶處理+時效處理、固溶處理+軋制加工及納米組織控制處理。通過對比強度發現，采用納米組織控制的鋁合金材料的0.2%屈服強度及最大拉伸強度相比于普通處理的材料均有所增加。利用電子顯微鏡觀察金屬組織，發現很多晶粒直徑小于1 μm，由此可見通過納米組織控制方法不僅能使析出物微細化，同時晶粒的大小也可微細化到納米級別。

3.1.2納米組織控制鋁合金其他特性的改善

對于納米組織控制鋁合金的焊接性能，研究選用A6N01普通鋁板和經過納米組織控制的薄板進行FSW焊，通過觀察斷面金屬組織，可以看到普通鋁板的焊縫區域存在明顯的接合缺陷，而納米組織控制鋁合金薄板的焊接區域則沒有缺陷，實現良好的接合，如圖2所示。分析認為這是由于納米組織控制改善了材質的延展性。

由于高強度材料在施加應力的狀態下腐蝕易擴展，從而形成應力腐蝕裂紋。因此，研究選用易產生應力腐蝕的A7075鋁合金普通板材和對其進行納米組織控制的薄板，分別進行應力腐蝕裂紋試驗。將板材試樣浸漬在鹽水后，施加彎曲載荷，板材試件的中心則是負載應力最高區域。通過觀察發現，普通板材由于性能上的欠缺導致了氣孔的產生，而納米組織控制材料并未發生腐蝕現象，如圖3所示。

圖2 A6N01普通鋁板與經過納米組織控制薄板的攪拌摩擦焊接截面金屬組織

圖3 應力腐蝕裂紋試驗后的普通板材和經過納米組織控制薄板的外觀比較

3.2 阻燃鎂合金

鎂合金是目前工程應用中密度最小的金屬結構材料，具有儲藏豐富、高比強度、高比剛度、減振性能良好、電磁屏蔽性好、可回收利用等優點。

3.2.1阻燃鎂合金的性能研究[8-9]

鎂合金是活潑金屬，為了提高其阻燃性，將普通鎂合金材料中鈣的成分增加1%，同時為了易于制造和提高強度，又分別將鋅和鋁的成分增加1%和6%，這樣得到的阻燃鎂合金(Mg-6Al-Zn-Ca合金，簡稱AZX611)的彈性極限及拉伸強度不低于A6N01鋁合金。此外，研究發現在阻燃鎂合金的試制中，制造過程受大氣條件的影響很大，而采用真空鑄造工藝能夠制作出不產生缺陷、質量優良的阻燃鎂合金。

鎂合金的耐腐蝕性與鎂合金的純凈度有密切的關系，除Bi和Ca等少數有益的雜質外，其他大多數的雜質都會降低鎂合金的耐腐蝕性能。因此，可選用高純度的原材料、優化熔煉工藝及鎂合金熔體純凈化法以提高鎂合金的純凈度，同時采用高性能鎂合金擠壓加工技術、鎂合金高效短流程成形技術等可有效改善鎂合金耐腐蝕性，提高鎂合金產品性能及生產效率。

對于阻燃鎂合金的焊接性能，研究人員分別采用TIG焊和FSW焊工藝對AZX611鎂合金軋制板材進行焊接加工。在TIG焊接過程中沒有起火，且焊接部位良好，這說明只要條件適當，TIG焊可用于阻燃鎂合金的焊接。利用光學顯微鏡觀察其斷面組織，發現在焊縫熱影響區域有粗大晶粒。在TIG焊接材料的拉伸試驗中，焊縫熱影響區有斷裂現象，且焊接效率在70%左右。在對AZX611鎂合金軋制板材進行FSW焊接后，在接合部位中心出現金屬組織塑性流動形成的"洋蔥環"，通過觀察發現FSW焊接接合部位斷面攪拌層呈現微細化，從而引起明顯硬化，這是由于FSW焊時機械截斷和動態再結晶所致。在FSW焊接材料的拉伸試驗中，其斷裂強度和母材基本一致，且接頭穩定性達到90%以上。

3.2.2阻燃鎂合金的應用

法國TGV Duplex雙層高速列車座椅采用了鎂合金座椅，與原有鋁合金座椅相比每個雙人座椅由36 kg減到30 kg，列車使用鎂合金的座椅總數量超過了45 000 個。日本新干線N700系列高速列車座椅骨架也采用了鎂合金，包括座椅扶手、中央支撐架、底墊、底座、扶手座、背靠等，如圖4和圖5所示[10]。

