随着铁路现代化建设的发展，高速、重载已成为目前工作的当务之急。为了满足中国铁路高速、重载的要求，载重70 t级及以上的新型货车由于车体结构的改变（延长0.5m）和车辆自重的限制，要求车体重量减少4 t左右（以C70型敞车计），而设计寿命仍为25年，这也对结构材料提出了更高的要求。从强度角度考虑，采用Q450NQR1高强度耐大气腐蚀钢代替原345MPa强度等级的材料可以满足车体钢板减薄的要求，但这意味着材料的腐蚀余量也大大减少，因此需要对车体结构材料的耐腐蚀性能作出评价。

    由于Q450NQR1高强度耐大气腐蚀钢为近年研制出的产品，到目前为止还缺乏其在各种大气环境条件下的腐蚀性能数据。根据室内加速腐蚀试验——周期浸润腐蚀试验的结果表明，Q450NQR1与原用耐候钢09CuPTiRE或09CuPCrNi的耐腐蚀性能相近。作为类比，目前在用的耐候钢车辆的实际情况应该可以成为参照。

    耐候钢又称耐大气腐蚀钢，主要指含铜钢，美国早在上世纪30年代就开始采用，称为Corten钢。中国从1960年以后开始仿制耐候钢，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，试验将铁路车辆车体结构用金属材料由普通碳钢转为耐大气腐蚀钢，1985年开始用于车辆，1990年起新造车辆全部采用。近年使用较多的耐候钢牌号有09CuPTiRE和09CuPCrNi等，强度等级前期主要为295 MPa，后多为345 MPa，目前已发展为450 MPa～550 MPa。现在铁路和集装箱行业已成为国内耐候钢的主要应用领域。

    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大气腐蚀性能，由于这类钢材通常含有0.2 %～0.5 %的Cu和/或0.06 %～012 %的P，以及少量的Cr、Ni等合金元素，因此其耐蚀性相对原用低碳钢有相当的改善，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 等微量合金元素富集，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。从理论上说，在一定的含量范围内，合金元素成份越高，耐蚀性越好，当然其他杂质如S的含量对材料的性能也有一定影响。

    从宏观上看铁道货车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，但由于其所处环境通常并不固定，加上车体内侧受所装载货物的影响，运用条件有时相当恶劣。部分车辆在第一个厂修时就出现由于局部腐蚀过限，需要进行挖补或截换的情况。

货车耐候钢车体的现状

    受铁道部运输局的委托，2004年10月至2004年12月铁科院与齐车、沈阳、二七和石家庄车辆厂及湖东车辆段等单位共同进行了在用铁路货车的腐蚀、磨损状况调查，对象为进行厂修的各型货车和大秦线在用的运煤专用敞车，主要车型包括：通用敞车C61、C62B、C64，运煤专用敞车C63A（C63），以及棚车P64等。

    通过对各选定部位钢板剩余厚度的测量，并根据相应部位钢板的原始设计厚度（初始厚度）值和车辆的出厂时间（使用年限），经过统计计算得到了钢材的减薄速率。

    显然，对于铁路拥有量最大、运用最多的通用敞车，车体钢板（侧板、端板、地板及下侧门板）的平均减薄速率为0.07 mm/a～0.25 mm/a。在第1个厂修时，角柱加强板为0.18 mm/a左右，下侧门板达0.2 mm/a以上（除C61外），其中拥有量最大的C62B型敞车下侧车门板的减薄速率最高，平均值达到了0.25 mm/a。

    对于C63A（C63）型专用运煤敞车，车体钢板的平均减薄速率比通用敞车要低，侧板和地板在第一个厂修期的减薄速率约为0.11 mm/a，端板和其他部位的减薄则要慢一些。

    棚车由于内侧有衬板，加上所装货物对车体钢结构不直接接触，减薄速率相对较低，损坏情况并不严重。

    根据观察，敞车钢板的损耗主要是由于车体内侧的腐蚀和磨损，外侧的整体状况相对较好。虽然在车辆新造时车体的内、外侧均涂有保护性涂层，但由于涂膜的硬度和厚度有限，在车辆投入运行后车体内侧很快就由于货物的磨擦和碰撞被损坏，转而主要依靠材料本身的防蚀性能。

    这里应当说明的是：选定的测量位置多位于或接近厢体各部的连接处，所受应力相对较大，其状态对整车力学性极为重要；另外对于所有的测量部位，减薄速率的最大值均明显高于平均值，最大达平均值的2～5倍。

    耐候钢耐蚀性的产生主要依赖于锈层的逐渐稳定，这一过程需要在干湿交替和无严重污染的环境条件下才能完成，并且达到完全稳定需要持续较长的时间。由于敞车内侧受到货物的磨擦和杂质的影响，锈层经常会被破坏，难以达到完全稳定。现场经常可以观察到锈层成片剥落的情形，而露出的底面锈层呈黄色，而非稳定锈层的深棕色。

    根据敞车调查数据的统计结果，按平均减薄速率0.25 mm/a计算，第一个厂修（按8年计算）时钢板的总损耗量将达到2.0 mm。如果初始钢板厚度为5 mm，则剩余厚度将只有3 mm。按设计余量2 mm考虑，厂修时部分车辆已经需要进行截换。

    铁路车辆的设计寿命为25年，通常希望在这一段时间内车体的力学性能可以得到保证且不需进行钢板截换，但调查数据说明目前车辆使用的耐候钢材料尚不能满足要求。车辆的实际维修的状况正是如此。

