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铁道车辆车体结构用不锈钢和铝合金研发对比

【铝道】车体是车辆结构的主体。车体的强度和刚度关系到车辆运行的安全可靠性和舒适性;车体的防腐耐腐能力、表面保护和装饰方法，关系到车辆的外观、寿命和检修制度;车体的重量关系到能耗、加减速度、载客能力乃至列车编组形式(拖动比)。所有这些都直接影响到运营质量和经济效益。

由于铁路车辆车体长期处在激烈振动、外部气候条件和乘客量大且不稳定等条件下，其总体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料。在设计铁路车辆车体时，对车体构件和内部装饰所用材料的基本要求为：应具有构件所要求的高强度和刚性，重量轻、耐老化、耐污染、耐磨耗和耐光照等特性，适合于环境的改进(隔热、隔音性能提高、较好的采光性)，适合于提高舒适度(减振等)。目前，城市轨道交通车体结构使用的材料主要为车辆专用经济型不锈钢和铝合金。下面就从机械性能、重量、工艺等方面，对不锈钢车体和铝合金车体进行分析比较。

不锈钢车体成熟安全

不锈钢的两个主要优点使其适用于客车车体材料：靠前，具有优良的耐蚀防锈性，使车体外板省去涂装的工序，并且可以大幅节约维修费用。第二，与普钢相比，无须考虑耐蚀防腐层，因此可以将板厚减薄，有利于车体轻量化，以节约能源、减少废气排放。目前常用的车体不锈钢通常有两种：奥氏体系不锈钢的SUS304和SUS301L。

在日本，从1958年就开始在部分客车的外板上采用SUS304不锈钢以防腐蚀，但未在其他部件上使用，因此轻高压泵量化效果不明显。而美国的帕德公司早在1934年就生产出不锈钢车辆，实现了轻量化，并于1962年末实现了车辆完全不锈钢化，使车体重量比当时普通钢制车体减轻了2吨。以1974年石油危机为契机，节能的要求使车辆更加轻量化，较终开发出高强度下焊接性、加工性更好的不锈钢，并改进了焊接方法。到1978年，车体用不锈钢已实现实用化，车辆基本上全部采用了SUS304不锈钢，车重在此减轻了1吨~1.5吨。

其后，由于日本山手线采用了这一新型车辆，使其生产飞跃发展并为社会所认知。现在运行的车辆，是在1990年进一步改善后的设计，实现了轻量化并减少了部件数和焊接点数。由于全不锈钢制车辆的重量比铝制车辆还轻，已经被减速、增速次数多的班车和近郊交通用节能检查磨擦活动部位是不是应加注润滑油型车辆广泛使用，现在占国营铁路线上的60%。

该车辆所用不锈钢要求具有优良的耐蚀性、高强度、适于冲压弯曲的高加工性和作为结构部件组装所需的优良焊接性，能满足上述要求的为奥氏体系不锈钢，如SUS304和SUS301L系钢种。SUS304的含碳量按JIS标准为小于等于0.15%，实际上多在0.08%以下，主要是由于车辆组装时焊接热影响区易产生Cr碳化物的晶界腐蚀裂纹。之后，为了抑制Cr碳化物的析出，又开发出将碳含量降至0.03%以下的SUS301L系奥氏体不锈钢。现在不锈钢车辆已基本应用了此钢种。

新型不锈钢车采用超低碳([C] 0.03%)的SUS301L车辆专用经济型不锈钢。SUS301L可通过冷轧调整其强度和延性水平，且根据压延率的不同分成LT、DLT、ST、MT、HT5个强度级。冷轧率为2%的LT材做横梁、冷却率为6%的DLT材做腰板，ST材做屋顶重木，MT材做床板，HT材做侧柱。同时，上述性能还受化学成分影响，因此，在精炼时应该调整成分波动到较小的范围。

车辆用材多用焊接组合，故热影响区的耐蚀性甚为重要。在SUS301L开发中进行认真研讨后发现：化学成分对晶界腐蚀性的影响中，N、Ni的影响较少，而基本上决定于碳含量，故将SUS301L的碳含量降低到0.03%以下而确保其耐蚀性。

焊接部分的强度也是另一个重要因素。原来有研究人士曾担心为保证SUS301L焊接部位耐腐蚀性将碳含量降至0.03%后会影响其强度，后通过加入N元素使这一问题得以解决，保证了较好的强度。

铝合金材轻量化新方向

铝合金材应用受关注。当前，日本新干线的旅客快速增加，铁路高速化的实现使人们再次考虑车体轻量化的问题。据计算，车体若减轻10%的重量，则可节约6%的能源、减排6%的CO2。而车辆结构轻量化的方法有三种：①结构方式的变更，②适用材料的材质变更(由钢制改为铝合金制)，③内装品组成的变更。对于新干线的车辆，除骨干、台框等部件测电笔采用高强度钢之外，外板也采用了高强度钢板，并改进了两者的接合度，从而实现了较好的轻量化。

