铁路货车用钢材现状与发展(第一版)

中国北车齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司CNRQIQIHARRAILWAYROLLINGSTOCKCO.,LTD铁路货车用钢材现状与发展提纲1概述2铁路货车用钢材概况3铁路货车对钢材的需求趋向4结束语1概述随着铁路车辆工业的发展和钢材生产能力的提高,我国铁路货车已从钢木混合结构进入全钢结构时代,由焊接结构大量地代替了铆接结构，铁路货车技术水平有了很大提高,1998～2008十年间，我国铁路货车技术水平快速提升，实现了提速、重载两大跨越，走出了一条独具中国特色的提速、重载发展之路。通用货车由60t级向70t级升级换代，完成了既有货车120km/h提速改造，专用货车的载重达到了80t,大秦线顺利开行2万吨重载列车。货车的厂修周期得以延长,货车检修工作量有所减少,综合使用性能有了很大提高，对此，钢铁行业起了很大作用。按照《中长期铁路网规划》和铁路技术政策，2012年前，我国部分铁路将陆续实现客货分线，为大轴重货车的发展创造了极为有利条件，届时，中国铁路将全面跨入世界重载铁路行业，达到或接近世界先进水平。而大轴重货车的发展需要开发更为优质的材料，以提高车辆可靠性、实现轻量化设计、减少磨耗、主要零部件实现寿命管理等，为此，在提高设计、工艺水平的同时，应充分认识货车用钢材的现状和发展趋势，进一步加强铁路与冶金行业的合作，以优质的材料来促进铁路车辆工业的迅速发展。2货车用钢材概况2.1国外铁路货车用钢材概况重载运输比较发达的国家主要是：美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西等国，其中主要以美国为代表，其铁路货车技术一直都代表着世界最先进的水平。美国在上世纪30年代就开始研究耐候钢并在铁路货车上进行了应用，随着铁路货车技术水平的不断发展，为了提高运能，最大可能的降低车辆自重，提高载重，近十几年来美国在铁路货车上大量采用了铝合金和不锈钢材料，但其主要受力部件仍采用高强度耐候钢和高强度低合金钢,主要以高强度耐候钢为主。美国铁路货车采用的耐候钢屈服强度一般都不超过345MPa,结构钢符合ASTMA242的要求，板材符合ASTMA606的要求，其机械性能见表1；高强度低合金钢板符合ASTMA607的要求，其机械性能见表2。板材（厚度≤50mm）型材（厚度≤50mm）热轧冷轧定尺板带卷定尺和板带卷抗拉强度（MPa）≥480≥450≥450≥485屈服强度（MPa）≥340≥310≥310≥345延伸率（%）≥22≥22≥22≥21耐大气腐蚀性约是普通碳素钢的两倍牌号45牌号50牌号55牌号60牌号65牌号70抗拉强度（MPa）380410450480520550屈服强度（MPa）310340380410450480延伸率（%）热轧252220181614冷轧222018161514耐大气腐蚀性和普通碳素钢相当（如指定含铜钢，则是普通碳素钢两倍）表1：美国铁路货车用高强度耐候钢机械性能表2：美国铁路货车用高强度低合金钢机械性能由表1、表2可以看出，随着强度的提高，材料的耐大气腐蚀性和延伸率会有所降低。加拿大铁路货车的发展趋势基本上和美国一致,目前正在大力发展铝合金和不锈钢车；澳大利亚铁路货车已在逐步淘汰耐候钢，向不锈钢发展；南非是采用不锈钢车体最早的国家之一，目前也正在大力发展不锈钢车。近几年来，俄罗斯铁路货车也得到了大力发展，现阶段其主要车型的轴重为23t，已开发了27t轴重货车，正在研制30t轴重货车。俄罗斯铁路货车材料主要以耐候钢为主，2001年以前，俄罗斯铁路货车主要采用强度级为295、325、345三种等级耐候钢，其屈服强度都不超过345MPa；2002年研制了强度级为390的耐候钢，其屈服强度为390MPa，在新造货车上以得到了广泛应用，俄罗斯耐候钢的机械性能见表3。