鐵素體不銹鋼在鐵路貨車上的應(yīng)用

劉文勝，楊景林，劉博陽，丁創(chuàng)業(yè)，張 潔

(1.中車太原機(jī)車車輛有限公司，山西 太原 030027；2.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028；3.中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司 安康車輛段，陜西 安康 725005)

1 鐵路貨車車體用鋼的發(fā)展歷程

我國1990年以前生產(chǎn)的鐵路貨車車體采用鋼-木混合結(jié)構(gòu)或全鋼焊接結(jié)構(gòu)，車體采用屈服強(qiáng)度為235 MPa的Q235A普通碳素鋼，耐腐蝕性差；從1990年開始，隨著我國Cu-P系、Cu-P-RE系和Cu-P-Cr-Ni系耐候鋼的研制成功，屈服強(qiáng)度為295 MPa的09CuPTiRE和屈服強(qiáng)度為345 MPa的09CuPCrNi耐候鋼在中國鐵路貨車上開始廣泛應(yīng)用，貨車車體強(qiáng)度和耐腐蝕性有了一定的提高；從2003年開始,我國鐵路貨車開始使用屈服強(qiáng)度達(dá)到450 MPa的Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼,以提高車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低車輛自重，但其耐腐蝕性與09CuPCrNi耐候鋼基本相當(dāng),從2005年開始，采用高強(qiáng)度耐候鋼的載重70 t級(jí)貨車投入運(yùn)用。

多年來的運(yùn)用情況表明：耐候鋼的耐腐蝕性能雖比普碳鋼有所提高，但車體墻板、地板、門板等部位腐蝕仍很嚴(yán)重，車輛運(yùn)用兩個(gè)廠修期后需進(jìn)行挖補(bǔ)、截?fù)Q的車體比例達(dá)到88%，車門更換率約為81%。目前70 t級(jí)鐵路貨車使用的Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼雖然提高了強(qiáng)度等級(jí)，但耐腐蝕性沒有提高，難以滿足25年的使用壽命要求。

2003年，為降低車輛自重、提高載重、滿足大秦線開行2萬噸重載列車的運(yùn)輸要求，我國研制了C80型鋁合金運(yùn)煤敞車，側(cè)墻和端墻采用鋁合金板柱鉚接結(jié)構(gòu)，中梁、枕梁、端梁等關(guān)鍵承載部位采用耐候鋼材質(zhì)。

2004年，我國借鑒國外不銹鋼貨車的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，開始進(jìn)行鐵路貨車用不銹鋼材料的應(yīng)用研究。2005年，采用太鋼TCS345經(jīng)濟(jì)型鐵素體不銹鋼制造的C80B型不銹鋼運(yùn)煤專用敞車研制成功，2006年開始批量生產(chǎn)。該車車體側(cè)墻、端墻和地板采用鐵素體不銹鋼，中梁、枕梁、橫梁等部位采用高強(qiáng)度耐候鋼。

在充分吸取國外鐵素體不銹鋼優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，太鋼對(duì)TCS345材料的合金成分進(jìn)行了優(yōu)化，改善了焊縫熱影響區(qū)的性能，實(shí)現(xiàn)了熱影響區(qū)低溫沖擊功≥10 J的目標(biāo)，降低了焊縫熱影響區(qū)低溫裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，其力學(xué)性能、焊接性能達(dá)到了進(jìn)口4003不銹鋼的水平。2008年，改進(jìn)型鐵素體不銹鋼定名為T4003，之后被廣泛應(yīng)用于不銹鋼貨車上。

2 鐵素體不銹鋼在國內(nèi)外鐵路貨車上的應(yīng)用情況

2.1 國外應(yīng)用情況

為解決貨車車體腐蝕問題，國外在20世紀(jì)80年代采用了Cr12型鐵素體不銹鋼。含Ni的3Cr12不銹鋼最早由阿塞洛公司所屬的南非哥侖布廠在20世紀(jì)70年代開發(fā)，含有12%左右的Cr和少量的Ni元素,具有中等的耐蝕性、強(qiáng)度和良好的可焊性、耐濕磨性和滑動(dòng)性，采用3Cr12型不銹鋼的車輛在全世界已有幾萬輛。很多國家和地區(qū)已將該鋼種納入其不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)，歐標(biāo)中的1.4003、美標(biāo)中的S41003以及德標(biāo)中的X2CrNi12、中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T4237《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》以及GB/T3280《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》中的022Cr12Ni均等效于南非的3Cr12。

