市域轨道交通车辆转向架用紧固件现状及问题

张九高，史兴原，谢家成，张先鸣

(1.上海申通轨道交通研究咨询有限公司, 上海 200070； 2.苏州工品一号网络科技有限公司，江苏 苏州 215123； 3.南京福贝尔五金制品有限公司，江苏南京 211100)

市域轨道交通车辆(以下简称车辆)高等级紧固件产品是车辆中使用价值最高的标准件，螺栓连接的可靠性是生产组装车辆过程中必须要保证的关键点。因此，对性能和外观品质的要求很高，此类紧固件所采用的标准和材料选择均按照德标或ISO标准[1]。

目前，车辆用紧固件(包括螺栓、螺钉和螺柱)一般要在8.8级及以上等级。据统计，以碳钢、合金钢连接螺栓为主，车辆转向架8.8级的螺栓用量约为53%，其中动力部分10.9级及少量12.9级螺栓约占20%，其余不锈钢紧固件及连接件占27%[2]。

众所周知，高强度螺栓的失效主要是疲劳破坏，根据EN标准，对车辆用高强度螺栓的疲劳寿命提出了明确的具体指标，在≤20 HZ低频率循环下不产生断裂或裂纹，规定8.8级的疲劳寿命≥2×106次；10.9、12.9级疲劳寿命≥4.5×106次；在产品样件试制完成后每批次至少需要15件进行型式试验。高强度螺栓疲劳性能检验不是生产中的例行检查，而是生产商获取生产资质的检验。生产资质认可不是针对紧固件设计，而是对紧固件制造商的管控能力、制造工艺和装备的认可。车辆高强度螺栓的疲劳性能验证十分重要，但目前国标、行业标准缺乏疲劳性能测试技术要求，尤其是新型式、新产品、新材料的高强度螺栓，迄今国内紧固件制造的产品基本还没有达到EN标准中最低标准，且不易达到试装机的最低要求。

1 螺栓材料的技术要求

车辆涉及的机型较多，有CRH2C型车、CRH3C型车、CRH5A型车和CRH6型车等一系列产品，紧固件以采用欧盟钢材牌号为主。而国内生产的高强度紧固件，对于8.8级螺栓采用邢钢10B33、SCM435钢，邢钢是国内第二家汽车紧固件用钢企业；对于10.9级螺栓采用宝钢ML35CrMo、SCM440钢(接近欧盟42CrMo4)，宝钢股份汽车用钢已获国内主导汽车企业认可，多年来宝钢已经批量生产ML35CrMo、SCM440钢生产螺栓的冷镦盘条，并成功替代进口产品。

螺栓原材料总脱碳、半脱碳层厚度不大于直径0.5%D的技术要求；钢中化学成分C、Mn、Cr、Ni、Mo、B含量控制在标准中限值偏上；晶粒度级别要优于7级，级差≤2级。

冷镦钢盘条性能的好坏直接影响到高强度螺栓的质量。影响冷镦性能的因素主要有：一是钢中带状组织和夹杂物数量、形态、大小和分布；二是钢中的中心疏松、缩孔和锭型偏析；三是冷镦钢材产品性能的一致性。

钢中存在的非金属夹杂物会破坏钢基体的连续性，造成钢组织的不均匀性，在交变载荷应力作用下夹杂物周围容易发生应力集中，它以不同的方式在钢中形成解理裂纹的核，剥落后就成为凹坑或裂纹，螺栓在冷镦成型时极易形成裂纹，热处理时极易造成应力集中，形成淬火裂纹。在静或动载荷的作用下，往往成为高强度螺栓失效的裂纹源形成的促进因素，尤其是B类(氧化铝类)和 D类(球状氧化物类)在高度变形时这些夹杂物发生变形，并在其周围的裂纹互相联结成片，在冷镦和淬火时形成宏观可见的裂纹，且是促进早期疲劳失效的主要原因之一，通常是紧固件的强度级别越高，夹杂物的危害性越大；夹杂物尺寸越大、距表面距离越近，危害性更大。车辆高强度螺栓钢非金属夹杂物要求，见表1。

表1 车辆高强度螺栓钢非金属夹杂物要求

钢中五大类非金属夹杂物的形态，按标准图谱，高强度螺栓推荐合格指标为A、C类≤1.0级，B、D类≤1.5级，Ds类≤1.0级；B+C+D类≤2.5级。

而钢中的低倍缺陷也将导致钢材冷镦或温锻时开裂，缺陷越严重，而热处理时其淬火开裂的倾向性也越大，对车辆高强度螺栓用钢的中心疏松、一般疏松、方形偏析、锭型偏析评级≤1.0级，不允许存在白点、缩孔、气泡、翻皮等冶金缺陷。

2 车辆高强度紧固件用材

2.1 高强度紧固件等级及用材

高等级紧固件用材为碳钢、合金钢，在 GB/ T 6478—2015《冷镦和冷挤压用钢》和 GB/ T 3077—2015《合金结构钢》中的18Cr2Ni4W、ML3CrMo、ML40CrMo、ML45CrMo、40CrNiMo、25Cr2MoV等钢，此类钢材必须调质热处理才能充分发挥合金元素的作用。车辆高强度紧固件等级和用钢种类见表2。

