鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)用無(wú)錫不銹鋼和鋁合金研發(fā)對(duì)比
車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體。車體的強(qiáng)度和剛度關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全可靠性和舒適性;車體的防腐耐腐能力、表面保護(hù)和裝飾方法，關(guān)系到車輛的外觀、壽命和檢修制度;車體的重量關(guān)系到能耗、加減速度、載客能力乃至列車編組形式(拖動(dòng)比)。所有這些都直接影響到運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。
由于鐵路車輛車體長(zhǎng)期處在激烈振動(dòng)、外部氣候條件和乘客量大且不穩(wěn)定等條件下，其總體結(jié)構(gòu)形式、性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要取決于車體材料。在設(shè)計(jì)鐵路車輛車體時(shí)，對(duì)車體構(gòu)件和內(nèi)部裝飾所用材料的基本要求為：應(yīng)具有構(gòu)件所要求的高強(qiáng)度和剛性，重量輕、耐老化、耐污染、耐磨耗和耐光照等特性，適合于環(huán)境的改進(jìn)(隔熱、隔音性能提高、較好的采光性)，適合于提高舒適度(減振等)。目前，城市軌道交通車體結(jié)構(gòu)使用的材料主要為車輛專用經(jīng)濟(jì)型無(wú)錫不銹鋼和鋁合金。下面就從機(jī)械性能、重量、工藝等方面，對(duì)無(wú)錫不銹鋼車體和鋁合金車體進(jìn)行分析比較。
無(wú)錫不銹鋼車體成熟安全
無(wú)錫不銹鋼的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)使其適用于客車車體材料：第一，具有優(yōu)良的耐蝕防銹性，使車體外板省去涂裝的工序，并且可以大幅節(jié)約維修費(fèi)用。第二，與普鋼相比，無(wú)須考慮耐蝕防腐層，因此可以將板厚減薄，有利于車體輕量化，以節(jié)約能源、減少?gòu)U氣排放。目前常用的車體不銹鋼通常有兩種：奧氏體系不銹鋼的SUS304和SUS301L。
在日本，從1958年就開(kāi)始在部分客車的外板上采用SUS304不銹鋼以防腐蝕，但未在其他部件上使用，因此輕量化效果不明顯。而美國(guó)的帕德公司早在1934年就生產(chǎn)出不銹鋼車輛，實(shí)現(xiàn)了輕量化，并于1962年末實(shí)現(xiàn)了車輛完全不銹鋼化，使車體重量比當(dāng)時(shí)普通鋼制車體減輕了2噸。以1974年石油危機(jī)為契機(jī)，節(jié)能的要求使車輛更加輕量化，最終開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度下焊接性、加工性更好的無(wú)錫不銹鋼，并改進(jìn)了焊接方法。到1978年，車體用不銹鋼已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，車輛基本上全部采用了SUS304不銹鋼，車重在此減輕了1噸~1.5噸。
其后，由于日本山手線采用了這一新型車輛，使其生產(chǎn)飛躍發(fā)展并為社會(huì)所認(rèn)知。現(xiàn)在運(yùn)行的車輛，是在1990年進(jìn)一步改善后的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了輕量化并減少了部件數(shù)和焊接點(diǎn)數(shù)。由于全不銹鋼制車輛的重量比鋁制車輛還輕，已經(jīng)被減速、增速次數(shù)多的班車和近郊交通用節(jié)能型車輛廣泛使用，現(xiàn)在占國(guó)營(yíng)鐵路線上的60%。
該車輛所用無(wú)錫不銹鋼要求具有優(yōu)良的耐蝕性、高強(qiáng)度、適于沖壓彎曲的高加工性和作為結(jié)構(gòu)部件組裝所需的優(yōu)良焊接性，能滿足上述要求的為奧氏體系不銹鋼，如SUS304和SUS301L系鋼種。SUS304的含碳量按JIS標(biāo)準(zhǔn)為小于等于0.15%，實(shí)際上多在0.08%以下，主要是由于車輛組裝時(shí)焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生Cr碳化物的晶界腐蝕裂紋。之后，為了抑制Cr碳化物的析出，又開(kāi)發(fā)出將碳含量降至0.03%以下的SUS301L系奧氏體不銹鋼。現(xiàn)在不銹鋼車輛已基本應(yīng)用了此鋼種。
