為加快鐵路現(xiàn)代化建設(shè)和全面建設(shè)小康社會(huì)的總的要求，同時(shí)為適應(yīng)客貨運(yùn)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，滿足鐵路貨運(yùn)快捷、重載、安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的要求，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，鐵路車輛無(wú)論是品種、檔次、還是質(zhì)量都將會(huì)有一個(gè)較大的提高。 鐵道工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)是提速與重載，要求鐵道車輛尤其是貨車減輕車輛自重。減輕車輛自重的途徑除了合理的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最重要的是鋼材的品種、性能和質(zhì)量。 由于我國(guó)地域廣闊，氣候條件有較大差異，對(duì)材料的腐蝕問(wèn)題也應(yīng)予以足夠重視。因腐蝕造成報(bào)廢的金屬材料設(shè)備相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的20-40％，全世界因腐蝕失效的年損耗金屬超過(guò)一億噸，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失占1-3.5％GNP。由于腐蝕的原因使我國(guó)10－20％的鋼鐵結(jié)構(gòu)成為廢棄物。 因此需要從選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高鐵路用鋼（板材和型材）的使用性能（品種規(guī)格、力學(xué)性能、耐蝕性能）幾方面聯(lián)合攻關(guān)。 1 鐵路車輛的現(xiàn)狀和新形勢(shì)下的要求 1．1 鐵路車輛的現(xiàn)狀 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵道車輛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直源于蘇聯(lián)五、六十年代標(biāo)準(zhǔn)。鐵道車輛的技術(shù)進(jìn)步，一定程度上依賴于我國(guó)鋼材的品種、性能與質(zhì)量。在上世紀(jì)80年代以前，鋼結(jié)構(gòu)基本上采用普碳鋼、09Mn2等，耐大氣腐蝕鋼則一直以屈服強(qiáng)度為295MPa 的09CuPTiRe和屈服強(qiáng)度為345MPa的09CuPCrNi為主，而美國(guó)等一些國(guó)家耐候鋼的強(qiáng)度水平已高達(dá)550MPa。這種銅磷系列的耐候鋼，科學(xué)試驗(yàn)及運(yùn)用試驗(yàn)都說(shuō)明：其耐腐蝕性一般相當(dāng)于普通碳素鋼的2倍左右，在惡劣環(huán)境中相當(dāng)于2-3倍。到2001年為止，鐵路主型貨車敞、棚車上都采用的是這種耐候鋼。隨著重載、提速的鐵路主要技術(shù)政策的制定，選用高強(qiáng)度、高耐候的結(jié)構(gòu)鋼以降低車輛自重、提高整車性能問(wèn)題顯得尤為突出和迫切。 1．2提速、重載對(duì)鐵路車輛技術(shù)裝備提出新要求 我國(guó)鐵路現(xiàn)保有客車3.8萬(wàn)輛，貨車56萬(wàn)輛，每年新造客車約2000輛，貨車約25000輛。對(duì)于新造車輛，要按高速、快速、快捷、重載的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。對(duì)于現(xiàn)有的大量客貨車輛，要使其達(dá)到上述技術(shù)政策，改造的任務(wù)也非常艱巨。由于貨車的數(shù)量多，用鋼量大，文中主要談及貨車的問(wèn)題。 貨車今后主要應(yīng)發(fā)展自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的新型通用及專用貨車，發(fā)展運(yùn)行速度120km/h的快運(yùn)貨車,開(kāi)發(fā)應(yīng)用軸重25t低動(dòng)力作用的大型四軸貨車。 提高軸重是普遍提高貨運(yùn)能力和經(jīng)濟(jì)效益的途徑，是世界大陸國(guó)家鐵路貨物運(yùn)輸共同的發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)載重60t及以上的貨車已達(dá)貨車總數(shù)的95%以上，在站線長(zhǎng)度難以繼續(xù)延長(zhǎng)又維持21t軸重不變條件下，繼續(xù)增加列車重量的潛力很小，要進(jìn)一步提高列車重量，開(kāi)行重載列車，必須加快發(fā)展25t軸重低動(dòng)力作用的貨車。 