城市轨道不锈钢客车的发展及对不锈钢的挑战*

王　刚， 韩晓杰， 朱婷婷

(上海宝山钢铁股份公司研究院， 上海　201900)



城市轨道不锈钢客车的发展及对不锈钢的挑战*

王刚， 韩晓杰， 朱婷婷

(上海宝山钢铁股份公司研究院， 上海201900)

以城市轨道不锈钢客车为研究对象，阐述了不锈钢客车的发展历程及各阶段对不锈钢材料的影响，工艺的发展对不锈钢材料提出的要求，揭示了国内轨道交通发展的市场容量及发展态势以及国内制造企业的发展阶段，展望了国外最新的不锈钢客车进展趋势及对不锈钢材料的新的挑战。

不锈钢车体； 城市轨道； 轻量化

引言

国内的轨道交通客车车体早期采用碳钢，现在绝大部分新造车体由不锈钢和铝合金制作；中国轨道交通客车不锈钢和铝合金车体(以下简称“不锈钢车体”和“铝合金车体”)技术来源于国外，铝合金车体在国内出现较早，而不锈钢车体应用于城市轨道交通从2003年才开始，距今仅10余年的时间，在国内属于新兴的轨道车辆。

1　不锈钢车的发展历程

1.1国外的开发、发展概况

世界上最早的不锈钢客运列车车辆是由美国巴德公司(Budd Company，现属于德国蒂森克虏伯集团，ThyssenKrupp Budd)于1932年生产的，但不锈钢列车得到完善的发展并得到广泛使用却是在日本。

日本两大不锈钢车体制造技术领军型公司分别为日本东急车辆制造株式会社(Tokyu Car Corporation，现属于东日本铁路公司)和日本川崎重工业株式会社(Kawasaki Heavy Industries, Ltd.)。日本最早生产不锈钢车辆是在1958年，由东急车辆公司制造，其车体骨架与以前碳钢车一样采用碳钢骨架，只有外面板使用SUS304不锈钢，属于半不锈钢车辆。

为了车辆的轻量化与免维修，1962年东急车辆公司制造完成了首辆全不锈钢车。该车与碳钢钢制车辆比较，质量轻2 t，车体结构几乎不需要补修。由于受到石油危机的影响，东急车辆公司于1976年成立了轻型不锈钢车辆开发设计组，将下列三点定为开发目标：1)车体结构质量与铝合金车相当；2)价格和普通碳钢车一样；3)与原有不锈钢车辆具有同等以上的强度和刚度。到1977年11月，终于试制出车体结构质量为6 t的新车体，实现了比普通碳钢车轻4 t、比原有不锈钢车轻2 t的目标，成为首批不锈钢节能车。1980年末，制造出了轻型的不锈钢车辆，车体结构设计则采用新型骨架或接头，并将原有波纹外板改成由加长刚性肋(压筋)加工的平外板[1-3]。

1990年，JR 东日本为改善东京周围的通勤运输，计划开发新一代通勤电动车。东急车辆制造公司不沿袭旧有方式，在工厂设备、制造工艺等方面进行了技术革新，于1993年生产了新一代通勤电动车209系(车体仅重5.3 t)，后来又开发了E217系、E213系，即第三代轻型不锈钢电车。

综上所述，日本轻量化不锈钢车辆的开发过程可分为三个阶段：

第一代是以美国巴德公司的技术为基础开发的外板为波纹板的不锈钢车辆系列。

第二代是东急车辆公司技术首次独自开发的、正规的轻型不锈钢车辆，其外板带补强压筋。

第三代不锈钢车辆车体结构制造采用自动化，完全平外板。

纵观日本不锈钢车的发展演变史，就是不锈钢材料为满足下游行业用户需求不断发展和创新的历史，从下游行业在进行科研试制新车型的前期，日本不锈钢企业就开始涉足其中，参与车体的科研工作，在材料性能和焊接方式上与下游行业形成紧密的合作联盟关系，下游行业的动向为不锈钢行业指明了创新的方向。

1.2中国的现状和趋势

1.2.1中国城市轨道交通车辆的发展历程

中国的城市轨道交通的发展经历了三个阶段：

第一阶段为开始建设阶段(从20世纪80年代末至20世纪90年代中期)，中国真正以交通为目的的地铁项目开始建设。

第二阶段为调整整顿阶段(1995～1998年)，由于出现地铁建设的盲目性，且工程造价高，大量引进设备等问题，1995年国务院办公厅60号文件通知，除上海地铁二号线外，所有地铁项目一律暂停审批。

第三阶段为蓬勃发展阶段(1999年以后)。截止2014年年底，中国有38个城市批准建设地铁项目，中国已建成城市轨道交通线近3000 km(未计算港澳台)，从2015年起到2020年，预计将要投入约2.5万亿元人民币在城市地铁项目建设中，地铁建设也继续狂飙猛进。