澳大利亞的不銹鋼貨車應(yīng)用范圍比較廣泛，不銹鋼煤車、礦石車的保有量超過10 000輛，近年來必和必拓(BHP)、力拓、FMG等鐵礦石巨頭大量采購不銹鋼貨車，市場前景看好。

南非運(yùn)用不銹鋼貨車的歷史最長，從1995年開始南非鐵路就已經(jīng)停止了耐候鋼煤車的制造，陸續(xù)對(duì)既有的耐候鋼煤車車體進(jìn)行技術(shù)改造，與煤接觸的部分全部更換為不銹鋼。美國從1995年開始批量生產(chǎn)不銹鋼運(yùn)煤敞車，英國從1995年開始批量生產(chǎn)不銹鋼煤炭漏斗車，印度從2007年開始新造鐵路貨車車體全部采用鐵素體不銹鋼材料，每年使用不銹鋼5萬噸以上。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

2003年～2018年，我國鐵路貨車用鐵素體不銹鋼產(chǎn)量超過50萬噸，生產(chǎn)不銹鋼貨車超過6萬輛。其中，國產(chǎn)不銹鋼C80B、C70B、C96型敞車和采用不銹鋼下側(cè)門的C80E型敞車?yán)塾?jì)超過5萬輛，使用了40多萬噸鐵素體不銹鋼材料；國內(nèi)生產(chǎn)出口澳大利亞、巴西等國家的鐵礦石敞車和煤炭漏斗車等不銹鋼貨車超過1萬輛，使用了10萬噸鐵素體不銹鋼材料。目前我國鐵素體不銹鋼貨車保有量居世界第一。

3 鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)

3.1 可以減輕車輛自重、提高車輛載重

鐵素體不銹鋼由于具有良好的耐腐蝕和耐磨性能，腐蝕量不作為主要考慮的因素，可以設(shè)計(jì)出更輕量化的車體結(jié)構(gòu)，不銹鋼車比碳鋼車可減輕車體重量15%～20%，從而實(shí)現(xiàn)減輕車輛自重、提高車輛載重的目標(biāo)。

3.2 可延長車體鋼結(jié)構(gòu)使用壽命和檢修周期

國內(nèi)70 t級(jí)碳鋼貨車設(shè)計(jì)壽命25年，廠修周期為8年。實(shí)際運(yùn)用過程中，由于車體墻板、地板、門板等部位腐蝕嚴(yán)重，車輛在壽命周期中挖補(bǔ)、截?fù)Q的比例很高，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；而不銹鋼貨車設(shè)計(jì)壽命可達(dá)35年，廠修周期可以延長到12年。

3.3 在車輛壽命周期內(nèi)使用成本低

由于鐵素體不銹鋼貴重合金元素含量少，價(jià)格與耐候鋼相差不多，加上使用壽命長、免截?fù)Q等特點(diǎn)，雖然鐵素體不銹鋼貨車購置成本略高，但在車輛壽命周期內(nèi)使用成本更低。

3.4 綠色環(huán)保對(duì)環(huán)境無污染

不銹鋼具有良好的耐蝕性，即使長期放置也不會(huì)因銹蝕造成環(huán)境的污染，而且加工余料和廢鋼殘值不受影響，通過回爐熔煉和軋制，便可重復(fù)利用，是一種綠色環(huán)保材料。

4 T4003不銹鋼在C80B型不銹鋼運(yùn)煤專用敞車上的應(yīng)用實(shí)例

4.1 T4003鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能

T4003鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。T4003鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能如表2所示。

表1 T4003鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 T4003鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能

4.2 應(yīng)用實(shí)例

C80B型不銹鋼運(yùn)煤專用敞車車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，底架主要的型材、板材采用屈服強(qiáng)度為450 MPa的高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼，與貨物接觸的側(cè)、端墻主要型材、板材及地板采用T4003不銹鋼，較好地解決了墻板、地板腐蝕的問題。在采用較薄板厚的情況下不會(huì)因腐蝕原因影響車輛性能，從而使車輛自重降低到20 t，載重提高到80 t，車輛使用壽命由25年延長至35年。

5 鐵素體不銹鋼發(fā)展前景

鐵素體不銹鋼不僅具有不銹鋼的耐蝕性能，同時(shí)還具有接近碳鋼的加工性能和焊接性能，具有比較高的性價(jià)比。采用不銹鋼車體材料是鐵路貨車實(shí)現(xiàn)輕量化和重載的有效途徑，同時(shí)我國鐵路貨車設(shè)計(jì)和制造工廠目前已全面掌握了鐵素體不銹鋼的性能和焊接技術(shù)，未來將會(huì)在我國新一代的鐵路貨車上得到更加廣泛地推廣和應(yīng)用。