淺談軌道交通裝備模鍛件的工藝升級

文/張金智·廣州鐵路（集團）公司

姚春華，許光華·株洲春華實業(yè)有限責任公司

改革開放以來，我國軌道交通運輸裝備技術(shù)應(yīng)用成績斐然，特別是鐵路高速客貨運輸車輛的研發(fā)和制造技術(shù)已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平，中國制造的鐵路車輛以其合理的成本和可靠的質(zhì)量行銷全球大部分國家。本文主要闡述鐵路貨車模鍛件制造技術(shù)的發(fā)展。

80年代鐵路貨車敞車載重60噸，運行速度一般30～50km/h；因工藝技術(shù)落后，主要零部件采用鑄鋼件。鍛件數(shù)量不多，模鍛件主要有軸承端前蓋、后擋；鉤舌銷、鉤尾銷等，其中模鍛件鉤尾銷材質(zhì)從Q275→45→40Cr→40Mn2鋼一路升級。為了提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，形狀從扁方→圓柱，鍛后熱處理從正火到調(diào)質(zhì)處理，強度等級提升5倍以上。

2000年后貨車主要車型發(fā)展方向為高速重載，使用升級后的新型轉(zhuǎn)向架，載重70～80 噸，貨車時速可達100～120km/h，最快達到160km/h。貨車高速重載的關(guān)鍵是提高轉(zhuǎn)向架的運行品質(zhì)和動力學性能，近年來研發(fā)的30t軸重轉(zhuǎn)向架，載重可達120噸/輛。

為了滿足鐵路貨車高速重載需求，降低車輛運行中的故障率，必須研究貨車車輛各部件的承載能力和運行可靠性。

由于鑄鋼件內(nèi)部及表面容易產(chǎn)生缺陷，如內(nèi)部氣孔、疏松、夾雜；表面裂紋、麻點、凹坑等，由此造成一定比例的零件過早失效，許多零部件進行了“以鍛代鑄”的技術(shù)升級。鐵路貨車鍛件鍛造的一般特點：鍛件單重重，產(chǎn)品形狀復雜，成形難度大，鍛造工藝復雜，需要大噸位的鍛壓設(shè)備；熱處理淬透性要求高，性能等級要求成倍提高。鍛造、熱處理先進裝備的應(yīng)用和鋼材冶煉技術(shù)的進步為車輛制造“鑄改鍛”技術(shù)升級提供了保障。

鍛鋼上心盤

上、下心盤為車體中梁和貨車轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵連接件，上心盤和中梁鉚接在一起，原來鑄鋼件普遍存在著內(nèi)部偏析、縮孔、夾雜，表面質(zhì)量差等缺陷。由于貨車運行中承受著復雜動、靜態(tài)載荷，車輛段修期內(nèi)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鑄鋼上心盤根部產(chǎn)生裂紋，危及行車安全。選用25Mn鍛造上心盤，提高了產(chǎn)品的密實度，機械性能大大提高，有效地解決了上心盤圓弧處應(yīng)力集中現(xiàn)象及疲勞裂紋問題。

25Mn鋼坯冶煉采用“轉(zhuǎn)爐+大方坯連鑄”技術(shù)，嚴格控制25Mn鋼中S、P含量，適當提高Mn/C比例到3.5左右；生產(chǎn)出上心盤鍛造用鋼坯，通過大噸位模鍛錘模鍛成形；經(jīng)合適的正火工藝，實現(xiàn)伸長率≥25%，-40℃沖擊功AkV≥71J。

鍛造設(shè)備使用8000t摩擦壓力機或16t模鍛錘，坯料加熱使用天然氣爐，鍛造后采用900℃、保溫3～4h，保溫完成后出爐空冷的正火工藝。現(xiàn)場生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，正火后實物取樣進行力學性能試驗，伸長率和沖擊功有時達不到標準的要求，通過控制正火冷卻速度可以明顯改善金相組織，提高本體的伸長率和沖擊功；如果實物取樣的強度較高，伸長率和沖擊功達不到要求，通過增加一次520～580℃、保溫4h的回火工藝，以實現(xiàn)最佳的綜合性能，滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

