動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量分析

張九高，姜建鴻，駱 鵬，張先鳴

(1.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,上海 200070；2.浙江元立集團(tuán)天力緊固件有限公司,浙江 衢州 324000；3.廣西柳州市華僑緊固件有限公司,廣西 柳江 545112；4.東莞市史特牢金屬制品有限公司，廣東 東莞 523710)

高速動(dòng)車組牽引、動(dòng)力系統(tǒng)中的高強(qiáng)度螺栓產(chǎn)品是動(dòng)車組中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)品質(zhì)和可靠性的要求極高，我國生產(chǎn)還不能完全達(dá)到國產(chǎn)化，如齒輪箱與電機(jī)、齒輪箱與齒輪箱連接、輪轂與轉(zhuǎn)向架之間螺栓風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高[1]，都是關(guān)系人民生命、財(cái)產(chǎn)安全的重要連接件。

隨著高速動(dòng)車組動(dòng)力的大容量化、大型化和功率轉(zhuǎn)速的不斷提高，牽引、傳動(dòng)的工況條件更加復(fù)雜且苛刻，縱觀各類行車事故案例，動(dòng)車組螺栓的斷裂失效是影響高速動(dòng)車組安全運(yùn)行的巨大隱患，在螺栓的斷裂失效模式中，涵蓋了螺栓的疲勞斷裂失效、塑性斷裂失效和脆性斷裂失效等三大類型。分析造成螺栓斷裂失效的因素主要有以下幾種：①螺栓材質(zhì)不良，鋼材內(nèi)非金屬夾雜物嚴(yán)重，成為疲勞裂紋源；②螺栓制造工藝欠合理，造成螺栓力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求或螺栓制品具有原始裂紋，使用時(shí)擴(kuò)展斷裂；③設(shè)計(jì)選擇的螺栓滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但疲勞強(qiáng)度難以滿足實(shí)際工況需求；螺栓連接設(shè)計(jì)不科學(xué)，無法達(dá)到緊固扭矩[2]。為此，對(duì)高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓的性能提出了更高的要求。

為了實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓國產(chǎn)化，針對(duì)CRH380型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的高強(qiáng)度螺栓的原材料及熱處理質(zhì)量進(jìn)行了分析，可以看到國內(nèi)緊固件技術(shù)的差距，從而為提高高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓品質(zhì)提供一點(diǎn)有益的經(jīng)驗(yàn)。

1 螺栓原材料質(zhì)量

1.1 螺栓規(guī)格

螺栓制造必須符合ISO898—1: 2009《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，緊固件所需材料碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼符合DIN EN 20898—1、DIN EN 20898—2及ISO898—1、ISO898—2規(guī)定的鋼制螺栓及螺母與螺栓連接(件)。CRH380型動(dòng)車組部分螺栓規(guī)格，見表1。

1.2 化學(xué)成分對(duì)比

采用德國OBLF公司GS1000直讀光譜儀，參照標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 20898—1及ISO898—1、規(guī)定，對(duì)CRH380型動(dòng)車組部分螺栓用材料進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。從其結(jié)果來看，動(dòng)車組螺栓與國內(nèi)螺栓用材料有較大的不同，主要采用的標(biāo)準(zhǔn)的不同，歐盟一般采用EN 10263—2005《冷鐓和冷擠壓鋼線材、棒材和線材》第4部分的鋼種，而國內(nèi)生產(chǎn)一般用GB/T國標(biāo)和采用JIS G3507，JIS G4053或者SAE、ASTM 、臺(tái)灣中鋼標(biāo)準(zhǔn)。

表1 CRH380型動(dòng)車組部分螺栓規(guī)格

表2 CRH380型動(dòng)車組部分螺栓用材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 非金屬夾雜物