發(fā)展專用貨車勢(shì)在必行。隨著我國(guó)改革開(kāi)放的深入，鐵路貨運(yùn)已經(jīng)進(jìn)入買方市場(chǎng)。傳統(tǒng)的大宗運(yùn)輸貨物，如煤炭和油品，將隨著坑口電站的建立，輸油管路的鋪設(shè)，鐵路的運(yùn)量逐漸減少。高附加值的貨物，由于沒(méi)有合適的運(yùn)輸車輛，或速度慢，或運(yùn)輸周期長(zhǎng)，或不能做到門到門的運(yùn)輸，鐵路運(yùn)輸在各種運(yùn)輸方式中所占的份額也在減少。應(yīng)對(duì)這種情況，要提高鐵路在運(yùn)輸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，鐵道車輛不應(yīng)該再是敞、平、棚、罐通用車的一統(tǒng)天下，應(yīng)該發(fā)展專用車輛，研制適應(yīng)市場(chǎng)需要的新車種。目前我國(guó)鐵路專用貨車僅占貨車總量的5%，而美國(guó)的專用貨車占其貨車總量60%以上，俄羅斯占32%，應(yīng)該說(shuō)我國(guó)專用貨車的差距是大的。專用貨車的發(fā)展對(duì)車輛設(shè)計(jì)制造部門和新材質(zhì)、新外型的鋼材研究生產(chǎn)部門都是大有作為的新課題。希望制造特種車輛（特種貨車和專用客車）所需的高強(qiáng)度鋼（屈服強(qiáng)度600MPa或以上），國(guó)內(nèi)也可得到供應(yīng)，減小和消除與國(guó)外車輛用鋼技術(shù)水平的差距。 2 高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼的開(kāi)發(fā) 2．1 鋼鐵企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步 進(jìn)入“十五”期間，我國(guó)鋼鐵工業(yè)得到持續(xù)的快速發(fā)展，2002年粗鋼產(chǎn)量近1.81億噸，鋼材1.92億噸，進(jìn)口鋼材近2500萬(wàn)噸，中國(guó)不僅是世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)，也是世界第一鋼材進(jìn)口大國(guó)。加入WTO后，在激烈的國(guó)內(nèi)與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，給我國(guó)鋼鐵工業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇和新的希望。當(dāng)前鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整已取得顯著成就，尤其是近年來(lái)鋼鐵工業(yè)利用國(guó)債技改使投資規(guī)模擴(kuò)大了約1370億元。冶金裝備更新和技術(shù)進(jìn)步為生產(chǎn)國(guó)家亟需的高技術(shù)鋼材如高強(qiáng)度耐候鋼、管線鋼、汽車用鋼等創(chuàng)造了條件。無(wú)論是軋機(jī)能力還是冶煉水平都有大幅度提高。 近20年來(lái)，鋼材質(zhì)量的提高得益于全連鑄技術(shù)的推廣和爐外精煉技術(shù)的發(fā)展，鋼的潔凈度在不斷提高。國(guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)把建立潔凈鋼生產(chǎn)體系列為技術(shù)改造的首項(xiàng)任務(wù)，起碼都設(shè)置有ＬＦ等鋼包精煉爐，在第二或第三期改造項(xiàng)目中再添置ＲＨ或ＶＤ爐。寶鋼、武鋼、鞍鋼及舞鋼等企業(yè)都已完善了S＋P＋N＋H＋T.O≤50ppm的生產(chǎn)流程。 在鋼的微合金化和超細(xì)晶粒鋼的研究中，肯定了雜質(zhì)元素存在某些有利作用，如拖曳晶界移動(dòng)、晶界釘扎、抑制再結(jié)晶等等。 潔凈度提高對(duì)鋼材性能尤其是沖擊韌性和耐蝕性的大幅度改善是眾所周知的，典型的轉(zhuǎn)爐冶煉潔凈鋼生產(chǎn)流程（鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹、LF精煉）可生產(chǎn) C≤0.03%、S≤0.005%、P≤0.005%、N≤0.003%、T.O≤0.002%的鋼水。增置ＲＨ精煉、脫碳、深脫硫的效果顯著，可生產(chǎn)C≤0.002%、S≤0.001%、P≤0.003%、N≤0.003%、T.O≤0.0015%的潔凈鋼水。當(dāng)代世界超潔凈的控制水平在（S＋P＋N＋H＋T.O）≤50ppm。 