问题讨论 铁道车辆 第４８卷第５期２０１０年５月 文章编号：１００２ ７６０２（２０１０）０５—００２９—０３ 铁路货车车体材料的发展与展望 汤楚强，李加良 （南车长江车辆有限公司产品研究所，湖北武汉４３０２１２） 摘 要：介绍了我国铁路货车车体材料的发展、新材料的应用、材料性能需求以及对新材料的展望。 关键词：铁路货车；车体材料；发展；展望 中图分类号：Ｕ２７２ 文献标识码：Ｂ 为满足货车重载、快运和安全的要求，降低车辆自 重是有效途径之一，也是我国铁路货车的发展方向。 １铁路货车车体结构用钢的发展 而车体轻量化设计必须对车体用材料进行优化。长时 ２０世纪５０年代至７Ｏ年代，我国钢材供给匮乏， 期以来，我国车体材料的品质制约着货车技术进步。 铁路车辆用钢长期采用Ｑ２３５普通碳素结构钢，规格 因此，期望我国钢铁工业加大科技投入，冶炼出更好的 杂乱，无标准尺码，导致生产时焊缝多，往往需要按照 钢材，提高铁路装备的性能，满足日益增长的国内和国 现有的中梁型钢类型与规格修改设计图纸，给生产和 际市场的需要。 维修带来困难。其后，开发了０９Ｍｎ２系列钢材，情况 略有好转。 收稿日期：２００９—１２～３１ ２０世纪８０年代后期，开发了屈服强度为２９５ 作者简介：汤楚强（１９６５一），男，高级工程师。 ＭＰａ的Ｃｕ—Ｐ合金系０９ ＣｕＰＴｉＲｅ耐候钢和屈服强度 工况一：６ ｍ集载６０ ｔ时，下盖板斜面上的工艺孔 央盖板连接处，小于该处材质（Ｑ３４５）在第一工况下的 处最大应力为１５０ ＭＰａ； 许用应力值（２１６ ＭＰａ）；同时在从板座上没有出现大 工况二：１０ ｍ集载９０ ｔ时，中腹板与枕梁腹板交 于Ｃ级钢许用应力值（１９５ ＭＰａ）的应力，地板、枕梁、 接处最大应力为１５９ ＭＰａ； 横梁和端梁等采用Ｑ２３５一Ａ材质的部位也没有出现 工况三：１４ ｍ集载１１０ ｔ时，中腹板与枕梁腹板交 大于Ｑ２３５一Ａ许用应力值（１６１ ＭＰａ）的应力。 接处最大应力为１５５ ＭＰａ。 因此，在各种载荷的组合情况下，该车小底架钢结 下盖板与地板的许用应力不超过１６ｌ ＭＰａ。 构静强度均能满足ＴＢ／Ｔ １３３５－－１９９６的使用要求。 因此，大底架在计算工况的最大当量应力均小于 其材料的许用应力值，满足ＴＢ／Ｔ １３３５－－１９９６的使用 ５关键技术 要求。 （１）大底架采用板材整体框格焊接结构，有效增 ４．３小底架 加了结构的强度和刚度，减轻了自重，制造工艺更加简 在刚度计算工况下，中梁的垂向挠度为１．８９８ 便。 ｍｍ，挠跨比为１／１ ６５９．８，小于规定的１／９００。 （２）空气制动装置布置在小底架上，每个小底架 工况一：小底架各节点的最大当量应力为 上布置１套空气制动装置。 ２０１．２６５ ＭＰａ，出现在小底架中梁鱼腹梁截面变化处 （３）与该钢铁公司现有的２００ ｔ专用长大平车相 靠近１位枕梁的下盖板和枕梁下盖板及腹板交接 比，该车载重及装载尺寸不变，自重降低了１７ ｔ，自重 处，小于该处材质（Ｑ３４５）在第一工况下的许用应力值 系数低，经济效益好。 （２１６ ＭＰａ）；在从板座上没有出现大于Ｃ级钢许用应 ６运用情况 力值（１９５ ＭＰａ）的应力，地板、枕梁、横梁和端梁等采 用Ｑ２３５一Ａ材质的部位也没有出现大于Ｑ２３５一Ａ许 在使用单位的线路运行情况表明，该车能安全通 用应力值（１６１ ＭＰａ）的应力。 