新型不銹鋼車采用超低碳([C]<0.03%)的SUS301L車輛專用經(jīng)濟(jì)型不銹鋼。SUS301L可通過(guò)冷軋調(diào)整其強(qiáng)度和延性水平，且根據(jù)壓延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5個(gè)強(qiáng)度級(jí)。冷軋率為2%的LT材做橫梁、冷卻率為6%的DLT材做腰板，ST材做屋頂重木，MT材做床板，HT材做側(cè)柱。同時(shí)，上述性能還受化學(xué)成分影響，因此，在精煉時(shí)應(yīng)該調(diào)整成分波動(dòng)到較小的范圍。
車輛用材多用焊接組合，故熱影響區(qū)的耐蝕性甚為重要。在SUS301L開(kāi)發(fā)中進(jìn)行認(rèn)真研討后發(fā)現(xiàn)：化學(xué)成分對(duì)晶界腐蝕性的影響中，N、Ni的影響較少，而基本上決定于碳含量，故將SUS301L的碳含量降低到0.03%以下而確保其耐蝕性。
焊接部分的強(qiáng)度也是另一個(gè)重要因素。原來(lái)有研究人士曾擔(dān)心為保證SUS301L焊接部位耐腐蝕性將碳含量降至0.03%后會(huì)影響其強(qiáng)度，后通過(guò)加入N元素使這一問(wèn)題得以解決，保證了較好的強(qiáng)度。
除鐵道客車外，近日，以中國(guó)為首的新興國(guó)家開(kāi)始在運(yùn)煤貨車上應(yīng)用無(wú)錫不銹鋼。由于煤炭中含S元素較多，故開(kāi)發(fā)成功耐硫酸腐蝕性優(yōu)良的不銹鋼并開(kāi)始應(yīng)用，其成分為低C、N含量的11Cr-18Mn-0.75Ni-Ti。
鋁合金材輕量化新方向
鋁合金材應(yīng)用受關(guān)注。當(dāng)前，日本新干線的旅客快速增加，鐵路高速化的實(shí)現(xiàn)使人們?cè)俅慰紤]車體輕量化的問(wèn)題。據(jù)計(jì)算，車體若減輕10%的重量，則可節(jié)約6%的能源、減排6%的CO2。而車輛結(jié)構(gòu)輕量化的方法有三種：①結(jié)構(gòu)方式的變更，②適用材料的材質(zhì)變更(由鋼制改為鋁合金制)，③內(nèi)裝品組成的變更。對(duì)于新干線的車輛，除骨干、臺(tái)框等部件采用高強(qiáng)度鋼之外，外板也采用了高強(qiáng)度鋼板，并改進(jìn)了兩者的接合度，從而實(shí)現(xiàn)了較好的輕量化。
為進(jìn)一步輕量化，日本經(jīng)研究后決定采用鋁合金擠出材將骨干件和外板連接在一起的方式代替鋼制品。由于同一強(qiáng)度下鋁合金材料更輕，且擠出材大部分不需要骨干材和外板材的接合，因此有利于節(jié)約部件組裝的施工費(fèi)用。
鋁制車體的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中須注意以下問(wèn)題：一是焊接結(jié)構(gòu)用鋁合金的開(kāi)發(fā)技術(shù)(A6N01合金、A7N01合金)、抗應(yīng)力腐蝕(SCC)性7000系合金的開(kāi)發(fā);二是擠出型材的生產(chǎn)技術(shù)，如薄壁化、寬幅化和中空化技術(shù)的開(kāi)發(fā);三是鋁合金結(jié)合技術(shù)(MIG焊接、摩擦攪拌接合)、適合焊接的擠出斷面和提高尺寸精度。
新干線有兩種車體結(jié)構(gòu)，300系新干線的車體結(jié)構(gòu)為縱向總體構(gòu)成的屋頂材、側(cè)外板和車底板結(jié)構(gòu)，由縱跨車輛全長(zhǎng)(24.5米)的(長(zhǎng)度、薄壁、寬幅)整體擠出型材所組成的結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱單體結(jié)構(gòu))，其中最大的部件寬達(dá)600毫米。橫梁采用A7N01-T5材(7000系合金)，因?yàn)榇朔N合金強(qiáng)度高且焊接熱影響部分的強(qiáng)度降低較小。
7000系新干線的車體結(jié)構(gòu)為縱向總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的屋頂和側(cè)外板結(jié)構(gòu)，由縱跨車輛全長(zhǎng)的A6N01-T合金(長(zhǎng)度、薄壁、寬幅)中空的擠出型材(寬560毫米)所組成。在各個(gè)縱通材的接頭部位，和300系一樣，為補(bǔ)充焊接產(chǎn)生的強(qiáng)度降低而對(duì)接頭部分局部增厚，以確保其強(qiáng)度。縱通材的端部均呈桶狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由此代替了車輛周邊的其他部件，而成為緊湊型結(jié)構(gòu)。此種復(fù)合結(jié)構(gòu)同樣適用于700系新干線，該結(jié)構(gòu)由于隔音性的問(wèn)題尚未完全解決，還在改進(jìn)中。
