铁素体不锈钢在铁路货车上的应用

刘文胜，杨景林，刘博阳，丁创业，张 洁

(1.中车太原机车车辆有限公司，山西 太原 030027；2.大连交通大学，辽宁 大连 116028；3.中国铁路西安局集团有限公司 安康车辆段，陕西 安康 725005)

1 铁路货车车体用钢的发展历程

我国1990年以前生产的铁路货车车体采用钢-木混合结构或全钢焊接结构，车体采用屈服强度为235 MPa的Q235A普通碳素钢，耐腐蚀性差；从1990年开始，随着我国Cu-P系、Cu-P-RE系和Cu-P-Cr-Ni系耐候钢的研制成功，屈服强度为295 MPa的09CuPTiRE和屈服强度为345 MPa的09CuPCrNi耐候钢在中国铁路货车上开始广泛应用，货车车体强度和耐腐蚀性有了一定的提高；从2003年开始,我国铁路货车开始使用屈服强度达到450 MPa的Q450NQR1高强度耐候钢,以提高车辆结构强度、降低车辆自重，但其耐腐蚀性与09CuPCrNi耐候钢基本相当,从2005年开始，采用高强度耐候钢的载重70 t级货车投入运用。

多年来的运用情况表明：耐候钢的耐腐蚀性能虽比普碳钢有所提高，但车体墙板、地板、门板等部位腐蚀仍很严重，车辆运用两个厂修期后需进行挖补、截换的车体比例达到88%，车门更换率约为81%。目前70 t级铁路货车使用的Q450NQR1高强度耐候钢虽然提高了强度等级，但耐腐蚀性没有提高，难以满足25年的使用寿命要求。

2003年，为降低车辆自重、提高载重、满足大秦线开行2万吨重载列车的运输要求，我国研制了C80型铝合金运煤敞车，侧墙和端墙采用铝合金板柱铆接结构，中梁、枕梁、端梁等关键承载部位采用耐候钢材质。

2004年，我国借鉴国外不锈钢货车的运用经验，开始进行铁路货车用不锈钢材料的应用研究。2005年，采用太钢TCS345经济型铁素体不锈钢制造的C80B型不锈钢运煤专用敞车研制成功，2006年开始批量生产。该车车体侧墙、端墙和地板采用铁素体不锈钢，中梁、枕梁、横梁等部位采用高强度耐候钢。

在充分吸取国外铁素体不锈钢优点的基础上，太钢对TCS345材料的合金成分进行了优化，改善了焊缝热影响区的性能，实现了热影响区低温冲击功≥10 J的目标，降低了焊缝热影响区低温裂纹的风险，其力学性能、焊接性能达到了进口4003不锈钢的水平。2008年，改进型铁素体不锈钢定名为T4003，之后被广泛应用于不锈钢货车上。

2 铁素体不锈钢在国内外铁路货车上的应用情况

2.1 国外应用情况

为解决货车车体腐蚀问题，国外在20世纪80年代采用了Cr12型铁素体不锈钢。含Ni的3Cr12不锈钢最早由阿塞洛公司所属的南非哥仑布厂在20世纪70年代开发，含有12%左右的Cr和少量的Ni元素,具有中等的耐蚀性、强度和良好的可焊性、耐湿磨性和滑动性，采用3Cr12型不锈钢的车辆在全世界已有几万辆。很多国家和地区已将该钢种纳入其不锈钢标准，欧标中的1.4003、美标中的S41003以及德标中的X2CrNi12、中国标准GB/T4237《不锈钢热轧钢板和钢带》以及GB/T3280《不锈钢冷轧钢板和钢带》中的022Cr12Ni均等效于南非的3Cr12。

澳大利亚的不锈钢货车应用范围比较广泛，不锈钢煤车、矿石车的保有量超过10 000辆，近年来必和必拓(BHP)、力拓、FMG等铁矿石巨头大量采购不锈钢货车，市场前景看好。

南非运用不锈钢货车的历史最长，从1995年开始南非铁路就已经停止了耐候钢煤车的制造，陆续对既有的耐候钢煤车车体进行技术改造，与煤接触的部分全部更换为不锈钢。美国从1995年开始批量生产不锈钢运煤敞车，英国从1995年开始批量生产不锈钢煤炭漏斗车，印度从2007年开始新造铁路货车车体全部采用铁素体不锈钢材料，每年使用不锈钢5万吨以上。

2.2 国内应用情况

2003年～2018年，我国铁路货车用铁素体不锈钢产量超过50万吨，生产不锈钢货车超过6万辆。其中，国产不锈钢C80B、C70B、C96型敞车和采用不锈钢下侧门的C80E型敞车累计超过5万辆，使用了40多万吨铁素体不锈钢材料；国内生产出口澳大利亚、巴西等国家的铁矿石敞车和煤炭漏斗车等不锈钢货车超过1万辆，使用了10万吨铁素体不锈钢材料。目前我国铁素体不锈钢货车保有量居世界第一。

3 铁素体不锈钢的优点

3.1 可以减轻车辆自重、提高车辆载重

铁素体不锈钢由于具有良好的耐腐蚀和耐磨性能，腐蚀量不作为主要考虑的因素，可以设计出更轻量化的车体结构，不锈钢车比碳钢车可减轻车体重量15%～20%，从而实现减轻车辆自重、提高车辆载重的目标。

3.2 可延长车体钢结构使用寿命和检修周期

国内70 t级碳钢货车设计寿命25年，厂修周期为8年。实际运用过程中，由于车体墙板、地板、门板等部位腐蚀严重，车辆在寿命周期中挖补、截换的比例很高，达不到设计要求；而不锈钢货车设计寿命可达35年，厂修周期可以延长到12年。

3.3 在车辆寿命周期内使用成本低

由于铁素体不锈钢贵重合金元素含量少，价格与耐候钢相差不多，加上使用寿命长、免截换等特点，虽然铁素体不锈钢货车购置成本略高，但在车辆寿命周期内使用成本更低。

3.4 绿色环保对环境无污染

不锈钢具有良好的耐蚀性，即使长期放置也不会因锈蚀造成环境的污染，而且加工余料和废钢残值不受影响，通过回炉熔炼和轧制，便可重复利用，是一种绿色环保材料。

4 T4003不锈钢在C80B型不锈钢运煤专用敞车上的应用实例

4.1 T4003铁素体不锈钢的化学成分和力学性能

T4003铁素体不锈钢的化学成分如表1所示。T4003铁素体不锈钢的力学性能如表2所示。

表1 T4003铁素体不锈钢的化学成分(质量分数) %

表2 T4003铁素体不锈钢的力学性能

4.2 应用实例

C80B型不锈钢运煤专用敞车车体为全钢焊接结构，底架主要的型材、板材采用屈服强度为450 MPa的高强度耐大气腐蚀钢，与货物接触的侧、端墙主要型材、板材及地板采用T4003不锈钢，较好地解决了墙板、地板腐蚀的问题。在采用较薄板厚的情况下不会因腐蚀原因影响车辆性能，从而使车辆自重降低到20 t，载重提高到80 t，车辆使用寿命由25年延长至35年。

5 铁素体不锈钢发展前景

铁素体不锈钢不仅具有不锈钢的耐蚀性能，同时还具有接近碳钢的加工性能和焊接性能，具有比较高的性价比。采用不锈钢车体材料是铁路货车实现轻量化和重载的有效途径，同时我国铁路货车设计和制造工厂目前已全面掌握了铁素体不锈钢的性能和焊接技术，未来将会在我国新一代的铁路货车上得到更加广泛地推广和应用。