市域軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架用緊固件現(xiàn)狀及問題

張九高，史興原，謝家成，張先鳴

(1.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司, 上海 200070； 2.蘇州工品一號網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，江蘇 蘇州 215123； 3.南京福貝爾五金制品有限公司，江蘇南京 211100)

市域軌道交通車輛(以下簡稱車輛)高等級緊固件產(chǎn)品是車輛中使用價值最高的標準件，螺栓連接的可靠性是生產(chǎn)組裝車輛過程中必須要保證的關(guān)鍵點。因此，對性能和外觀品質(zhì)的要求很高，此類緊固件所采用的標準和材料選擇均按照德標或ISO標準[1]。

目前，車輛用緊固件(包括螺栓、螺釘和螺柱)一般要在8.8級及以上等級。據(jù)統(tǒng)計，以碳鋼、合金鋼連接螺栓為主，車輛轉(zhuǎn)向架8.8級的螺栓用量約為53%，其中動力部分10.9級及少量12.9級螺栓約占20%，其余不銹鋼緊固件及連接件占27%[2]。

眾所周知，高強度螺栓的失效主要是疲勞破壞，根據(jù)EN標準，對車輛用高強度螺栓的疲勞壽命提出了明確的具體指標，在≤20 HZ低頻率循環(huán)下不產(chǎn)生斷裂或裂紋，規(guī)定8.8級的疲勞壽命≥2×106次；10.9、12.9級疲勞壽命≥4.5×106次；在產(chǎn)品樣件試制完成后每批次至少需要15件進行型式試驗。高強度螺栓疲勞性能檢驗不是生產(chǎn)中的例行檢查，而是生產(chǎn)商獲取生產(chǎn)資質(zhì)的檢驗。生產(chǎn)資質(zhì)認可不是針對緊固件設(shè)計，而是對緊固件制造商的管控能力、制造工藝和裝備的認可。車輛高強度螺栓的疲勞性能驗證十分重要，但目前國標、行業(yè)標準缺乏疲勞性能測試技術(shù)要求，尤其是新型式、新產(chǎn)品、新材料的高強度螺栓，迄今國內(nèi)緊固件制造的產(chǎn)品基本還沒有達到EN標準中最低標準，且不易達到試裝機的最低要求。

1 螺栓材料的技術(shù)要求

車輛涉及的機型較多，有CRH2C型車、CRH3C型車、CRH5A型車和CRH6型車等一系列產(chǎn)品，緊固件以采用歐盟鋼材牌號為主。而國內(nèi)生產(chǎn)的高強度緊固件，對于8.8級螺栓采用邢鋼10B33、SCM435鋼，邢鋼是國內(nèi)第二家汽車緊固件用鋼企業(yè)；對于10.9級螺栓采用寶鋼ML35CrMo、SCM440鋼(接近歐盟42CrMo4)，寶鋼股份汽車用鋼已獲國內(nèi)主導(dǎo)汽車企業(yè)認可，多年來寶鋼已經(jīng)批量生產(chǎn)ML35CrMo、SCM440鋼生產(chǎn)螺栓的冷鐓盤條，并成功替代進口產(chǎn)品。

螺栓原材料總脫碳、半脫碳層厚度不大于直徑0.5%D的技術(shù)要求；鋼中化學(xué)成分C、Mn、Cr、Ni、Mo、B含量控制在標準中限值偏上；晶粒度級別要優(yōu)于7級，級差≤2級。

冷鐓鋼盤條性能的好壞直接影響到高強度螺栓的質(zhì)量。影響冷鐓性能的因素主要有：一是鋼中帶狀組織和夾雜物數(shù)量、形態(tài)、大小和分布；二是鋼中的中心疏松、縮孔和錠型偏析；三是冷鐓鋼材產(chǎn)品性能的一致性。

鋼中存在的非金屬夾雜物會破壞鋼基體的連續(xù)性，造成鋼組織的不均勻性，在交變載荷應(yīng)力作用下夾雜物周圍容易發(fā)生應(yīng)力集中，它以不同的方式在鋼中形成解理裂紋的核，剝落后就成為凹坑或裂紋，螺栓在冷鐓成型時極易形成裂紋，熱處理時極易造成應(yīng)力集中，形成淬火裂紋。在靜或動載荷的作用下，往往成為高強度螺栓失效的裂紋源形成的促進因素，尤其是B類(氧化鋁類)和 D類(球狀氧化物類)在高度變形時這些夾雜物發(fā)生變形，并在其周圍的裂紋互相聯(lián)結(jié)成片，在冷鐓和淬火時形成宏觀可見的裂紋，且是促進早期疲勞失效的主要原因之一，通常是緊固件的強度級別越高，夾雜物的危害性越大；夾雜物尺寸越大、距表面距離越近，危害性更大。車輛高強度螺栓鋼非金屬夾雜物要求，見表1。

