Les Z 600 ont été acquises en 1958 par la SNCF, afin de remplacer les antiques Z 200 héritées du PLM. Ce matériel est constitué de huit automotrices Z 601 à Z 608, ainsi que de quatre remorques ZR 20601 à ZR 20604. Les Z 600 ont été mises en service entre le 7 février et le 24 juillet 1958.
Le matériel Z 600 est équipé d'attelages automatiques de type Scharfenberg, que l'on retrouve sur les véhicules du métro parisien, les RER, les TGV, ainsi que sur les nouvelles générations de TER. Notamment, cet attelage permet une certaine compatibilité avec la matériel du Martigny-Châtelard datant de la même époque.
L'alimentation nominale s'effectue en 800 V continu par troisième rail, la tension sur la ligne ayant été portée à 800 V au moment de l'acquisition de ce matériel. Cependant, les Z 600 peuvent fonctionner entre 400 V (tension minimale sur les anciennes installations) et 900 V (tension maximale de la ligne de Cerdagne, dans les Pyrénées, où il aurait théoriquement été possible de les faire circuler).
Contrairement au matériel précédent, qui reposait sur des trucks à deux essieux, le matériel Z 600 repose sur des bogies, deux bogies de deux essieux pour être précis. Les automotrices Z 600 disposent d'une cabine de conduite à chaque extrémité.
La composition typique d'une rame est automotrice/remorque/automotrice, ce qui autorise à former simultanément quatre rames avec le matériel dont dispose la SNCF. Mais bien d'autres combinaisons sont possibles, comme le montre le tableau suivant, où M signifie automotrice, et R remorque :
| Nombre de caisses | Composition |
|---|---|
| 1 | M |
| 2 | M/M ou, sur Chamonix-Vallorcine, M/R (presque jamais utilisée) |
| 3 | M/R/M ou M/M/M (constatée par l'auteur pour la première fois à l'été 2006) |
| 4 | M/M/R/M |
| 5 | M/R/M/R/M |
En fait, on remarque qu'il faut toujours qu'une remorque soit encadrée par deux automotrices, afin de parer aux risques de rupture d'attelage.
Les quatre essieux des automotrices sont moteurs. Les moteurs, du constructeur Oerlikon, développent chacun une puissance de 100 kW. Chaque automotrice dispose donc d'une puissance de 400 kW. Ceci explique que la tension du rail conducteur ait dû être relevée lors de l'acquisition de ce matériel.
Comme les Z 200 rénovées, les Z 600 sont équipées du freinage rhéostatique. Les résistances (démarrage et freinage) sont placées sur le toit, ce qui assure une bonne ventilation. Ces véhicules disposent de trois autres freins :
Ainsi, les véhicules Z 600 n'utilisent plus le 4ème rail central de freinage.
La commande de la traction et du freinage rhéostatique s'effectue grâce à un volant unique, qui dispose de 20 crans de traction et de 19 crans de freinage. Le freinage rhéostatique est suffisant pour maintenir l'allure du train en descente. Le contrôle de la vitesse du train s'effectue donc uniquement avec le volant ; l'arrêt est obtenu grâce au frein pneumatique.
La commande des motrices en unité multiple s'effectue grâce à des câblots électriques. L'attelage Scharfenberg assure les liaisons pneumatiques.
À la réception, des essais de traction ont montré qu'une automotrice Z 600 en surcharge (12 tonnes de lest), alimentée en 540 V au lieu de 800 V, arrivait à gravir la terrible pente de 90 mm/m à une vitesse de 25 km/h. À la descente, le frein électromagnétique a réussi à arrêter cette automotrice en surcharge alors qu'elle roulait à 52 km/h sur rail mouillé dans la pente de 90 mm/m.
Au début de l'exploitation de ces rames, une deuxième classe ainsi qu'une première classe avaient été prévues. La première classe était placée dans les automotrices, avant le compartiment à bagages. Par la suite, dans les années 1990, la première classe fut supprimée. Les Z 600 sont donc désormais équipées d'une unique deuxième classe.
La capacité des automotrices est de 244 voyageurs, dont 143 assis. Au début de l'exploitation, il était prévu d'admettre des passagers dans les fourgons à bagages aux heures de pointe, ce qui permettait d'accueillir au maximum 470 personnes.
L'éclairage des compartiments est réalisée grâce à des tubes fluorescents montés en série et directement connectés en 800 V sur le rail conducteur.
