日本铁道车辆轻量化材料的选择及使用

日本铁道车辆轻量化材料的选择及使用

2013-11-25

1 不锈钢材料

将不锈钢用作铁道客运车辆用材的主要目的有二：

一是因其耐蚀性优良，从而可以防止锈蚀，以使外板无涂漆化，并大幅度减少维修费用；

二是不用考虑腐蚀代价，较之使用普通钢，可以实现车辆结构的薄壁化和轻量化。

在日本，将不锈钢用于车辆制造始于1958年，用SUS 304制作了东部快车线车辆外板和火车外板。使用不锈钢的车辆外板在腐蚀对策中虽有效果，但骨架材、梁材等构件依然存在腐蚀问题，且未能实现车身轻量化目标。

美国Budd公司则早在1934年就将不锈钢车辆制造技术实用化，并实现了车辆轻量化。1958年日本东部快车线车辆引进了Budd公司的技术，开始进行外板以外部位的不锈钢车辆开发，于1962年实现了不锈钢车辆的实用化。由于解决了腐蚀问题，加之对无涂漆化和使用板厚进行了重新评价与设计，从而比普通钢车辆轻2t，实现了轻量化。

其后，以1974年的世界石油危机为契机，为了节能，要求车辆进一步实现轻量化。作为其对策而开发了高强度、优良加工性和焊接性的不锈钢，并通过不锈钢车辆的使用进行了焊接工艺的改善。

现在，大部分不锈钢车辆都采用了开发的SUS 301L钢。结果是

在新的车辆上完全用国产的钢材和技术代替了1978年从Budd公司引进的材料和技术，从而比以前的不锈钢车辆轻了 1.0-1.5t。其后，当时的国营铁道公司投入了此类车辆，获得了广泛认可和制造辆数的飞跃增加。

20世纪90年代，进一步改善了不锈钢车辆的设计，如图1所示那样进行了轻量化和部件点数、点焊数的削减，使之成为可以批量生产的轻量型不锈钢车辆，包括结构材的全部构件都采用了不锈钢，而车辆重量却比Al材车辆更轻。因此，频繁加速·减速的不锈钢近效型通勤车辆因其能源效率高而被广泛采用。

用于车辆的不锈钢须有优良耐蚀性、能承受高应力的强度、可冲压·弯曲等高加工性。作为结构物进行装配，还应有良好焊接性。

能满足上述要求的是如表1所示的奥氏体（A）系不锈钢SUS301和SUS301L。其中SUS301的标准规定碳小于等于0.15%，但实际使用钢材碳却小于等于0.08%。这是因为车辆组装时在焊接热影响区发生了Cr的碳化物引起的晶间腐蚀裂纹之故。因此，为了抑制Cr的碳化物析出，开发了将钢中碳含量降至0.03%以下的SUS301L，现在几乎所有的不锈钢车辆都采用了此钢种。

利用冷轧可以调整SUS301L的强度和延性水平，根据不同用途，使用了5种调质材（LT、DLT、ST、MT和HT）。如图2所示那样，通过冷轧率的调整确保了不同的强度水平，从而可将LT材用作横梁、DLT材用作炉壁板、ST材用作车顶弯梁、MT材用作波纹底板、HT 材用作侧柱等。并且，因钢的这些特性在很大程度上受到其化学成分

的影响，故在此不锈钢的熔炼中须对其成分进行小幅度精准调整。

因车辆用材通过焊接进行装配，故确保焊接部位的耐蚀性就显得特别重要。为此，在US301L的开发中进行了改善焊接热影响区耐蚀性的研究，调查了钢的化学成分对其晶间腐蚀性的影响。结果表明，其晶间腐蚀敏感性受N和Ni的影响小，基本上取决于钢中碳含量的高低。即为了防止晶间腐蚀而确保钢的耐蚀性，将调质轧制材的碳含量控制到0.03%以下是必要的，应据此控制熔炼钢的碳含量。

确保焊接部的强度也是重要的。虽然为了确保耐蚀性而降低了钢的碳含量有可能减低焊接部的强度，但确认点焊部的拉伸剪切强度是充分的，这是由于向钢中加氮的结果。

在旅客车辆以外，最近以中国为首的新兴国家经济的快速发展，增大了煤和铁矿石的开采量和运输量，从而提高了对运送货车的需求。因煤等多含硫，故须使制造货运车辆的不锈钢具有优良耐硫酸腐蚀性。为此，开发了含低碳、氮的11Cr-1.8Mn-0.75Ni不锈钢，已经开始实用，预计今后用量将会扩大。

2 铝合金材料

2.1 轻量化需求的背景

新干线载客量年年增加造成对运力不足的担心，加之与飞机运输的激烈竞争，都促进了铁路客运的高速化。车辆轻量化的优点是降低轨道结构建设费用和维护费、保护环境、以及车辆轻量化而促使行驶性能的提高等。而且，在车辆的LCA验算中，也有研究报告指出：在将车辆进行10%轻量化的条件下，可分别将运行能耗和CO2排放

