鞍鋼鐵路貨車車體用鋼研發(fā)歷程

郭曉宏 ，劉志偉 ，張瑞琦 ，邢津銘 ，金澤宏 ，孫傲

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司產(chǎn)品制造部，遼寧鞍山114021；3.鞍鋼股份有限公司市場(chǎng)營(yíng)銷中心，遼寧鞍山114021）

根據(jù)2017年鐵路統(tǒng)計(jì)公報(bào)，全國(guó)鐵路貨車擁有量為79.9萬(wàn)輛，機(jī)車擁有量為2.1萬(wàn)臺(tái)，鐵路客車擁有量為 7.3 萬(wàn)輛，動(dòng)車組 2 935 組、23 480 輛[1]。 作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈、國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)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(guó)鐵路貨車中，敞車是鐵路運(yùn)輸中的主型車輛，約占貨車總數(shù)的60%以上,承擔(dān)著全路大部分貨運(yùn)量[2]。敞車是一種具有車墻而無(wú)車頂?shù)能囕v，是當(dāng)前鐵路貨車中數(shù)量最多，用途最廣的車型。敞車在露天工作，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)受陽(yáng)光、雨雪和各種腐蝕性介質(zhì)的作用，敞車車體及其它部件極易發(fā)生腐蝕，特別是在運(yùn)煤貨車底部酸性腐蝕介質(zhì)環(huán)境，車底腐蝕強(qiáng)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(fèi)用增加,還影響鐵路的正常運(yùn)輸和行車安全。

鐵路貨車車輛的基本構(gòu)造由車體、車底架、走行部（轉(zhuǎn)向架）、車鉤緩沖裝置和制動(dòng)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(chǔ)，車體以鋼結(jié)構(gòu)或輕金屬結(jié)構(gòu)為主。

近年來(lái)，鐵路貨車的技術(shù)發(fā)展側(cè)重于“重載與快捷”，以滿足貨物運(yùn)輸重載、快運(yùn)和安全的要求。降低車輛自重是增加載重量，提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑之一。因而，車體輕量化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，推動(dòng)了車體材料用鋼的升級(jí)換代。文中主要針對(duì)車體材料部分進(jìn)行討論。

1 鐵路貨車車體用鋼研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外

早在1900年，歐美的科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)銅可以改善鋼在大氣中的耐腐蝕性能。30年代美國(guó)的U.S.Steel公司研制成功了耐腐蝕高抗拉強(qiáng)度的含銅低合金鋼—Corten鋼，抗拉強(qiáng)度比普通鋼提高了40%。在應(yīng)用中人們發(fā)現(xiàn)Corten鋼的耐腐蝕性能優(yōu)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(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究開發(fā)高強(qiáng)度、高耐蝕性、高韌性、高性價(jià)比的新型耐候鋼。如美國(guó)新一代高性能耐候鋼HPS70W，韓國(guó)Ca-Ni系列耐海洋性大氣腐蝕鋼；日本鋼鐵公司570～780 MPa級(jí)別的超細(xì)晶高強(qiáng)度耐海洋環(huán)境大氣腐蝕鋼及瑞典鋼鐵SSAB的Domex系列耐候鋼產(chǎn)品。熱軋耐候鋼 Domex系列包括 Domex355W、Domex550W和Domex700W共3個(gè)牌號(hào)，這類鋼具有較低的C和Mn含量，添加了細(xì)化晶粒的微合金元素Nb、Ti和V，采用熱機(jī)械軋制工藝生產(chǎn)，不僅具有高強(qiáng)度、高耐蝕性，還具有良好的成型和焊接性能。

1.2 國(guó)內(nèi)

鐵路貨車用鋼主要經(jīng)歷了碳素鋼、低合金鋼、耐候鋼、高強(qiáng)度耐候鋼、高強(qiáng)耐蝕鋼等幾個(gè)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(zhǎng)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(fā)展方向。

20世紀(jì)60年代，我國(guó)開始進(jìn)行耐候鋼的研究，1965年試制出09MnCuPTi耐候鋼，并研制出我國(guó)第一輛耐候鋼鐵路貨車。此外，結(jié)合我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)又先后開發(fā)出了鞍鋼集團(tuán)的08CuPVRE系列、武鋼集團(tuán)的09CuPTi系列、濟(jì)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(qiáng)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(lián)合寶鋼、鞍鋼、武鋼等企業(yè)開發(fā)了 450 MPa級(jí)的 Q450NQRl高強(qiáng)度耐候鋼，并廣泛用于70 t、80 t級(jí)貨車制造，為貨車增加載重提供了條件。由于大量使用高強(qiáng)度鋼材，車體輕量化后，隨著結(jié)構(gòu)材料厚度的減少，對(duì)腐蝕破壞的敏感度大大增強(qiáng)。Q450NQRl在車輛上使用后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足了70 t級(jí)貨車發(fā)展要求，但耐腐蝕性能與 09CuPTiRE、09CuPCrNi相比，并沒(méi)有明顯提高，難以滿足大軸重貨車進(jìn)一步延長(zhǎng)檢修周期的發(fā)展要求，耐腐蝕性仍不能滿足鐵路車輛設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼制造了C80型和C80B型運(yùn)煤專用敞車，并投入大秦線使用。但是鋁合金存在價(jià)格高、電偶腐蝕嚴(yán)重的問(wèn)題，而不銹鋼存在焊接和加工等應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，所以從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，高強(qiáng)度耐候鋼仍是鐵路車輛用鋼的主要趨勢(shì)。