La photographie ci-contre montre les anciens compartiments de première classe. À l'époque de cette première classe, ils étaient équipés de fauteuils au revêtement plus luxueux.
Les voitures étaient au départ équipé d'un cabinet de toilette, qui fut supprimé lors de la révision de 1997.
En outre, tout le matériel roulant Z 600 reçut à la fin des années 1980 un équipement complet de sonorisation avec microphone portable VHF, afin de subvenir aux besoins des trains animés qui furent mis en place à l'époque.
Au départ, les Z 600 portaient une livrée rouge et crème. Au début des années 1980, elles subirent une importante révision, au cours de laquelle diverses modifications furent appliquées : modification des câblots de couplage, phares à griffes unifiés, etc. À cette occasion, on les revêtit d'une nouvelle livrée orange et grise évoquant celle du TGV.
Depuis 1997, certains véhicules Z 600 (sauf la Z 608) et leurs remorques ont subi une révision partielle, au cours de laquelle, notamment, le cabinet de toilette a été supprimé. De plus, les véhicules ont à cette occasion revêtu une nouvelle livrée rouge et blanche, en harmonie avec celle des rames Z 800 du Mont-Blanc Express.
Cette opération, appelée ATPPR (Autres Travaux Programmés de Prolongation de Parcours) leur a donné la possibilité d'effectuer 50 000 km supplémentaires, avec une tolérance de 15 %. L'opération a été appliquée à la Z 604 en juillet 1997, à la Z 605 fin 1998, à la Z 602 début 1999, à la Z 607 en 2000, à la Z 606 à la fin 2001.
Dès 1997, l'arrivée des Z 800 condamnait les Z 600 à moyenne échéance. De fait, la Z 608 a été placée en attente d'amortissement en juillet 1997, puis radiée le 1er avril 1999.
Le 18 février 2002, un incendie accidentel en gare des Tines a provoqué la destruction de la Z 602. Celle-ci n'a pas été réparée, et a finalement été radiée le 24 mars 2005. Par contre, cela a justifié la réalisation d'une opération d'ATP (Autres Travaux Programmés) sur la Z 601, ce qui lui accorde 125 000 km supplémentaires, avec une tolérance de 15 %. De plus, la Z 603 a de son côté subi une opération d'ATPPR en avril 2004, comme les autres Z 600.
En 2006, toutes les automotrices Z 600 avaient effectué un trajet total de plus de deux millions de kilomètres depuis leur mise en service en 1958. Une rame Z 600 de trois automotrices (donc sans remorque ZR 20600) était utilisée dans le cadre du service d'été 2006. Les Z 600 sont également utilisées pour tracter des trains de travaux.
Par exemple, à l'été 2001, la Z 603 (qui, rappelons le, n'avais pas à l'époque subi l'opération d'ATP) était affectée à la traction de convois spéciaux. Son accès aux voyageurs était interdit ; ses fenêtres occultées. Elle était stationnée en gare de Vallorcine, attelée à un wagon plat. Elle ne semblait plus entretenue : sa carrosserie commence à être sérieusement attaquée par la rouille.
Depuis leur radiation, les Z 600 déchues étaient garées sur des voies de service au Fayet. Taguées, vampirisées, leur décrépitude faisait peine à voir.
Un ferraillage de grande ampleur a donc eu lieu à partir du 25 juin 2007. Il a été mené par l'établissement de Culoz de la SME (Société Métallurgique d'Épernay), une entreprise spécialisée dans la démolition ferroviaire. L'opération a été conduite sur place. Les caisses ont été méthodiquement découpées, comme en attestent les photographies.
Les Z 600 restantes devraient être radiées d'ici à quelques années. Il est probable qu'elles ne soient plus engagées dans des services commerciaux, mais servent uniquement à la traction des trains de travaux. En effet, en l'état actuel, les attelages des véhicules de service ne leur permettent pas d'être remorqués par les nouvelles Z 800 et Z 850. En mars 1959, la Vie du Rail s'interrogeait : « le nouveau matériel battra-t-il le record de durée de l'ancien ? Plus d'un demi siècle ! » Certes, les Z 600 n'auront pas dépassé les 50 ans (contre plus de 80 ans pour certaines Z 200 qui ont roulé jusqu'au début des années 1980), mais elles auront fait preuve pendant cette période de leur robustesse, sur une ligne où les conditions d'exploitation sont particulièrement difficiles.