过Ｒ１００ ｍ的小半径曲线，车体无重载、集载引起的永 工况二：小底架各节点的最大当量应力为 久变形，车辆运用状态良好。 ２０７．１２５ ＭＰａ，出现在小底架中梁上盖板与大横梁中 （编辑：郭 晖） ・２９・ 为３４５ ＭＰａ的Ｃｕ—Ｐ—Ｃｒ－Ｎｉ合金系０９ＣｕＰＣｒＮｉ耐候 钢。钢铁工业也有较快的发展，基本改变了车辆用钢 的匮乏局面。 进入２１世纪后，屈服强度级别为４００ ＭＰａ，４５０ ＭＰａ，５００ ＭＰａ，５５０ ＭＰａ的不同于Ｃｕ—Ｐ—Ｃｒ—Ｎｉ高耐 候钢成分体系的高强度高耐候钢系列问世。其中， Ｑ４５０ＮＱＲ１钢已经广泛用于７０ ｔ、８０ ｔ级货车制造，为 货车增加载重创造了条件。２００５年开始，采用耐候性 能更好的铝合金和ＴＣＳ铁素体不锈钢制造的Ｃ 。型和 Ｃ。。ｎ型运煤专用敞车投秦线运用。可以说，自 ２００５年以来，铁路货车用新钢种的开发应用速度是历 史上最高的，实现了铁路货车的第３次升级换代，制约 铁路货物运输的瓶颈问题逐渐缓解［１］。 ２铁路货车新材料应用情况 ２．１耐大气腐蚀钢 美国早在３０年代就开始采用耐大气腐蚀钢（Ｃｏｒ— Ｔｅｎ钢），我国从１９６１年后开始仿制。１９８５年，铁道 科学研究院金属及化学研究所对国产耐大气腐蚀钢的 焊接性能、耐腐蚀性能进行了试验研究；１９９０年开始 在所有新造铁道车辆上采用。相对于Ｑ２３５材料，耐 大气腐蚀钢车体的腐蚀状况有了明显改善，车辆的厂 修期由６年延长为８年左右，厂修时的车体钢板截换 率明显下降。 高强度耐大气腐蚀钢由宝钢集团有限公司研制， 从２００５年开始在Ｃ。。系列和Ｃ 。型敞车上应用。根据 试验室内加速腐蚀试验的间接对比试验结果，高强度 耐大气腐蚀钢Ｑ４５０ＮＱＲ１与原０９ＣｕＰＣｒＮｉ的耐腐蚀 性能相近，铁路车辆的设计寿命为２５年，通常希望在 此年限内车体不需进行钢板截换，但目前车辆上使用 的耐候钢，其抗腐蚀性尚不能满足要求 。 ２．２铝合金 ２００３年制造的Ｃｓ。型铝合金敞车，板材为５０８３ Ｈ３２１铝合金（Ａ１一Ｍｇ系），型材为６０６１ Ｔ６铝合金 （Ａ１一Ｍｇ—Ｓｉ系）。这２种铝合金材料具有与Ｑ２３５钢相 近的屈服强度，且铝合金的材料密度约为钢材的１／３， 对减轻车辆自重有利。但铝合金材料的弹性模量也约 为钢材的１／３，在结构重量减轻的同时，其刚度也与之 成比例下降，故铝合金材料不能用作结构主要承载件。 因此，Ｃｓ。型铝合金车辆的主要承载结构——底架不得 不采用高强度耐大气腐蚀钢，铝合金材料与钢质材料 问采用拉铆方式连接。由于铝合金材料的电位较低， 与其他高电位的金属钢接触部位成为阳极，并在电解 时溶解为金属离子，使得材料很快发生电腐蚀。从大 ・． ｆ）’ 铁道车辆 第４８卷第５期２０１０年５月 秦线运用的车辆实际情况看，钢铆钉周围有电偶腐蚀 斑点，端墙、侧墙处有大量白色斑点的点腐蚀；另外，铝 合金材料价位过高也是推广的难点。 ２．３铁素体不锈钢 铁素体不锈钢由太原钢铁（集团）有限公司首先研 制，原株洲车辆厂于２００３年１２月制造了第１辆Ｃ。。型 铁素体不锈钢样车，并于２００５年５月开始在大秦线进 行运用考验。２００６年２月开始，由６家工厂批量生产 Ｃ 。ｅ型铁素体不锈钢敞车，并相继投入大秦线运用。 ２００６年８月发现部分车辆大横梁封板部位出现裂纹， ２００７年１０月发现冲击座处的连接板、端板及牵引梁 处出现焊缝及连接板本体裂纹。 