表2 紧固件等级及钢材牌号

2.2 紧固件材料生产流程

当前，国产紧固件材料与发达国家的差距较大，表现为国产牌号钢材纯净度和成分均匀性较差，含氧量和非金属夹杂物的含量较高；钢材淬透性波动较大，高温高性能钢、低温抗冲击钢等高强度紧固件缺乏原材料。

(1)济源钢铁(集团)有限公司提供ML40CrMo、10B33线材生产流程：铁水预处理→转炉→LF精炼→RH精炼→大方坯连铸(380 mm×600 mm)→开坯→小方坯→(抛丸+超声波探伤+磁粉探伤+修磨)→加热炉→火焰清理→高速线材轧机轧制→在线处理。

(2)宝山钢铁股份有限公司提供ML35CrMo、SCM440、10B33线材生产流程：铁水预处理→电炉→LF→VD→大方坯连铸(320 mm×425 mm)→开坯→小方坯→抛丸→超声波探伤→磁粉探伤→砂轮修磨→加热炉→控轧控冷→热眼检测→成品。

(3)邢台钢铁有限责任公司提供SCM435、ML40CrMo、10B33线材生产流程：铁水预处理→转炉→LF炉→RH真空精炼→大方坯连铸(280 mm×325 mm)→开坯→小方坯→抛丸→(超声波探伤)→磁粉探伤→砂轮修磨→加热炉→控轧控冷→(热眼检测)→成品。

3 螺栓加工工艺

螺栓连接的设计包括两个方面，一是根据实际应用情况进行设计选型，选用合适的螺栓(如螺栓材料、尺寸、强度等级等)；二是将选择的螺栓和被连接件进行拧紧(螺栓预紧力及拧紧扭矩的选择，拧紧方法的选择等)。连接的螺栓包括车辆转向架及车下牵引安装均使用 ISO 898—1标准8.8级螺栓为主，以吊装紧固螺栓为例，从仿真学分析校核螺栓强度，验证螺栓加工工艺合理性。8.8级螺栓的许用拉应力为640 MPa，许用剪切应力为312 MPa，许用挤压应力为512 MPa，疲劳破坏应力为250 MPa。螺栓研制开发优先选用合金化钢材及热处理，后续滚(搓)牙工艺的技术路线，对原材料的技术要求较严，高于国标，为此设计以下螺栓加工工艺流程[3]。

3.1 螺栓加工工艺流程

车辆高强度螺栓基本加工工艺：球化退火→拉拔→冷镦→校直→车加工→热处理→磨外园→滚牙(攻牙)→表色。

细分螺栓加工工艺流程：

六角头螺栓、六角头部带孔螺栓基本加工工艺(8.8级)：球化退火→拉拔→冷镦→车(钻孔)加工→热处理→去毛刺→磨外园→滚(搓)牙→表色。

六角头螺栓、内六角圆柱头螺钉基本加工工艺(10.9级及以上)：球化退火→拉拔→球化退火→拉拔→冷镦→去毛刺→车加工→热处理→圆角强化→磨外园→滚(搓)牙→表色。

从加工尺寸分析，车辆高强度螺栓产品公差控制要求特别严，外圆一律在±0.02 mm，螺纹部分大径公差均在±0.010 mm。对照国内紧固件企业在工艺设计方面差距十分明显。

工艺要点：第一，应保证原材料退火后零增碳和无脱碳；第二，需用高精度多工位冷镦机，成型时防止对边及大径偏差过大，控制在±0.02 mm，由于采用热处理后滚牙工艺，要求完全避免螺栓杆部弯曲此类问题，增添专用设备，增加用无心磨床磨外圆(大径)工序；第三，为达到螺纹4g级精度，增添高精度M12～M24规格滚丝机，高精度滚丝轮及检测的轮廓仪、投影仪；第四，保证交付的批次产品缺陷PPM<60。

3.2 低温性能与防腐

3.2.1低温性能

车辆能够适应-40 ℃的低温条件，车外吊装、转向架紧固螺栓除了应具备较高的强度外，还必须具备较好低温韧性。设计时高强度螺栓选择较高的碳含量，有助于提高材料的强度，但同时会减小材料的冲击韧性；采用含有Cr、Ni、Mo合金元素的钢材，有助于提高高强度螺栓的韧性。

韧脆转变温度是衡量材料韧性的一个重要指标，在ISO 898—1：2013和GB/T 3098.1—2010 标准中已明确规定了螺栓、螺钉和螺柱在(零下)-20 ℃时KV2≥27 J，而对-40 ℃时并无冲击功值明确要求。由于我国地域广阔，气候温差大，为适应-40 ℃的环境运营条件，优化螺栓材料，因此对低温冲击试验要求更高，按GB/T 229—2007标准中夏比V型缺口深度2 mm的冲击试件规定制成试样，并对螺栓低温冲击功、韧脆转变温度等技术指标重新设计，要求在-45 ℃时KV2≥27 J。能够满足以上条件的螺栓材质有欧盟的牌号34CrNiMo6、42CrMo4和常用的日标牌号SCM435、SCM440及国产ML45CrMo等钢材，以保证高强度螺栓和转向架机构韧性的一致性。

