铁路货车新型涂覆材料研究

史洪斌，刘文胜，陈永东，刘博阳，张 洁，景生寿

(1.中车太原机车车辆有限公司，山西 太原 030027；2.宁夏宁东铁路有限公司，宁夏 灵武 750409；3.大连交通大学，辽宁 大连 116028)

0 引言

我国铁路货车的载重量经历了从60 t、70 t到80 t的升级换代，车体材料从碳钢逐渐升级为耐候钢、高强钢、铝合金和铁素体不锈钢等。因车体材料不断变化，使车体涂覆材料也在不断升级换代。

随着国家环保政策的实施，我国全面推进清洁生产，减少生产过程中挥发性有毒有机物排放。目前我国铁路货车的保有量已达90多万辆，为有效降低挥发性有机物(VOC)的排放量，改善溶剂型涂料易燃易爆、危害环境等不足，我国自2008年以来陆续在部分货车上使用了水性防腐涂料，并取得了较好的经济效益和社会效益。但是由于车体内壁与煤炭、石砟、矿石等货物会产生腐蚀、磨擦、刮碰和冲击，车体内壁涂层往往在不到一年的时间即失去保护作用，车体钢结构腐蚀严重。为此，亟需研究新型铁路货车内壁高防腐高耐磨抗冲击涂料，以降低货车墙板、地板和门板在恶劣运用条件下的损坏程度，提高其使用寿命，降低维修和使用成本。

1 铁路货车车体涂覆材料发展历程

建国初期我国铁路货车车体材料主要为A3钢(Q235)+木板，20世纪70年代左右逐渐改为全钢材料，20世纪80年代末开始使用屈服强度为295 MPa的耐大气腐蚀钢，20世纪90年代开始使用屈服强度为345 MPa的耐大气腐蚀钢。从2005年开始，载重70 t级新型货车全部采用屈服强度为450 MPa的Q450NQR1高强钢。为了满足80 t级敞车降低自重的要求，从2004年开始，C80型运煤专用敞车车体采用了铝合金材料；从2006年开始，C80B型运煤专用敞车车体开始采用TCS铁素体不锈钢。目前，我国货车车体主要采用钢板，用涂料作为重要防护手段。

我国铁路货车主要包括敞车、棚车、平车、罐车和漏斗车等，铁路货车对外观要求不高，面层涂料以黑色居多，其中罐车按用途分为不同颜色，如轻油罐车主要为银灰色，重油罐车主要为黑色，危险品主要为黄色。

我国铁路货车涂料的发展历程如下：

(1) 20世纪90年代前，我国铁路货车主要采用与当时客车相近的涂料，如酚醛防锈漆或磁漆、醇酸磁漆或调和漆。为达到有效干膜厚度，一般要涂装4道，但防腐保护效果不好。

(2) 20世纪90年代初开始全面推广货车用厚浆醇酸漆，以取代酚醛和醇酸漆等，1996年我国发布了TB/T2707-1996《铁路货车用厚浆型醇酸漆技术条件》。厚浆醇酸漆的涂装体系为:表面抛丸处理后喷涂预涂底漆，喷涂厚浆底漆和面漆各1道(或底面合一型厚浆漆2道)。溶剂型厚浆醇酸漆的不挥发物含量底漆为65%、面漆为63%。溶剂型厚浆醇酸漆的汽油含量约为30%左右，二甲苯含量约为3%左右，再加上喷涂设备清理用的溶剂，会对环境造成极大污染，而且严重损害施工人员身体健康。

(3) 从20世纪80年代开始，德国将水性涂料用于铁路货车。2000年之后，欧美等发达国家在铁路货车上开始普遍应用水性涂料，如单涂层水性丙烯酸涂料、双组分水性环氧底漆+单组分水性丙烯酸面漆、双组分水性环氧底漆+双组分水性聚氨酯面漆等。随着各国环保意识的日益增强，水性涂料的用量呈直线上升趋势。美、英、德等发达国家的水性涂料已占铁路货车用漆的90%以上。1998年，全球油漆总产量为2 200万吨，其中水性油漆占35%。我国从20世纪90年代初开始研发水性涂料，所占市场份额逐年增加，已广泛应用于汽车、船舶、铁路机车车辆和建筑等领域。水性涂料自2008年开始被应用于铁路货车上，从2014年开始在铁路货车上批量使用，逐渐取代了原来的溶剂型涂料。