目前，我國(guó)已投入生產(chǎn)的帶鋼軋機(jī)共15套，其中：連軋及半連軋機(jī)9套，薄板坯連鑄連軋機(jī)5套，爐卷軋機(jī)1套。在建和續(xù)建的熱軋寬帶鋼軋機(jī)有9套，其中熱連軋機(jī)3套，薄板坯連鑄連軋機(jī)5套，爐卷軋機(jī)1套。預(yù)計(jì)到2005年，我國(guó)熱軋寬帶鋼生產(chǎn)能力將超過(guò)5000萬(wàn)噸，生產(chǎn)質(zhì)量也將大大提高。 2．2 高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼的生產(chǎn)試制 眾所周知，提高鋼的強(qiáng)度的主要機(jī)制有：固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等。在這些強(qiáng)化機(jī)制中，只有細(xì)晶強(qiáng)化是既提高強(qiáng)度又提高韌性的唯一有效的方法。依靠合理有效的合金設(shè)計(jì)和優(yōu)化的TMCP工藝，不改變現(xiàn)行耐大氣腐蝕鋼的成分體系，添加少量微合金元素Nb、V、Ti，采取控制軋制工藝，得到細(xì)晶組織，依靠細(xì)晶強(qiáng)化作用提高強(qiáng)度和韌性。 選用目前最常用的兩種耐候鋼09CuPCrNi和09CuPTiRE，添加微合金元素Nb,采用變形誘導(dǎo)鐵素體相變（DIFT）原理，得到細(xì)晶組織，使強(qiáng)度有較大提高，同時(shí)韌性、焊接性和腐蝕性與原耐候鋼09CuPCrNi和09CuPTiRE相當(dāng)或提高。有關(guān)這方面的研究工作，鋼鐵研究總院在理論基礎(chǔ)研究和工業(yè)性試制方面取得了較大進(jìn)展，同時(shí)寶鋼、武鋼、本鋼、攀鋼、馬鋼等鋼廠也在耐候鋼的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)上積累較多的經(jīng)驗(yàn)。 2.2.1實(shí)驗(yàn)室研究情況 在國(guó)家973 “新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究” 項(xiàng)目中，以晶粒細(xì)化為主要手段來(lái)提高鋼的性能，在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)DIFT機(jī)制對(duì)組織和晶粒細(xì)化的作用十分明顯，這一細(xì)化方法和原理已在我國(guó)幾家鋼廠進(jìn)行了生產(chǎn)并供貨，主要品種為普通碳素鋼和微合金鋼，目前已應(yīng)用在汽車等行業(yè)。但變形誘導(dǎo)鐵素體相變機(jī)制以及微合金元素Nb對(duì)耐候鋼特別是銅磷系的耐候鋼其晶粒細(xì)化作用如何以前研究的不是很多，本文試將近階段的研究成果進(jìn)行總結(jié)。 試驗(yàn)選用本鋼生產(chǎn)的在鐵道車輛和集裝箱行業(yè)大量使用的兩種耐候鋼，即工業(yè)大生產(chǎn)的09CuPCrNi和09CuPTiRE，同時(shí)分別在鋼中添加微合金元素Nb，添加的Nb含量分別為（wt%）：09CuPCrNiNb鋼－0.021～0.03%，09CuPTiRENb鋼－0.017～0.03%。 應(yīng)用DIFT機(jī)制，采取低溫大壓下工藝，精軋的開(kāi)軋溫度在850℃－820℃，卷曲溫度在400℃－600℃，由坯厚40mm軋到3mm。不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE和含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE其試驗(yàn)結(jié)果如下。 不含Nb的09CuPCrNi和09CuPTiRE的力學(xué)性能 鋼廠常規(guī)生產(chǎn)的耐候鋼，09CuPCrNi的屈服強(qiáng)度約為400MPa，09CuPTiRE的屈服強(qiáng)度約為345MPa。盡管在目前的試驗(yàn)中采取的工藝條件比較苛刻，一般的大工業(yè)生產(chǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)與軋制后鋼板的力學(xué)性能和鐵素體晶粒尺寸相比較，鋼板的強(qiáng)度和鐵素體晶粒尺寸與大生產(chǎn)的耐候鋼相比沒(méi)有明顯的改進(jìn)。從鐵素體晶粒尺寸看，經(jīng)低溫大壓下后鐵素體晶粒尺寸為6.8－10.2μm，與常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)的耐候鋼的晶粒尺寸（8－10μm）相比，細(xì)化的效果不太明顯；軋制后09CuPCrNi鋼屈服強(qiáng)度為430 MPa，09CuPTiRE鋼屈服強(qiáng)度為350 MPa，比正常生產(chǎn)耐候鋼的性能增加不多?？