地鐵車輛轉(zhuǎn)向架(走行部)是軌道交通車輛實(shí)現(xiàn)高速的關(guān)鍵部件之一， 彈簧是連接車體和轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，它直接影響車輛的運(yùn)行安全性和舒適性，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)向架用彈簧鋼的疲勞壽命，提高彈簧的靜撓度是提高轉(zhuǎn)向架安全性、舒適性、可靠性的重要保證。

   介紹目前國產(chǎn)彈簧鋼類別、主要鋼種及其使用要求，質(zhì)量現(xiàn)狀，彈簧鋼高強(qiáng)度化的措施和發(fā)展趨勢(shì)，并提出制定創(chuàng)建軌道交通地鐵車輛轉(zhuǎn)向架彈簧鋼的標(biāo)準(zhǔn)是刻不容緩的課題。

   軌道交通所用的新材料在地鐵車輛中的應(yīng)用很廣，主要包括：車體和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)；輪軌系統(tǒng)；制動(dòng)摩擦系統(tǒng)；弓網(wǎng)系統(tǒng)和減振降噪材料等。轉(zhuǎn)向架(走行部)是軌道交通車輛實(shí)現(xiàn)高速的關(guān)鍵部件之一，它的性能好壞直接影響車輛的運(yùn)行安全和可靠。

    200km/h 地鐵車輛一般采用動(dòng)力集中轉(zhuǎn)向架，動(dòng)力集中轉(zhuǎn)向架主要有制造、使用及維修成本低，但軸重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 可靠性較低， 對(duì)線路要求較高等特點(diǎn)。地鐵車輛對(duì)車體和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，要求輕量化以減少高速氣動(dòng)阻力和對(duì)軌道的沖擊與磨耗，車輛在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受次強(qiáng)隨機(jī)動(dòng)載作用，疲勞是其最容易發(fā)生的失效模式，而彈簧是連接車體和轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，它直接影響車輛的運(yùn)行安全性和舒適性，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)向架用彈簧鋼的疲勞壽命，提高彈簧的靜撓度是提高轉(zhuǎn)向架安全性、舒適性、可靠性的重要保證。

    由于在轉(zhuǎn)向架的制造過程中，由于塑性加工工藝等原因而導(dǎo)致材料在塑性變形過程中發(fā)生斷裂，不僅增加了原材料的消耗，也使企業(yè)的制造成本增加。為此，如何擴(kuò)大國產(chǎn)彈簧鋼的產(chǎn)量，滿足我國地鐵車輛生產(chǎn)轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量要求，很有必要。

1、鋼種及其使用要求

1.1彈簧鋼類別

    轉(zhuǎn)向架彈簧所用熱軋圓鋼和盤條、線材涉及的鋼種主要有Cr-V系，Cr-Mn系，Si-Mn系，Si-Cr系以及在Si-Cr系基礎(chǔ)上添加少量合金元素V、Ni、Mo、W等形成的更復(fù)雜系列彈簧鋼。Si-Cr系代表鋼種有55SiCr；Cr-V系代表鋼種有51CrV和55SiCrV；Cr-Mn系代表鋼種有55CrMnA〔1〕；Si-Mn系60Si2MnT； Cr-Mo系代表鋼種有52CrMoVT等。

     由于Cr-Mn系、Cr-V系合金彈簧鋼具有較好的淬透性，且表面脫碳傾向小，故國外大都采用Cr-Mn系、Cr-V系合金彈簧鋼。Cr-V鋼在歐洲得到普遍使用，由于有釩的析出，可提高強(qiáng)度，改進(jìn)疲勞松弛性能，脫碳傾向小，淬透性好，晶粒細(xì)，但是釩的碳、氮化合物是硬夾雜，所以，Cr-V鋼的致命弱點(diǎn)是在高應(yīng)力條件下抗松弛性能差。超純凈Si-Cr鋼的開發(fā)備受關(guān)注，預(yù)計(jì)若干年后最終完全取代Cr-V鋼。我國鉻資源不足，彈簧鋼一般采用Si-Mn系合金鋼。Si-Mn系合金鋼雖脫碳傾向大，淬透性弱，但抗彈減性優(yōu)于Cr-Mn系彈簧鋼〔2〕。