鋼中的非金屬夾雜物割裂了螺栓材料的連續(xù)性，剝落后就成為凹坑或裂紋，在冷鐓成形時(shí)極易形成裂縫，熱處理時(shí)易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生淬火裂紋。在靜載荷和動(dòng)載荷的作用下，往往成為高強(qiáng)度螺栓失效的裂紋源，特別是B類(氧化鋁類)和D類(球狀氧化物類)是造成冷鐓開裂和早期疲勞破壞的主要原因之一，一般緊固件的強(qiáng)度級(jí)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，危害性越大[3]。冷鐓鋼性能的好壞直接影響到高強(qiáng)度螺栓的性能，影響冷鐓鋼質(zhì)量的因素主要有4個(gè)：一是鋼中夾雜物含量、形態(tài)、分布和大??；二是鋼中的帶狀組織形態(tài)、分布和大??；三是鋼中的中心疏松縮孔和中心偏析；四是冷鐓鋼產(chǎn)品性能的一致性。按照GB/T 10561—2005《鋼材中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，采用A法(最惡劣視場評(píng)定)，非金屬夾雜物按JK圖評(píng)定，對(duì)動(dòng)車組螺栓進(jìn)行非金屬夾雜物進(jìn)行了評(píng)級(jí)，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 CRH380型動(dòng)車組螺栓非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

根據(jù)夾雜物的形態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)圖譜分為A類(硫化物)、B類(氧化鋁)、C類(硅酸鹽)、D類(球狀氧化物)和DS類(單顆粒球狀)五大類。國內(nèi)常用的螺栓鋼材標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 6478—2015、GB/T 3077—2015、GB/T 699—2015等將非金屬夾雜物的檢驗(yàn)規(guī)定為協(xié)議項(xiàng)目，具體的合格指標(biāo)也是由供需雙方協(xié)商。介于此，高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓，推薦合格指標(biāo)為A類≤1.0級(jí)，B、C、D類≤1.5級(jí)，Ds類≤1.0級(jí)。從CRH380型動(dòng)車組螺栓非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果看，質(zhì)量明顯優(yōu)于國內(nèi)鋼材，且按GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》檢測，在帶狀組織控制方面也占優(yōu)。

鋼中的低倍組織缺陷將導(dǎo)致鋼材冷鐓溫鍛時(shí)開裂，一般情況下，缺陷越嚴(yán)重，而熱處理時(shí)其淬火裂紋的傾向性越大，必須嚴(yán)格檢驗(yàn)。按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》、GB/T 1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》，對(duì)CRH380型動(dòng)車組螺栓鋼的中心疏松、一般疏松、方形偏析評(píng)級(jí)均≤0.5級(jí)，不存在白點(diǎn)、縮孔、氣泡、翻皮等缺陷。

2 熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)

2.1 金相組織及力學(xué)性能

評(píng)定高強(qiáng)度螺栓調(diào)質(zhì)(淬火并回火)后的質(zhì)量一般采用GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖與評(píng)定方法》，通常也參照J(rèn)B/T 7293.3—2014《內(nèi)燃機(jī)螺栓和螺母第3部分 連桿螺栓金相檢驗(yàn)》第三級(jí)別圖檢驗(yàn)。在DM3000型光學(xué)顯微鏡下觀察CRH380型動(dòng)車組螺栓顯微組織，試樣經(jīng)4% HNO3酒精溶液浸蝕，桿部表層及心部在顯微鏡下，8.8級(jí)螺栓的金相組織及螺紋部位見圖1～4所示，表面均為回火索氏體，其心部有少量點(diǎn)狀、小塊狀的鐵素體。10.9級(jí)螺栓的金相組織及螺紋部位見圖5～8所示，表面及心部均為回火索氏體+少量點(diǎn)狀鐵素體[4]。

為了掌握CRH380型動(dòng)車組螺栓的硬度及其分布情況，將去除螺栓表面鍍層或涂層，在試樣頭部平面、末端取樣，并磨削橫截面測定表面硬度；還在距螺紋末端1d 處切開取一橫截面，在1/2半徑與軸心線間的區(qū)域內(nèi)測定心部硬度，其結(jié)果見表4。

圖1 36MnB4鋼 M16×220，回火索氏體組織1～1.5級(jí)Fig.1 36MnB4 steel, bolt size M16×220, tempered sorbite 1～1.5 grade

圖2 33B2鋼 M24×250，回火索氏體組織3～3.5級(jí)Fig.2 33B2 steel, bolt size M24×250, tempered sorbite 3～3.5 grade

圖3 32CrB4鋼 M20×70, 回火索氏體組織2～2.5級(jí)Fig.3 32CrB4 steel，bolt size M20×70, tempered sorbite 2～2.5 grade