鍛造搖動座

搖動座原來采用符合AAR-201標準的E級鋼鑄件，是過渡型轉(zhuǎn)向架的重要承力件，重載后運行條件惡劣，裂紋是常見的疲勞缺陷，影響到行車安全，鍛造搖動座由此被應(yīng)用。鍛造搖動座采用材料25MnCrNiMoA圓鋼或方坯，25MnCrNiMoA牌號材料尚未列入到GB/T 3077-2015，行業(yè)標準對25MnCrNiMoA的化學成分（表1）、鋼坯狀態(tài)、力學性能、低倍組織、非金屬夾雜物、淬透性做了詳盡的規(guī)定。

鋼坯以熱軋或鍛制后經(jīng)退火或高溫回火狀態(tài)供貨，鋼坯的尺寸、外形、重量及其允許偏差應(yīng)符合GB/T 702-2017或GB/T 908-2008的有關(guān)規(guī)定。

鋼坯經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后制成的試樣其力學性能應(yīng)符合表2的規(guī)定：

鋼坯不允許有鑄態(tài)組織，低倍組織應(yīng)符合GB/T 3077-2015規(guī)定的高級優(yōu)質(zhì)鋼的要求，取樣部位為鋼坯頭部，不得有縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等。

鋼坯的非金屬夾雜物按GB/T 10561-2005中的方法A及ASTM評級圖評定。非金屬夾雜物按A（硫化物）、B（氧化物）、C（硅酸鹽）、D（球狀氧化物）四類夾雜物進行評級，各類夾雜物應(yīng)不大于2.0級。如同一視場中同時出現(xiàn)A、C類夾雜物時，應(yīng)合并評定，合級應(yīng)不大于2.5級。

表1 化學成分

表2 機械性能

淬透性：鋼坯須進行末端淬火試驗。末端淬火試驗時，按國家標準GB/ T225-2006制作試樣，淬火溫度為(910±10）℃，時間為30±5分鐘，不同含碳量的25MnCrNiMoA鋼淬透性試樣，在末端淬火試驗試樣距淬火端11mm處測得的硬度應(yīng)符合表3的要求。

表3 淬透性

鍛造搖動座質(zhì)量大，面積大，厚度薄，并有四個彈簧承臺，模鍛生產(chǎn)很難充滿。初次試制時，我們采用的是自由鍛預鍛，始鍛溫度是1150℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比≥3；坯料尺寸很難保證，致使部分產(chǎn)品終鍛時出現(xiàn)折疊、缺肉等缺陷，產(chǎn)品報廢率高。經(jīng)改進預鍛方案，使用合理的胎模預成形坯料，經(jīng)處理后使用8000t摩擦壓力機終鍛成形。調(diào)整工藝后，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，形狀尺寸達到鍛件圖要求。經(jīng)過鍛后預正火、拋丸、探傷，再進行機加工，然后進行整體調(diào)質(zhì)熱處理（工藝如圖1、圖2所示）和兩端耳軸的中頻表面淬火處理。企標要求：產(chǎn)品硬度235HBW～285HBW；耳軸支承面在距兩端95mm，對稱于中心線120°范圍內(nèi)的硬度為364HBW～514 HBW或39.5HRC～51HRC，硬化深度≥5mm。

為了減少鍛造搖動座熱處理變形，批量生產(chǎn)使用積放鏈熱處理生產(chǎn)線，每臺小車上垂直懸掛4件，并在最終加熱溫度前進行650℃預熱，890℃加熱保溫完成后轉(zhuǎn)移到水槽中進行淬火冷卻，轉(zhuǎn)移時間不大于20s，在循環(huán)冷卻水槽中冷卻時間為5～6s；工件淬火冷卻完成后立即進行回火，間隔時間不大于1h。

圖1 鍛造搖動座淬火工藝曲線

圖2 鍛造搖動座回火工藝曲線

整體調(diào)質(zhì)完成后，隨爐試棒的力學性能符合企標的要求，鍛造搖動座本體硬度符合圖樣規(guī)定的要求；且產(chǎn)品的變形量較小，不超差。

鍛造搖動座經(jīng)拋丸清除表面氧化皮后進行濕法復合磁化探傷，確認沒有裂紋，使用PLC控制的專用中頻淬火機床對兩端耳軸進行表面淬火，選擇中頻淬火電源250kVA，頻率3000～6000Hz。產(chǎn)品進入淬火機床定位完成后，兩個感應(yīng)器同時進行加熱，淬火冷卻時間60～90s，感應(yīng)器淬火移動速度1.05～1.58mm/s，表面淬火的同時利用工件上的余熱進行自回火。