在已经开通和即将开通轨道交通的城市中，实际使用不锈钢地铁车的城市为天津、北京、沈阳、成都、深圳、西安和香港，其他均为铝合金车。除此以外，中国轨道车辆厂纷纷中标国外不锈钢车辆项目，如长春客车厂中标巴西地铁、南京浦镇厂中标印度孟买地铁、株洲车辆厂中标土耳其地铁等，向国外出口轨道交通车辆，中国城市轨道交通建设将迎来全盛的发展时期，不锈钢车体发展前景广阔。

1.2.2中国轻型不锈钢轨道客车制造的阵营

全国范围内城市轨道交通车辆制造企业主要有6家，分别为：长春轨道客车股份有限公司(以下简称“长春客车”)、青岛四方机车车辆厂(以下简称“青岛四方”)、南京浦镇车辆厂(以下简称“南京浦镇”)、湖南株洲电力机车厂(以下简称“株洲车辆”)、大连机车车辆有限公司(以下简称“大连机车”)、北京市地铁运营有限公司车辆厂(以下简称“北京地铁车辆”)。其中长春客车以不锈钢车见长，而南京浦镇以铝合金车见长。各厂的大致年产能如表1所示。

中国南北车集团合并后，生产地铁的厂家均在近年来建设了不锈钢生产线，代表中国不锈钢车体制造水平的两家领军型企业分别是长春客车和青岛四方。

表1　中国不锈钢地铁车辆厂车体年产能

1.2.3中国不锈钢车体的开发制作

1987年，长春客车用太钢公司生产的0Cr18Ni9不锈钢采用电弧焊工艺生产了2辆RW22型软卧车，这是中国最早的不锈钢车。1995年长春客车开始引进韩国技术进入全不锈钢车体的研制摸索阶段，生产30辆衡广铁路复线使用的时速200 km不锈钢客车；2000年开始对不锈钢车体进行第二阶段的研制，在2002年初，长春客车吸收日本东急车辆公司的不锈钢车体技术，制造出了全新的点焊结构轻量化不锈钢车体(即日本第三代轻型不锈钢车体)并投入商业运营，达到日本1990年初的技术水平[3]。

2002年长春客车建成中国第一条不锈钢地铁车生产线后，青岛四方也建成不锈钢生产线开始生产不锈钢地铁车。随后，大连机车、南京浦镇和株洲车辆也纷纷建立起自己的不锈钢地铁车生产线[4-5]。

轨道交通客车用不锈钢行业具有典型的订单决定生产的特点，车辆厂订单的多寡决定上游不锈钢原料生产厂的生产。原南北车集团从北京奥运会准备召开后，各自加快了不锈钢车的制造步伐，长春客车在近年来进展神速，订单持续不断，生产饱满，尽管全球范围遭遇经济危机，但丝毫不影响轨道交通行业的发展，在国家投资的带动下，解决“行”的地铁行业在投资的拉动下前途光明。近年来中车集团的不锈钢车辆订单如表2所示。

表2　中车集团不锈钢车辆订单简表

2　轨道客车车体材料的变迁及不锈钢与替代材料的竞争

2.1材料变迁

轨道客车车体材料最初是采用木材，为了提高列车的防火及防撞的安全性能，逐渐采用钢铁材料，由于碳钢钢材长时间使用产生的腐蚀问题导致增加钢板厚度，使得车辆加重；近年来，以车辆轻量化和节能减排为目的而采用具有耐蚀性的不锈钢和铝合金材料制造的轨道客车逐渐增加，取代以前的碳钢车辆。目前典型的车辆车体材料为碳钢(包括耐候钢)、不锈钢材和铝合金材料，各种材料的特征综合对比如表3所示。

表3　轨道客车车体材料的特征评价表

目前地铁车辆结构所用的不锈钢和铝合金材料，逐渐挤占了传统的碳钢和耐候钢材料市场。

2.2轻型不锈钢车辆用不锈钢的特性

城市轨道车辆车体结构使用的不锈钢，从耐腐蚀性、加工性、机械强度等方面考虑，采用了奥氏体系的SUS301L不锈钢，用于车体结构和面板；其含碳量控制在0.03%以下，可有效防止焊接时碳化铬析出而产生的晶界腐蚀裂纹和焊接缺陷，通过增加氮含量的固溶强化作用来弥补由于碳含量降低导致的强度下降。SUS301L是靠成分调整γ稳定度和通过冷轧调质加工后诱发马氏体量来获得各种强度水平，而且冷弯加工性好。SUS301L不锈钢按抗拉强度不同分为LT，DLT，ST，MT，HT五个等级，根据车体结构所需强度不同而分别使用(如表4，5所示)。

表4　SUS301L和SUS304的化学成分对比/%

表5　SUS301L和SUS304的机械性能对比

3　不锈钢材料供应商竞争环境分析

3.1生产难度大，市场容量有限

中国不锈钢轨道车辆行业每年所需301L不锈钢为2万t左右，由于其对生产技术要求极高，国际上也仅有日本新日铁住金不锈钢公司、法国阿赛洛公司、美国AK钢公司、韩国现代制铁下属BNG冷轧厂以及中国的太钢、宝钢这6家公司生产。一方面是由于生产难度大，另一方面由于市场容量有限，在下游行业订单没有大幅增加的情况下，6家不锈钢生产企业都只能在争取有限的订单上下功夫。