大型薄壁中空擠出材的應(yīng)用和車輛四周方向部件被簡(jiǎn)化由此產(chǎn)生的車輛部件減少和接合線的簡(jiǎn)化有效促進(jìn)了自動(dòng)化，同時(shí)由于部件插入組合亦大大簡(jiǎn)化了施工作業(yè)。
鋁合金材制造技術(shù)。Al-Zn-Mg系(7000系)合金焊接部的強(qiáng)度雖在焊接熱影響下有所下降，但具有在常溫放置后強(qiáng)度恢復(fù)的特點(diǎn)。鋁合金制車輛是以MIG接合為主體的焊接結(jié)構(gòu)，在要求高強(qiáng)度的部件上仍能充分發(fā)揮上述特點(diǎn)而使7000系合金的成為主要用材。7000系合金比6000系(Al-Mg-Si)合金的抗腐蝕性差，對(duì)此，在其中加入適量Cu并對(duì)生產(chǎn)工藝適當(dāng)調(diào)控的新合金(C250)已開(kāi)發(fā)成功，并在300系和700系新干線的部件中大量利用。
擠出技術(shù)。300系新干線已對(duì)幅寬600毫米的擠出型材應(yīng)用，且將壁厚由原極限的4毫米減至2.3毫米。700系新干線對(duì)中空型材的寬幅薄壁要求日益提高，壁厚已由300系總體擠出型材的2.3毫米減薄至中空擠出型材的2毫米。為實(shí)現(xiàn)擠出速度的最大化，對(duì)擠出坯的加熱溫度和擠出速度的最佳化進(jìn)行專題研究后，終于實(shí)現(xiàn)了等溫、形變下的薄壁中空型材的高效生產(chǎn)。
擠出模具的設(shè)計(jì)技術(shù)。為確定中空擠出型材的薄壁化技術(shù)，除等溫形變擠出技術(shù)外，還須對(duì)擠出用模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。例如：流量配分等新模具的開(kāi)發(fā)、新模具的組合等，以達(dá)到對(duì)模具的設(shè)計(jì)、制造、使用和改進(jìn)整個(gè)流程的目的，并提高擠出材的尺寸精度。
無(wú)錫不銹鋼VS鋁合金
對(duì)比可知，不銹鋼車體的機(jī)械性能和防火性能強(qiáng)于鋁合金車體，熔點(diǎn)高于鋁合金車體，因此不銹鋼車體具有更好的安全性。鋁合金車體的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量約為不銹鋼車體的1/3，且比不銹鋼車體的剛度要小，因此鋁合金車體設(shè)計(jì)時(shí)一般采用加大板厚和盡量加大車體端面的辦法來(lái)提高車體的抗彎剛度。
無(wú)錫不銹鋼車體采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)，為了不降低板材強(qiáng)度和減小變形，應(yīng)盡量采用點(diǎn)焊，特別是強(qiáng)度更高的材料不允許任何形式的弧焊，采用接觸焊代替弧焊，是不銹鋼車體的又一特征和技術(shù)關(guān)鍵。
在價(jià)格方面，SUS304不銹鋼和6000系鋁合金的原材料單價(jià)相差無(wú)幾，但不銹鋼車體是板梁結(jié)構(gòu)，需大量工裝、模具、夾具、樣板和中間檢查手段，生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜，費(fèi)工費(fèi)料。鋁合金車體普遍采用大型桁架式中空型材組焊式，中空鋁型材是制造廠一次軋制而成的，車輛制造廠只需下料、拼裝、氬弧焊接，工藝簡(jiǎn)單，省工省料。因此，成品價(jià)格還是不銹鋼車體的偏高。
不同材料車體的抗腐蝕能力對(duì)于車體的使用壽命起到重要作用。不銹鋼的抗腐蝕性能相較于鋁合金的優(yōu)勢(shì)比較明顯。防火性上，無(wú)錫不銹鋼熔點(diǎn)在1400℃以上，而鋁合金只有630℃~650℃，且到300℃以上就發(fā)軟變形，因此不銹鋼車體的防火性能也遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金車體。從以上方面考慮，不銹鋼車體的使用壽命長(zhǎng)于鋁合金車體。
為適應(yīng)全球節(jié)能減排的發(fā)展，鐵道運(yùn)軌在加速發(fā)展的同時(shí)，利用鋁材的車體輕量化也很重要，應(yīng)當(dāng)受到重視。但同時(shí)，在車體材料選擇時(shí)，還應(yīng)該綜合考慮安全性、車輛壽命和成形性能等多方面因素，努力做到經(jīng)濟(jì)、安全和優(yōu)質(zhì)高效。