鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的現(xiàn)狀及研發(fā)方向
0 前言
隨著鋼鐵技術(shù)的進(jìn)步及鐵道車輛高速、重載、低成本要求的不斷提高 , 鐵道車輛的車體材料經(jīng)歷了低強(qiáng)度普通碳鋼→低強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼→高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼的變化。鋁合金及高合金耐蝕鋼 , 如低碳鐵素體不銹鋼 TCS, 也得到部分應(yīng)用。
我國(guó)在 1990 年前采用的是普通碳鋼 , 如 Q235,A3 鋼等。由于其耐蝕性不足 ,1990 年后被低強(qiáng)度級(jí)別的耐大氣腐蝕 鋼 取 代 , 如 09CuPTiRE,09CuPCrNi 等, 其屈服強(qiáng)度為 350MPa 左右。2001 年后 , 為適應(yīng)貨運(yùn)車體高速重載的設(shè)計(jì)要求 , 開始采用新一代高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼 Q450NQR1。
鋁及其合金材料在大氣環(huán)境下的耐蝕性良好 , 但強(qiáng)度較低 , 且通常采用鉚接而不是焊接的方法 , 多應(yīng)用于專用貨車。2003 年開始 , 我國(guó)用鋁合金制造的鐵路專用運(yùn)煤敞車已經(jīng)投入使用 , 型號(hào)為 C80, 載重達(dá) 80t, 自重僅 20t。目前已制造了 6000 多輛 , 主要用于大同—秦皇島之間的運(yùn)煤專線。鋁合金制作的車輛由于中梁等承載部件和鉚接材料（ 鉚釘 ） 等仍需使用鋼鐵材料 , 在車體鉚接部位存在嚴(yán)重的電偶腐蝕問(wèn)題。？
目前 , 南非、澳大利亞和英國(guó)的鐵路貨車車輛用鋼均為 TCS 不銹鋼 , 其耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于耐候鋼。TCS 不銹鋼的成本相對(duì)于高強(qiáng)耐候鋼高出約 50%, 同時(shí) ,其高合金含量 , 導(dǎo)致焊接過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生微小裂紋 , 影響運(yùn)行可靠性。
2004 年我國(guó)使用 TCS 不銹鋼制造的鐵路貨車車體也存在焊接裂紋及熱影響區(qū)韌性偏低的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題 , 鐵道部提出重新使用耐大氣腐蝕鋼的要求 , 但必須進(jìn)一步提高耐大氣腐蝕性能。本文介紹了鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀、市場(chǎng)需求及研究開發(fā)方向。
1 應(yīng)用現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求
1.1鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
耐大氣腐蝕鋼亦稱耐候鋼 , 其發(fā)展和應(yīng)用是從鐵道車輛開始的。美國(guó) USS公司在 1934 年研制出 Corten 耐候鋼 ,并用于制造漏斗車。我國(guó)從 1961 年開始研制耐候鋼 , 并在 1969 年嘗試用于鐵路貨車的制作。到目前為止 , 已經(jīng)研制了一系列的耐大氣腐蝕鋼 , 除用于鐵道車輛外 , 還廣泛應(yīng)用于集裝箱、橋梁、工程機(jī)械及戶外塔架等領(lǐng)域。近年來(lái)鐵道車輛使用較多的耐大氣腐蝕鋼有295MPa 級(jí) 的 09CuPTiRE、345MPa 級(jí) 的09CuPCrNi（ 表 1）。隨著鐵路高速重載要求的提出 , 更高強(qiáng)度的 Q450NQR1 獲得廣泛應(yīng)用。？
鐵道車輛的設(shè)計(jì)壽命為 25 年 , 希望在此期間車體的力學(xué)性能得到保證 ,不需要進(jìn)行鋼板截?fù)Q。對(duì)鐵路貨車腐蝕、磨損狀況的調(diào)查發(fā)現(xiàn) , 目前車輛所使用的耐候鋼材料尚不能滿足要求 , 因此鐵道部提出新研制的耐候鋼的耐大氣腐蝕性能在目前基礎(chǔ)上提高一倍的目標(biāo)要求。Q450NQR1 鋼雖然強(qiáng)度足夠 , 但耐腐蝕性能 （ 表 2） 仍無(wú)法滿足使用要求。
國(guó)外的鐵道車輛用鋼基本上是在Corten 鋼基礎(chǔ)上衍化而來(lái)的。雖然這些鋼在強(qiáng)度、低溫韌性等方面有所改善 ,但耐大氣腐蝕性能仍處于普通耐候鋼水平。日本開發(fā)了高Ni和高Cr系列耐候鋼，這些鋼種在保持高強(qiáng)度的同時(shí)具有高的耐候性能。高 Cr 系列耐候鋼的生產(chǎn)技術(shù)已申請(qǐng)了大量專利 , 其 Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%~13%。具報(bào)道 , 這個(gè)系列耐候鋼除了適用于建筑結(jié)構(gòu)外 , 還適用于高濕熱大氣、土壤和高腐蝕環(huán)境。城市供水系統(tǒng)、混凝土、海水腐蝕等領(lǐng)域 , 但未見有應(yīng)用于鐵道車輛的報(bào)道。而高 Ni 系列耐候鋼主要為橋梁用鋼。
日本新干線列車采用 Cu-P 系的Yaw-Ten50 鋼 , 車輛自重降低了 7%;油罐車使用耐候鋼制造后自重降低了22%, 載重量同時(shí)增加了 5t。
印度的鐵道車輛主要采用仿Corten-A 的 Sailcor-A 系列耐候鋼。德國(guó)和瑞典廣泛使用 Cu-P-Cr-Ni 系或Cu-P-Cr 系耐候鋼制造車輛。其中瑞典鋼鐵公司研制的 Domex 系列耐候鋼主要用于集裝箱制造 , 屈服強(qiáng)度從 500MPa到 700MPa。
