郭曉宏 ，劉志偉 ，張瑞琦 ，邢津銘 ，金澤宏 ，孫傲

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院,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營銷中心，遼寧鞍山114021）

根據(jù)2017年鐵路統(tǒng)計公報，全國鐵路貨車擁有量為79.9萬輛，機車擁有量為2.1萬臺，鐵路客車擁有量為 7.3 萬輛，動車組 2 935 組、23 480 輛[1]。 作為國民經(jīng)濟的大動脈、國家重要基礎設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。

在我國鐵路貨車中，敞車是鐵路運輸中的主型車輛，約占貨車總數(shù)的60%以上,承擔著全路大部分貨運量[2]。敞車是一種具有車墻而無車頂?shù)能囕v，是當前鐵路貨車中數(shù)量最多，用途最廣的車型。敞車在露天工作，運行環(huán)境復雜，經(jīng)受陽光、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，特別是在運煤貨車底部酸性腐蝕介質(zhì)環(huán)境，車底腐蝕強烈，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，使維修費用增加,還影響鐵路的正常運輸和行車安全。

鐵路貨車車輛的基本構造由車體、車底架、走行部（轉(zhuǎn)向架）、車鉤緩沖裝置和制動裝置五部分組成。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，車體以鋼結(jié)構或輕金屬結(jié)構為主。

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

1 鐵路貨車車體用鋼研究現(xiàn)狀

1.1 國外

早在1900年，歐美的科學家就發(fā)現(xiàn)銅可以改善鋼在大氣中的耐腐蝕性能。30年代美國的U.S.Steel公司研制成功了耐腐蝕高抗拉強度的含銅低合金鋼—Corten鋼，抗拉強度比普通鋼提高了40%。在應用中人們發(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。

目前國內(nèi)外學者致力于研究開發(fā)高強度、高耐蝕性、高韌性、高性價比的新型耐候鋼。如美國新一代高性能耐候鋼HPS70W，韓國Ca-Ni系列耐海洋性大氣腐蝕鋼；日本鋼鐵公司570～780 MPa級別的超細晶高強度耐海洋環(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個牌號，這類鋼具有較低的C和Mn含量，添加了細化晶粒的微合金元素Nb、Ti和V，采用熱機械軋制工藝生產(chǎn)，不僅具有高強度、高耐蝕性，還具有良好的成型和焊接性能。

1.2 國內(nèi)

鐵路貨車用鋼主要經(jīng)歷了碳素鋼、低合金鋼、耐候鋼、高強度耐候鋼、高強耐蝕鋼等幾個階段。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60年代，我國開始進行耐候鋼的研究，1965年試制出09MnCuPTi耐候鋼，并研制出我國第一輛耐候鋼鐵路貨車。此外，結(jié)合我國的資源優(yōu)勢又先后開發(fā)出了鞍鋼集團的08CuPVRE系列、武鋼集團的09CuPTi系列、濟南鋼鐵公司的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級的 Q450NQRl高強度耐候鋼，并廣泛用于70 t、80 t級貨車制造，為貨車增加載重提供了條件。由于大量使用高強度鋼材，車體輕量化后，隨著結(jié)構材料厚度的減少，對腐蝕破壞的敏感度大大增強。Q450NQRl在車輛上使用后，其結(jié)構強度滿足了70 t級貨車發(fā)展要求，但耐腐蝕性能與 09CuPTiRE、09CuPCrNi相比，并沒有明顯提高，難以滿足大軸重貨車進一步延長檢修周期的發(fā)展要求，耐腐蝕性仍不能滿足鐵路車輛設計壽命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)濟型鐵素體不銹鋼制造了C80型和C80B型運煤專用敞車，并投入大秦線使用。但是鋁合金存在價格高、電偶腐蝕嚴重的問題，而不銹鋼存在焊接和加工等應用技術問題，所以從實際應用來看，高強度耐候鋼仍是鐵路車輛用鋼的主要趨勢。

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要求，鞍鋼加快了技術研發(fā)的步伐，積極進行拓展創(chuàng)新，成功研發(fā)出了新型耐蝕鋼S450AW。鞍鋼自主研發(fā)的此項新產(chǎn)品，突破了中國鐵道貨車近50年停留在耐大氣腐蝕的設計思維，樹立了鐵道運煤敞車底部酸性介質(zhì)腐蝕設計的全新理念。

2 鐵路貨車車體材料及性價比適應性分析

腐蝕是金屬和周圍環(huán)境發(fā)生化學或電化學反應而導致的一種破壞性侵蝕，金屬的腐蝕是一個自發(fā)的過程，金屬材料的腐蝕是金屬設備和構件破壞的重要形式之一，腐蝕問題遍及國民經(jīng)濟和國防建設的各個領域。

