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隨著各類軌道交通車輛的大容量、大型化，以及功率轉速的不斷提高，車輛緊固件（以下簡稱緊固件）的工況條件更加苛刻，緊固件的斷裂失效是影響軌道交通車輛安全運行的巨大隱患。

 

1.國內緊固件的使用現(xiàn)狀和技術研發(fā)

目前，軌道交通車輛普遍采用8.8級以上高強度緊固件（螺栓、螺釘和螺柱）。據(jù)統(tǒng)計，以碳素結構鋼、合金結構鋼聯(lián)結螺栓為例，8.8級及以上的螺栓用量約為92%，其中10.9級約為27%。車廂內部采用的奧氏體不銹鋼六角頭螺栓、自攻螺釘、板螺釘占7%～8%。

 

軌道交通地鐵車輛每列車廂使用大量的緊固件，數(shù)量至少有15000多個。對重要聯(lián)接部位如懸掛部位、齒輪傳動箱與牽引電動機聯(lián)接高強度螺栓，采用微合金化Cr-Mo-V、Cr-Mo-V-Nb高強度冷鐓鋼等新材料，在大氣環(huán)境下使用的緊固件采用耐熱、耐蝕的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。

 

2.動車組高強度螺栓質量狀況

為了實現(xiàn)軌道交通車輛用緊固件（包括高速動車組高強度螺栓）國產化，針對CRH380A型動車組轉向系統(tǒng)的高強度螺栓的原材料及熱處理質量進行初步分析，可以看到國內緊固件技術的差距，從而為提高軌道交通車輛用緊固件品質提供一點有益的經驗。

 

（1）螺栓規(guī)格

螺栓制造必須符合ISO898-1：2013《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標準規(guī)范，緊固件所需材料碳素結構鋼、合金結構鋼符合 EN ISO898-1：2013、DINEN 20898-2：2012及GB/T3098.1、GB/T3098.2規(guī)定的鋼制螺栓及螺母與螺栓聯(lián)接（件）。CRH380A型動車組部分螺栓規(guī)格如表1所示。

表1 CRH380A型動車組部分螺栓規(guī)格

 

（2）化學成分對比

采用德國OBLF公司GS1000直讀光譜儀，參照標準EN ISO898-1：2013及GB/T3098.1—2010規(guī)定，對CRH380A型動車組部分螺栓用材料進行成分分析，結果如表2所示。從其結果來看，動車組螺栓與國內車輛螺栓用材料有較大的不同，主要采用的標準的不同，歐盟一般采用EN 10263—2005《冷鐓和冷擠壓鋼線材、棒材和線材》標準中的鋼種，而國內生產一般用GB/T國標或采用JIS G3507，JIS G4053或者SAE、ASTM 、中國臺灣中鋼標準。

表2  CRH380A型動車組部分螺栓用材料化學成分（質量分數(shù)）（%）

 

3.軌道交通車輛用緊固件技術特點

按軌道交通車輛及其零部件設計準則，螺栓聯(lián)接的分類劃分，螺栓聯(lián)接失效時可能發(fā)生的危險定義為三個風險等級。風險等級不同，對螺栓聯(lián)接的尺寸、安裝和文件記錄以及安裝時所用的工具提出的要求也不相同。三個風險等級依次為：風險等級H（高），螺栓聯(lián)接發(fā)生故障失效時，可能導致機車車輛運行危險或危及人身安全。風險等級M（中），螺栓聯(lián)接發(fā)生故障失效時，可能導致機車車輛發(fā)生功能性故障。風險等級L（低），螺栓聯(lián)接發(fā)生故障失效時，最多導致乘客或乘務員感覺不舒適。為此，對聯(lián)接各部位的各類緊固件的選材十分重要。

 

國內各類軌道交通車輛使用的標準螺栓為8.8級，多數(shù)為35、45、ML25B、ML35MnB、10B21、10B28等鋼，碳硼鋼價格較低，原因是B含量很少，可以使鋼的碳當量很低，可省略加工前的球化退火；對于重要聯(lián)結部位或齒輪傳動箱與牽引電機聯(lián)接的8.8級和10.9級螺栓，采用42CrMoE、18Cr2Ni4WE、40CrNiMoA等合金鋼。鋼材通過加入少量的V、Mo等微量元素形成彌散細小的氮化物、碳化物、氮碳化物或氮碳混合物，可起到彌散強化和晶粒細化效果，提高抗延遲斷裂性，螺栓的緊固能力進一步提高。

 

而動車組高強度螺栓由德國克諾爾公司提供，鋼中合金元素含量較高，其淬透性、強度也就較高，但相應的生產成本也明顯增加。主要以合金硼鋼為主，B含量較高，酸溶硼含量較多，由于合金成本方面的優(yōu)勢具有重要的發(fā)展?jié)摿Α?/span>此外，在熱處理工藝執(zhí)行中，采用的淬火冷卻介質冷卻能力較大，淬硬層就深。而為了保證高強度螺栓在調質淬火處理時，不產生明顯的熱處理變形，將鋼中的合金元素鉻含量控制在合理的范圍內，為了保證冷鐓成形，嚴格控制碳含量及合金元素含量的波動，實現(xiàn)均勻的淬透性。