鍛造搖動座兩端耳軸表面淬火后，檢查硬度和淬火硬化層深度，均符合企標要求。鍛造搖動座裝上2014年生產(chǎn)的30噸軸重貨車1200輛，共計4800件。目前在大秦鐵路運煤專線上運行情況良好。

車鉤緩沖裝置鑄改鍛

車鉤緩沖裝置系統(tǒng)是鐵路機車車輛的重要組成部分，通過它使貨車機車車輛之間實現(xiàn)連接、編組成列車，并傳遞和緩和列車車輛相互間在運行或調(diào)車編組作業(yè)時所產(chǎn)生的牽引和沖擊力。簡言之，車鉤緩沖裝置系統(tǒng)的三大功能是連掛、牽引和緩沖。

車鉤緩沖裝置系統(tǒng)主要由車鉤、鉤尾框、緩沖器及從板、鉤尾銷等零部件組成。連掛、牽引功能是由車鉤、鉤尾框、鉤尾銷、從板等來實現(xiàn)的，以保證機車與車輛、車輛與車輛之間能夠?qū)崿F(xiàn)連接、牽引。

鉤舌、鉤尾框、從板采用25MnCrNiMoA材料。車鉤緩沖裝置系統(tǒng)中的鉤尾框、從板已經(jīng)全面推行模鍛件代替鑄鋼件，鉤舌也在出口國外的重載貨車上大規(guī)模應(yīng)用。

鍛造鉤尾框

隨著我國鐵路貨車不斷重載提速，鑄造車鉤尾框疲勞裂紋、斷裂日益增多，造成列車分離事故增加，制約了行車安全及運輸效率的提高。2006年開始鑄造鉤尾框改為鍛造+焊接，主體部分采用精密輥鍛和大噸位鍛造設(shè)備模鍛后壓彎復合成形技術(shù)，現(xiàn)已在鐵路貨車上大批量應(yīng)用。

疲勞強度高：鍛造鉤尾框產(chǎn)品比鑄造鉤尾框產(chǎn)品提高80%。

疲勞壽命高：鍛造鉤尾框產(chǎn)品比鑄造鉤尾框產(chǎn)品提高60倍。

質(zhì)量保證期大大延長：鍛造鉤尾框產(chǎn)品25年，鑄造鉤尾框產(chǎn)品8年，提高了2.13倍。

鍛造車鉤尾框承載了高速重載列車12年的安全運行。

鍛造鉤舌

車鉤鉤舌由于結(jié)構(gòu)非常復雜，一直采用鑄造成形工藝。澳大利亞礦石車載重量120噸/輛，使用鑄造鉤舌運行不到一個月，就出現(xiàn)斷裂或裂紋，鍛造鉤舌被應(yīng)用。材質(zhì)同樣采用25MnCrNiMoA鋼坯，由于鉤舌結(jié)構(gòu)非常復雜，難以一次性鍛造成形，目前采用預制坯料，在8000t摩擦壓力機上鍛造成形，鍛造最大打擊力可達120000kN，提高了產(chǎn)品的密實度，性能大為改觀。經(jīng)機械加工、調(diào)質(zhì)熱處理，其熱處理工藝和搖動座、鍛造鉤尾框工藝基本一致。由于鍛造鉤舌要求的抗拉、屈服強度更高，因此回火溫度一般采用540～550℃，力學性能指標如表4所示：

裝用鍛造鉤舌的重載礦石車在澳大利亞運行情況良好，相比原來的鑄造鉤舌，使用壽命大幅提高，杜絕了斷裂和早期疲勞裂紋產(chǎn)生，減少了車輛的維修更換車鉤的頻次，提高了車輛的使用效率。

鍛造前從板、鍛鋼支承座

鍛造前從板其力學性能要求與鍛造鉤舌相似，結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度不大。鍛鋼支承座性能要求與鍛造上心盤類似，結(jié)構(gòu)相對復雜。為減少鍛鋼支承座的鍛造難度，一般使用大噸位鍛造設(shè)備、兩件產(chǎn)品錯位布排同時鍛造成形的鍛造工藝，加工時切割分成兩件，容易鍛造成形并能節(jié)約原材料。