3.2.2防腐

转向架部分用于室温环境下高强度螺栓的材质主要为碳钢、合金钢，在安装前需要进行表面处理。螺栓在酸洗和电镀等过程中会产生氢脆的危险性，氢脆通常表现为(应力)作用下延迟断裂现象。虽然最后可以通过热处理驱氢，但往往很难完全驱氢彻底。

转向架及车下牵引机构等均安装在车外，常年暴露在大气环境中，服役条件十分恶劣。而采用非电镀层的涂覆过程不需酸洗和活化，也没有导致析氢。紧固螺栓均使用达克罗DAC500 B进行防腐处理，镀层颜色为灰色和银白色，膜层厚度6～10 μm。达克罗涂层对基体的保护作用主要体现在机械屏蔽作用、自钝化作用和牺牲阳极电化学保护作用这三个方面，具有超强的耐蚀性、无氢脆等特性已广泛用于车辆紧固件的表面防腐[4]，但是达克罗中含有对大气环境和人体有害的铬离子，在一些欧洲国家已逐步用锌铝涂覆“交美特”所替代。

国内企业自主研发的无毒无害的纳米-锌铝复合涂料，以无机和有机混成原理制成的，膜层厚度只要3～5 μm，低于GB/T 26110—2010规定的锌铝涂层涂厚最低要求，但具有无机材质的复合式材料结构，具备高硬度和耐磨损的优良性能，可以采用纳米涂料在室温固化或在125～150 ℃低温固化以减少能耗，实现技术和设备的国产化等，这些都有可降低涂层成本之目的，此工艺应得到优先运用。

3.2.3防松

如转向架下变压器吊装结构，以弹性橡胶件结构为例，8.8级螺栓通过套筒与放置在底架边梁上的滑块连接，螺栓紧固力矩为275 N·m。在螺栓紧固前，会在螺纹表面涂MoS2润滑脂，有利于提高扭矩系数，且保护螺栓连接不会造成螺纹损伤。在制造流程中螺栓连接副摩擦系数试验，规定达到扭矩系数平均值为0.11～0.15，扭矩系数标准偏差值应该≤0.010。实施的目的为了减小螺纹部分摩擦力，使螺纹拧紧时达到规定的预紧力。

车辆高强度螺栓国产化的难点之一是螺栓材料的研究和应用较少，主要问题大致有：

1)关键螺栓加工采用传统的车削加工，车削加工的螺纹尺寸精度不高，表面磁粉探伤不合格，存在裂纹、划痕等产品报废率高，造成关键螺栓制造成本居高不下。螺纹精度差，甚至安装过程中无法正常旋入螺纹孔内。

2)螺栓性能不均匀、散差大，安装时或使用中扭矩松动，过分强调预紧力，采用过大的安全系数，导致螺栓不能发挥其材料效能，造成螺栓使用时的浪费和生产成本的增加，匹配不当。

3)电镀锌防腐性能差、达克罗层脱落等。由于机车对零部件表面防腐性能要求极高，可以优先选用表面涂防腐蜡、锌镍渗层、非电解锌铝涂层等，并组织技术攻关，产学研相结合以提高表面保护等级。

4 案例

随着各类车辆的大容量、大型化，以及功率转速的不断提高，紧固件的工况更加苛刻，纵观各类行车失效案例，紧固件的断裂失效是影响车辆安全运行的重大隐患。车辆紧固件失效案例见表3。

专题失效分析车辆安全运营的紧固件断裂案例表明，通常有疲劳、塑性和脆性断裂等三大类型。从影响螺栓质量的因素(人、机、料、法、环、测)分析有以下几种主要原因：①螺栓材质不良，钢材非金属夹杂物、低倍缺陷超标，成为疲劳裂纹源头；②螺栓制造加工工艺欠合理，造成螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓成品具有原始缺陷，加载使用时扩展断裂；③设计选择的螺栓满足标准要求，但疲劳强度难以达到实际工况需求。螺栓副连接设计不科学，难以达到紧固扭矩[2]。

表3 车辆紧固件失效案例

5 结语

紧固件存在的质量重大隐患，将严重影响车辆正常的使用。目前，在车辆紧固件用钢方面，仍然存在着的淬透性和延迟断裂问题，这成为生产的瓶颈。应改变部分关键紧固件长期依赖进口的局面，对于常规的8.8级、10.9级螺栓来说，从提高紧固件用钢的高纯净化、高均匀化及高精细化的控制入手，在制造中优化热处理工艺，且由此降低延迟断裂的危险性。为此，期待着开发出具有自主知识产权的新型车辆紧固件。