铁路货车车体材料的发展

铁路货车车体材料的发展

尹旭方

中车齐齐哈尔公司冲压车间黑龙江齐齐哈尔161002

摘要：随着铁路现代化建设的推进，当前工作迫切需要解决的就是高速、重载、安全问题，这也是铁路货车的发展趋势，要解决这个问题降低车辆自重是有效方法之一，这就对车体用材料提出更高的要求，目前，我国铁路货车车体材料严重制约着货车技术的改进，需要进一步提升铁路货车车体用材料的焊接性能、耐腐蚀性、延伸率等性能，以便更好地满足铁路货车车体用材料的需求，推动铁路货车的发展，从介绍我国铁路货车车体材料的发展入手，分析我国铁路货车车体新材料的应用情况、应用中存在的问题及货车对新材料的需求，在此基础上，探讨我国铁路货车车体用材料的发展趋势。

关键词：铁路货车；车体材料；应用；趋势

随着现代化建设和科学技术的发展，对火车重载、安全、高速提出了越来越高的要求，车体的轻量化设计也显得非常重要，其中，降低车辆自重是非常有效的途径之一，这也是我国铁路货车的发展方向。铁路货车是铁路运输的重要组成部分，可以分为专用货车和通用货车。随着国民经济的快速发展，铁路货车运输能力不高成为制约我国国民经济发展的重要问题，如何缓解铁路货车运输的紧张状况，确保运输的安全、高效、重载一直是铁道部思考的问题。要满足铁路货车的重载，就要降低车辆的自重，如果要降低车辆的重量就必须优化车体用材料，从车体用材料方面来满足现代化建设的需求。长期以来，我国铁路货车车体用材料的品质阻碍着货车技术的进步，这也对我国钢铁工业提出了高要求，钢铁工业必须加大投入，提供更好的钢材，使我国铁路货车车体用材料的性能满足国内外的需求。本文从介绍我国铁路货车车体材料的发展入手，分析我国铁路货车车体新材料的应用情况、应用中存在的问题及货车对新材料的需求，在此基础上，探讨我国铁路货车车体用材料的发展趋势。

1我国铁路货车车体材料的发展

我国铁路货车车体用材料主要是钢材，在二十世纪六十年代左右，由于我国钢材供给不足，货车车体用材料长期采用的是Q235普通碳素结构钢，没有统一的规格，也没有标准的尺码，使得这种钢的生产产生的焊缝多，常需要修改设计图纸，修改时还要根据现有的中梁型钢类型和规格来定，不论是给生产还是维修都带来了难题。后来，又开发出09Mn2系列的钢材，这种情况稍微有了改观。

二十世纪八十年代过后，屈服强度级别分别为295MPa，345MPa的耐候钢广泛地应用于铁路货车车体中，我国钢铁工业也获得了迅速发展，改变了车辆用钢的短缺情况。进入二十一世纪，屈服强度级别分别为400MPa，450MPa，500MPa，550MPa的高耐候钢系列问世，其中450MPa级耐候钢极大的改善了铁路设备的性能，为铁路货车增加载重打下了良好的基础。总的来说，从2005年开始，我国铁路货车车体用材料的开发应用迅猛发展，促使铁路货车进行了三次升级换代，铁路货车技术有了很大的改进。

2我国铁路货车车体新材料的应用情况

目前，我国铁路货车技术向着大载重、小自重方向发展，以此来满足铁路货车高载、快速、安全的需求。提高铁路货车高载、速度的最有效途径是货车车体轻量化设计。铁路货车如果要载重70t级以上，使车体重量减少4t左右，但使用寿命还是25年，要达到这个设计要求，就对车体用材料钢材提出了较高要求。

2.1耐候钢

耐候钢又称耐大气腐蚀刚，目前，已成为我国铁路货车车体主要的结构材料。耐候钢从1990年开始在新造铁道车辆上采用，已过去20个年头，再加上涂料和涂装工艺的改进，这比原来的Q235普通碳素结构钢有了很大的改善，同时，车辆的厂修期也延长到八年左右，在车体钢板截换率方面也有了很大的下降。