梢?jiàn)，如果不改變耐候鋼的成分設(shè)計(jì)，不添加微合金元素，即使在低溫大壓下這樣苛刻的工藝條件下也無(wú)法較大幅度提高耐候鋼的力學(xué)性能。 含Nb的09CuPCrNiNb和09CuPTiRENb力學(xué)性能 添加少量微合金元素Nb后，細(xì)化效果十分明顯，鋼的組織顯著細(xì)化，鐵素體的晶粒尺寸基本上都在3－5μm，鋼板的強(qiáng)度顯著提高，而且保持良好的韌性。與不含Nb的鋼相比，在相同的工藝條件下，09CuPCrNiNb鋼屈服強(qiáng)度為500 MPa，09CuPTiRENb鋼屈服強(qiáng)度穩(wěn)定達(dá)到400 MPa以上，比不含Nb的材料的強(qiáng)度提高50-100MPa，同時(shí)比工業(yè)大生產(chǎn)耐候鋼的強(qiáng)度提高100MPa以上。如果工藝和組織控制合理，鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到450MPa級(jí)是完全有可能的。 超細(xì)組織高強(qiáng)度耐候鋼板的焊接性 具有超細(xì)組織的09CuPTiRE-Nb高強(qiáng)度耐候鋼板經(jīng)焊接后，超細(xì)晶粒耐候鋼焊接接頭的強(qiáng)度不低于母材的強(qiáng)度。雖然在熱影響區(qū)的外側(cè)有小范圍的軟化區(qū)，但不會(huì)引起接頭強(qiáng)度的下降。當(dāng)采用較小的焊接熱輸入和多道焊時(shí)有利于提高焊縫及熱影響區(qū)的沖擊性能。超細(xì)晶粒耐候鋼經(jīng)過(guò)焊接熱作用，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織隨著焊接熱輸入的增加而明顯變粗。 超細(xì)組織高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼板的腐蝕性 采用周浸試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)兩種方法對(duì)普通碳素鋼Q235及超細(xì)組織高強(qiáng)度耐候鋼板進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。普通碳素鋼Q235的腐蝕失重最高，是其它耐候鋼的2倍以上，說(shuō)明它的耐蝕性最差；其它幾種鋼如09CuPTiRE、09CuPTiRE-Nb、09CuPCrNi、09CuPCrNi-Nb的腐蝕失重有少量區(qū)別，但相差不多；而且RE耐候鋼的耐蝕性高于含CrNi的耐候鋼，說(shuō)明在耐候鋼中添加Nb對(duì)耐蝕性基本沒(méi)有損害。通過(guò)對(duì)銹層表面組織的觀察及銹層減薄的測(cè)量，含稀土RE的耐候鋼與CrNi系耐候鋼的銹層形貌有明顯差異，關(guān)于Nb、RE以及晶粒尺寸對(duì)耐候鋼耐蝕性的影響有待進(jìn)一步研究。 綜合以上關(guān)于含Nb耐候鋼的實(shí)驗(yàn)室研究工作的進(jìn)展，在原耐候鋼的基礎(chǔ)上添加少量微合金元素Nb，得到細(xì)晶組織，能夠大幅度提高耐候鋼的力學(xué)性能，而且其焊接性和耐蝕性都與原來(lái)的耐候鋼相當(dāng)或有所提高，證明這是一條滿足新型鐵道車輛用高強(qiáng)度耐候鋼要求的合理而經(jīng)濟(jì)的工藝路線。 2.2.2 工業(yè)試制生產(chǎn)的情況 國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)中現(xiàn)有寶鋼、武鋼、本鋼、馬鋼、攀鋼等鋼廠通過(guò)在鋼中添加微合金元素Nb、V等試制生產(chǎn)了高強(qiáng)度的耐候鋼板、車輪、熱軋型鋼以及冷彎型鋼等。 寶鋼、武鋼、鞍鋼、本鋼和攀鋼開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼性能等級(jí)能夠滿足屈服強(qiáng)度400MPa、450MPa、500MPa或更高級(jí)別的要求。 馬鋼 自1997年以來(lái)，馬鋼以先進(jìn)的爐外精煉裝備為依托，已開(kāi)發(fā)了碳含量0.45-0.77%的各種牌號(hào)車輪以及多種H型鋼，涵蓋提速、準(zhǔn)高速、高速客車，提速貨車以及地鐵車輛等各種用途，產(chǎn)品質(zhì)量均能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。車輪典型產(chǎn)品概述如下： a） KKD、HDS車輪 分別用于提速客車（120-160Km/h）、貨車（80-120Km/h），鋼種均為8601-88標(biāo)準(zhǔn)中的CL60鋼，但機(jī)械性能和潔凈度要求大幅度提高，主要體現(xiàn)在強(qiáng)度、硬度、B類夾雜和氫含量上。 