2 铁路货车涂料的发展趋势

节能、减排是我国环保的重点，我国环境保护行业标准HJ/T201-2005《环境标志产品技术要求水性涂料》中规定:水性防腐涂料VOC的排放限值为≤250 g/L;HUJ/T293-2006《清洁生产标准汽车制造业(涂装)》第一次规定了用于工业生产涂装过程的VOC排放量。

欧美各国均颁布了相关法律法规，对VOC排放进行了严格的控制，并逐渐完善了相应的法规和标准体系。目前美国对工业涂料行业VOC排放的限制为每个工厂每年不超过50 t；欧盟对工业涂料VOC含量限制为250 g/L～540 g/L(根据涂料种类划分)。1990年起，欧洲和北美开始在工业领域广泛使用水性涂料。从国内外近年涂料工业的发展过程可以看出，降低VOC排放是各国的一致目标。为实现这一目标，国外铁道车辆广泛采用水性涂料和无溶剂型涂料代替传统的溶剂型涂料，这两种涂料已成为发达国家车辆制造业的主流。

3 铁路货车既有涂装体系存在的问题

现代工业生产中，广泛采用金属表面涂覆涂料的生产工艺，在金属表面形成致密涂层，使金属基材与外部的氧气、水分等腐蚀介质相互隔离，有效提升了金属产品的耐腐蚀能力，延长了产品的使用寿命，并且使产品外表美观、精致。铁路货车车体内壁与货物接触，防腐保护措施主要是在表面涂覆有机保护涂层，以漆膜隔离金属构件和腐蚀介质，从而起到保护金属构件的作用。从近年来现场调研的情况来看，引起耐候钢墙板、地板和门板腐蚀减薄及穿孔的原因首先是车辆在货物摩擦力和装卸机械的磕碰剐蹭作用下，内部防腐蚀涂层磨损失效，后期在雨水和介质的腐蚀及介质磨损的双重作用下，钢材基体被腐蚀、锈层被破坏导致其逐渐减薄直至穿孔。若能首先解决好涂层磨损失效问题，则钢结构腐蚀减薄问题也会迎刃而解。根据调查，由于车体内壁与煤炭、石砟、矿石等货物会产生腐蚀、磨擦、刮碰和冲击，采用装载机装卸时，内壁也会与装卸设备磕碰导致漆膜损坏，因此车体内壁涂层往往在不到一年的时间即失去保护作用，部分车辆出厂3个月车体内壁涂层的损坏面积达到20%～30%左右，涂层损坏或脱落的地方均发生了锈蚀。

目前，国内铁路货车车体内壁普遍采用水溶性底漆和面漆，涂层干膜总厚度不小于100 μm；或者采用环氧云铁厚浆底漆或溶剂型厚浆醇酸底漆，配套采用厚浆醇酸面漆，底面漆干膜总厚度不小于120 μm。敞车车体内壁采用环氧云铁底漆+环氧沥青玻璃鳞片漆做内壁防护涂层，底面漆干膜总厚度不小于200 μm。采用厚浆醇酸漆做车体内侧防护涂层，漆膜的使用寿命不到半年；采用环氧云铁底漆+环氧沥青玻璃鳞片漆做内侧防护涂层，漆膜的整体状况虽然优于涂厚浆醇酸漆的车辆，但距满足一个厂修期(9年)的使用要求还有相当大的差距。此外，由于铁路货车内壁漆膜隔热性差，在冬季装载煤炭等含水货物时，货物容易与货车内壁发生冻结，导致无法卸货或卸不净。

4 铁路货车新型防腐耐磨涂料研究目标

为提高耐候钢车体内表面防腐性能、降低全寿命周期检修维护成本，通过对国内外防腐耐磨涂层技术及应用情况进行调研,提出在铁路货车上采用新型防腐耐磨涂料。新型防腐耐磨涂料应达到以下目标：

4.1 适应我国气候特点

我国幅员辽阔，地势西高东低，南北气候温差大，铁路货车使用环境温度为-40 ℃～+40 ℃，对于进解冻库的铁路货车，涂层应满足在+110 ℃时连续放置3 h不脱落、不起皮的要求。货车既要在沿江、沿海等气候潮湿地区运行，也要在青藏高原等高寒、紫外线强烈的地区运行，新型涂料需要具有优异的耐热性、耐温变性和耐低温冲击性等。