为了满足高速、重载要求，使研制出来的载重70t级及以上的新型货车满足设计寿命达25年，对结构钢材料提出了更高要求。屈服强度级别分别为400MPa，450MPa，500MPa，550MPa的高耐候钢系列问世，其中屈服强度为450MPa级、牌号为Q450NQR1的耐候钢广泛地用于70t、80t级货车制造，可以满足车体钢板减薄的需要，为货车增加载重创造条件。

耐候钢与一般的普通钢材相比，最显著的特点在于其有一定的耐大气腐蚀性能，这种钢材含有一定的铜和磷，与低碳钢相比其耐腐蚀性有了很大的改善，一般认定其寿命可延长1倍左右。耐候钢不是不锈钢，其耐腐蚀性能主要是锈蚀一定时间后形成稳定的化锈层，可以抵御大气中水气及有害离子的侵蚀，增强其耐腐蚀性。从铁路货车运输来看，会受到大气中温度、湿度、降水、空气污染的作用，再加上所处环境的不固定，车体内侧受装载货物的影响，部分车辆在第一个厂修时就会出现挖补或者截换的情况。

2.2铝合金

铝合金具有质量轻，耐腐蚀性能好等优势，对减轻车辆本身重量起着重要作用。2003年制造的C80型铝合金敞车，板材是5083H321，型材是6061T6铝合金，这两种铝合金与Q235钢具有相似的屈服程度，再加上铝合金的材料目的大概是刚才的三分之一，有助于减轻车辆自重。但不可忽视的是，铝合金材料的弹性与钢材相比，大概是钢材的三分之一，重量减轻了但强度也下降了，所以，铝合金材料不适用于结构主要承载件。一般铁路货车车体主要承载结构采用高强度耐候钢，铝合金材料与耐候钢采用拉铆方式连接，而不是焊接的方法。在国外已有铝合金用于车辆制造的例子，但由于铝合金与耐候钢要采用铆接方式，同时铝合金材料价位过高，在一定程度上制约了铁路货车的制造。

2.3铁素体不锈钢

太原钢铁有限公司最先研制出铁素体不锈钢，又称经济体不锈钢，主要是依靠减少Cr和Ni元素的含量来降低成本，Cr的含量基本上在10.5%-20%左右，而奥氏体不锈钢的Cr含量在18%上。铁素体不锈钢的耐腐蚀性能不如奥氏体不锈钢，但与耐候钢相比，耐腐蚀机理不同，其耐腐蚀性能现有优势。铁素体不锈钢在强度和焊接工艺方面与耐候钢不同，需要调整现有的设计与工艺。

3我国铁路货车车体材料应用中存在的问题

3.1高强度耐候钢

我国铁路货车车体用钢采用的主要是09CuPTiRE、09CuPCrNi和Q450NQR1三种耐候钢，它们的屈服强度级别为295MPa、345MPa、450MPa。前两种耐候钢，除了屈服极限和强度极限存在一定的差异外，其他的性能基本上相似。60t级铁路货车刚开始主要是采用09CuPTiRE耐候钢，大量采用09CuPCrNi耐候钢是在2001年。09CuPTiRE、09CuPCrNi这两种耐候钢的机械性能都比较稳定，焊接性能也较好，并且还有较好的延展性能，经过多次试验标明其各项性能指标都达标，推动了我国铁路货车车体用材料的发展，为铁路货车的发展做出了重要贡献。