强度级295强度级325强度级345强度级390强度极限（MPa）440450490530屈服极限（MPa）305325345390延伸率（%）21212119耐大气腐蚀性为普通碳素钢的两倍以上不到普通碳素钢两倍表3：俄罗斯铁路货车用耐候钢机械性能由表3可以看出，随着强度的提高，材料的耐大气腐蚀性和延伸率会逐渐降低。2002年，俄罗斯钢铁公司开始为铁路货车研制强度级为400～500的高强度耐候钢，目前该类型钢材的化学成分和机械性能都已确定，正在进行各项综合试验，其主要机械性能见表4。用于车体承载部件用钢用于车体防护部件用钢牌号14ГСфАЮД12ХГ2СМфАД08Г2МфЪД10ХНдПф12ХдПф14дПф强度极限（MPa）530600600530530530屈服极限（MPa）410500500420420420延伸率（%）222218211919耐大气腐蚀性高于普通碳素钢表4：俄罗斯高强度耐候钢机械性能2.2中国铁路货车用钢材现状2.2.1铁路货车用钢材发展历程1949年新中国成立后，中国铁路货车主要经历了两个发展阶段，第一阶段是从1949年至1957年的仿制国外产品阶段，第二阶段是从1957年至今的自行设计、自主创新阶段。在这两个阶段中，我国铁路货车用钢材主要经历了钢木混合、碳素钢、低合金钢、耐候钢、高强度耐候钢等几个阶段，2003年以后，在专用货车上采用了铝合金和不锈钢材料，铁路货车用钢材发展历程见表5。时间(年)专用货车通用货车主要材料主要材料中梁主要型钢主要板材备注中梁主要型钢主要板材备注1949～1978A3A3A3同Q235-A1978～198509VQ235-AF09MnCuPTi1985～200309V09PCuXtQ235-AF09CuPCrNiC63型敞车09V09PCuXtQ235-AF09CuPTiRE2001～200309VQ400NQR109CuPCrNiC76型敞车09V09PCuXtQ235-AF09CuPCrNi2003～今Q450NQR1铝合金铝合金C80型敞车Q450NQR1主要用于70t级货车Q450NQR1不锈钢不锈钢C80B型敞车表5：我国铁路货车用材料统计表美国早在30年代就开始采用耐候钢，称为Corten钢。我国从60年代开始仿制耐候钢，1967年首次试用于铁路车辆制造。1978年前后，铁道部与冶金部合作，试验将铁路货车车体结构用金属材料由普通碳钢转为耐大气腐蚀钢，1985年开始在铁路货车上应用，1990年起新造货车全部采用耐候钢。目前,我国铁路货车使用较多的耐候钢牌号有09CuPTiRE、09CuPCrNi和Q450NQR1等，屈服极限分别为295MPa、345MPa和450MPa。09CuPTiRE从1985年开始在60t级通用货车上大批量应用；09CuPCrNi从1988年开始在C63A型敞车上得到广泛应用，2001年取代了09CuPTiRE，主要应用于60t级通用货车；Q450NQR1主要应用于70t级铁路货车。2.2.2不同车型采用不同材料铁路货车按用途主要分为通用货车、专用货车和长大货物车，由于不同车型的特点不同，其一般所采用的钢材也不相同，但不同车型采用的转向架、车钩等基本相同，现将我国现阶段不同车型的车体材料、转向架材料、车钩材料描述如下：2.2.2.1转向架转向架的车轮、车轴采用专用钢制造，在此不再详述，主要说明摇枕、侧架材料。目前，我国铁路货车转向架摇枕、侧架主要采用三种材质：B级钢、B+级钢、C级钢。C级钢的强度级别较高，但由于其焊接性能不良，焊接时所需额外附加条件多，因此未能在我国铁路货车中广泛应用；B级钢和B+级钢的焊接性能好，焊接附加条件少，在我国铁路货车中得到了大量应用。由于B级钢和B+级钢的强度级别不是很高，在一定程度上限制了我国铁路货车转向架轻量化的发展。因此，研制高强度、焊接性能好、焊接附加条件少的优良铸钢材质，是铁路货车转向架用钢材的一个主要发展方向。2.2.2.2车钩车钩对材料的要求是强度高、耐磨性好、较好的焊接性能，目前，我国铁路货车车钩主要采用E级钢，该材料较好的满足了我国铁路货车的运用要求，但还是经常出现钩舌断裂、钩体磨耗严重等质量问题，而在E级钢基础上要进一步提高强度和耐磨性，只能增加热处理的次数，但热处理次数的增加又会导致材料焊接性能的进一步的恶化。