表1 車輛高強度螺栓鋼非金屬夾雜物要求

鋼中五大類非金屬夾雜物的形態(tài)，按標準圖譜，高強度螺栓推薦合格指標為A、C類≤1.0級，B、D類≤1.5級，Ds類≤1.0級；B+C+D類≤2.5級。

而鋼中的低倍缺陷也將導(dǎo)致鋼材冷鐓或溫鍛時開裂，缺陷越嚴重，而熱處理時其淬火開裂的傾向性也越大，對車輛高強度螺栓用鋼的中心疏松、一般疏松、方形偏析、錠型偏析評級≤1.0級，不允許存在白點、縮孔、氣泡、翻皮等冶金缺陷。

2 車輛高強度緊固件用材

2.1 高強度緊固件等級及用材

高等級緊固件用材為碳鋼、合金鋼，在 GB/ T 6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》和 GB/ T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中的18Cr2Ni4W、ML3CrMo、ML40CrMo、ML45CrMo、40CrNiMo、25Cr2MoV等鋼，此類鋼材必須調(diào)質(zhì)熱處理才能充分發(fā)揮合金元素的作用。車輛高強度緊固件等級和用鋼種類見表2。

表2 緊固件等級及鋼材牌號

2.2 緊固件材料生產(chǎn)流程

當(dāng)前，國產(chǎn)緊固件材料與發(fā)達國家的差距較大，表現(xiàn)為國產(chǎn)牌號鋼材純凈度和成分均勻性較差，含氧量和非金屬夾雜物的含量較高；鋼材淬透性波動較大，高溫高性能鋼、低溫抗沖擊鋼等高強度緊固件缺乏原材料。

(1)濟源鋼鐵(集團)有限公司提供ML40CrMo、10B33線材生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→RH精煉→大方坯連鑄(380 mm×600 mm)→開坯→小方坯→(拋丸+超聲波探傷+磁粉探傷+修磨)→加熱爐→火焰清理→高速線材軋機軋制→在線處理。

(2)寶山鋼鐵股份有限公司提供ML35CrMo、SCM440、10B33線材生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理→電爐→LF→VD→大方坯連鑄(320 mm×425 mm)→開坯→小方坯→拋丸→超聲波探傷→磁粉探傷→砂輪修磨→加熱爐→控軋控冷→熱眼檢測→成品。

(3)邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司提供SCM435、ML40CrMo、10B33線材生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF爐→RH真空精煉→大方坯連鑄(280 mm×325 mm)→開坯→小方坯→拋丸→(超聲波探傷)→磁粉探傷→砂輪修磨→加熱爐→控軋控冷→(熱眼檢測)→成品。

3 螺栓加工工藝

螺栓連接的設(shè)計包括兩個方面，一是根據(jù)實際應(yīng)用情況進行設(shè)計選型，選用合適的螺栓(如螺栓材料、尺寸、強度等級等)；二是將選擇的螺栓和被連接件進行擰緊(螺栓預(yù)緊力及擰緊扭矩的選擇，擰緊方法的選擇等)。連接的螺栓包括車輛轉(zhuǎn)向架及車下牽引安裝均使用 ISO 898—1標準8.8級螺栓為主，以吊裝緊固螺栓為例，從仿真學(xué)分析校核螺栓強度，驗證螺栓加工工藝合理性。8.8級螺栓的許用拉應(yīng)力為640 MPa，許用剪切應(yīng)力為312 MPa，許用擠壓應(yīng)力為512 MPa，疲勞破壞應(yīng)力為250 MPa。螺栓研制開發(fā)優(yōu)先選用合金化鋼材及熱處理，后續(xù)滾(搓)牙工藝的技術(shù)路線，對原材料的技術(shù)要求較嚴，高于國標，為此設(shè)計以下螺栓加工工藝流程[3]。