铁素体不锈钢焊接时，在焊接热循环的作用下导 致焊缝热影响区晶粒粗大，从而导致焊接接头粗晶区 韧性下降和耐腐蚀性能下降。根据Ｃ。。 型敞车的运用 时间和裂纹形态分析，焊缝裂纹是脆性裂纹，这一点通 过ＣＴＯＤ断裂韧度试验可以说明［３］。 日本专家曾经分析过澳大利亚原来的３Ｃｒ１２铁素 体不锈钢车，认为使用４年～８年后焊缝普遍开裂的 是腐蚀裂纹，是由于焊接热影响区晶粒粗大而出现粒 间腐蚀效应导致开裂的。在焊接过程中，钢中的碳与 铬结合形成碳化铬在晶界析出，导致晶界附近贫铬而 易发生晶问腐蚀。一旦发生晶间腐蚀，就会使金属晶 粒之间的结合力降低，使表面缺口向更深处（或沿晶 间）扩展，最终导致裂纹。 ３异种材料焊接部位的腐蚀 Ｃ。。ｅ型敞车底架为高强度耐大气腐蚀钢，地板以 上为铁素体不锈钢，采用的焊接材料为奥氏体不锈钢 焊丝，３种材料的物理化学性质、电极电位等均存在明 显差异，连接在一起会引起电化学腐蚀。宝钢集团有 限公司对铁素体不锈钢和Ｑ４５０ＮＱＲ１高强度耐候钢 的焊接接头进行了电化学腐蚀试验，分别在模拟酸雨 环境的溶液和浓度为０．０１ ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＨＳＯ。溶液中 进行试验。试验结果表明，铁素体不锈钢能自钝化；而 Ｑ４５０ＮＱＲ１高强度耐候钢在溶液中不能自钝化，处于 活性溶解状态。也就是说异种钢材接头更加速了 Ｑ４５０ＮＱＲ１高强度耐候钢的腐蚀。异种钢材接头除 了电化学腐蚀外还有大气腐蚀，２种腐蚀叠加能否保 证车辆底骨架各梁使用２５年应引起关注并进行研究。 ４铁路货车新材料应用需求分析 ４．１压延性 现在的货车大量使用冷弯型钢，冷弯型钢在使用 铁路货车车体材料的发展与展望 汤楚强，李加良 过程中，圆角处由于挤压弯曲会产生不易被察觉的微 体存在诸多问题。因此，开发耐腐蚀性能更好的耐候 小原始裂纹，通过焊接热循环后裂纹延长才能被发现。 由于高强度钢Ｑ４５０ＮＱＲ１屈强比高（＞ｏ．８），相 应的压延性较差。如Ｃ 。型敞车的车门压型比较困 难，出现拉延圆角裂纹，并由于回弹较大，使平面度超 差，很难稳定地实现无压型缺陷的目标，因此一直采用 强度较低的耐候钢（０９ＣｕＰＣｒＮｉ—Ａ）代替。 ０９ＣｕＰＣｒＮｉ—Ａ耐候钢的屈服强度是３４５ ＭＰａ，屈强 比（＜０．７２）也低得多。因此，希望材料在提高强度的 同时有良好的塑性和冷弯性能，屈强比控制在＜０．７５。 ４．２焊接性 根据国际惯例，新钢种焊接性试验研究应当由生 产厂家及其研究开发部门共同承担。研究开发部门向 制造企业提供该材料的同时，提供相关的研究结果，并 推荐焊接材料、焊接工艺和特殊要求等；制造企业只需 做人厂验证检查。我国对此尚没有明确规定，用户需 要做大量试验，如探索钢材料的热切割、各种焊接方法 的适用性、工艺可焊性、保护气体的配比及焊接变形的 控制等。这种状态应该改变，并要有制度保证。 材料的焊接性试验研究分为工艺焊接性、使用焊接 性两大类，并均含直接法和间接法２种试验研究方法。 新钢种焊接性试验研究是一项必须进行的重要技术 工作。以前，有些钢铁企业开发新钢种时注重钢材的物 理性能，而忽略了焊接性能的研究。但对用户而言，压型 与焊接性能至关重要。因此，钢铁企业开发产品时，应加 强焊接性试验研究，使材料具有良好的焊接性能，且焊接 接头性能良好，避免用户批量生产后出现不良后果。 ４．