不锈钢冷弯型材开发可行性研究报告

杨建龙

摘 要：不锈钢车体和铝合金车体材料不同，不锈钢车体结构采用板梁组合整体承载全焊结构，一般采用进口材料，车体成本较高，焊接程序复杂，不锈钢的耐腐蚀能力要优于铝合金。铝合金车体主要采用大型中空闭口型材承载结构，采用国产型材、板材，车体材料成本较低，主要长大焊缝可实现连续自动焊，工艺简单。

关键词：不锈钢;车体材料;可行性研究

0 简述

轨道交通的目的是运送乘客，方便人们出行。车辆则是直接容纳乘客的运载工具，确保运能的基础。为了车体具有足够的强度、刚度和长达几十年的使用寿命，需要采用金属材料制造。

1 不锈钢车辆

轨道车辆范指钢轮承载、导向的铁路客车和城市轨道交通的城际铁路、市郊市内地铁、轻轨等车辆。

轨道车辆的车体采用整体承载薄壳结构，以最大限度地提高车体强度、刚度，同时减轻车体重量。

2 不锈钢车体的特长

在具有同等程度的车体强度、刚度的条件下，铝合金可以比不锈钢实现更大的车体轻量化。以车长19米，宽2.8米，高3.8米的标准B型车为例，车体重量碳钢为9～10吨，不锈钢为6～7吨，铝合金为4～5吨。但是，须特别指出的是铝合金熔点低（650℃左右），一旦出现火灾事故，车体有烧塌的危险，给人民生命财产造成更大损失。不锈钢车体比碳钢涂漆车体、铝合金涂漆（或不涂漆）车体最大的长处还在于对恶劣运用环境的适应能力。具体表现在：

（1）耐大气腐蚀性能强。适宜于在高温、潮湿、空气中含有盐份等腐蚀介质的南方和沿海地带、空气中含有SO2等工业污染相对严重的工业地带。

（2）海拔高、风沙大积雪多的高寒地带。例如青藏铁路车辆，现用任何油漆都满足不了风沙的磨擦敲击和高紫外线国徽老化和剧烈温差变化。

3 不锈钢车体的现状

不锈钢车体起源于美国60年代。后来欧洲特别是日本发展速度最快。我国不锈钢车起步晚，最初是1997年生产过不锈钢软卧车，那是采用SUS304的涂漆车。真正具有当代水平的轻量化不锈钢车，是2002年交付使用的四辆编组北京13号线城轨电动车组。之后，2003年批量投产天津滨海快速涂漆不锈钢车116辆，2004年10月将完成国产化北京地铁轻量化不涂漆不锈钢车。从而揭开了我国生产不锈钢车的新纪元。将于今年下半年招标2007年前完成的北京城市轨道车辆600余辆，用户决定采用不锈钢车体。

正在施工中的青藏铁路也决定采用不锈钢车体的车辆，估计在近五年内将会有數百辆不锈钢铁路客车上线运营。

此外，杭州、苏州、无锡等城轨车辆也大有可能选择不锈钢车体。就是一直采用铝合金体的广州城轨用户，也在询问有关不锈钢车体资料。看来，未来广州后续车辆也大有选用不锈钢车辆的可能。总之，城市快速轨道交通车辆的大部分，边远高寒地区的铁道车辆都将选用不锈钢车体。

4 不锈钢冷弯型材在不锈钢车体中的应用

不锈钢车体的演变过程分三个阶段。第一个阶段半不锈钢车体和第二阶段全不锈钢车体，采用SUS304的可弧焊接不锈钢材料和类似碳钢车体的制造工艺。

但是不锈钢本身不生锈，再加上设备打磨的线条具有很好的装饰性。从环保和降低维修费用，特别是为了满足恶劣环境要求，不锈钢车体应该是不涂漆的。

为了减轻车体重量，车体构件要用薄板（通常0.8～3mm）制造。薄板的承载能力问题不是强度而是刚度，即板在平面内承受压缩、剪切应力而不丧失稳定。为此，板材必须加工成各种形状的型材，特别是长大冷弯型材。

不锈钢的物理性质是热传导率低，仅为钢的1/3，热膨胀系数大，大约为钢的1.5倍，比电阻大，约是钢的6～7倍（参见附件4材料的物理性质）。因此不锈钢车应尽量避免焊接，特别是电弧焊，以防材料强度下降和产生焊接变形。

对不涂漆的不锈钢车体来说凡是外露面几乎都不得采用电弧焊。原因是除了强度、变形因素外，焊缝破坏了板材原来的装饰生，修复困难且不能复原。所以车顶、侧墙、底架的长大构件都是用与车体长度相当的长大冷弯型材构成。长大型材在车体中所占的比例，铁路客车约为50%，城轨客车约为40%。铁路客车车体约重12t，城轨客车车体重约7t，按上述比例换算的话，则型材分别为5t，2.8t，10多个品种（参见附件5不锈钢车体图、附件6技术协议书）。通过型材品种的开发，冷弯型材在车体中的比八一建军节还会进一步增加。

日本的不锈钢车体冷弯型钢有数十种，而且已经形成了标准化、系列化（参见附件7RIS142不锈钢车辆用车体型材）。

5 不锈钢冷弯型材开发

不锈钢是在钢中加入Cr、Ni等金属而形成的具有耐介质腐蚀的钢种。根据使用环境和腐蚀介质、强度等级不同，不锈钢有耐酸碱、耐高温、耐大气和不同强度级等种类。

车辆上用作车体的不锈钢是一种被称为SUS301L的奥氏体车辆专用经济不锈钢。这种钢之所以经济是因为相对于奥氏体不锈钢SUS304来说，贵重金属Cr、Ni含量略低，并含有N。这种钢的性能特点是可以利用不同的冷态加工度使其组织形式不同数量的形态马氏体，从而具有通常称为LT、DLT、ST、HT5个强度级，以适应车体不同部位的加工工艺和设计强度要求。参见附件8材料的化学成分和机械性质。

车辆用不锈钢冷弯型材不同于一般结构和建筑型材，主要特点一是使用的材料强度大、屈强比（σ0.2/σb）高、没有像碳钢那样明显的屈服强度（σs），因此成型困难;二是形状要求严。

不锈钢车体制造工艺特点是零部件的无调修和自动点焊。对于大断面长尺寸的型材来说，要求零部件精度非常高。（参见附件9RIS1312I不锈钢型材的尺寸精度标准）

由于上述冷弯型材的特点，要求冷弯加工设备品种多刚度大、模具精度严、复杂系数高，调整工艺难度大，成本高。一台冷弯设备约需80～100万元。普通断面型材模具费应在15万元左右。

6 结论

铁道车辆用不锈钢冷弯型材开发须投入大量人力、物力，而且随着产品变化需不断更新换代。不锈钢车体结构复杂，生产周期长，工序多且复杂，所以人工成本高。不锈钢车体材料可以不涂油漆，可节省维护费用，车辆段不需建喷漆库。冷弯型钢不锈钢车体具有不可比拟的优势。

参考文献：

[1]《JIS G -2005冷轧不锈钢板材、薄板和带材》[S].