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(xiàn)有產(chǎn)品提高了50%。2012年為了滿足不斷變化的市場(chǎng)要求，鞍鋼加快了技術(shù)研發(fā)的步伐，積極進(jìn)行拓展創(chuàng)新，成功研發(fā)出了新型耐蝕鋼S450AW。鞍鋼自主研發(fā)的此項(xiàng)新產(chǎn)品，突破了中國(guó)鐵道貨車近50年停留在耐大氣腐蝕的設(shè)計(jì)思維，樹立了鐵道運(yùn)煤敞車底部酸性介質(zhì)腐蝕設(shè)計(jì)的全新理念。

2 鐵路貨車車體材料及性價(jià)比適應(yīng)性分析

腐蝕是金屬和周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的一種破壞性侵蝕，金屬的腐蝕是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程，金屬材料的腐蝕是金屬設(shè)備和構(gòu)件破壞的重要形式之一，腐蝕問(wèn)題遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。

2014年我國(guó)調(diào)查結(jié)果指出：我國(guó)各行業(yè)腐蝕總成本占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP的3.34%。總額超過(guò)2.1萬(wàn)億人民幣，相當(dāng)于每個(gè)中國(guó)人當(dāng)年承擔(dān)多于1 555元的腐蝕成本。2016年3月，國(guó)際腐蝕界的權(quán)威機(jī)構(gòu)——美國(guó)腐蝕過(guò)程協(xié)會(huì)（NACE）根據(jù)全球腐蝕調(diào)研項(xiàng)目IMPACT，公布了最新腐蝕調(diào)查結(jié)果：全球腐蝕成本估算為2.5萬(wàn)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(guī)模使用，而且不銹鋼的力學(xué)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(yīng)運(yùn)而生，耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼，通過(guò)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(tài)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(fā)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(qiáng)度，且鋁合金的材料密度約為鋼材的1/3，對(duì)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(jié)構(gòu)重量減輕的同時(shí)，其剛度也與之成比例下降，故鋁合金材料不能用作結(jié)構(gòu)主要承載件。因此，C80型鋁合金車輛的主要承載結(jié)構(gòu)——底架不得不采用高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼，鋁合金材料與鋼質(zhì)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(yáng)極，并在電解時(shí)溶解為金屬離子，使得材料很快發(fā)生電腐蝕。從大秦線運(yùn)行的實(shí)際車輛情況看，鋼鉚釘周圍有電偶腐蝕斑點(diǎn)，端墻、側(cè)墻處有大量白色斑點(diǎn)的點(diǎn)腐蝕；此外，鋁合金材料價(jià)位過(guò)高也是推廣的難點(diǎn)。

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(xiàn)裂紋，次年10月沖擊座處的連接板、端板及牽引梁處出現(xiàn)焊縫及連接板本體裂紋。在焊接熱循環(huán)的作用下導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大是鐵素體不銹鋼焊接后的最主要特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭粗晶區(qū)韌性下降和耐腐蝕性能下降。因?yàn)殇撝械奶寂c鉻結(jié)合形成碳化鉻，焊接時(shí)在晶界析出導(dǎo)致晶界附近貧鉻，容易發(fā)生晶界腐蝕。一旦發(fā)生晶界腐蝕，會(huì)降低材料的耐應(yīng)力腐蝕性能，在拉伸應(yīng)力的共同作用下發(fā)生擴(kuò)展，使金屬晶粒之間的結(jié)合力降低，表面缺口向更深處或沿晶間擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋。鐵素體不銹鋼能自鈍化，而Q450NQRl高強(qiáng)耐候鋼在溶液中不能自鈍化，一直處于活性溶解狀態(tài)，也就是說(shuō)，異種鋼材接頭會(huì)加速Q(mào)450NQRl高強(qiáng)耐候鋼的腐蝕。因此，不銹鋼的焊接及與Q450NQRl高強(qiáng)度耐候鋼接觸部位的焊接質(zhì)量，直接影響不銹鋼的推廣應(yīng)用。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，鐵道車輛用鋼仍然以鋼鐵材料為主，在具有較高強(qiáng)度及內(nèi)外在質(zhì)量的同時(shí)，具備更高的耐腐蝕性、優(yōu)良的焊接及加工性能（壓延性、成型性）。

