国内外铁路车辆用耐候钢板发展现状

陈付红 高真凤 黄 维 丁 伟

(鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009)

国内外铁路车辆用耐候钢板发展现状

陈付红 高真凤 黄 维 丁 伟

(鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009)

国外铁路车辆用耐候钢产品强度高、产品的配套解决方案完善，我国无论在耐候钢强度级别、产品质量以及推广应用上均与国外存在着一定的差距，因此急需加快研发高耐蚀性高强度耐候钢和低成本耐候钢。

铁路车辆 耐候 钢板

随着铁路车辆向高速、重载、低成本方向的不断发展，铁路车辆用钢也在向高强度、高耐腐蚀性和经济型方向发展。为提高材料耐候性，铁路车辆曾采用铝合金和不锈钢等新材料制造，但是铝合金存在价格高、严重电腐蚀的问题，而不锈钢存在焊接和加工等应用技术问题，所以从实际应用来看，高强度耐候钢仍是铁路车辆用钢的主要趋势[1]。国外对耐候钢的研究较早，一些企业如SSAB、新日铁住金、迪林根和安赛乐米塔尔生产的耐候钢产品成系列化，性能优良。国内耐候钢开发较晚，但发展较快，宝钢、鞍钢、武钢和太钢等企业已成功开发出铁路车辆用耐候钢产品并得到广泛应用。随着铁路建设的高速发展，预计2016年铁路投资规模仍保持在7 000亿左右，铁道行业钢材需求量基本与2015年持平为2 664万t左右，铁路车辆用耐候钢市场广阔，需要加快高屈服强度、高耐候性的铁路车辆用耐候钢的开发和推广。

1 国外铁路车辆用耐候钢板发展现状

美国钢铁公司于1933年研制出Corten系列耐候钢，此后，国外钢铁公司以Corten系列钢为基础，开始大规模研制铁路车辆用耐候钢，主要为Cu-P、Cu-P-Cr、Cu-P-Cr-Ni和Cu-Mn-Cr系的传统耐候钢，强度级别较低。瑞典SSAB公司开发的铁路用耐候钢强度水平较高，且具有良好的焊接性能和成形性能。目前，国内外使用的铁路用耐候钢都是通过添加Cu、P、Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素来获得高耐候性能，成本较高。国外正在研究价格低廉的Si-Al系列耐候钢，利用Al形成稳定的尖晶石型复杂氧化物FeAl2O4，使锈层具备阳离子选择性抑制Cl-的侵入，Si也与Fe及O形成稳定的复合氧化物Fe2SiO4，日本在Si-Al系列低成本耐候钢的研发上已经取得了突破。

1.1 SSAB

瑞典SSAB耐候钢产品的开发及生产处于世界先进水平。SSAB的耐候钢产品主要为热轧耐候钢Domex系列，包括Domex355W、Domex550W和Domex700W共3个牌号，具有较低的C和Mn含量，添加了细化晶粒的微合金元素Nb、Ti和V，采用热机械轧制工艺生产，不仅具有高强度、高耐蚀性，还具有良好的成形性和焊接性能。其中，Domex500W使用前通常不需要消除应力，而Domex700W由于强度较高，需要进行热处理消除应力，两种强度级别的耐候钢热处理时加热温度应低于580 ℃，以避免钢板的强度降低。钢板的耐蚀性指数执行ASTM G10104(2010)标准。该系列钢种在户外使用几年后，钢板表面会形成致密光滑的氧化层，从而抑制其进一步的氧化[2]。Domex系列耐候钢的化学成分和力学性能如表1和表2所示。

表1 Domex耐候钢的化学成分(质量分数)

Table 1 Chemical composition of the Domex weathering steels (mass fraction) %

牌号厚度/mmCSiMnPCuCr微合金元素典型耐蚀性指数355W2．0～10≤0．12≤0．75≤1．00．06～0．150．25～0．550．3～1．25添加7．90550W2．0～6．1≤0．10≤0．45≤0．80≤0．12≤0．35≤0．95—7．897．5～12．7≤0．10≤0．45≤1．50≤0．12≤0．40≤0．95—6．64700W3．0～6．1≤0．12≤0．60≤2．10≤0．03≤0．51≤1．25—6．64