 

4.動車組高強度螺栓熱處理質量

動車組高強度螺栓，經調質處理能大大提高材料的抗拉強度、規(guī)定非比例延伸應力，提高屈服比和沖擊韌度，使材料具有強度和塑韌性的良好配合。由于疲勞強度、沖擊韌度的提高，在設計時就可以采用更小的材料截面，從而減少整車的重量，節(jié)省零部件占用空間和能量消耗。

 

表3是CRH380A型動車組螺栓熱處理質量檢驗結果，從熱處理金相組織分析，動車組高強度螺栓熱處理質量較高，主要是控制組織均勻度和硬度的均勻性方面（±0.5HRC），以保證疲勞強度為關鍵要素。

表3  CRH380A型動車組螺栓熱處理質量檢驗結果

 

碳硼鋼作為高強度螺栓用的主要材料之一，淬火變形和開裂傾向小，還可用水溶液淬火處理，熱處理操作簡便，改善了工作環(huán)境，不僅綜合力學性能好，在相同強度水平下韌性較中碳鋼有明顯改善，且脫碳敏感性小。8.8級和10.9級螺栓用23MnB4、30MnB4與相當?shù)膰a10B28、ML35MnB鋼制造，而32CrB4與國產ML35CrMo、ML40Cr鋼相比碳含量低，因此用其制造的10.9級高強度螺栓的延遲斷裂敏感性較小。

 

根據(jù)GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》晶粒度檢測，采用人工截點法進行評級，晶粒尺寸為1.50～4.0μm（9～10級）。眾所周知，影響熱處理質量的因素有很多，最主要的是材料的化學成分及熱處理時的加熱溫度和保溫時間，熱處理時的加熱溫度越高，保溫時間越長，晶粒越粗大，反之亦然。這說明動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。在DM2500型光學顯微鏡下,螺栓調質后的顯微組織10.9級螺栓的金相組織如圖1、圖2所示，均為回火索氏體，伴有少量點狀鐵素體，8.8級螺栓的金相組織如圖3、圖4所示，均為回火索氏體+少量的小塊狀鐵素體。

圖1  30MnB4鋼 M20×1.5×150，組織2～2.5級

圖2  32CrB4鋼 M10×40，組織2級

圖3  23MnB4鋼 M8×60，組織2.5～3級

 圖4  32CrB4鋼 M20×70, 組織2～2.5級

 

5.質量影響因素分析

當前，國內各類軌道交通車輛材料與發(fā)達國家的差距較大，主要表現(xiàn)在鋼材純凈度和均勻性低，含氧量與非金屬夾雜物的含量等較高；鋼材淬透性波動大。選取常用的國產材料ML35CrMo和進口螺栓材料32CrB4低合金鋼進行對比分析。

 

（1）化學成分對比

化學成分是材料的“基因”，是決定材料最終組織和性能的關鍵。國產材料ML35CrMo和進口螺栓材料32CrB4主要成分相差不大，如表4所示，Mn、Cr含量一致，但進口螺栓材料，B含量較高，酸溶硼含量較多，由于合金成本方面的優(yōu)勢具有重要的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

表4  ML35CrMo和32CrB4材料化學成分（質量分數(shù)）（%）

（2）非金屬夾雜物對比

鋼中的非金屬夾雜物的存在割裂了金屬的連續(xù)性，剝落后就成為凹坑或裂紋，在冷鐓成形時極易形成裂縫，熱處理時易造成應力集中，產生淬火裂紋。在靜載荷和動載荷的作用下，往往成為高強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，危害性越大。

 

冷鐓鋼新性能的好壞直接影響到高強度螺栓的性能，影響冷鐓鋼質量的因素主要有4個：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?。蝗卿撝械闹行氖杷煽s孔和中心偏析；四是冷鐓鋼產品性能的一致性。按照GB/T10561-2005《鋼材中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，用A法（最惡劣視場評定），非金屬夾雜物按JK圖評定，對國產材料ML35CrMo和進口螺栓材料32CrB4非金屬夾雜物進行了評級，檢驗結果如表5和圖5、圖6所示。

表5  非金屬夾雜物檢驗結果對比

牌號	非金屬夾雜物
國產材料ML35CrMo	A2.0，D2.0，D1.5e，DS1.5
進口螺栓材料32CrB4	A0.5，D0.5，D1.0e，DS0.5

圖5   國產材料ML35CrMo非金屬夾雜物

圖6   進口螺栓材料32CrB4非金屬夾雜物

 

6.結語

軌道交通車輛幾乎不采用其他緊固方法(例如焊接、粘結)代替螺紋聯(lián)接。在車輛高強度螺栓的用鋼方面，一直存在的延遲斷裂和淬透性問題，成為影響使用的瓶頸。目前，應改變關鍵緊固件依賴進口、受制于人的被動局面，對于常規(guī)的10.9 級螺栓來說，合理的熱處理制度，提高緊固件用鋼的高純凈化、高均勻化以及高精細化的控制水平，以減少雜質元素，由此會降低延遲斷裂的危險性，所以期待著開發(fā)出低成本、高可靠性的新型高強度緊固件用鋼。