为进一步轻量化，日本经研究后决定采用铝合金挤出材将骨干件和外板连接在一起的方式代替钢制品。由于同一强度下铝合金材料更轻，且挤出材大部分不需要骨干材和外板材的接合，因此有利于节约部件组装的施工费用。

铝制车体的开发和设计中须注意以下问题：一是焊接结构用铝合金的开发技术(A6N01合金、A7N01合金)、抗应力腐蚀(SCC)性7000系合金的开发;二是挤出型材的生产技术3. 双报表:完全开放式使用者报表，如薄壁化、宽幅化和中空化技术的开发;三是铝合金结合技术(MIG焊接、摩擦搅拌接合)、适合焊接的挤出断面和提高尺寸精度。

新干线有两种车体结构，300系新干线的车体结构为纵向总体构成的屋顶材、侧外板和车底板结构，由纵跨车辆全长(24.5米)的(长度、薄壁、宽幅)整体挤出型材所组成的结构(以下简称单体结构)，其中较大的部件宽达600毫米。横梁采用A7N01-T5材(7000系合金)，因为此种合金强度高且焊接热影响部分的强度降低较小。

7000系新干线的车体结构为纵向总体结构构成的屋顶和侧外板结构，由纵跨车辆全长的A6N01-T合金(长度、薄壁、宽幅)中空的挤出型材(宽560毫米)所组成。在各个纵通材的接头部位，和300系一样，为补充焊接产生的强度降低而对接头部分局部增厚，以确保其强度。纵通材的端部均呈桶状的复合结构，由此代替了车辆周边的其他部件，而成为紧凑型结构。此种复合结构同样适用于700系新干线，该结构由于隔音性的问题尚未完全解决，还在改进中。

大型薄壁中空挤出材的应用和车辆四周方向部件被简化由此产生的车辆部件减少和接合线的简化有效促进了自动化，同时由于部件插入组合亦大大简化了施工作业。

铝合金材制造技术。Al-Zn-Mg系(7000系)合金焊接部的强度虽在焊接热影响下有所下降，但具有在常温放置后强度恢复的特点。铝合金制车辆是以MIG接合为主体的焊接结构，在要求高强度的部件上仍能充分发挥上述特点而使7000系合金的成为主要用材。7000系合金比6000系(Al-Mg-Si)合金的抗腐蚀性差，对此，在其中加入适量Cu并对生产工艺适当调控的新合金(C250)已开发成功，并在300系和700系新干线的部件中大量利用。

挤出技术。300系新干线已对幅宽600毫米的挤出型材应用，且将壁厚由原极限的4毫米减至2.3毫米。700系新干线对中空型材的宽幅薄壁要求日益提高，壁厚已由300系总体挤出型材的2.3毫米减薄至中空挤出型材的2毫米。为实现挤出速度的较大化，对挤出坯的加热温度和挤出速度的较佳化进行专题研究后，终于实现了等温、形变下的薄壁中空型材的高效生产。

挤出模具的设计技术。为确定中空挤出型材的薄壁化技术，除等温形变挤出技术外，还须对挤出用模具的设计进行改进。例如：流量配分等新模具的开发、新模具的组合等，以达到对模具的设计、制造、使用和改进整个流程的目的，并提高挤出材的尺寸精度。

不锈钢VS铝合金

对比可知，不锈钢车体的机械性能和防火性能强于铝合金车体，熔点高于铝合金车体，因此不锈钢车体具有更好的安全性。铝合金车体的屈服强度、抗拉强度、延伸率和弹性模量约为不锈钢车体的1/3，且比不锈钢车体的刚度要小，因此铝合金车体设计时一般采用加大板厚和尽量加大车体端面的办法来提高车体的抗弯刚度。

不锈钢车体采用板梁组合整体承载全焊结构，为了不降低板材强度和减小变形，应尽量采用点焊，特别是强度更高的材料不允许任何形式的弧焊，采用接触焊代替弧焊，是不锈钢车体的又一特征和技术关键。

在价格方面，SUS304不锈钢和6000系铝合金的原材料单价相差无几，但不锈钢车体是板梁结构，需大量工装、模具、夹具、这样才能确保它能正常工作样板和中间检查手段，生产工艺极其复杂，费工费料。铝合金车体普遍采用大型桁架式中空型材组焊式，中空铝型材是制造厂一次轧制而成的，车辆制造厂只需下料、拼装、氩弧焊接，工艺简单，省工检查机器各部位运转是不是正常省料。因此，成品价格还是不锈钢车体的偏高。

不同材料车体的抗腐蚀能力对于车体的使用寿命起到重要作用。不锈钢的抗腐蚀性能相较于铝合金的优势比较明显。防火性上，不锈钢熔点在1400℃以上，而铝合金只有630℃~650℃，且到300℃以上就发软变形，因此不锈钢车体的防火性能也远优于铝合金车体。从以上方面考虑，不锈钢车体的使用寿命长于铝合金车体。

为适应全球节能减排的发展，铁道运轨在加速发展的同时，利用铝材的车体轻量化也很重要，应当受到重视。但同时，在车体材料选择时，还应该综合考虑安全性、车辆寿命和成形性能等多方面因素，努力做到经济、安全和优质高效。