鐵素體不銹鋼在鐵路貨車上的應用

劉文勝，楊景林，劉博陽，丁創(chuàng)業(yè)，張 潔

(1.中車太原機車車輛有限公司，山西 太原 030027；2.大連交通大學，遼寧 大連 116028；3.中國鐵路西安局集團有限公司 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-木混合結構或全鋼焊接結構，車體采用屈服強度為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，屈服強度為295 MPa的09CuPTiRE和屈服強度為345 MPa的09CuPCrNi耐候鋼在中國鐵路貨車上開始廣泛應用，貨車車體強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度達到450 MPa的Q450NQR1高強度耐候鋼,以提高車輛結構強度、降低車輛自重，但其耐腐蝕性與09CuPCrNi耐候鋼基本相當,從2005年開始，采用高強度耐候鋼的載重70 t級貨車投入運用。

多年來的運用情況表明：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重，車輛運用兩個廠修期后需進行挖補、截換的車體比例達到88%，車門更換率約為81%。目前70 t級鐵路貨車使用的Q450NQR1高強度耐候鋼雖然提高了強度等級，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輸要求，我國研制了C80型鋁合金運煤敞車，側墻和端墻采用鋁合金板柱鉚接結構，中梁、枕梁、端梁等關鍵承載部位采用耐候鋼材質。

2004年，我國借鑒國外不銹鋼貨車的運用經(jīng)驗，開始進行鐵路貨車用不銹鋼材料的應用研究。2005年，采用太鋼TCS345經(jīng)濟型鐵素體不銹鋼制造的C80B型不銹鋼運煤專用敞車研制成功，2006年開始批量生產(chǎn)。該車車體側墻、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度耐候鋼。

在充分吸取國外鐵素體不銹鋼優(yōu)點的基礎上，太鋼對TCS345材料的合金成分進行了優(yōu)化，改善了焊縫熱影響區(qū)的性能，實現(xiàn)了熱影響區(qū)低溫沖擊功≥10 J的目標，降低了焊縫熱影響區(qū)低溫裂紋的風險，其力學性能、焊接性能達到了進口4003不銹鋼的水平。2008年，改進型鐵素體不銹鋼定名為T4003，之后被廣泛應用于不銹鋼貨車上。

2 鐵素體不銹鋼在國內(nèi)外鐵路貨車上的應用情況

2.1 國外應用情況

為解決貨車車體腐蝕問題，國外在20世紀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、強度和良好的可焊性、耐濕磨性和滑動性，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準，歐標中的1.4003、美標中的S41003以及德標中的X2CrNi12、中國標準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)對既有的耐候鋼煤車車體進行技術改造，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門的C80E型敞車累計超過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

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，可以設計出更輕量化的車體結構，不銹鋼車比碳鋼車可減輕車體重量15%～20%，從而實現(xiàn)減輕車輛自重、提高車輛載重的目標。

3.2 可延長車體鋼結構使用壽命和檢修周期

國內(nèi)70 t級碳鋼貨車設計壽命25年，廠修周期為8年。實際運用過程中，由于車體墻板、地板、門板等部位腐蝕嚴重，車輛在壽命周期中挖補、截換的比例很高，達不到設計要求；而不銹鋼貨車設計壽命可達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，價格與耐候鋼相差不多，加上使用壽命長、免截換等特點，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，便可重復利用，是一種綠色環(huán)保材料。

4 T4003不銹鋼在C80B型不銹鋼運煤專用敞車上的應用實例

4.1 T4003鐵素體不銹鋼的化學成分和力學性能

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

表1 T4003鐵素體不銹鋼的化學成分(質量分數(shù)) %

表2 T4003鐵素體不銹鋼的力學性能

4.2 應用實例

C80B型不銹鋼運煤專用敞車車體為全鋼焊接結構，底架主要的型材、板材采用屈服強度為450 MPa的高強度耐大氣腐蝕鋼，與貨物接觸的側、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，具有比較高的性價比。采用不銹鋼車體材料是鐵路貨車實現(xiàn)輕量化和重載的有效途徑，同時我國鐵路貨車設計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，未來將會在我國新一代的鐵路貨車上得到更加廣泛地推廣和應用。