圖1 近年來(lái)我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展
圖2 近年來(lái)我國(guó)鐵路總投資及車輛購(gòu)置費(fèi)用情況
圖3 我國(guó)近年來(lái)鐵路營(yíng)業(yè)里程的增長(zhǎng)
1.2市場(chǎng)需求
鐵道車輛用鋼的市場(chǎng)取決于鐵路的發(fā)展 , 并與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng) , 鐵路旅客發(fā)送量及貨物周轉(zhuǎn)量大幅度增加 （ 圖 1）為緩解鐵路運(yùn)輸?shù)木薮髩毫?, 近年來(lái)我國(guó)的鐵路投資及車輛購(gòu)置費(fèi)用持續(xù)增加（ 圖 2）。截至 2008 年 , 我國(guó)鐵路客車保有量達(dá) 45076 輛、貨車 591793 輛 ,鐵路營(yíng)業(yè)里程 79687km（ 圖 3）， 相當(dāng)于每公里鐵路擁有客車 0.566 輛、貨車7.42 輛。今明兩年 , 我國(guó)每年新增鐵路5000km, 從 2010 年到 2020 年 , 每年新增鐵路 3000km。
與國(guó)外相比 , 我國(guó)單位公里所擁有的客貨車數(shù)量還遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要 . 據(jù)此推算 , 未來(lái)十年內(nèi) , 我國(guó)每年新造客車約3500輛，貨車約40000輛。每年消費(fèi)的耐候鋼板卷在 35 萬(wàn) t 以上。
2 研究開發(fā)方向
從實(shí)際情況看 , 使用耐候鋼仍是鐵道車輛的主要趨勢(shì) , 但需要進(jìn)一步提高強(qiáng)度及耐腐蝕性能。目前 , 鐵道部科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所也提出了重新使用中、低合金耐候鋼的建議 , 要求新型耐候鋼的耐蝕性能相對(duì)傳統(tǒng)高耐候鋼提高一倍 , 即相對(duì)腐蝕率在 25% 以下（ 規(guī)定傳統(tǒng)高耐候鋼相對(duì)普碳鋼的腐蝕率≤ 55%）， 其力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)與傳統(tǒng)高耐候鋼相當(dāng)。所以 , 高耐蝕性、高強(qiáng)度及低成本是鐵道車輛用鋼的主要發(fā)展方向。
2.1高耐蝕性耐候鋼的開發(fā)
鐵路貨車應(yīng)用過(guò)程中不斷受到大氣環(huán)境腐蝕和動(dòng)載荷磨蝕。惡劣的應(yīng)用環(huán)境 , 迫使要求所使用的鋼材具有高耐蝕性。我國(guó)普遍采用耐候鋼制造鐵道車輛，但是耐大氣腐蝕性能 （ 相對(duì)腐蝕率、試驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)性能 ） 目前只能達(dá)到普通結(jié)構(gòu)鋼的兩倍左右 , 即使配合涂漆 , 還是無(wú)法徹底解決鋼板在使用過(guò)程中的銹蝕問(wèn)題。國(guó)外雖采用不銹鋼代替耐候鋼制造鐵道車輛 , 但成本高 , 同時(shí)還有焊接、加工等應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題需要解決。因此 , 開發(fā)一種耐腐蝕性能在目前耐候鋼的基礎(chǔ)上再提高一倍，并且具有優(yōu)良的低溫韌性和優(yōu)良的焊接性能的耐候鋼 , 成為研究人員的主要任務(wù)。
2.2高強(qiáng)度鐵道車輛用耐候鋼的開發(fā)
減輕車輛自重的有效措施之一就是采用高強(qiáng)度鐵道車輛用鋼。以敞車為例 , 美國(guó)一般車輛的自重系數(shù)為0.30 左右。據(jù)報(bào)道 , 新研制的載重為110.2 ～ 122.8t 的敞車 , 自重系數(shù)達(dá)到0.18。我國(guó) C64 型主型敞車 , 載重 61t,自重系數(shù)為 0.366。因此 , 開發(fā)高強(qiáng)度鐵道車輛用耐候鋼也是研究人員的主要任務(wù)。高強(qiáng)度耐候鋼的開發(fā)還要考慮用戶的使用問(wèn)題及焊接、低溫沖擊、冷彎加工等問(wèn)題。
2.3 低成本鐵道車輛用耐候鋼的開發(fā)
采用低成本鋼材是降低鐵路運(yùn)營(yíng)成本的有效途徑之一。進(jìn)行耐大氣腐蝕的機(jī)理分析 , 通過(guò)合金成分調(diào)整及工藝改善 , 開發(fā)性能優(yōu)良的低成本耐候鋼產(chǎn)品成為耐候鋼研究開發(fā)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
3 結(jié)語(yǔ)
隨著鐵路行業(yè)的新一輪大發(fā)展 , 預(yù)計(jì)到 2020 年我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12 萬(wàn) km, 其中復(fù)線占 50%。隨著鐵路裝備現(xiàn)代化 , 需要生產(chǎn)各類機(jī)車、客車、貨車和動(dòng)車組等運(yùn)輸設(shè)備 , 鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的市場(chǎng)前景非常廣闊。
我國(guó)目前使用的鐵道車輛用耐候鋼最高強(qiáng)度為 450MPa 級(jí) , 其耐腐蝕性能按照試驗(yàn)測(cè)算只有普碳鋼的 2 倍左右。所以開發(fā)強(qiáng)度更高、耐腐蝕性能更好的低成本耐候鋼十分迫切。