因此，是否能够研制出在既有E级钢基础上强度、耐磨性提高10%以上且焊接性能不变或能够进一步改善的新型钢材，是铁路货车车钩用钢材的一个主要发展方向。2.2.2.3通用货车车体我国现有通用货车60多万辆，占所有铁路货车的95%以上，其中敞车约占60%。我国既有通用货车车体材料主要以耐候钢为主，60t级通用货车车体材料主要采用09CuPTiRE和09CuPCrNi耐候钢，60t级通用货车目前已全面停产；70t级通用货车车体材料主要采用Q450NQR1高强度耐候钢。2007年，研制了C70B型不锈钢通用敞车，已投入运用考验，但未进行批量生产。由于通用货车装、卸货条件复杂，运用条件恶劣，车体腐蚀严重，维修工作量大，目前正在探讨通用货车采用不锈钢材料的可行性。2.2.2.4专用货车车体我国专用货车主要用于大秦线，目前保有C80B型敞车2.3万辆、C80型敞车5400辆，专用货车共计近2.9万辆。其中C80B型敞车车体与货物接触部位采用不锈钢材料，主要承载部位采用Q450NQR1高强度耐候钢；C80型敞车车体与货物接触部位采用铝合金材料，主要承载部位采用Q450NQR1高强度耐候钢。2.2.2.5长大货物车我国长大货物车的整体水平已经达到了世界先进水平，长大货物车对制造工艺、材料性能的要求都很高，为了降低自重、保证运行可靠性，长度货物车都选用高强度材料，其屈服极限一般都在680MPa以上。2006年以前，我国长大货物车材料主要采用从日本进口的WEL-780A和从德国进口的DILLIMAX690T，该两种材料强度高、轧制均匀性好、焊接性能好、焊接变形小，且能够满足不同厚度的需求。2006年，为了节约成本，同时为推动我国高强度钢材的发展，从载重450t落下孔车开始，长大货物车开始采用国产高强度钢，主要有HG785E和HG690，经过实际运用后，发现该两种材料主要缺点是：轧制均匀性不好、局部地方存在夹层和气孔。长大货物车有时需要厚度200mm的钢板，但国产高强度钢厚度系列少，最大厚度仅为50mm，不能满足使用要求。因此，研制强度高、轧制均匀、焊接性好、厚度系列多的高强度钢材是推动我国铁路长大货物车乃至其他制造业发展的一个主要因素。2.2.3不锈刚铁路货车采用不锈钢材质主要是为了降低车辆自重,提高运能;寿命期内免截换,减小维修工作量。目前，不锈钢材料主要用于专用货车上，通用货车基本没有采用，其主要原因是：（1）通用货车数量多，采用不锈钢材料初次投入大；（2）不锈钢材料对焊接、切割下料等工艺要求很高，在大批量生产时，质量难以保证；但是随着国产不锈钢材料的不断发展，焊接性能有了极大改善，焊缝疲劳可靠性有了极大提高，目前我国国产不锈钢T4003的各项性能已达到世界先进水平，不锈钢材料将是我国铁路货车未来用钢的主要发展方向。2.2.4耐候钢2.2.4.1耐候钢的防腐机理耐候钢又称耐大气腐蚀钢，主要指含铜钢，耐候钢相对于普通钢材来说，其最大的特点是具备一定的耐腐蚀性能，由于这类钢材含有Cu和P，因此其耐蚀性相对碳素钢有相当的改善，通常认为其寿命可延长一倍左右。当然耐候钢并非不锈钢，其耐候性的机理是锈蚀一段时间后由于表面Cu、P等微量元素富集，形成一层致密的非晶态锈层组织，并与基体牢固地结合。这一稳定化锈层能够在一定程度上抵御大气中水气及有害离子的侵入，防止或极大地延缓基体金属进一步锈蚀。在一般大气环境下，耐候钢稳定化锈层的生成依据所处条件可能需要几年的时间。由于铁路货车长时间处于大气环境条件下，受到大气中温度、湿度、降水和空气污染的作用，同时其所处环境通常并不固定，运用条件有时相当恶劣。特别是在车厢内部，除受到空气中水、温度和阳光的作用外，还受到货物中酸、碱、盐的影响、货物装卸时机械的作用和运输、装卸过程中货物与车厢的相互磨擦作用。如此严酷的运用条件使车辆的防护涂装在较短的时间内发生损坏，进而会造成钢板的腐蚀和磨损，在此情况下主要依靠材料本身的性能