2014年我國調(diào)查結(jié)果指出：我國各行業(yè)腐蝕總成本占國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP的3.34%?？傤~超過2.1萬億人民幣，相當于每個中國人當年承擔多于1 555元的腐蝕成本。2016年3月，國際腐蝕界的權威機構——美國腐蝕過程協(xié)會（NACE）根據(jù)全球腐蝕調(diào)研項目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運而生，耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼，通過在鋼中加人少量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鋼相近的屈服強度，且鋁合金的材料密度約為鋼材的1/3，對減輕車輛自重有利。但鋁合金材料的彈性模量也約為鋼材的1/3，在結(jié)構重量減輕的同時，其剛度也與之成比例下降，故鋁合金材料不能用作結(jié)構主要承載件。因此，C80型鋁合金車輛的主要承載結(jié)構——底架不得不采用高強度耐大氣腐蝕鋼，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極，并在電解時溶解為金屬離子，使得材料很快發(fā)生電腐蝕。從大秦線運行的實際車輛情況看，鋼鉚釘周圍有電偶腐蝕斑點，端墻、側(cè)墻處有大量白色斑點的點腐蝕；此外，鋁合金材料價位過高也是推廣的難點。

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，會導致焊接接頭粗晶區(qū)韌性下降和耐腐蝕性能下降。因為鋼中的碳與鉻結(jié)合形成碳化鉻，焊接時在晶界析出導致晶界附近貧鉻，容易發(fā)生晶界腐蝕。一旦發(fā)生晶界腐蝕，會降低材料的耐應力腐蝕性能，在拉伸應力的共同作用下發(fā)生擴展，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展，最終導致裂紋。鐵素體不銹鋼能自鈍化，而Q450NQRl高強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，異種鋼材接頭會加速Q(mào)450NQRl高強耐候鋼的腐蝕。因此，不銹鋼的焊接及與Q450NQRl高強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用。

從長遠發(fā)展考慮，鐵道車輛用鋼仍然以鋼鐵材料為主，在具有較高強度及內(nèi)外在質(zhì)量的同時，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關鍵應用技術研究

3.1 S450AW設計理念

鞍鋼新型耐蝕鋼S450AW設計理念是根據(jù)原鋼板在運營維護過程中發(fā)現(xiàn)的問題，在保持接口關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)化耐腐蝕設計，最終使整車的防腐性能得到提高。

3.2 S450AW研制目標

（1）針對運煤貨車底部及側(cè)墻下部腐蝕嚴重的現(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。

（2）強度級別為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。

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

3.3 S450AW各項性能

3.3.1 優(yōu)異的焊接性能

采用TH550-NQ-Ⅱ氣體保護焊實芯焊絲對S450AW試驗鋼板進行焊接，并對焊后接頭的組織和綜合力學性能進行評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接接頭低溫韌性良好，-40℃沖擊功實際平均值均在115 J以上，滿足要求且余量較大，焊接接頭沖擊性能檢驗結(jié)果見圖1。硬度檢驗結(jié)果如圖2所示，焊接接頭各個位置的硬度整體水平不高，且各個區(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結(jié)果

圖2 焊接接頭硬度檢驗結(jié)果

3.3.2 優(yōu)異冷成型性能

影響鋼板冷彎性能指標主要因素有：鋼的化學成分，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，才能得到預期的強度、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)量要求越來越高和車輛自重系數(shù)要求越來越低的情況下，板材成型成為鐵路貨車沖壓加工的技術難點，貨車中門及小門為起伏成型沖壓，要求具有較高的強度和剛度，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，對厚度規(guī)格為5 mm的S450AW鋼板進行側(cè)開中門及小門壓型試驗。壓型件成型質(zhì)量良好，尺寸符合技術要求，經(jīng)外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、起皺等缺陷。

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

圖3 中門測量區(qū)域

圖4 鋼板表面應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S450AW、Q450NQR1和Q345B三種材料進行了初步的磨損實驗。實驗條件：磨銷轉(zhuǎn)速r=200 r/min，磨損時間 t=10 min，載荷 P=80～160 N，對磨副為GCr15鋼，在上述條件下，分別對三種材料的磨損量進行測量，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，Q345B磨損率高于S450AW和Q450NQR1，當載荷較小時，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鋼裝入電解池進行電化學試驗，測試它們在0.01 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。在設定的溫度和濃度下，進行全浸泡試驗，用失重法評價金屬腐蝕情況，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 相對腐蝕速率比較

通過SEM觀察上述試樣，見圖10，S450AW銹層致密，連續(xù)性好，提高了銹層對鋼的附著力，細化銹層顆粒，增強鋼基體與水和空氣的隔絕作用，抑制氧氣和水的供給；對基體有很好的保護作用，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)物對基體金屬有保護作用，而不連續(xù)、疏松的腐蝕產(chǎn)物則容易導致垢下腐蝕。

4 結(jié)語

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

（2）鞍鋼根據(jù)鐵路貨車腐蝕機理，從材料的實際使用和服役環(huán)境條件出發(fā)，通過分析失效過程，逆向研制新材料，設計的新材料耐腐蝕性能評價方法更加接近實際環(huán)境模擬條件。

（3）鞍鋼新型耐蝕鋼S450AW兼顧高強度、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)濟性更是決定其是有生命力的鋼鐵材料。