3.1 螺栓加工工藝流程

車輛高強度螺栓基本加工工藝：球化退火→拉拔→冷鐓→校直→車加工→熱處理→磨外園→滾牙(攻牙)→表色。

細分螺栓加工工藝流程：

六角頭螺栓、六角頭部帶孔螺栓基本加工工藝(8.8級)：球化退火→拉拔→冷鐓→車(鉆孔)加工→熱處理→去毛刺→磨外園→滾(搓)牙→表色。

六角頭螺栓、內(nèi)六角圓柱頭螺釘基本加工工藝(10.9級及以上)：球化退火→拉拔→球化退火→拉拔→冷鐓→去毛刺→車加工→熱處理→圓角強化→磨外園→滾(搓)牙→表色。

從加工尺寸分析，車輛高強度螺栓產(chǎn)品公差控制要求特別嚴，外圓一律在±0.02 mm，螺紋部分大徑公差均在±0.010 mm。對照國內(nèi)緊固件企業(yè)在工藝設(shè)計方面差距十分明顯。

工藝要點：第一，應(yīng)保證原材料退火后零增碳和無脫碳；第二，需用高精度多工位冷鐓機，成型時防止對邊及大徑偏差過大，控制在±0.02 mm，由于采用熱處理后滾牙工藝，要求完全避免螺栓桿部彎曲此類問題，增添專用設(shè)備，增加用無心磨床磨外圓(大徑)工序；第三，為達到螺紋4g級精度，增添高精度M12～M24規(guī)格滾絲機，高精度滾絲輪及檢測的輪廓儀、投影儀；第四，保證交付的批次產(chǎn)品缺陷PPM<60。

3.2 低溫性能與防腐

3.2.1低溫性能

車輛能夠適應(yīng)-40 ℃的低溫條件，車外吊裝、轉(zhuǎn)向架緊固螺栓除了應(yīng)具備較高的強度外，還必須具備較好低溫韌性。設(shè)計時高強度螺栓選擇較高的碳含量，有助于提高材料的強度，但同時會減小材料的沖擊韌性；采用含有Cr、Ni、Mo合金元素的鋼材，有助于提高高強度螺栓的韌性。

韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料韌性的一個重要指標，在ISO 898—1：2013和GB/T 3098.1—2010 標準中已明確規(guī)定了螺栓、螺釘和螺柱在(零下)-20 ℃時KV2≥27 J，而對-40 ℃時并無沖擊功值明確要求。由于我國地域廣闊，氣候溫差大，為適應(yīng)-40 ℃的環(huán)境運營條件，優(yōu)化螺栓材料，因此對低溫沖擊試驗要求更高，按GB/T 229—2007標準中夏比V型缺口深度2 mm的沖擊試件規(guī)定制成試樣，并對螺栓低溫沖擊功、韌脆轉(zhuǎn)變溫度等技術(shù)指標重新設(shè)計，要求在-45 ℃時KV2≥27 J。能夠滿足以上條件的螺栓材質(zhì)有歐盟的牌號34CrNiMo6、42CrMo4和常用的日標牌號SCM435、SCM440及國產(chǎn)ML45CrMo等鋼材，以保證高強度螺栓和轉(zhuǎn)向架機構(gòu)韌性的一致性。

3.2.2防腐

轉(zhuǎn)向架部分用于室溫環(huán)境下高強度螺栓的材質(zhì)主要為碳鋼、合金鋼，在安裝前需要進行表面處理。螺栓在酸洗和電鍍等過程中會產(chǎn)生氫脆的危險性，氫脆通常表現(xiàn)為(應(yīng)力)作用下延遲斷裂現(xiàn)象。雖然最后可以通過熱處理驅(qū)氫，但往往很難完全驅(qū)氫徹底。

轉(zhuǎn)向架及車下牽引機構(gòu)等均安裝在車外，常年暴露在大氣環(huán)境中，服役條件十分惡劣。而采用非電鍍層的涂覆過程不需酸洗和活化，也沒有導(dǎo)致析氫。緊固螺栓均使用達克羅DAC500 B進行防腐處理，鍍層顏色為灰色和銀白色，膜層厚度6～10 μm。達克羅涂層對基體的保護作用主要體現(xiàn)在機械屏蔽作用、自鈍化作用和犧牲陽極電化學(xué)保護作用這三個方面，具有超強的耐蝕性、無氫脆等特性已廣泛用于車輛緊固件的表面防腐[4]，但是達克羅中含有對大氣環(huán)境和人體有害的鉻離子，在一些歐洲國家已逐步用鋅鋁涂覆“交美特”所替代。