表4 機械性能

緩沖器中心楔塊滲碳淬火過程氫脆解決方法

中心楔塊所用材料為20CrMnMo，組裝前主要工序有：中頻爐加熱至1180℃～1250℃模鍛→切邊→920℃氣體滲碳（丙酮和甲醇，時間0～8h）→降溫850℃淬油→低溫回火（230℃～245℃）。

中心楔塊在熱處理完成后1～2天內(nèi)組裝，組裝后中心楔塊主要受拉應(yīng)力的作用，時常出現(xiàn)崩斷現(xiàn)象。經(jīng)斷口檢查分析， 在滲碳區(qū)斷口具有典型的氫致滯后斷裂形態(tài)、沿晶斷裂，心部有韌性斷裂和沿晶混合斷裂。中心楔塊上沿晶特征的產(chǎn)生可能由四種因素所致：過熱、過燒組織；應(yīng)力腐蝕；回火脆；氫脆。斷口金相組織基本正常，斷面較干凈，未見腐蝕產(chǎn)物，中心楔塊在熱處理完畢到組裝后約7天內(nèi)產(chǎn)生斷裂，具有典型的延遲開裂的特點，而回火脆一般不具備延遲開裂特性，綜合分析判定是氫脆。

中心楔塊制造工藝方案優(yōu)化：模鍛后進行940℃正火，消除粗大組織；產(chǎn)品非加工面打磨光，減少在滲碳過程中表面氫的吸附；適當提高回火溫度，延長回火時間；產(chǎn)品熱處理后，室溫中停留48h以上。

通過以上工藝改進，中心楔塊滲碳后的氫脆斷裂得以消除。

鐵路貨車專用拉鉚釘

貨車制造鉚接部位原來均采用普通圓頭鉚釘加熱后進行鉚接，無法量化鉚接夾緊力，鉚接工件之間間隙不均，容易產(chǎn)生松動，已不適應(yīng)高速重載車輛的發(fā)展需求。2005年貨車制造開始引進拉鉚釘，該產(chǎn)品利用虎克定律可以設(shè)置所需的鉚接作用力，實現(xiàn)工件間相對夾緊并保持設(shè)置的夾緊力，在高速重載車輛運行中受力均勻可靠，保證車輛運行的安全性。

拉鉚釘為冷鍛系列產(chǎn)品，T22鉚釘用于貨車中梁沖擊座的鉚接，T16鉚釘主要用于貨車車體的鉚接。鉚釘一般采用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，通常選用45Mn2鋼為原材料，通過冷拉、退火、表面磷皂化處理，再冷鍛成型坯，滾或搓環(huán)槽最終成形。

實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，冷鐓后蘑菇頭變形量較大的部位，最容易出現(xiàn)裂紋，主要與原材料的夾雜物含量和球化退火級別有關(guān)，材料入廠檢查中必須按照GB/T 10561-2005標準進行夾雜物的檢驗，保證粗系、細系夾雜物合并評級低于2.0級。

產(chǎn)品使用網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線進行調(diào)質(zhì)，45Mn2材質(zhì)淬火加熱溫度選用850℃，回火溫度520℃?；鼗鸷笾苯舆M行余熱表面發(fā)黑，力學性能達到GB/T 3098-2004規(guī)定的10.9級的要求。

套環(huán)冷鐓后，進行再結(jié)晶退火，然后鍍鋅或達克羅處理。

結(jié)語

近年來，我國鐵路車輛的制造工藝水平有了大的提升，制造成本合理，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，已經(jīng)站立于世界之巔。

為了滿足鐵路貨運高速重載的需要，很多零部件逐步采用“以鍛代鑄”技術(shù)，隨著鍛造工藝技術(shù)裝備發(fā)展，一些原來形狀復雜，只能采用鑄造成型的零部件，正逐步被模鍛件取代。如何進一步降低成本，提高模具壽命，降低鍛件的不良品率，減少鍛件的機加工余量和進一步提升產(chǎn)品綜合性能等許多方面，值得我們?nèi)ダ^續(xù)努力攻關(guān)。