铁道车辆用耐大气腐蚀钢的现状及研发方向

 

0 前言

 

随着钢铁技术的进步及铁道车辆高速、重载、低成本要求的不断提高 , 铁道车辆的车体材料经历了低强度普通碳钢→低强度耐大气腐蚀钢→高强度耐大气腐蚀钢的变化。铝合金及高合金耐蚀钢 , 如低碳铁素体不锈钢 TCS, 也得到部分应用。

 

我国在 1990 年前采用的是普通碳钢 , 如 Q235,A3 钢等。由于其耐蚀性不足 ,1990 年后被低强度级别的耐大气腐蚀 钢 取 代 , 如 09CuPTiRE,09CuPCrNi 等, 其屈服强度为 350MPa 左右。2001 年后 , 为适应货运车体高速重载的设计要求 , 开始采用新一代高强度耐大气腐蚀钢 Q450NQR1。

 

铝及其合金材料在大气环境下的耐蚀性良好 , 但强度较低 , 且通常采用铆接而不是焊接的方法 , 多应用于专用货车。2003 年开始 , 我国用铝合金制造的铁路专用运煤敞车已经投入使用 , 型号为 C80, 载重达 80t, 自重仅 20t。目前已制造了 6000 多辆 , 主要用于大同—秦皇岛之间的运煤专线。铝合金制作的车辆由于中梁等承载部件和铆接材料（ 铆钉 ） 等仍需使用钢铁材料 , 在车体铆接部位存在严重的电偶腐蚀问题。？

 

目前 , 南非、澳大利亚和英国的铁路货车车辆用钢均为 TCS 不锈钢 , 其耐腐蚀性能远优于耐候钢。TCS 不锈钢的成本相对于高强耐候钢高出约 50%, 同时 ,其高合金含量 , 导致焊接过程中不可避免地产生微小裂纹 , 影响运行可靠性。

 

2004 年我国使用 TCS 不锈钢制造的铁路货车车体也存在焊接裂纹及热影响区韧性偏低的问题。针对上述问题 , 铁道部提出重新使用耐大气腐蚀钢的要求 , 但必须进一步提高耐大气腐蚀性能。本文介绍了铁道车辆用耐大气腐蚀钢的发展及应用现状、市场需求及研究开发方向。

 

1 应用现状和市场需求

 

1.1铁道车辆用耐大气腐蚀钢的发展和应用现状

 

耐大气腐蚀钢亦称耐候钢 , 其发展和应用是从铁道车辆开始的。美国 USS公司在 1934 年研制出 Corten 耐候钢 ,并用于制造漏斗车。我国从 1961 年开始研制耐候钢 , 并在 1969 年尝试用于铁路货车的制作。到目前为止 , 已经研制了一系列的耐大气腐蚀钢 , 除用于铁道车辆外 , 还广泛应用于集装箱、桥梁、工程机械及户外塔架等领域。近年来铁道车辆使用较多的耐大气腐蚀钢有295MPa 级 的 09CuPTiRE、345MPa 级 的09CuPCrNi（ 表 1）。随着铁路高速重载要求的提出 , 更高强度的 Q450NQR1 获得广泛应用。？

 

铁道车辆的设计寿命为 25 年 , 希望在此期间车体的力学性能得到保证 ,不需要进行钢板截换。对铁路货车腐蚀、磨损状况的调查发现 , 目前车辆所使用的耐候钢材料尚不能满足要求 , 因此铁道部提出新研制的耐候钢的耐大气腐蚀性能在目前基础上提高一倍的目标要求。Q450NQR1 钢虽然强度足够 , 但耐腐蚀性能 （ 表 2） 仍无法满足使用要求。

 

国外的铁道车辆用钢基本上是在Corten 钢基础上衍化而来的。虽然这些钢在强度、低温韧性等方面有所改善 ,但耐大气腐蚀性能仍处于普通耐候钢水平。日本开发了高Ni和高Cr系列耐候钢，这些钢种在保持高强度的同时具有高的耐候性能。高 Cr 系列耐候钢的生产技术已申请了大量专利 , 其 Cr 质量分数为 2%~13%。具报道 , 这个系列耐候钢除了适用于建筑结构外 , 还适用于高湿热大气、土壤和高腐蚀环境。城市供水系统、混凝土、海水腐蚀等领域 , 但未见有应用于铁道车辆的报道。而高 Ni 系列耐候钢主要为桥梁用钢。

 

 

 

日本新干线列车采用 Cu-P 系的Yaw-Ten50 钢 , 车辆自重降低了 7%;油罐车使用耐候钢制造后自重降低了22%, 载重量同时增加了 5t。

 