    我國地鐵車輛轉(zhuǎn)向架彈簧的主流鋼種從60Si2MnT發(fā)展為51CrVT、52CrMoVT、60Si2CrVT，前兩個(gè)鋼種參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN10089-2002中的51CrV4和52CrMoV4，化學(xué)成分采用國際標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的化學(xué)成分，其中P、S含量比國際標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，P≤0.02%、S≤0.015%。彈簧鋼的純度向超純凈鋼發(fā)展，表面缺陷、夾雜物受到嚴(yán)格限制，材料表面經(jīng)過剝皮、拋光和2次渦流探傷，不允許有全脫碳層、部分半脫碳層深度應(yīng)不大于圓鋼直徑的1%，且具有光亮的表面，表面粗糙度不大于2.5Ra/μm，除有害元素S、P需要控制外，O、N、H、Al、Cu、Su元素也需控制范圍，Cu≤0.20%、Su≤0.025%、H≤2PPm、 O≤12PPm〔3〕。

1.2 彈簧使用要求

轉(zhuǎn)向架彈簧的使用要求

①高應(yīng)力條件下具有高的疲勞壽命。疲勞試驗(yàn)應(yīng)力最大為906 Mpa，最小為388 Mpa，疲勞壽命從100萬次提高至目前的260萬次。軌道交通部門提出了對(duì)彈簧8年免維護(hù)要求。

②高的抗彈性松弛性能，在滿負(fù)載高密度運(yùn)行的條件下，服役年限里不產(chǎn)生彈性松弛。

③高的淬透性。為適應(yīng)快速、重載車輛的發(fā)展需要，彈簧線徑趨于增大，這就必然提出淬透性要求。

④高的低溫沖擊韌性。金屬材料在低溫條件下韌性會(huì)下降，有些材料降低較顯著，這勢(shì)必使常溫下運(yùn)行的車輛在低溫下產(chǎn)生脆斷，彈簧在零下20℃時(shí)的沖擊吸收功應(yīng)不小于10J。

⑤高的抗蝕性。軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架用彈簧常年在惡劣的環(huán)境下工作，其防蝕性要求很高。

⑥高的性價(jià)比。目前我國軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼供應(yīng)緊張，有部分需要進(jìn)口，價(jià)格上難以完全承受，因此對(duì)高性能彈簧所用彈簧鋼材料有性價(jià)比要求。

⑦高的質(zhì)量穩(wěn)定性與安全性〔4〕。這是最關(guān)鍵的，軌道交通部門對(duì)地鐵車輛為此提出零缺陷要求。

2、彈簧鋼質(zhì)量現(xiàn)狀

2.1 標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)狀

    地鐵車輛的轉(zhuǎn)向架彈簧，現(xiàn)選用GB/T1222《彈簧鋼》國家標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度性能最高的60Si2CrVA鋼，并制定了更高水平的TB/T2211-2010《機(jī)車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧》鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，TB/T2211中采用60Si2CrVAT鋼，兩者成分一致，但60Si2CrVAT鋼在保持高強(qiáng)度的同時(shí)要有更高的塑性指標(biāo)，并在對(duì)該鋼的冶煉方面提出了新的要求，有害元素O、H的嚴(yán)格限制，對(duì)非金屬夾雜物的嚴(yán)格要求，軋制后采用磨光工藝等。

    目前，我國對(duì)地鐵車輛轉(zhuǎn)向架彈簧制造工藝方面，成套引進(jìn)國外現(xiàn)代化感應(yīng)加熱等制簧設(shè)備，重視彈簧制造工藝的試驗(yàn)研究，不斷研發(fā)新型彈簧鋼種，嚴(yán)格執(zhí)行鐵道行業(yè)產(chǎn)品認(rèn)證與監(jiān)督抽查工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量通報(bào)制度，取得較好的成效。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)物

