0 前言

隨著鋼鐵技術的進步及鐵道車輛高速、重載、低成本要求的不斷提高 , 鐵道車輛的車體材料經歷了低強度普通碳鋼→低強度耐大氣腐蝕鋼→高強度耐大氣腐蝕鋼的變化。鋁合金及高合金耐蝕鋼 , 如低碳鐵素體不銹鋼 TCS, 也得到部分應用。

我國在 1990 年前采用的是普通碳鋼 , 如 Q235,A3 鋼等。由于其耐蝕性不足 ,1990 年后被低強度級別的耐大氣腐蝕 鋼 取 代 , 如 09CuPTiRE,09CuPCrNi 等, 其屈服強度為 350MPa 左右。2001 年后 , 為適應貨運車體高速重載的設計要求 , 開始采用新一代高強度耐大氣腐蝕鋼 Q450NQR1。

鋁及其合金材料在大氣環境下的耐蝕性良好 , 但強度較低 , 且通常采用鉚接而不是焊接的方法 , 多應用于專用貨車。2003 年開始 , 我國用鋁合金制造的鐵路專用運煤敞車已經投入使用 , 型號為 C80, 載重達 80t, 自重僅 20t。目前已制造了 6000 多輛 , 主要用于大同—秦皇島之間的運煤專線。鋁合金制作的車輛由于中梁等承載部件和鉚接材料（ 鉚釘 ） 等仍需使用鋼鐵材料 , 在車體鉚接部位存在嚴重的電偶腐蝕問題。？

目前 , 南非、澳大利亞和英國的鐵路貨車車輛用鋼均為 TCS 不銹鋼 , 其耐腐蝕性能遠優于耐候鋼。TCS 不銹鋼的成本相對于高強耐候鋼高出約 50%, 同時 ,其高合金含量 , 導致焊接過程中不可避免地產生微小裂紋 , 影響運行可靠性。

2004 年我國使用 TCS 不銹鋼制造的鐵路貨車車體也存在焊接裂紋及熱影響區韌性偏低的問題。針對上述問題 , 鐵道部提出重新使用耐大氣腐蝕鋼的要求 , 但必須進一步提高耐大氣腐蝕性能。本文介紹了鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的發展及應用現狀、市場需求及研究開發方向。

1 應用現狀和市場需求

1.1鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的發展和應用現狀

耐大氣腐蝕鋼亦稱耐候鋼 , 其發展和應用是從鐵道車輛開始的。美國 USS公司在 1934 年研制出 Corten 耐候鋼 ,并用于制造漏斗車。我國從 1961 年開始研制耐候鋼 , 并在 1969 年嘗試用于鐵路貨車的制作。到目前為止 , 已經研制了一系列的耐大氣腐蝕鋼 , 除用于鐵道車輛外 , 還廣泛應用于集裝箱、橋梁、工程機械及戶外塔架等領域。近年來鐵道車輛使用較多的耐大氣腐蝕鋼有295MPa 級 的 09CuPTiRE、345MPa 級 的09CuPCrNi（ 表 1）。隨著鐵路高速重載要求的提出 , 更高強度的 Q450NQR1 獲得廣泛應用。？

鐵道車輛的設計壽命為 25 年 , 希望在此期間車體的力學性能得到保證 ,不需要進行鋼板截換。對鐵路貨車腐蝕、磨損狀況的調查發現 , 目前車輛所使用的耐候鋼材料尚不能滿足要求 , 因此鐵道部提出新研制的耐候鋼的耐大氣腐蝕性能在目前基礎上提高一倍的目標要求。Q450NQR1 鋼雖然強度足夠 , 但耐腐蝕性能 （ 表 2） 仍無法滿足使用要求。

國外的鐵道車輛用鋼基本上是在Corten 鋼基礎上衍化而來的。雖然這些鋼在強度、低溫韌性等方面有所改善 ,但耐大氣腐蝕性能仍處于普通耐候鋼水平。日本開發了高Ni和高Cr系列耐候鋼，這些鋼種在保持高強度的同時具有高的耐候性能。高 Cr 系列耐候鋼的生產技術已申請了大量專利 , 其 Cr 質量分數為 2%~13%。具報道 , 這個系列耐候鋼除了適用于建筑結構外 , 還適用于高濕熱大氣、土壤和高腐蝕環境。城市供水系統、混凝土、海水腐蝕等領域 , 但未見有應用于鐵道車輛的報道。而高 Ni 系列耐候鋼主要為橋梁用鋼。