圖4 32CrB4鋼 M20×70螺紋部位Fig.4 32CrB4 steel in thread part，bolt size M20×70

表4為CRH380型動(dòng)車組螺栓熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果，從熱處理金相組織分析，高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓熱處理質(zhì)量較高，主要是控制組織均勻度(并不考慮級(jí)別)和硬度的均勻性方面(±0.5 HRC)，保證疲勞壽命為第一要素；原材料由歐盟國家提供，采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN10263—4：2005《冷加工和冷擠壓的鋼棒、棍和線材技術(shù)要求》。

圖5 30MnB4鋼 M14×105，回火索氏體組織2～2.5級(jí)Fig.5 30MnB4 steel，bolt size M14×105, tempered sorbite 2～2.5 grade

圖6 38B2鋼 M14×105，回火索氏體組織2～2.5級(jí)Fig.6 38B2 steel，bolt size M14×105, tempered sorbite 2～2.5 grade

圖7 42CrMo4鋼 M16×140, 回火索氏體組織1.5～2級(jí)Fig.7 42CrMo4 steel，bolt size M16×140, tempered sorbite 1.5～2 grade

2.2 晶粒度檢測

根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中晶粒度的顯示，侵蝕劑采用2 g苦味酸+1 g十三苯亞磺酸納+100 mL H2O，常溫下腐蝕，可以顯示動(dòng)車組螺栓鋼的淬火回火后的奧氏體晶粒度大小。利用光學(xué)顯微鏡按GB/T 6394標(biāo)準(zhǔn)，采用人工截點(diǎn)法進(jìn)行評(píng)級(jí)，晶粒尺寸為1.50～4.0 μm(約10級(jí))左右。影響晶粒度的因素有很多，最主要的是材料的化學(xué)成分及熱處理時(shí)的加熱溫度和保溫時(shí)間，熱處理時(shí)的加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，晶粒越粗大，反之亦然。這說明動(dòng)車組螺栓熱處理淬火加熱溫度均勻一致，屬于最佳的溫度范疇。

圖8 42CrMo4鋼 M16×140螺紋部位Fig.8 42CrMo4 steel in thread part，bolt size M16×140

8.8級(jí)及以上螺栓在加工工藝中，少數(shù)牙尖部分有約0.02～0.03 mm的微增碳，對(duì)我們今后的熱處理工藝研究有所啟迪，必須在熱處理設(shè)備網(wǎng)帶爐碳勢控制上提高精度和加強(qiáng)品質(zhì)管控，對(duì)照國內(nèi)緊固件熱處理工藝方面存在較大的差距。

表4 CRH380型動(dòng)車組螺栓熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 加工工藝

動(dòng)車組上的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓表面涂覆達(dá)克羅，摩擦系數(shù)為0.12～0.16。該螺栓要求疲勞極限靜載荷達(dá)到屈服強(qiáng)度的約22%，應(yīng)力比σ-1，循環(huán)周次>450萬次。對(duì)于螺栓疲勞極限測試，采用疲勞極限臺(tái)階圖，若疲勞極限靜載荷力值等于RP0.2的23%，就簡稱該類高強(qiáng)度螺栓的靜載荷疲勞極限為23%。試驗(yàn)加載頻率25 Hz/min，對(duì)10.9級(jí)M14×105高強(qiáng)度螺栓測得的疲勞極限均達(dá)到RP0.2的20%～23%，即靜載荷為23.0±2 kN；M16×140高強(qiáng)度螺栓測得的疲勞極限均達(dá)到RP0.2的20%～23%,即靜載荷為32.0±2 kN；循環(huán)周次可達(dá)452～488余萬次，滿足設(shè)計(jì)要求。