國內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)的無毒無害的納米-鋅鋁復(fù)合涂料，以無機和有機混成原理制成的，膜層厚度只要3～5 μm，低于GB/T 26110—2010規(guī)定的鋅鋁涂層涂厚最低要求，但具有無機材質(zhì)的復(fù)合式材料結(jié)構(gòu)，具備高硬度和耐磨損的優(yōu)良性能，可以采用納米涂料在室溫固化或在125～150 ℃低溫固化以減少能耗，實現(xiàn)技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化等，這些都有可降低涂層成本之目的，此工藝應(yīng)得到優(yōu)先運用。

3.2.3防松

如轉(zhuǎn)向架下變壓器吊裝結(jié)構(gòu)，以彈性橡膠件結(jié)構(gòu)為例，8.8級螺栓通過套筒與放置在底架邊梁上的滑塊連接，螺栓緊固力矩為275 N·m。在螺栓緊固前，會在螺紋表面涂MoS2潤滑脂，有利于提高扭矩系數(shù)，且保護螺栓連接不會造成螺紋損傷。在制造流程中螺栓連接副摩擦系數(shù)試驗，規(guī)定達到扭矩系數(shù)平均值為0.11～0.15，扭矩系數(shù)標準偏差值應(yīng)該≤0.010。實施的目的為了減小螺紋部分摩擦力，使螺紋擰緊時達到規(guī)定的預(yù)緊力。

車輛高強度螺栓國產(chǎn)化的難點之一是螺栓材料的研究和應(yīng)用較少，主要問題大致有：

1)關(guān)鍵螺栓加工采用傳統(tǒng)的車削加工，車削加工的螺紋尺寸精度不高，表面磁粉探傷不合格，存在裂紋、劃痕等產(chǎn)品報廢率高，造成關(guān)鍵螺栓制造成本居高不下。螺紋精度差，甚至安裝過程中無法正常旋入螺紋孔內(nèi)。

2)螺栓性能不均勻、散差大，安裝時或使用中扭矩松動，過分強調(diào)預(yù)緊力，采用過大的安全系數(shù)，導(dǎo)致螺栓不能發(fā)揮其材料效能，造成螺栓使用時的浪費和生產(chǎn)成本的增加，匹配不當(dāng)。

3)電鍍鋅防腐性能差、達克羅層脫落等。由于機車對零部件表面防腐性能要求極高，可以優(yōu)先選用表面涂防腐蠟、鋅鎳滲層、非電解鋅鋁涂層等，并組織技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合以提高表面保護等級。

4 案例

隨著各類車輛的大容量、大型化，以及功率轉(zhuǎn)速的不斷提高，緊固件的工況更加苛刻，縱觀各類行車失效案例，緊固件的斷裂失效是影響車輛安全運行的重大隱患。車輛緊固件失效案例見表3。

專題失效分析車輛安全運營的緊固件斷裂案例表明，通常有疲勞、塑性和脆性斷裂等三大類型。從影響螺栓質(zhì)量的因素(人、機、料、法、環(huán)、測)分析有以下幾種主要原因：①螺栓材質(zhì)不良，鋼材非金屬夾雜物、低倍缺陷超標，成為疲勞裂紋源頭；②螺栓制造加工工藝欠合理，造成螺栓力學(xué)性能不符合標準要求或螺栓成品具有原始缺陷，加載使用時擴展斷裂；③設(shè)計選擇的螺栓滿足標準要求，但疲勞強度難以達到實際工況需求。螺栓副連接設(shè)計不科學(xué)，難以達到緊固扭矩[2]。

表3 車輛緊固件失效案例

5 結(jié)語

緊固件存在的質(zhì)量重大隱患，將嚴重影響車輛正常的使用。目前，在車輛緊固件用鋼方面，仍然存在著的淬透性和延遲斷裂問題，這成為生產(chǎn)的瓶頸。應(yīng)改變部分關(guān)鍵緊固件長期依賴進口的局面，對于常規(guī)的8.8級、10.9級螺栓來說，從提高緊固件用鋼的高純凈化、高均勻化及高精細化的控制入手，在制造中優(yōu)化熱處理工藝，且由此降低延遲斷裂的危險性。為此，期待著開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型車輛緊固件。