    我國彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)修訂后達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但對(duì)影響彈簧鋼疲勞性能的主要因素，包括硬度、非金屬夾雜物、顯微組織及表面缺陷等技術(shù)指標(biāo)的要求，尚不能滿足市場(chǎng)的需求，國外彈簧鋼材實(shí)物水平遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)水平。

     國內(nèi)鋼鐵企業(yè)參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)仿制的轉(zhuǎn)向架用彈簧鋼，在性能上還不能完全滿足地鐵車輛對(duì)轉(zhuǎn)向架用彈簧鋼的要求，160Kg/h以上時(shí)速車輛轉(zhuǎn)向架部分原材料至今仍主要依靠進(jìn)口。

     國內(nèi)鋼廠的高檔次彈簧鋼絲產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，不能滿足用戶的需求，與國際先進(jìn)水平還存在較大差距，生產(chǎn)該類產(chǎn)品的線材主要來自日本神戶、住友等企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。

    目前國產(chǎn)轉(zhuǎn)向架用彈簧鋼處于應(yīng)用性批量生產(chǎn)階段，生產(chǎn)鋼種有 60Si2MnAT 、60Si2CrVAT和51CrVAT等合金彈簧鋼。寶鋼和興澄特鋼是國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，但與日本神戶制鋼相比，在大方坯技術(shù)，夾雜物無害化處理，材料均勻性等方面尚有差距，對(duì)彈簧疲勞壽命影響最大的表面缺陷和脫碳2項(xiàng)指標(biāo)難以達(dá)到國外同類水平。

    但由于價(jià)格相對(duì)較低，市場(chǎng)有需求，已為相關(guān)企業(yè)提供大量轉(zhuǎn)向架彈簧的原料。國內(nèi)合金彈簧鋼線材的主要生產(chǎn)企業(yè)寶鋼、鞍鋼、武鋼、東北特鋼和興澄特鋼等，部分廠家生產(chǎn)的60Si2MnAT 和51CrVAT經(jīng)拉拔、熱處理和卷簧后，在120～200Km/h機(jī)車車輛上配套使用。

3、彈簧鋼高強(qiáng)度化和發(fā)展趨勢(shì)

    近年來，國際上高強(qiáng)度、高韌塑性彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是化學(xué)成分向中碳多元低合金鋼發(fā)展；冶金工藝則朝著純潔凈鋼、超純潔凈鋼的精煉方向發(fā)展，提高彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力，減輕彈簧重量是彈簧生產(chǎn)的發(fā)展方向。

    國內(nèi)廠家應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有彈簧鋼潛力，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，采用新技術(shù)，提高其力學(xué)性能和應(yīng)用性能，擴(kuò)大使用范圍，對(duì)于新鋼種的研究開發(fā)，將抗疲勞破壞和抗彈性減退作為地鐵車輛彈簧用鋼研究開發(fā)的重點(diǎn)。

    ①提高純凈度。嚴(yán)格控制鋼中鈦、鋁和氧的含量，尤其是對(duì)彈簧鋼氧含量提出更高要求，因?yàn)榈脱跫词乖诟哂捕葏^(qū)內(nèi)的疲勞極限也在一般材料疲勞極限范圍的上限，且波動(dòng)范圍小。超純凈鋼正是基于地鐵車輛彈簧用鋼的需求而發(fā)展的。超純凈鋼并非無夾雜，而是使夾雜無害化，以硅代替鋁作脫氧劑，控制鋼中有限的夾雜主要為低溶點(diǎn)軟夾雜，以及容易在軋鋼中變形的氧化硅，從而消除高溶點(diǎn)、不變形的氧化鋁疲勞源。