Q450NQR1为高强度耐大气腐蚀钢是近年来钢铁企业研制出的新材料，现在已经成为我国铁路货车车体用材料的主要方面，被广泛地应用于铁路部门70t、80t级货车制造。同时此种高强度耐候钢的产生，有效地减轻了我国铁路货车的车体重量，为铁路货车的轻量化设计打下了良好的基础，各项性能指标都达到了世界先进水平。但是从实际应用来看，Q450NQR1高强度耐大气腐蚀钢还存在一些不足：1）高强度耐候钢相对于普通的碳素钢来说，其耐大气腐蚀性较高，根据试验和实际应用情况来看，Q450NQR1的耐腐蚀性能与09CuPCrNi比较接近，与铁路车辆设计寿命满25年的需求还有一定的差距，需要进一步提高。2）Q450NQR1的延伸率的稳定性不强，如果钢板的厚度较大，其延伸率与标准可能会有一定的差距，延伸率是铁路货车车体用钢材料的重要指标之一。这是因为铁路货车有大量的冷弯型钢，它的弯角大小、成型等都要取决于所用材料的延伸率，如果延伸率过小，那么冷弯型钢的弯角半径就会大，容易导致裂纹，这与实际应用需求有一定差距。09CuPTiRE和09CuPCrNi这两种耐候钢的压延性能较好，制造出来的冷弯型钢较美观，裂纹也少。Q450NQR1的强度有所提高，但延伸率有所下降，这给货车制造带来一定难度。3）Q450NQR1具有较好的焊接性能，但焊接时需要诸如环境温度、预热等方面的额外要求。并且此种材料对高温较为敏感，不易使用火焰校正。总之，Q450NQR1耐候钢的强度已经达到了铁路货车的运用要求，但提高了强度，其延伸率、焊接性能等有了一定的下降，还需要进行深入的研究，提升耐候钢的耐大气腐蚀性、延伸率、焊接性能等，以推动铁路货车车体用材料的发展。

3.2不锈钢

铁路货车车体材料采用不锈钢材主要是为了降低车辆自重，提高车辆的运作性能，在有效地使用期中免除截换等工作，尽可能降低维修的次数。在2006年TCS345国产不锈钢最初批量装用于C80B型专用货车上，但是通用货车基本上都没有使用此不锈钢，这主要是因为，不锈钢材对焊接、切割等工艺要求非常高，严格把关制造、焊接工艺，如果大批量的生产，很难过质量关。同时在使用过程中也发现，TCS345国产不锈钢对焊接热影响区敏感度比较高。相关专家也对此进行了详细的分析，最后认定为在货车侧柱、侧板、连接板三者焊缝十字交叉处出现焊接结构应力集中，并且部分交叉焊缝焊接质量难以保障，出现焊接缺陷，另外，与出口的TCS345不锈钢相比，国产的TCS345不锈钢因为焊接热影响区低温冲击韧性偏低导致焊接性能不良，需要进行更深一步地研究，从而优化材料的化学成分，增强材料的焊接性能。

针对TCS345国产不锈钢在应用中存在的问题，我国钢铁企业在优化成分设计和添加稳定元素方面进行了积极地研究，研发出改进型的TCS345，相比于原来的TCS345国产不锈钢来说，改进型的TCS345增加了奥氏体形成元素，从而增加了马氏体组织，对焊接过程中铁素体晶粒的长大有一定的抑制作用，使焊接区的低温冲击韧性得到了有效地保障。伴随着国产不锈钢材发展的步伐，太钢在2008年通过汲取德国T4003.mod的成功经验，通过自身不懈的研究，自行研制了T4003不锈钢。经过大量的车辆厂试验证明，T4003不锈钢的各项性能指标都有了很大的改善，大大提高了材料的可靠性。现阶段，我国T4003国产不锈钢的各项性能已经与世界先进水平相抗衡。

4铁路货车车体用新材料的应用需求分析

4.1压延性能

目前铁路货车大量使用的是冷弯型钢，投入使用后圆角处会产生一些微小的原始裂纹，裂纹延长后才会被发现。现用的高强度钢Q450NQR1屈强比高，使得它的压延性相对来说较差，比如C70型敞车的车门压型较难，会出现拉延圆角裂纹，要想实现无压型缺陷目标还有一定的难度，在没有解决这个问题的情况下，一直采用强度相对较低的耐候钢来代替。因此，目前对铁路货车车体用新材料的应用提出了更高的要求，希望材料能提高强度，又能兼有良好的塑性和冷弯性能。