量都减少6%。这样的节能减排效果值得期待。

原来钢制车辆结构方式的设计思路是以骨架、底框等主要结构件负担强度，没有考虑将车辆外皮材作为强度部件。因此，各骨架具有独自保有强度，从而使车辆变重了。另一方面，新干线车辆上引进了外皮薄壳结构，使外板（皮材）作为强度构件的一部分，从而有效提高了骨架材和外板的结合度，从而可以大幅度实现车辆轻量化。

铝合金挤压型材（下称挤压型材）骨架与外板没有焊接，与为了整体和连续而将外板和骨架铆接或焊接的结构比较，因将外板作为强度构件而发挥了有效作用，从而可实现轻量化。并且，因挤压型材上不用外板和骨架的接合，也可减少装配施工费用。

因此，从轻量化观点考虑，铝合金材料是有效的替换材料。

2.2 要求特性

铝制车辆构架的开发是将下面3项基本技术变成设计技术并整体取得了进展。

①焊接结构用铝合金（含A6N01合金、A7N01合金）的开发技术，即减低了应力腐蚀裂纹（下简称SCC）敏感性的7000系合金的开发。

②挤压型材的生产技术，即薄壁化、宽幅化、中空化技术的开发。

③铝合金连接技术（含MIG即惰气保护金属电极焊接、FSW即摩擦搅拌连接），确保适于连接的挤压断面，并提高其尺寸精度。

2.2.1 耐SCC7000系合金

300系新干线的车体构造，是在构成纵贯梁的车顶材、侧外板及

底板结构中，以遍及车辆全长（24.5m）的A6N01-T5长尺薄壁宽幅整体挤压型材构成的结构（以下称作单皮结构），最大构件宽度600mm。横梁采用了A7N01-T5材，此材是在考虑了焊接热影响区强度下降尽可能少的焊接性而选定的。

2.2.2 薄壁中空宽幅挤压型材

在构成纵贯梁的车顶及侧外板结构中，700系新干线的车体构架在遍及车辆全长（24.5m）上采用了最大宽度560mm的A6N01-T5长尺薄壁中空宽幅挤压型材。纵贯梁之间的焊接部与300系同样因焊接而降低了强度，故须将焊缝断面局部增厚以确保其有充分强度。

由于将纵贯梁的腹板作成桁架形状的重皮结构，所以完全变成废除了车辆周边方向构件的简单结构。此重皮结构即使在N700系新干线上也能使用，故将其使用部位扩大到了在700系车顶构架、旅客车箱侧构架以外的车端部侧构架、车体侧板构架和台车上部的气密底板。由于重皮车体透过损失大而提高了声音遮蔽性，且大幅度提高了车辆制作效率。

2.2.3 挤压材尺寸精度的提高

由于大薄壁中空挤压型材的使用和车辆周边方向构件的完全废除，促进了构件数的减少，接合线的简单化、直线化带动了加工制作的自动化，并可期待焊接施工质量的稳定性。另外，因推进了焊接的自动化，使得700系新干线的焊接部位尺寸精度比300系新干线的更高。

2.3 制造技术

2.3.1 合金开发

Al-Zn-Mg（7000）系合金的焊接强度即使因焊接热下降，在经常温放置后也具有恢复强度的特征。铝制车辆构造是以MIG为主体的焊接结构，在需要强度的部位，应有效利用有此特征的7000系合金。较之6000系Al-Mg-Si合金，由于7000系合金的SCC敏感性高，故开发了加入极微量Cu元素并控制了制造条件的CZ5D合金。

2.3.2 挤压技术

在300系新干线上使用了最大宽度600mm的挤压型材，且将原来为制造极限的最小壁厚从4.0mm薄壁化到2.3mm。在700系新干线上提高了对中空型材宽度·薄壁化的要求，壁厚从300系的实心挤压型材的2.3mm减小到中空型材的2.0mm。为了保持挤压加工中型材温度的稳定，并获得最大挤压速度，采用了将加热温度和挤压速度最佳化的等温·等应变挤压技术，可以高效稳定制造薄壁中空型材。

2.3.3 挤压模设计技术

为了确立中空挤压型材的薄壁化技术，除了等温·等应变挤压技术之外，还改善了原来的挤压模设计方法，如“流量分配”等挤压模具设计方法的开发以及组合了原来设计方法的新设计技术等。这样一来既缩短了模具设计、挤压模具制作、挤压试制、模具修正等制作的一系列超前时间，同时促进了挤压型材的薄壁化、宽幅化和尺寸精度的提高。

3 结语

从全世界节能减排以改善环境的高度及日本的国土条件出发，须

对日本国的铁道运输条件进行整备。并且，日本也持续实施了面向未来的轨道车行驶试验。预计今后日本将会扩大对铁道车辆构架轻量化以及作为其原料材的不锈钢材与Al合金挤压型材的需求。

表1 车辆用不锈钢化学组成 %