3.3 高性能復合材料

復合材料是由基體材料和增強材料通過復合而成的新型材料，其性能優于構成該復合材料中的任意單一材料的性能。復合材料車體具有如下特點：(1)良好的設計性，研發人員可從選材、結構形式、制造工藝等方面全方位統籌進行結構設計；(2)采用整體成型工藝，減少零件和緊固件數量，縮短生產周期，控制生產成本；(3)實現車體輕量化，從而減少列車運行時對軌道、輪對及軸承的磨耗，提高列車的抗振性和防噪性；(4)復合材料輕質高強，有良好的耐腐蝕、抗疲勞、抗沖擊等性能，從而延長車輛使用壽命，降低維修成本。

圖4 鎂合金座椅骨架

圖5 組裝完成的鎂合金座椅

圖6為復合材料在國外軌道車輛車體結構應用的示例[11-12]。(1)英國Intercity 125型機車司機室的前端采用層壓GFRP板包覆聚氨酯泡沫芯構成夾層結構，整體總質量較傳統鋼制件減輕30%～35%，同時能承受0.9 kg方鋼塊以300 km/h速度的沖擊；(2)法國雙層TGV客車采用蜂窩夾層復合材料和真空袋壓固化成形工藝，通過線路運行試驗，證實了復合材料車體在振動性能、透聲性能和絕熱性能等方面優勢；(3)瑞士Schindle Waggon公司采用纖維纏繞技術制造的泡沫夾芯三明治結構FRP鐵路車體，與鋁合金車體相比，車體結構減重20%～25%，且可實現制造高度自動化，使車體輔助構件數目大大減少；(4)瑞典斯德哥爾摩C20 FICA地鐵的側墻、車頂和地板均采用不銹鋼面板和聚甲基丙烯酰亞胺泡沫芯材三明治結構。側墻總厚度減少了120 mm，增大客室內部空間；(5)日本N700系高速列車車頂采用碳纖維增強塑料制成，使得車體具有較高氣密強度和較低的重心，每節車廂可減重300～500 kg；(6)韓國TTX擺式列車車體采用了復合材料車體與不銹鋼底架混合設計理念，車體的車頂、側墻和端墻由三明治夾芯復合材料制成，底架結構則采用不銹鋼SMA490B。通過試驗證明，車體結構的靜強度、疲勞強度、模態特性、耐火性能等各項指標均滿足設計要求。

圖6 復合材料在國外軌道車輛車體結構的應用

我國就復合材料在軌道交通領域的應用研究相對較晚，但已完成零部件和次承載結構的研制與應用，例如司機室頭罩、裙板、受電弓導流罩、內飾板等，如圖7所示。中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的標準動車組CFRP設備艙采用模塊化設計結構，如圖8所示，相對于鋁合金結構，CFRP設備艙減重35%，可承受振動、地面效應及風沙沖擊和高溫、高濕、風雪侵蝕，各項指標滿足350 km/h運營要求[11]。在第四屆中國(長春)軌道交通博覽會上，由中車長春軌道客車股份有限公司研制的新一代地鐵列車和武漢東湖“光谷量子號”有軌電車首次亮相，如圖9所示。這兩款列車均采用碳纖維復合材料車體，實現了列車輕量化設計。其中武漢東湖“光谷量子號”設計時速為80 km/h，最高可容納368人。2018年9月在德國柏林舉行的國際軌道交通技術展(InnoTrans 2018)上，中車青島四方機車車輛股份有限公司正式發布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”，如圖10所示。中車青島四方機車車輛股份有限公司副總工程師丁叁叁介紹，“新一代地鐵車輛實現了碳纖維復合材料在車體、轉向架構架、司機室等車輛主承載結構上的全面應用，特別是成功突破了碳纖維大型復雜件結構設計、制造成型等關鍵技術，使車輛大幅‘瘦身’。與傳統金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設備艙分別減重30%以上，轉向架構架減重40%，整車減重13%。”

圖7 國內復合材料應用實例

圖8 標準動車組CFRP設備艙各構件

圖9 中車長春軌道客車股份有限公司研制的新一代地鐵列車和“光谷量子號”有軌電車

圖10 中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”

4 結束語

隨著全球軌道交通市場的競爭日益加劇，傳統車體結構材料在車輛輕量化設計、降低生產成本等方面都遇到了瓶頸。而新型輕量化結構材料在軌道車輛領域的應用已展示了其輕質高強、良好設計性能等優勢。由此可見，新型輕量化結構材料在軌道車輛的運用不僅能夠滿足可持續發展地需求，同時也是未來技術發展的必然趨勢。

為了更有效地進行各種新型輕量化材料的應用研究，研發人員應積極總結并借鑒以往的設計制造經驗；開展積木式創新，研制自主知識產權產品；通過產學研用一體化，建立相關的設計、制造、檢驗標準及質量評價體系，以此全面推動新型輕量化材料在軌道交通領域的革命性發展。