表2 Domex耐候钢的力学性能

另外，SSAB并购的芬兰钢铁公司Ruukki开发的高强度耐候钢Optim系列，包括Optim550W和Optim960W两个牌号，采用直接淬火工艺生产，其中Optim550W具有高强度、优良的耐腐蚀性和焊接性能，抗拉强度为600～760 MPa，最小断后伸长率18%，-60 ℃最小夏比冲击吸收能为40 J，如需进行涂装，其着色性能优于普通结构钢，应用于火车车身能够大大减轻车身自重。Optim960W为超高强耐候结构钢，其耐大气腐蚀性能优于COR-TEN B耐候钢，硬度高于300 HB，是S355结构钢的2倍，同时具有良好的耐磨性。但由于强度水平高，其弯曲力、回弹和弯曲半径大于S355结构钢，在20 ℃时的冷成形性能良好，可以进行任意方向的成形加工，可用于铁路钢结构[3]。Optim系列耐候钢的典型化学成分和力学性能如表3和表4所示。

表3 Optim系列耐候钢的化学成分(质量分数)

1.2 新日铁住金

新日铁住金生产的耐候钢产品包括COR-TEN系列和NAW系列，其中COR-TEN系列耐候钢为U S steel公司的注册商标，根据使用环境的不同COR-TEN钢有许多种类，耐候性是普通钢的4～8倍，强度高、加工性能良好，同时还具有良好的低温冲击韧性，在寒冷地区冬季使用时仍有足够的安全性。NAW系列为新日铁住金开发的耐候钢产品，可进行无涂装使用，具有良好的耐磨性[4]。

COR-TEN系列耐候钢采用TMCP工艺生产，在不增加钢中合金元素含量的情况下可提高钢板的抗拉强度，同时降低钢的碳当量，提高了钢板的韧性。此外，采用TMCP工艺生产的耐候钢具有良好的焊接性能，焊接裂纹敏感性低[5]。TMCP工艺与传统工艺生产的钢板的强度和Ceq的关系如图1所示。新日铁住金耐候钢产品类别和特点如表5所示。

图1 TMCP工艺与传统工艺生产的钢板的强度和Ceq的关系

Fig.1 Variation of strength withCeq for the steel plates produced by TMCP and traditional technologies

1.3 迪林根

迪林根钢铁公司开发的耐候钢产品为DIWETEN系列，包括DIWETEN235、DIWETEN355和DIWETEN460共3个牌号。该系列耐候钢采用低C化学成分设计，通过添加Cu、Cr、Ni、Nb、Mo、Ti和Zr等合金元素细化晶粒，提高钢材的强度、耐蚀性，保证其耐大气腐蚀指数大于6.0，满足ASTM G101标准。DIWETEN235、DIWETEN355耐候钢，抗拉强度分别为350～510 MPa和450～630 MPa，-20 ℃冲击韧性优良，可进行冷、热成形加工，焊接性能优良。DIWETEN460耐候钢采用热机械轧制工艺生产，合金元素含量少，碳当量低，焊接性能优于同等强度的普通耐候钢。DIWETEN460根据适用范围的不同分为两种类型，其中DIWETEN460 M为普通型，使用温度最低为-20 ℃，DIWETEN460 ML为低温型，在-50 ℃时仍具有优良的冲击韧性[6- 7]。DIWETEN系列耐候钢化学成分如表6所示。

表5 新日铁住金耐候钢产品的类别和特点

表6 DIWETEN系列耐候钢的化学成分(质量分数)

1.4 安赛乐米塔尔

安赛乐米塔尔开发的耐候钢为Indaten系列，包括Indaten355A和Indaten355D，产品的耐蚀性满足EN 10025- 5：2005产品标准，其中Indaten355D具有良好的低温韧性。该系列耐候钢为细晶高强结构钢，可无涂装暴露在硫酸烟雾的环境下使用，其中钢中Cu元素质量分数最高可达0.55%，使用时钢中的Cu元素在基体和锈层之间形成以CuO为主要成分的保护层，与基体结合牢固，有效地减缓钢材的进一步腐蚀速度。Indaten系列钢材的最小屈服强度为355 MPa，但抗拉强度高于同级别的耐候钢，其中Indaten355A的钢材厚度为1.7～26.5 mm，抗拉强度为490～680 MPa；Indaten355D的钢材厚度为1.5～20 mm，抗拉强度为470～680 MPa，这是由于该系列耐候钢的晶粒细小，使钢的强度较高，同时韧性、塑性良好。该系列耐候钢含碳量低，焊接性能良好[8]。Indaten系列耐候钢的化学成分如表7所示。