３耐腐蚀性 ０９ＣｕＰＴｉＲｅ、０９ＣｕＰＣｒＮｉ、Ｑ４５ＯＮＱＲ１材料的耐腐蚀 性一般相当于普通碳素钢的２倍左右，不能满足铁路货 车在正常大气条件下的抗腐蚀性能，尤其不能满足运输 煤炭等含硫等腐蚀性强物品条件下的抗腐蚀性。 我国的耐候钢０９ＣｕＰＴｉＲｅ、０９ＣｕＰＣｒＮｉ系是以美 国Ｃｏｒ—Ｔｅｎ钢为基础开发的，一般通过加入微合金化 元素（Ｃｕ、Ｐ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｒｅ等）提高强度和耐腐蚀性。 而美国的Ｍａｙａｒｉ—Ｒ钢，通过调整微合金化元素，使 其耐腐蚀性达普通钢的３倍～６倍［４］。我国的 ＷＱ４５ＯＧＮ耐候钢通过调整成分，按ＴＢ／Ｔ ２３７５— １９９３（（铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行的室 内加速腐蚀试验显示，其耐腐蚀性能比Ｑ４５０ＮＱＲ１钢 提高了３Ｏ 左右。因此， 应通过微合金化元素的优 化，提高Ｏ９ＣｕＰＣｒＮｉ系耐候钢的耐腐蚀性。 从耐腐蚀的角度考虑，车体材料应采用耐候性更 好的金属材料。如前所述，铝合金和铁素体不锈钢车 钢具有良好的应用前景。 ５铁路货车新材料的展望 对于货车车体材料而言，在保障强度等物理性能 的前提下，从制造角度考虑，希望它有良好的工艺性能 （加工成型性能和焊接性能等）；从使用角度考虑，希望 它有较好的耐磨损性和耐大气腐蚀性能；从维护修理 角度考虑，希望它修理量少，并有较好的切割性能及补 焊条件下的焊修性能。 （１）提高压延性。在提高强度的同时，有良好的 塑性和冷弯性能，屈强比控制在＜Ｏ．７５。 （２）提高焊接性。材料应有良好的焊接性，在环 境温度０℃下无论是进行手工电弧焊还是气体保护 焊，应不会产生焊接冷热裂纹。并且焊接接头综合性 能良好，具有耐久性能。 （３）提高板材表面质量。提高板材的平面度，平 面度尽可能达到１ ｍｍ／ｍ。～１．５ ｍｍ／ｍ ，以降低工厂 反复校平的工作量。板材表面不应有拉毛、桔皮、刮 伤、滑移线和浮锈等缺陷。 （４）提高板材内部质量。研究国外先进冶炼轧制 工艺，减少偏析、夹杂、裂纹等内部缺陷，保证钢材中Ａ 类（硫化物）夹杂物不大于２．５级，Ｂ类（氧化铝）夹杂 物不大于２．０级，带状组织小于３．０级。 （５）提高耐腐蚀性。现用耐候钢耐腐蚀性能达到 美国的Ｍａｙａｒｉ－Ｒ钢水平，无需进行表面处理就可不 产生锈蚀。 （６）提高耐磨性。提高钢材表面耐货物磨损的能 力，从而降低车体内表面减薄速率。 （７）加大板材宽度。目前一般只有２ ｍ左右板宽 的材料，希望提高板的宽度，将板宽提高到２．４ ｍ或 更宽，以提高材料利用率和减少焊缝。 （８）在满足使用性能和质量的前提下，还应注意 考虑材料的经济性。 参考文献： Ｅｌｉ 王春山．关于我国铁路货车装备现代化问题的研究［Ａ］．货车学术 研讨会论文集Ｅｃ３．青岛：中国铁道学会车辆委员会，２００６：１３ １７． Ｅ２３杨松柏．铁路货车车体材料的发展沿革［Ｊ］．世界轨道交通，２００７， （Ｓ１）：２１６ ２２０． Ｅ３５ 李加良，霍立兴，等．ＴＣＳ不锈钢焊接接头ＣＴＯＤ断裂韧度试验研 究［Ｊ］．焊接，２００７，（７）：１７—２ｏ． ［４］ 陆匠心．宝钢铁道车辆用耐候钢研制回顾与展望［Ｊ］．世界轨道交 通，２００７，（Ｓ１）：３０９ ３１ ３． （编辑：郭 晖） ・ ３ ・
