在美國,1934年最初出現(xiàn)了不銹鋼制鐵道車輛,日本則是在1952年由于關(guān)門隧道用的EF10型電動機車的車體要求耐海水腐蝕性比較強,所以首次使用了不銹鋼。但是真正意義上開始使用不銹鋼是在1958年,當時生產(chǎn)了5輛作為日本國鐵的東海型客車(SARO153型),還有3輛作為東京特快電鐵的5200型電車。這些車輛的表皮使用了當時日本國內(nèi)剛剛開工生產(chǎn)的20H森吉米爾式不銹鋼鋼帶,所以被稱為半不銹鋼車輛(或者表皮不銹鋼車輛)。車體為鋼制,外皮使用了SUS304制的不銹鋼板。不銹鋼板是代替涂層鋼板來使用的,主要目的是為了應(yīng)付腐蝕以及通過無涂層化來降低保養(yǎng)費用[401作為鐵道車輛用不銹鋼,美國當時使用了AISI200系(尤其是AISI201:17Cr-4Ni-6Mn-N鋼)作為外層鋼板,Budd公司在1956年將159輛車的表皮全部使用了AISI200系鋼種來生產(chǎn)。日本當時200系不銹鋼有一部分已用于生產(chǎn),但是還沒有普及,沒有用于上述的不銹鋼車輛。
為了進一步加強車輛的輕量化、提高“免保養(yǎng)”的效果,1962年生產(chǎn)出了“全不銹鋼”的車輛,車的骨架也使用了不銹鋼。這是日本東京車輛制造和美國的Budd公司技術(shù)合作的結(jié)晶。通過對影響 SUS301 鋼強度的調(diào)質(zhì)輥壓、加工、焊接方法等進行改善,外表使用SUS304或者SUS301,并且進行波紋加工、排氣扇成形、焊接組裝等,除了底框的特殊部分,全都使用不銹鋼來制造。經(jīng)過努力,最后東京特快7000型問世了。根據(jù)不銹鋼的不同鋼種,基于強度方面的考慮,多采用SUS301(w(C)<0.15%)作為冷軋材料。點焊的焊接熱影響不大,所以一般適合大多數(shù)情況;但是局部組裝所使用的電弧焊接部分,由于使用環(huán)境的緣故以及用于清洗的清潔劑的原因,曾經(jīng)發(fā)生過晶間腐蝕和晶界應(yīng)力腐蝕斷裂,成了一個問題。
為此,如何防止上述的晶間腐蝕或者晶界應(yīng)力腐蝕斷裂,實現(xiàn)不銹鋼的高強度化呢?不銹鋼生產(chǎn)商對301鋼(17Cr-7Ni)的C、N、Ni等成分以及調(diào)質(zhì)輥壓的影響進行了研究,并于1981~1984年報告了研究結(jié)果。
平松等(1981年)明確了C、N、Mn、Ni等含量對拉伸特征的影響,并且認為碳的含量在0.06%以下時晶間腐蝕就會變得緩慢,進而分別在1981年和1984年還斷定:實施冷加工以后進行晶間腐蝕敏化處理的時候敏感性會增加,所以有必要將碳的含量進一步降低到0.03%以下。另外,鋸屋等(1981年)以0.02C-0.5Si-1.8Mn-17Cr-7.8Ni-0.12N鋼為基礎(chǔ)研究了各種元素的影響,特別明確了奧氏體穩(wěn)定度(Md3o)與調(diào)質(zhì)輥壓后的延展以及屈服比的關(guān)系。進而,田中等(1982年)研究了奧氏體對0.02C-17Cr-7 Ni鋼的拉伸特征的影響,搞清楚了下列問題:拉伸強度在很大程度上取決于應(yīng)變致生馬氏體(α')的量,并隨著Ni當量[Ni+0.35Si+0.4Mn+0.65Cr+12.6(C+N)]的增加而降低;另外屈服強度幾乎不受Ni當量的影響但會隨著氮含量而增大,相反的,延展性受Ni當量的影響比較大,等等。平松等(1984年)也得出了如下的結(jié)論:17Cr-7 Ni鋼的強度會隨著碳以及氮量的變化而增大,但氮的作用在奧氏體相時是碳的2倍,在α相時卻是碳的1/2;還有,拉伸強度隨著奧氏體穩(wěn)定度的上升而下降,同一奧氏體的穩(wěn)定度隨著碳以及氮量而增大;延展性隨著奧氏體穩(wěn)定度的上升而提高;從耐腐蝕性和強度兩方面來看最佳成分是0.02C-17Cr-6.7 Ni-0.12N。
根據(jù)這些研究結(jié)果,為了改善耐晶間腐蝕性(破裂),將碳量調(diào)整為0.03%以下,并通過氮的添加以及適當成分的比例調(diào)整開發(fā)出了能同時滿足強度需求的17Cr-7 Ni鋼,1983年以后開始被鐵道車輛采用。此鋼在1991年被JIS定為SUS301L(w(C)≤0.030%、(N)≤0.20%)。
車輛底座部位由于大量地進行電焊,而SUS301L這樣的硬材會因焊接而導(dǎo)致強度的下降,所以不能采用,而采用SPA-H.基于輕量化的考慮,開發(fā)出了雙相不銹鋼(0.01C-2Si-4Mn-19Cr-5Ni-2Cu-0.02N),確保焊接部分也不會軟化。