表7 Indaten系列耐候钢的化学成分(质量分数)

2 国内铁路车辆用耐候钢板发展现状

我国在20世纪60年代开始研制耐候钢，首先在16Mn钢中加Cu，研制了16MnCu钢。随后进行了09CuP Ti耐候钢薄钢板的试制。80年代初，相继开发和仿制出一批耐候钢，如鞍钢的08CuPVRE系列、武钢的09CuP Ti系列、宝钢的B480GNQR等。2000年以后，铁道部提出铁路车辆高速、重载的发展要求，研制和开发出了新一代高强度耐候钢Q450NQR1，我国目前开发的铁路用耐候钢主要为Cu-P-Ti-RE、Cu-P-Cr-Ni、Cu-Mn-Cr-Ni系[9]。近年来，国内钢铁企业加快高耐蚀性耐候钢的开发，相继开发出S450EW和S450AW新型耐候钢产品。

2.1 宝钢

宝钢采用TMCP生产工艺在国内率先开发出屈服强度400、450、500、550 MPa级铁路车辆用高强度耐候钢Q400NQR1、Q450NQR1、Q500NQR1、Q550NQR1热轧板卷，该系列耐候钢具有高强度、高韧性、优良的焊接性和成形性能等特点，耐候性能是普通结构钢的2倍以上，可大大延长车辆的使用寿命。此外，为保证该系列耐候钢的使用性能，宝钢还开发了与之相配套的焊丝、焊条等焊接材料及焊接技术。该系列耐候钢已大批量应用于动车组列车、青藏铁路列车、城市轨道交通列车和火车车厢的制造。另外宝钢还开发了S355J0W耐候钢，具有一定的抗震性和抗疲劳性，用于制造铁道车辆的转向架[10]。2011年，宝钢与铁道部联合新开发出高耐蚀性耐候钢S450EW，其耐候性比传统耐候钢增加了30%～50%，货车寿命从20年增加到30年以上，受到了铁路行业的青睐，已成功应用于C80E车型的制造。宝钢耐候钢产品如表8所示。

表8 宝钢耐候钢产品

2.2 武钢

武钢根据市场需求，最早开发了09CuPTiRE耐候钢，其耐大气腐蚀性能达到或接近Corten A钢的水平。09CuPCrNi钢是仿Corten A钢开发的典型耐候钢产品，其中 16～25 mm厚的09CuPCrNi- A耐候钢具有极强的市场竞争力，主要用于我国铁路客车的制造。传统耐候钢由于成分体系中含有较高的Cu、Cr、Ni，成本较高，武钢结合自身矿石含Cu的特点开发了经济型耐候钢JN235、J255、JN345。武钢开发的高强度耐候钢Q450NQR1、WQ550NQR1可以满足我国铁路高速、重载的发展需求。2008年，武钢开发的高耐腐蚀性耐候钢WQ450GN具有优良的低温韧性和焊接性能，在车辆制造中得到了广泛应用[11]。2011年，武钢成功开发出铁路车辆用高耐蚀型耐候钢S350EW和S450EW，2014年通过中铁认证并具备进入铁路用钢市场的资质。武钢耐候钢典型产品如表9所示。

表9 武钢耐候钢典型产品

2.3 太钢

太钢生产的铁路车辆用耐候钢主要包括Q450NQR1、09CuPCrNi-A等，主要应用于制造C70、C64敞车和P70棚车和特种车辆等。09CuPCrNi-A耐候钢具有优良的压延性能，用其制造的冷弯型钢成形美观、裂纹产生几率小，焊接性能优良，其焊接规范、焊丝等已制定成标准。2014年，太钢高耐蚀型耐候钢通过中铁检验认证中心认证，为了满足铁路行业高速和重载的要求，目前正致力于开发屈服强度550 MPa以上，耐腐蚀性强，塑性、冷弯性能和焊接性能优良的经济型耐候钢[12]。