4.2 具有优良的耐腐蚀性

铁路车辆在运行过程中，会经受大气腐蚀、化工腐蚀、细菌腐蚀、应力腐蚀和杂散电流腐蚀等多种组合模式的腐蚀。我国铁路货车使用寿命为25年，其中70 t级通用货车的厂修周期为9年，段修为27个月。按现行的检修规则，货车车体在段修时对车体锈蚀、油漆脱落处应补涂油漆，厂修时车体抛丸后重新涂装。车体油漆的实际使用时间为9年，在这9年时间内，车体涂装应具有良好的性能，可靠防止车体发生金属腐蚀，避免因腐蚀造成的相关维修，减少维修成本。而采用新型高防腐耐磨涂料，防腐保护效果可满足车体全寿命期使用要求，即厂修时车体内表面涂层不进行重新涂装。

4.3 具有良好的耐磨、耐冲击性能

在车辆装载、运输货物的过程中，避免因磕碰、摩擦造成的涂层破损、脱落，防止腐蚀介质渗透至车体金属表面，形成严重的化学腐蚀。

4.4 具有优良的涂装工艺性

为适应新造铁路货车大批量生产制造的特点，新型涂料本身需要具备优异的厚涂性、流平性、干燥性能等，同时新型涂料应施工便捷，不需额外的作业场地，不大幅改变现有涂装作业流程。

4.5 符合我国环保法规要求

根据国家环保法规的规定，在选择防腐性更为优异的涂覆材料时，需要首先考虑涂料VOC含量的问题，使用绿色环保涂料。

4.6 具有较好的经济性

根据铁路货车的实际运用情况，从全寿命周期的角度分析其经济性。铁路货车涂装成本的占比远低于汽车、化工装备、工程机械等行业，但发生腐蚀后造成的损失也远高于这些行业。现有水性涂层配套体系总体成本较低，但很难适应各种应用工况下防腐、耐候、耐磨、耐化学品和耐冲击需要。而新型高防腐耐磨涂料虽然首次涂装成本提高，但可以提供更优异的防腐蚀能力，满足使用寿命期内的防腐需要，有效降低车体在整个使用寿命期的检修成本。

敞车等货车装载腐蚀性介质，会对车体内壁、下侧门板等造成严重锈蚀，在厂修时需要截换并造成维修成本增加。如神华公司厂修货车(碳素钢车体)总量在2.5万辆左右，假设每辆车节省1.975万元的钢结构截换成本，则总计可减少约5亿元的车辆维修成本。

4.7 达到一定的技术指标

机械强度高，实干硬度达到5H；耐磨性好，比环氧涂料高50%，比丙烯酸涂料高2倍；耐老化性能优于既有水性涂料；干燥速度快于既有涂料，适应免烘烤作业，显著降低能源消耗；VOC排放低于既有涂料。

5 新型防腐耐磨涂料研究思路

为保证铁路货车新型防腐耐磨涂料满足我国铁路货车运用工况，首先应调研目前我国各型铁路货车车体内壁在不同检修周期的腐蚀和损坏情况以及铁路货车车体涂装体系存在的问题，分析车体内壁和表面涂料不能满足使用工况的原因和特点；通过对各型铁路货车车体内壁腐蚀情况的调研，研究车体内壁涂料是否适应检修周期以及车体内壁涂料应具备的使用功能；进而对货车新型涂装体系进行选型分析，研究采用适应我国气候特点、具有优良的耐腐蚀性、良好的柔韧性和耐磨性、较高的机械强度以及较好的环保性和经济性的新型高防腐耐磨涂料，防腐保护效果满足车体全寿命期使用要求，降低货车墙板在恶劣的碰撞、摩擦环境下的损坏程度，提高使用寿命，降低维修和使用成本；最后对新型高防腐耐磨涂料的耐盐雾、耐酸碱、耐盐水、涂层附着力、耐磨等性能进行测试并进行装车运用考验，保证新型高防腐耐磨涂料在经受苛刻环境考验后仍具备优异的防护性能。