4.2焊接性能

国际方面规定对新钢种的焊接性试验研究要有生产厂家和研发部门来承担。作为研发部门给制造企业提供材料，同时要出具相关的研究结果，并指出最佳的焊接材料、焊接工艺及一些特殊的要求等，这样有助于制造企业掌握新钢种的性能，为入厂验证做好准备。我国现在对此还没有明确的界定，使得用户还要做大量的试验来探索新钢种的性能，比如钢材料的焊接方法、焊接变形的控制、钢材料的热切割等，浪费了大量的人力、财力、物力，因此，应该改变这种状态，制定相应的制度来保障。材料焊接性主要有工艺焊接性和使用焊接性两类，新钢种进行焊接试验是必须进行的重要技术工作，很多钢铁企业原来注重的是钢材的物理性能，忽视了焊接性能。但在使用中，压型与焊接性能都是非常重要的，所以，钢铁企业要强化焊接性试验研究，再确定材料具有良好的焊接性能后，在批量投入生产。

4.3耐腐蚀性能

我国的Q450NQR1材料的耐腐蚀性能比一般的碳素钢要高出两倍左右，但还不能满足铁路货车在正常大气环境下的耐腐蚀性能，特别是不能满足运输煤炭等腐蚀性较强的物品的抗腐蚀性。我国的耐候钢09CuPTiRe、09CuPCrNi系都是以美国的钢为基础开发的，其中加入了微合金化元素，提高了耐候钢的强度与耐腐蚀性。如果从耐腐蚀性能来考虑，铁路货车车体材料应该采用耐候性更佳的金属材料，铝合金和铁素体不锈钢都存在一定的问题，不能完全满足车体用材料的需求，所以，需要开发耐腐蚀性能更好的耐候钢。

5铁路货车车体用材料的发展趋势

目前，我国铁路货车技术水平获得了一定的发展，通用货车实现了60t级向70t级的升级，大大提高了货车的速度。根据目前铁路货车车体用材料存在的某些问题，铁路货车新材料的发展应该在解决这些问题上下功夫。在保障车体材料强度等物理性能的前提下，在制造方面，要加强其工艺性能；在使用方面，要提高其耐磨性和耐大气腐蚀性能；在维修方面，减少修理量。

1）提高压延性能。立足于铁路货车车体材料的应用需求分析之上，提高材料强度的同时，还要强化材料良好的塑性和冷弯性能，提高材料的压延性能。

2）提高焊接性能。铁路货车车体用材料要具有良好的焊接性能，温度处于零摄氏度下时不管是采用手工电弧焊还是气体保护焊，都不会产生焊接裂纹。同时对焊接接头的综合性能也提出了高要求，焊接结构要具有耐腐蚀性。不锈钢材料将成为我国铁路货车车体用材料的主要发展方向之一。未来不锈钢的发展对其焊接性能提出了高要求。

3）提高板材质量。首先要提高板材的表面质量，注重平面度，降低工厂的反复校平工作。其次要提高板材的内部质量，减少夹杂物、裂纹等内部缺陷，使得钢材中的夹杂物含量尽可能降低。

4）提高耐腐蚀性。铁路货车车体用耐候钢的耐腐蚀性提出了更高要求，以提高货车的使用寿命。以后具有高强度耐腐蚀性的耐候钢具有广阔的发展前景。

5）提高耐磨性能。注重货车材料的耐腐蚀性能时，也要提高其耐磨性，注重钢材表面耐货物磨损的程度，降低车体内表面减薄的速度，延长其使用年限。

6）考虑经济性。铁路货车车体用材料在满足其使用性能和质量的前提下，还要注重材料的经济性，价格过高也是阻碍其推广的重要因素。

参考文献：

[1]侯豁然、付俊岩，我国铁道车辆用高强度耐大气腐蚀钢的进展，钢铁，2004（6）.

[2]杨松柏，铁路货车车体材料的发展沿革，世界轨道交通，2007（S1）.

[3]汤楚强、李加良，铁路货车车体材料的发展与展望，铁道车辆，2010（5）.