眾所周知，螺栓的破壞大部分是疲勞破壞，而螺栓又是多缺口易于應(yīng)力集中的零件，疲勞裂紋的核心常常在缺口的部位；而交變載荷下金屬不均勻滑移主要集中在螺栓的表面，使疲勞裂紋常常發(fā)生在螺紋上。表面損傷(如刀痕、記號(hào)、磨裂等)可以作為表面缺陷來看待[6]，這些地方產(chǎn)生的應(yīng)力集中度高，易使疲勞強(qiáng)度下降。為此，螺栓表面的粗糙度、鐓鍛及機(jī)械加工的紋道都會(huì)影響疲勞極限。螺栓表面加工愈粗糙，疲勞強(qiáng)度就愈低，所以對(duì)動(dòng)車組螺栓，其表面必須仔細(xì)加工，不允許有任何瑕疵、碰傷及缺陷，否則會(huì)使疲勞強(qiáng)度大大降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同表面狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度相差可達(dá)到7～8倍之多。表面粗糙，不僅使疲勞強(qiáng)度σ-1下降，而且使疲勞曲線向左移，即縮短過載荷下的疲勞壽命。

對(duì)比綜合分析，高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓加工工藝為：球化退火→下料→冷鐓→車加工→熱處理→磨外園→滾搓牙→表色。經(jīng)過檢測，螺紋配合精度等級(jí)為4h4H,大徑及小徑尺寸實(shí)際公差值都控制在±0.005 mm，螺栓頭部、桿部及外圓尺寸公差一般在±0.010 mm，從加工尺寸分析，該類產(chǎn)品公差控制得特別嚴(yán)，外表沒有任何劃痕、碰傷或加工缺陷，采用熱處理后滾搓牙工藝，8.8級(jí)及以上螺栓在加工工藝中，牙尖部分不允許存在折疊裂紋，且完全避免螺栓桿部彎曲、變形，應(yīng)力集中等此類質(zhì)量問題，品質(zhì)管控“零缺陷”。

螺栓與螺母應(yīng)屬于相匹配的性能等級(jí)，或由同樣的材料制成。表面涂層影響連接件功能的可靠性及其壽命，選擇涂層時(shí)考慮腐蝕、氫脆、摩擦系數(shù)的影響。表面防護(hù)涂層在抗拉強(qiáng)度Rm≥1000 MPa淬火并回火時(shí)，不選擇會(huì)發(fā)生氫脆的防護(hù)涂層，對(duì)轉(zhuǎn)向架安裝采用10.9級(jí)的M16、M14的螺栓，其防腐要求采用達(dá)克羅膜厚5～8 μm，不采用常規(guī)的有可能導(dǎo)致氫脆的電鍍鋅的方法，而達(dá)克羅(鋅鉻膜涂層)主要是配合上的螺紋中徑尺寸的偏差。動(dòng)車組螺栓的缺陷主要為扭矩松動(dòng)、斷裂、防腐性能差、達(dá)克羅層脫落等問題。在安裝時(shí)對(duì)緊固件螺紋的精度要求極高，表面防腐性能要求嚴(yán)格，針對(duì)國內(nèi)企業(yè)暫時(shí)無法達(dá)到此技術(shù)要求難點(diǎn)，還需組織技術(shù)攻關(guān)，即用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的科研創(chuàng)新攻關(guān)模式。

3 動(dòng)車組螺栓的研發(fā)與展望

動(dòng)車組牽引、傳動(dòng)部分，幾乎不采用其他緊固方法(例如焊接、粘結(jié))代替螺紋連接。由于螺紋緊固的可靠性極高，且已經(jīng)緊固的螺紋也比較容易拆卸，易于更換和維修。

從疲勞壽命角度來看，高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓屬于準(zhǔn)高周疲勞[6]；而對(duì)于準(zhǔn)高周疲勞，則主要考慮強(qiáng)度指標(biāo)，螺栓的屈強(qiáng)比匹配非常重要，應(yīng)在保持一定強(qiáng)度基礎(chǔ)上，盡量提高材料的塑韌性[7]。根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓的疲勞性能提出了具體要求，即在疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載頻率為25 Hz/min的循環(huán)下不允許產(chǎn)生斷裂或裂紋，8.8級(jí)的載荷循環(huán)次數(shù)為≥2×106次；10.9級(jí)和12.9級(jí)的載荷循環(huán)次數(shù)為≥4.5×106次；每批次至少要試驗(yàn)15件，甚至試驗(yàn)多達(dá)50件樣品。高強(qiáng)度螺栓疲勞性能檢驗(yàn)不是生產(chǎn)的例行檢驗(yàn)，而是我們生產(chǎn)商獲取生產(chǎn)資質(zhì)的證明。生產(chǎn)資質(zhì)認(rèn)可不是針對(duì)緊固件設(shè)計(jì)，而是對(duì)緊固件制造商的制造工藝和質(zhì)量的認(rèn)可。