    彈簧失效及斷片的分析研究結(jié)果表明，高性能轉(zhuǎn)向架彈簧失效破壞的最主要原因是鋼中非金屬夾雜物引起。因此確定轉(zhuǎn)向架用彈簧鋼的非金屬夾雜物為必檢項(xiàng)目非常有必要，并應(yīng)根據(jù)對(duì)純凈度的不同要求規(guī)定其合格級(jí)別。按GB/T 10561標(biāo)準(zhǔn)中A法評(píng)定，5種類型非金屬夾雜物粗、細(xì)系必須小于1.5級(jí)，并按最嚴(yán)重表示結(jié)果。

    ②充分發(fā)揮合金元素的作用。為提高彈減抗力應(yīng)從選擇合適的化學(xué)成分入手，Si是合金元素中提高彈減抗力最有效的元素之一，其作用僅次于C元素。早期彈減抗力優(yōu)良的彈簧鋼含Si量已達(dá)最高值，現(xiàn)在利用析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的共同作用來改善彈減抗力，如加入微合金元素V和Nb等。

    ③熱處理強(qiáng)化工藝的優(yōu)化與完善。彈簧鋼熱處理后的強(qiáng)度取決于最終回火硬度，幾乎不受淬火硬度影響，而屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率不僅取決于回火硬度，與淬火硬度也有很大關(guān)系，相同回火硬度條件下，這些指標(biāo)隨淬火硬度的升高而提高〔6〕。生產(chǎn)實(shí)踐表明，淬火溫度過低，未溶碳化物過多，合金元素溶于基體不充分，影響鋼的淬透性。

    通過大量的彈簧安裝使用驗(yàn)證，且要求彈簧淬火獲得馬氏體組織大于98%，合金彈簧鋼的淬火溫度應(yīng)在Ac3以上80～100℃，中溫回火溫度一般控制在380～450℃，鋼的力學(xué)性能指標(biāo)較佳〔7〕。

    另外，等溫淬火可以提高彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度、疲勞極限和塑性、韌性，使制造的彈簧具有較高的抗微塑性變形能力和抗松弛穩(wěn)定性，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都很小，彈簧變形明顯減小，可減小矯正彈簧的工作量。但等溫淬火屈服強(qiáng)度和彈性極限有所下降，等溫淬火后再進(jìn)行一次補(bǔ)充回火則可使屈服強(qiáng)度和彈性極限回升，能夠使彈簧獲得最高的綜合力學(xué)性能。

   ④研制開發(fā)超高強(qiáng)度的新型彈簧鋼。轉(zhuǎn)向架彈簧使用應(yīng)力不斷提高，重量相應(yīng)減輕，與此同時(shí)，對(duì)彈簧的可靠性要求不斷提高，彈簧的使用壽命要求從100萬次提高到最高280萬次，且針對(duì)高應(yīng)力下容易產(chǎn)生腐蝕疲勞的傾向，新型彈簧鋼應(yīng)具有超高強(qiáng)度、超高疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕疲勞性能，優(yōu)良的抗彈減性能，良好的經(jīng)濟(jì)性和抗鹽霧試驗(yàn)的要求等。

4、結(jié)束語

   近年來，軌道交通部門對(duì)地鐵車輛彈簧用鋼提出了更高的要求，其指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度Rm≥1900MPa、屈服極限Rp0.2≥1700MPa、斷后伸長(zhǎng)率A≥9%、斷面收縮率Z≥30%、扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力≥1100MPa。

     國內(nèi)軌道交通市場(chǎng)的穩(wěn)定發(fā)展，帶動(dòng)了轉(zhuǎn)向架彈簧的快速發(fā)展，地鐵車輛用高質(zhì)量彈簧鋼的市場(chǎng)日趨廣闊，與國外相比，國產(chǎn)彈簧鋼差距比較大。因此研制高性能轉(zhuǎn)向架彈簧鋼及其先進(jìn)制造工藝，并在此基礎(chǔ)上制定創(chuàng)建適合我國國情的軌道交通地鐵車輛轉(zhuǎn)向架彈簧鋼的標(biāo)準(zhǔn)是刻不容緩的課題。

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