b） UIC標(biāo)準(zhǔn)系列車輪 主要為R7、R8、R9三種車輪，其中R7車輪在國(guó)內(nèi)用于160-200Km/h級(jí)準(zhǔn)高速客車和300 Km/h級(jí)高速列車，同時(shí)是主要的出口產(chǎn)品；R8車輪用于香港廣九鐵路；R9車輪用于地鐵車輛。200Km/h車輪已經(jīng)過(guò)5年多的運(yùn)用考驗(yàn)，狀態(tài)良好；R8、R9車輪分別在香港廣九鐵路和上海地鐵使用了5年以上；高速試驗(yàn)用車輪在鐵道部組織的高速試驗(yàn)上得到了應(yīng)用。以及AAR系列車輪和整體機(jī)車車輪等。 H型鋼用于鐵道集裝箱平車。到目前為止，馬鋼已生產(chǎn)4.5萬(wàn)噸H型鋼供各車輛廠生產(chǎn)平車。另外，還為青島四方－旁巴迪公司開(kāi)發(fā)了豪華客車用槽鋼。馬鋼在含Nb的型鋼方面也做了大量工作，通過(guò)添加Nb可以使型鋼減重，產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性和低溫沖擊韌性大大提高，成分均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。開(kāi)發(fā)的典型品種有： SM400B－H512×202 H型鋼、Q345T－H600×200 H型鋼、Q235D18#槽鋼等。 冷彎型鋼 冷彎型鋼以其尺寸精確、外型美觀、性能穩(wěn)定、與熱軋產(chǎn)品比較重量輕，并能以較復(fù)雜斷面尺寸滿足用戶要求而廣泛應(yīng)用于各類建筑、橋梁、機(jī)械制造等行業(yè)，但在鐵路貨車上的應(yīng)用進(jìn)程比較緩慢。隨著鐵路貨車的重載和提速，要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)車輛時(shí)要不斷地優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，在不降低車輛性能的前提下合理減輕自重，以提高載重和車輛綜合性能，而車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用冷彎型鋼就是一個(gè)有效的手段。 鐵路敞車上到目前共開(kāi)發(fā)并應(yīng)用三種冷彎型鋼。在1985年開(kāi)發(fā)了兩種，分別為端墻橫帶和帽型鋼側(cè)柱。在1993年開(kāi)發(fā)了尖角矩形管上側(cè)梁，材質(zhì)為耐候鋼09CuPTiRE-A，屈服強(qiáng)度為295MPa。 鐵路棚車上冷彎型鋼開(kāi)發(fā)應(yīng)用較敞車要晚，在設(shè)計(jì)新型P64A大容積棚車時(shí)，于1994年同期開(kāi)發(fā)了車頂側(cè)梁、冷彎波紋門板，在1997年開(kāi)發(fā)了左門右框和右門左框。為了適應(yīng)鐵路貨車重載的要求，齊車集團(tuán)公司在2OO1年下半年又開(kāi)發(fā)研制了新型的P64G型減輕自重棚車，同時(shí)開(kāi)發(fā)了四種冷彎型鋼應(yīng)用在該車上，分別為冷彎變Z型車頂側(cè)梁、矩形空心型鋼上側(cè)梁、上邊框和U型冷彎型鋼側(cè)柱。其材質(zhì)為高耐候結(jié)構(gòu)鋼09CuPCrNi-A，屈服強(qiáng)度為345MPa。 4 結(jié)語(yǔ) （1）隨著冶金企業(yè)裝備不斷更新和技術(shù)不斷進(jìn)步，無(wú)論是軋機(jī)能力還是冶煉水平都有大幅度提高，完全能夠生產(chǎn)高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼，滿足鐵道部門的要求。 （2）為推動(dòng)我國(guó)鐵道車輛的技術(shù)進(jìn)步，鐵道部門和冶金企業(yè)共同攜手，共同就國(guó)內(nèi)外車輛結(jié)構(gòu)用鋼材的現(xiàn)狀與發(fā)展、我國(guó)現(xiàn)有車輛鋼材的水平與期望、我國(guó)車輛結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼材研制新動(dòng)態(tài)、新鋼材物理化學(xué)性能的期望標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行研究，把鐵路用鋼搞上去，把高速重載搞上去，實(shí)現(xiàn)我國(guó)鐵路的跨躍式發(fā)展，滿足全面建設(shè)小康社會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)男枨蟆?