3 鞍鋼S450AW關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究

3.1 S450AW設(shè)計(jì)理念

鞍鋼新型耐蝕鋼S450AW設(shè)計(jì)理念是根據(jù)原鋼板在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在保持接口關(guān)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(yōu)化耐腐蝕設(shè)計(jì)，最終使整車的防腐性能得到提高。

3.2 S450AW研制目標(biāo)

（1）針對(duì)運(yùn)煤貨車底部及側(cè)墻下部腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)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(dāng)。

（2）強(qiáng)度級(jí)別為450 MPa，不改變現(xiàn)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(dāng)。

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

3.3 S450AW各項(xiàng)性能

3.3.1 優(yōu)異的焊接性能

采用TH550-NQ-Ⅱ氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲對(duì)S450AW試驗(yàn)鋼板進(jìn)行焊接，并對(duì)焊后接頭的組織和綜合力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接接頭低溫韌性良好，-40℃沖擊功實(shí)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(yàn)結(jié)果見圖1。硬度檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，焊接接頭各個(gè)位置的硬度整體水平不高，且各個(gè)區(qū)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(yàn)結(jié)果

圖2 焊接接頭硬度檢驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 優(yōu)異冷成型性能

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

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

利用成品廠現(xiàn)有的壓型模具，對(duì)厚度規(guī)格為5 mm的S450AW鋼板進(jìn)行側(cè)開中門及小門壓型試驗(yàn)。壓型件成型質(zhì)量良好，尺寸符合技術(shù)要求，經(jīng)外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、起皺等缺陷。

壓型試驗(yàn)前在鋼板上涂上預(yù)置網(wǎng)格，測(cè)量區(qū)域見圖3，然后用德國(guó)進(jìn)口軟件進(jìn)行FLD成型應(yīng)變分析，見圖4、圖5和圖6。在產(chǎn)品中門測(cè)量區(qū)域內(nèi)最小成型極限值為19.0%（目標(biāo)值大于15%），最大厚向減薄率為14.4%（目標(biāo)值小于25%）；因此，該零件成型結(jié)果安全可靠。

圖3 中門測(cè)量區(qū)域

圖4 鋼板表面應(yīng)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(yōu)異的耐磨性能

對(duì)S450AW、Q450NQR1和Q345B三種材料進(jìn)行了初步的磨損實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：磨銷轉(zhuǎn)速r=200 r/min，磨損時(shí)間 t=10 min，載荷 P=80～160 N，對(duì)磨副為GCr15鋼，在上述條件下，分別對(duì)三種材料的磨損量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見圖7。

圖7 三種材料磨損率隨外加載荷的變化關(guān)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(shí)，Q345B磨損率高于S450AW和Q450NQR1，當(dāng)載荷較小時(shí)，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(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性能。

3.3.4 優(yōu)異的耐腐蝕性能

分別將S450AW、Q450NQR1、S450EW鋼裝入電解池進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試它們?cè)?.01 mol/L NaHSO3溶液中的開路電位變化曲線及極化曲線，結(jié)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(shè)定的溫度和濃度下，進(jìn)行全浸泡試驗(yàn)，用失重法評(píng)價(jià)金屬腐蝕情況，結(jié)果表明，S450AW耐腐蝕性能同樣優(yōu)于Q450NQR1、S450EW鋼，三種鋼的相對(duì)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(duì)腐蝕速率比較

通過(guò)SEM觀察上述試樣，見圖10，S450AW銹層致密，連續(xù)性好，提高了銹層對(duì)鋼的附著力，細(xì)化銹層顆粒，增強(qiáng)鋼基體與水和空氣的隔絕作用，抑制氧氣和水的供給；對(duì)基體有很好的保護(hù)作用，有效地阻止了腐蝕介質(zhì)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(xié)同作用改變了銹層性質(zhì)，完整、致密的腐蝕產(chǎn)物對(duì)基體金屬有保護(hù)作用，而不連續(xù)、疏松的腐蝕產(chǎn)物則容易導(dǎo)致垢下腐蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鐵路發(fā)展離不開先進(jìn)的鋼鐵材料，隨著對(duì)鋼鐵材料性能要求的日益苛刻，選材設(shè)計(jì)及服役行為是軌道交通制造的核心。

（2）鞍鋼根據(jù)鐵路貨車腐蝕機(jī)理，從材料的實(shí)際使用和服役環(huán)境條件出發(fā)，通過(guò)分析失效過(guò)程，逆向研制新材料，設(shè)計(jì)的新材料耐腐蝕性能評(píng)價(jià)方法更加接近實(shí)際環(huán)境模擬條件。

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