日本新干線列車采用 Cu-P 系的Yaw-Ten50 鋼 , 車輛自重降低了 7%;油罐車使用耐候鋼制造后自重降低了22%, 載重量同時增加了 5t。

印度的鐵道車輛主要采用仿Corten-A 的 Sailcor-A 系列耐候鋼。德國和瑞典廣泛使用 Cu-P-Cr-Ni 系或Cu-P-Cr 系耐候鋼制造車輛。其中瑞典鋼鐵公司研制的 Domex 系列耐候鋼主要用于集裝箱制造 , 屈服強度從 500MPa到 700MPa。

圖1 近年來我國鐵路運輸的發展

圖2 近年來我國鐵路總投資及車輛購置費用情況

圖3 我國近年來鐵路營業里程的增長

1.2市場需求

鐵道車輛用鋼的市場取決于鐵路的發展 , 并與經濟發展密切相關。隨著我國國民經濟的持續快速增長 , 鐵路旅客發送量及貨物周轉量大幅度增加 （ 圖 1）為緩解鐵路運輸的巨大壓力 , 近年來我國的鐵路投資及車輛購置費用持續增加（ 圖 2）。截至 2008 年 , 我國鐵路客車保有量達 45076 輛、貨車 591793 輛 ,鐵路營業里程 79687km（ 圖 3）， 相當于每公里鐵路擁有客車 0.566 輛、貨車7.42 輛。今明兩年 , 我國每年新增鐵路5000km, 從 2010 年到 2020 年 , 每年新增鐵路 3000km。

與國外相比 , 我國單位公里所擁有的客貨車數量還遠不能滿足經濟發展的需要 . 據此推算 , 未來十年內 , 我國每年新造客車約3500輛，貨車約40000輛。每年消費的耐候鋼板卷在 35 萬 t 以上。

2 研究開發方向

從實際情況看 , 使用耐候鋼仍是鐵道車輛的主要趨勢 , 但需要進一步提高強度及耐腐蝕性能。目前 , 鐵道部科學研究院金屬及化學研究所也提出了重新使用中、低合金耐候鋼的建議 , 要求新型耐候鋼的耐蝕性能相對傳統高耐候鋼提高一倍 , 即相對腐蝕率在 25% 以下（ 規定傳統高耐候鋼相對普碳鋼的腐蝕率≤ 55%）， 其力學性能等各項指標與傳統高耐候鋼相當。所以 , 高耐蝕性、高強度及低成本是鐵道車輛用鋼的主要發展方向。

2.1高耐蝕性耐候鋼的開發

鐵路貨車應用過程中不斷受到大氣環境腐蝕和動載荷磨蝕。惡劣的應用環境 , 迫使要求所使用的鋼材具有高耐蝕性。我國普遍采用耐候鋼制造鐵道車輛，但是耐大氣腐蝕性能 （ 相對腐蝕率、試驗室加速腐蝕試驗性能 ） 目前只能達到普通結構鋼的兩倍左右 , 即使配合涂漆 , 還是無法徹底解決鋼板在使用過程中的銹蝕問題。國外雖采用不銹鋼代替耐候鋼制造鐵道車輛 , 但成本高 , 同時還有焊接、加工等應用技術問題需要解決。因此 , 開發一種耐腐蝕性能在目前耐候鋼的基礎上再提高一倍，并且具有優良的低溫韌性和優良的焊接性能的耐候鋼 , 成為研究人員的主要任務。

2.2高強度鐵道車輛用耐候鋼的開發

減輕車輛自重的有效措施之一就是采用高強度鐵道車輛用鋼。以敞車為例 , 美國一般車輛的自重系數為0.30 左右。據報道 , 新研制的載重為110.2 ～ 122.8t 的敞車 , 自重系數達到0.18。我國 C64 型主型敞車 , 載重 61t,自重系數為 0.366。因此 , 開發高強度鐵道車輛用耐候鋼也是研究人員的主要任務。高強度耐候鋼的開發還要考慮用戶的使用問題及焊接、低溫沖擊、冷彎加工等問題。

2.3 低成本鐵道車輛用耐候鋼的開發

采用低成本鋼材是降低鐵路運營成本的有效途徑之一。進行耐大氣腐蝕的機理分析 , 通過合金成分調整及工藝改善 , 開發性能優良的低成本耐候鋼產品成為耐候鋼研究開發的一個發展趨勢。

3 結語

隨著鐵路行業的新一輪大發展 , 預計到 2020 年我國鐵路營業里程將達到12 萬 km, 其中復線占 50%。隨著鐵路裝備現代化 , 需要生產各類機車、客車、貨車和動車組等運輸設備 , 鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的市場前景非常廣闊。

我國目前使用的鐵道車輛用耐候鋼最高強度為 450MPa 級 , 其耐腐蝕性能按照試驗測算只有普碳鋼的 2 倍左右。所以開發強度更高、耐腐蝕性能更好的低成本耐候鋼十分迫切。