印度的铁道车辆主要采用仿Corten-A 的 Sailcor-A 系列耐候钢。德国和瑞典广泛使用 Cu-P-Cr-Ni 系或Cu-P-Cr 系耐候钢制造车辆。其中瑞典钢铁公司研制的 Domex 系列耐候钢主要用于集装箱制造 , 屈服强度从 500MPa到 700MPa。

 

图1 近年来我国铁路运输的发展

 

图2 近年来我国铁路总投资及车辆购置费用情况

 

图3 我国近年来铁路营业里程的增长

 

1.2市场需求

 

铁道车辆用钢的市场取决于铁路的发展 , 并与经济发展密切相关。随着我国国民经济的持续快速增长 , 铁路旅客发送量及货物周转量大幅度增加 （ 图 1）为缓解铁路运输的巨大压力 , 近年来我国的铁路投资及车辆购置费用持续增加（ 图 2）。截至 2008 年 , 我国铁路客车保有量达 45076 辆、货车 591793 辆 ,铁路营业里程 79687km（ 图 3）， 相当于每公里铁路拥有客车 0.566 辆、货车7.42 辆。今明两年 , 我国每年新增铁路5000km, 从 2010 年到 2020 年 , 每年新增铁路 3000km。

 

与国外相比 , 我国单位公里所拥有的客货车数量还远不能满足经济发展的需要 . 据此推算 , 未来十年内 , 我国每年新造客车约3500辆，货车约40000辆。每年消费的耐候钢板卷在 35 万 t 以上。

 

2 研究开发方向

 

从实际情况看 , 使用耐候钢仍是铁道车辆的主要趋势 , 但需要进一步提高强度及耐腐蚀性能。目前 , 铁道部科学研究院金属及化学研究所也提出了重新使用中、低合金耐候钢的建议 , 要求新型耐候钢的耐蚀性能相对传统高耐候钢提高一倍 , 即相对腐蚀率在 25% 以下（ 规定传统高耐候钢相对普碳钢的腐蚀率≤ 55%）， 其力学性能等各项指标与传统高耐候钢相当。所以 , 高耐蚀性、高强度及低成本是铁道车辆用钢的主要发展方向。

 

2.1高耐蚀性耐候钢的开发

 

铁路货车应用过程中不断受到大气环境腐蚀和动载荷磨蚀。恶劣的应用环境 , 迫使要求所使用的钢材具有高耐蚀性。我国普遍采用耐候钢制造铁道车辆，但是耐大气腐蚀性能 （ 相对腐蚀率、试验室加速腐蚀试验性能 ） 目前只能达到普通结构钢的两倍左右 , 即使配合涂漆 , 还是无法彻底解决钢板在使用过程中的锈蚀问题。国外虽采用不锈钢代替耐候钢制造铁道车辆 , 但成本高 , 同时还有焊接、加工等应用技术问题需要解决。因此 , 开发一种耐腐蚀性能在目前耐候钢的基础上再提高一倍，并且具有优良的低温韧性和优良的焊接性能的耐候钢 , 成为研究人员的主要任务。

 

2.2高强度铁道车辆用耐候钢的开发

 

减轻车辆自重的有效措施之一就是采用高强度铁道车辆用钢。以敞车为例 , 美国一般车辆的自重系数为0.30 左右。据报道 , 新研制的载重为110.2 ～ 122.8t 的敞车 , 自重系数达到0.18。我国 C64 型主型敞车 , 载重 61t,自重系数为 0.366。因此 , 开发高强度铁道车辆用耐候钢也是研究人员的主要任务。高强度耐候钢的开发还要考虑用户的使用问题及焊接、低温冲击、冷弯加工等问题。

 

2.3 低成本铁道车辆用耐候钢的开发

 

采用低成本钢材是降低铁路运营成本的有效途径之一。进行耐大气腐蚀的机理分析 , 通过合金成分调整及工艺改善 , 开发性能优良的低成本耐候钢产品成为耐候钢研究开发的一个发展趋势。

 

3 结语

 

随着铁路行业的新一轮大发展 , 预计到 2020 年我国铁路营业里程将达到12 万 km, 其中复线占 50%。随着铁路装备现代化 , 需要生产各类机车、客车、货车和动车组等运输设备 , 铁道车辆用耐大气腐蚀钢的市场前景非常广阔。

 

我国目前使用的铁道车辆用耐候钢最高强度为 450MPa 级 , 其耐腐蚀性能按照试验测算只有普碳钢的 2 倍左右。所以开发强度更高、耐腐蚀性能更好的低成本耐候钢十分迫切。