3 结语

国外开发的铁路车辆用耐候钢的强度水平较高，瑞典SSAB开发的屈服强度550 MPa和700 MPa的Domex系列耐候钢，其旗下Ruukki公司开发的Optim550耐候钢均可以应用于铁路车辆的制造，Optim960超高强度耐候钢可应用于铁路钢结构。我国铁路车辆用耐候钢的屈服强度水平相对较低，宝钢、武钢和鞍钢开发的铁路用耐候钢最高强度级别为550 MPa。但是目前国内铁路车辆制造厂仍大规模使用450 MPa级的铁路车辆用耐候钢，高强度级别的铁路用耐候钢的推广和应用受到铁路车辆制造厂设备和技术等方面的制约。但随着铁路车辆高速、重载的发展趋势，未来市场前景较好，开发550 MPa级以上高强度铁路耐候钢的系列化研究和开发具有重要的战略意义。

国外铁路用耐候钢的产品与产品解决方案是配套开发和推广的，确保了其产品达到最佳的使用效果。国内铁路用耐候钢的产品和产品使用技术标准的开发是相互独立的，耐候钢的使用技术标准更大程度上依赖于车辆制造厂的研究和试验，不利于产品的推广和使用。低成本是铁路车辆用耐候钢发展方向之一，国外正在研发的Si-Al系列耐候钢已经取得了突破性的进展。国内北京科技大学也在进行这方面的研究，新型耐候钢的研究动向值得关注。

[1] 宋凤明，温东辉，李自刚,等.铁道车辆用耐大气腐蚀钢的现状及研发方向[J].世界钢铁，2009(5):11- 13.

[2] Domex high strength steel [EB/OL]. (2011- 02- 24)[2015- 02- 24]. http://www.ssab.com/zh-CN/Brands/Domex/2/Domex- 550-W/.

[3] Weather resistant Optim W structural steel grades[EB/OL]. [2015- 02- 24]. http://www.ruukki.com/Steel/Hot-rolled-steels/Structural-steels/Weather-resistant-Optim-W-structural-steel-grades.

[4] Hot-rolled steel sheets and coils[EB/OL]. [2015- 02- 24]. http://www.nssmc.com/en/product/catalog_download/index.html.

[5] Steel plates[EB/OL].[2015- 01- 15]. http://www.nssmc.com/en/product/catalog_download/index.html.

[6] DIWETEN 235，DIWETEN355[EB/OL].[2015- 05- 14].http://www.dillinger.de/dh/produkte/sparte/stahlbau/werkstoffblatt/index.shtml.en.

[7] DIWETEN460[EB/OL].[2015- 05- 24]. http://www.dillinger.de/dh/produkte/sparte/stahlbau/werkstoffblatt/index.shtml.en.

[8] Indaten R A magical steel in harmonious dialogue with nature[EB/OL].[2015- 04- 15]. http://fce.arcelormittal.com/repository/fce/Brochures/Indaten_promotionsheet_EN.pdf.

[9] 刘清友，汪兵，王向东.耐候钢的研究、应用及展望[J].钢结构，2011(S1):112- 113.

[10] 城市轨道交通用钢[EB/OL]. [2015- 04- 15]. http://www.baosteel.com/group/contents/1771/30247.html.

[11] 刘志勇,陈邦文,陈吉清,等.武钢铁路车辆及集装箱用耐候钢的现状及发展[J].钢铁研究，2009，6(37):55- 58

[12] 铁路行业用钢[EB/OL].[2015- 04- 24].http://tgbx.tisco.com.cn/show.jsp?id=5141.

收修改稿日期：2016- 03- 26

Development Status of Weathering Steel Plate for Railway Vehicle at Home and Abroad

Chen Fuhong Gao Zhenfeng Huang Wei Ding Wei

(Iron & Steel Research Institute of An Steel Group, Anshan Liaoning 114009, China)

The foreign railway vehicle weathering steel and solution of the products are perfect, and there is a big gap of products strength, quality and the application between at home and abroad.The low cost high strength and high corrosion resistance weathering steel plates should be developed as quickly as passible.

railway vehicle，weatherproof，steel plate

陈付红，女，工程师，从事热轧板带钢情报研究，Email:aschenfh@163.com，电话：18841223925