為加快鐵路現(xiàn)代化建設(shè)和全面建設(shè)小康社會的總的要求，同時為適應(yīng)客貨運市場的激烈競爭，滿足鐵路貨運快捷、重載、安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的要求，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，鐵路車輛無論是品種、檔次、還是質(zhì)量都將會有一個較大的提高。 鐵道工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點是提速與重載，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)計參數(shù)選擇，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最重要的是鋼材的品種、性能和質(zhì)量。 由于我國地域廣闊，氣候條件有較大差異，對材料的腐蝕問題也應(yīng)予以足夠重視。因腐蝕造成報廢的金屬材料設(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一億噸，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失占1-3.5％GNP。由于腐蝕的原因使我國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)計參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和提高鐵路用鋼（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)狀和新形勢下的要求 1．1 鐵路車輛的現(xiàn)狀 長期以來，我國鐵道車輛的技術(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，而美國等一些國家耐候鋼的強(qiáng)度水平已高達(dá)550MPa。這種銅磷系列的耐候鋼，科學(xué)試驗及運用試驗都說明：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、提高整車性能問題顯得尤為突出和迫切。 1．2提速、重載對鐵路車輛技術(shù)裝備提出新要求 我國鐵路現(xiàn)保有客車3.8萬輛，貨車56萬輛，每年新造客車約2000輛，貨車約25000輛。對于新造車輛，要按高速、快速、快捷、重載的要求進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)。對于現(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)展運行速度120km/h的快運貨車,開發(fā)應(yīng)用軸重25t低動力作用的大型四軸貨車。 提高軸重是普遍提高貨運能力和經(jīng)濟(jì)效益的途徑，是世界大陸國家鐵路貨物運輸共同的發(fā)展趨勢。中國載重60t及以上的貨車已達(dá)貨車總數(shù)的95%以上，在站線長度難以繼續(xù)延長又維持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，開行重載列車，必須加快發(fā)展25t軸重低動力作用的貨車。 發(fā)展專用貨車勢在必行。隨著我國改革開放的深入，鐵路貨運已經(jīng)進(jìn)入買方市場。傳統(tǒng)的大宗運輸貨物，如煤炭和油品，將隨著坑口電站的建立，輸油管路的鋪設(shè)，鐵路的運量逐漸減少。高附加值的貨物，由于沒有合適的運輸車輛，或速度慢，或運輸周期長，或不能做到門到門的運輸，鐵路運輸在各種運輸方式中所占的份額也在減少。應(yīng)對這種情況，要提高鐵路在運輸市場的競爭能力，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)市場需要的新車種。目前我國鐵路專用貨車僅占貨車總量的5%，而美國的專用貨車占其貨車總量60%以上，俄羅斯占32%，應(yīng)該說我國專用貨車的差距是大的。專用貨車的發(fā)展對車輛設(shè)計制造部門和新材質(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），國內(nèi)也可得到供應(yīng)，減小和消除與國外車輛用鋼技術(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2500萬噸，中國不僅是世界第一產(chǎn)鋼大國，也是世界第一鋼材進(jìn)口大國。加入WTO后，在激烈的國內(nèi)與國際競爭中，給我國鋼鐵工業(yè)帶來了機(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，尤其是近年來鋼鐵工業(yè)利用國債技改使投資規(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。無論是軋機(jī)能力還是冶煉水平都有大幅度提高。 近20年來，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、晶界釘扎、抑制再結(jié)晶等等。 潔凈度提高對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)計到2005年，我國熱軋寬帶鋼生產(chǎn)能力將超過5000萬噸，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，同時寶鋼、武鋼、本鋼、攀鋼、馬鋼等鋼廠也在耐候鋼的開發(fā)和生產(chǎn)上積累較多的經(jīng)驗。 2.2.1實驗室研究情況 在國家973 “新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究” 項目中，以晶粒細(xì)化為主要手段來提高鋼的性能，在研究過程中發(fā)現(xiàn)DIFT機(jī)制對組織和晶粒細(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。盡管在目前的試驗中采取的工藝條件比較苛刻，一般的大工業(yè)生產(chǎn)無法實現(xiàn)，但通過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。可見，如果不改變耐候鋼的成分設(shè)計，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 采用周浸試驗和鹽霧試驗兩種方法對普通碳素鋼Q235及超細(xì)組織高強(qiáng)度耐候鋼板進(jìn)行加速腐蝕試驗。普通碳素鋼Q235的腐蝕失重最高，是其它耐候鋼的2倍以上，說明它的耐蝕性最差；其它幾種鋼如09CuPTiRE、09CuPTiRE-N