高速動(dòng)車組采用分散式動(dòng)力分布，盡管高強(qiáng)度螺栓承載力較低，但由于其運(yùn)行速度高，需要長時(shí)間準(zhǔn)周疲勞服役，對(duì)力學(xué)性能及綜合使用性能要求十分苛刻，不允許存在任何項(xiàng)目超標(biāo)。由于高強(qiáng)度螺栓的破壞主要是疲勞破壞，因此，動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓的疲勞性能驗(yàn)證非常重要，尤其是針對(duì)新產(chǎn)品、新材料的高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓。目前國標(biāo)(GB)、鐵標(biāo)(TB)缺乏高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓疲勞性能測試技術(shù)要求及方法，應(yīng)加快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)今國內(nèi)緊固件制造的產(chǎn)品大都沒有達(dá)到EN標(biāo)準(zhǔn)中最低標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)不到試裝車的最低要求。

近年來，在提高螺紋精度、采用涂裝和表面處理技術(shù)以及改進(jìn)緊固方法等方面開展了大量的工作，動(dòng)車組螺栓緊固后不松弛和容易拆卸是兩個(gè)相反的特性。為了提高這兩個(gè)特性，應(yīng)不使螺栓銹蝕和黏結(jié)，高速動(dòng)車組牽引、動(dòng)力系統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓國產(chǎn)化試制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。“國產(chǎn)化”主要應(yīng)從以下三方面入手，降低螺栓所承受的應(yīng)力幅；減小螺紋牙底的應(yīng)力集中水平；改善螺紋牙角上的載荷分布。

在緊固件成本方面，首先提高材料利用率、成材率，因緊固件用料費(fèi)用占的比例最大，其次是加工費(fèi)和熱處理費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)更高的性價(jià)比，在小規(guī)格螺栓制造中實(shí)現(xiàn)螺栓頭部的無飛邊模鍛成型和螺紋的滾軋成型工藝；在動(dòng)車組螺栓用鋼方面，存在淬透性和延遲斷裂的問題，因而成為影響國內(nèi)生產(chǎn)與使用的瓶頸。從鋼的熱處理淬透性入手，開發(fā)新鋼種或進(jìn)行成分優(yōu)化；在抗延遲斷裂性方面開發(fā)超高強(qiáng)度螺栓用鋼，尤其對(duì)12.9 級(jí)高等級(jí)動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓來說，對(duì)鋼材高純凈化、高均勻化以及高精細(xì)化的控制，以減少有害雜質(zhì)元素，以降低延遲斷裂的危險(xiǎn)性。

疲勞性能試驗(yàn)、防延遲斷裂和高強(qiáng)度螺栓可靠性試驗(yàn)應(yīng)列為高強(qiáng)度螺栓重點(diǎn)研究課題，跟蹤與分析研究是長期的過程，必須增加這方面基礎(chǔ)研究和數(shù)據(jù)積累工作。

4 結(jié)論

高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓是國內(nèi)的“短板”產(chǎn)品，牽引、傳動(dòng)部分100%需要進(jìn)口。從調(diào)研情況看，動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓市場沒有壁壘，動(dòng)車組10多年的發(fā)展到新階段受到一定條件的限制，采用新材料是必然的，也是迫切的，否則很難滿足使用要求。通過對(duì)動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量分析，以期實(shí)施國產(chǎn)化達(dá)到或超過進(jìn)口水平，完全滿足我國高速動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓的自主制造和產(chǎn)業(yè)化，完成具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速動(dòng)車組高強(qiáng)度螺栓技術(shù)再創(chuàng)新。未來5年，既有市場的強(qiáng)烈召喚，又有政策的強(qiáng)大支持，還有自主企業(yè)的強(qiáng)力掘起，我國鐵路特別是高速鐵路可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)裝備“國產(chǎn)化”將轉(zhuǎn)型升級(jí)為“自主化”發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新的新突破。