新造车辆的车体材料

    新型的70 t及以上级货车的设计速度已明显提高，最高运行速度由80 km/h提高到120 km/h。如C70型通用敞车，其车身长度由原C64的12.5 m加长到13 m，载重量增加了10 t，即由原60 t提高到70 t以上，而轴重仅由21 t增加到23 t。这些因素要求车体至少要减重4 t左右，以此计算车体钢板的厚度平均应减少约1 mm。

    为了达到减重的目的，70吨级货车使用了强度等级为450 MPa的高强耐候钢板Q450NQR1，其侧墙板的设计厚度由原C64的5 mm减少为4 mm，因此损耗余量也相应降低。根据这种材料的技术参数，耐蚀相关成份主要为Cu，加上少量的Cr和Ni，而P含量很低，相当于Corten B或SMA。虽然室内加速试验表明其耐腐蚀性能与原用耐候钢相当，但从理论上讲P对耐腐蚀性也有重要的作用，Corten A或SPA的性能可能更好一些。

    按腐蚀为钢板主要减薄因素考虑，C70车体钢板预留的厚度余量显著偏小，如果按原用耐候钢的减薄速率计算，可以认为其厂修时截换率将明显提高。虽然强度提高可能会改善其耐磨性能，但1 mm的余量也确实让人担心车辆的使用寿命。

    从腐蚀的角度考虑，车辆制造应该采用耐腐蚀性更好的金属材料。理论上讲不锈钢（奥氏体不锈钢）耐蚀性能极佳，但价格太高；铝合金重量轻，耐蚀性较好，国外已有用于车辆制造的实例，但由于需采用铆接结构和存在一些其他问题，在铁路车辆制造中受到一定限制。性能介于耐候钢和不锈钢之间材料应该是未来的发展方向，从这一点考虑经济型不锈钢（铁素体不锈钢）是可以选择的材料之一，比现用耐候钢耐蚀性能要好一些的高耐蚀性耐候钢也具备良好的应用前景。

    对于耐候钢，目前其耐蚀性的评价方法基本上都是按铁道行业标准TB/T 2375-1993《铁路用耐候钢 周期浸润腐蚀试验方法》的规定进行试验，这一方法主要是模拟干湿交替的环境条件，适应于耐候钢稳定化锈层生成的特点，但不锈钢或铝合金等其他材料可能并不适用。对于不锈钢（包括经济型不锈钢），可能的办法还是采用经典的中性盐雾试验，如国家标准GB/T 10125-1997《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》规定的试验方法，但评价标准还有待探讨；对铝合金也存在同样的问题。

    铁素体不锈钢有时又称为经济型不锈钢，主要是依靠减少Cr和Ni元素的含量降低成本， Cr的含量通常只有10.5%～12%左右，而一般意义上的不锈钢（奥氏体不锈钢）含Cr量为18%以上。虽然这种材料的耐腐蚀性能不如奥氏体不锈钢，但与耐候钢相比其耐蚀机理完全不同，由于其成份中Cr含量较高，电极电位较正，本身不易锈蚀，耐腐蚀性能明显占优。当然这种材料在强度和焊接工艺性能方面与耐候钢相比有很大的不同，需要对现有的设计和工艺进行调整。多家铁道车辆厂已开始试用或使用这类材料，C80B型运煤专用敞车已经投入运用，C70B型通用敞车已经开始进行试制和运用考验。

    铝及其合金材料在大气环境下的耐蚀性良好，但强度较低，货车制造中通常需采用铆接而不是焊接的方法，且多应用于专用车型，对通用货车并不太适用。由于中梁等承载部件和铆接件（铆钉）等通常仍需使用钢铁材料，由此引起的电偶腐蚀问题也是一个相当重要的问题。

    2003年开始中国由铝合金制造的铁路专用运煤敞车C80已经投入使用，载重达80 t，自重仅20 t左右。目前已制造了6000多辆，主要用于大同—秦皇岛之间的运煤专线。这种车辆采用铝镁系合金材料，价格较高，使其推广受到一定限制。根据近年在大秦线对C80车的考查，车体外表已开始出现大量明显的白点，部分钢质铆钉附近尤其明显，说明铝合金材料的点蚀和电偶腐蚀已经出现，而且部分区域已经相当严重。

    涂料保护是金属材料常用的防护方法，特别是钢铁材料。C63型运煤专用敞车内侧就使用高耐磨、耐冲击的环氧沥青玻璃磷片涂料，其它如环氧富锌涂料、金属涂/镀层、聚合物厚涂层等也是可以采用的防护方法。笔者认为：对于中国铁路货车的运用工况条件，最佳的方案是采用高耐蚀性的结构材料，并结合涂料保护，这样才能达到最佳的性能价格比，满足设计寿命的要求。

结语

    根据对现用60 t级铁路耐候钢货车的调查结果，腐蚀、磨损造成的车体钢材的损耗相当严重。通用敞车测量部位钢板的平均减薄速率为0.07 mm/a ～ 0.25 mm/a，最大减薄速率为平均值的2倍～5倍。调查表明：目前货车使用的耐候钢材料不能满足车辆设计寿命25年的要求。

    新型70 t级及以上货车采用强度为450 MPa的高强耐候钢，铁素体不锈钢和铝合金材料已经用于车辆制造，但这些材料在实际运用中存在这样或那样的问题，长期效果仍有待时间进行验证。

    大气环境条件下耐腐蚀性能介于铁素体不锈钢和现用耐候钢之间的高耐蚀性耐候钢（双高耐候）材料可能是解决铁道车辆腐蚀、磨损问题的最佳途径之一。这种材料其力学性能接近于现用耐候钢，在焊接、压形等方面不存在问题，而耐蚀性要好一些，如果再配合其他一些防护方法如涂装等，有可能使厂修时的截换率明显降低，从而满足设计寿命25年的要求。  ■

（作者：铁道科学研究院金属及化学研究所）