3.2利润高，关联生产

301L不锈钢的生产成本相比普通304来说，合金成本更低，然而301L产品售价均达到304的2倍左右，主要是生产技术要求高，能提供的差不多都是技术水平高、产品性能稳定的企业，并且这些企业都能够获得稳定的订单。其中不少不锈钢车辆制造企业与不锈钢冷轧厂建立了紧密的战略联盟关系，有的车辆企业和不锈钢冷轧厂甚至同属于一家公司旗下(如韩国韩进重工业车辆业务和韩国BNG冷轧厂同属于现代起亚汽车集团)。

4　不锈钢轨道客车未来发展趋势对不锈钢材料的要求

4.1开发替代材料

自从1978年日本开发出SUS301L后，世界各国的不锈钢车辆生产商不约而同地采用该钢种作为不锈钢车体结构专用钢种，近30年来很少有所改变。但由于近年来由于镍价的大幅波动，造成含镍较高的SUS301L价格也剧烈波动，使得不锈钢车辆制造企业也开始研发、制造非SUS301L不锈钢车，如采用DIN 1.4003和AISI201等材料，并使用2205双相不锈钢制作车体的底架，打破了SUS301L统治不锈钢车辆材料的单一局面，但与此对应的是不同的不锈钢材料在同一车体上的运用，会增加车体解体时不锈钢回收的分拣困难。

4.2改进车体制造方式

车体轻量化的持续发展推动激光焊接第四代不锈钢双壳车体的诞生，采用激光焊接的第四代不锈钢车结构简化、零件减少，带动材料的冷弯成型、焊接工艺革新，对原材料要求更加严格(平直度、强度、厚度公差等指标)。

中国最近使用的不锈钢车辆是由第二代向第三代的过渡型，新型车辆是平外板化的，生产数量在不断增加，且其耐蚀性优良，并可发挥点焊优点，在多品种、小批量生产中逐渐标准化，并正努力向机械化和机器人化的工业产品化方向发展。

日本不锈钢车辆以工业产品化为目标，努力减少制造工时，不锈钢双层板车体结构的开发工作正在JR东日本、新日本制铁、东急车辆等公司中进行。以往的车体结构是将骨架和外板点焊组装，而新开发车体方法则是在两块不锈钢板之间嵌装加强材料以组合成双层板车体结构，同以往的方式相比，双层板的零件数量减少、制造工时减少，日本第四代不锈钢车体已经实现和铝合金车体同样重量的目标。

4.3改进焊接工艺

焊接工艺的飞速发展，使得传统用于铝合金的焊接新工艺(FSW和LAFSW)也在不锈钢焊接上得到突破，将导致不锈钢使用技术的重大变革。

2005年日本东急车辆制造公司与日本大阪大学藤井英俊副教授研究小组成功进行了厚度1.5 mm级别不锈钢薄板的摩擦搅拌焊接(FSW)，焊缝强度超过母材的强度，突破了以往不锈钢的FSW焊接只能在厚度为5～6 mm板材上进行的局限。

2007年2月，东急车辆制造公司再次与日本大阪大学野城清教授联合开发出不锈钢薄板FSW焊接速度的世界纪录(1 m/min)，是原来速度的2.4倍，焊缝焊接强度达到母材的1.3倍，使得不锈钢薄板的FSW焊接技术接近商品化阶段。

5　结束语

近20多年来，中国的轨道交通发展呈现出爆发式的增长，不锈钢车和铝合金车迅速成为轨道交通车辆的主流，而轨道交通车辆专用不锈钢SUS301L顺势得到应用，但面临着其他材料特别是铝合金的竞争，以及不锈钢下游加工、焊接工艺的挑战。轻量化不锈钢车体在中国经历了一个“从无到有，由弱变强”的发展过程，已经在北京、沈阳、西安、成都等地广泛应用于地铁线路运营，并出口到香港、泰国、印度、巴西等国，从而带动了国内不锈钢厂商研发不锈钢车辆用结构材和面板。在科学技术的巨大推动下，不锈钢行业将伴随着中国轨道交通的大发展，有着广阔的应用前景。

[1]内田博行.东急车辆におけるステンレス车辆开发と经纬の最近构体技术[J]，铁道车辆と技术(日)，2001, (67)：10—21.

[2]王旭东. 谈地铁不锈钢车体及其国产化问题[J]，铁道车辆，2000，38(S1):49—52.

[3]赵明花，刘玉民. 城市轨道车辆不锈钢车体的研发[J]，城市轨道交通研究，2004, (1):76—80.

[4]张静波.长春轨道客车与三并物产和东急车辆合作制车[J]，世界轨道交通，2005，(3):16.

[5]陈志强. 大连金州线不锈钢车车体点焊工艺研究[J]，机车车辆工艺，2009, (4):12—14.

2016-03-13

王刚(1978—)，男，工程师。电话： 13564214487；E-mail：gang_wang@baosteel.com

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