地铁车辆转向架弹簧及弹簧钢的发展分析

   地铁车辆转向架(走行部)是轨道交通车辆实现高速的关键部件之一， 弹簧是连接车体和转向架的关键部件，它直接影响车辆的运行安全性和舒适性，延长转向架用弹簧钢的疲劳寿命，提高弹簧的静挠度是提高转向架安全性、舒适性、可靠性的重要保证。

   介绍目前国产弹簧钢类别、主要钢种及其使用要求，质量现状，弹簧钢高强度化的措施和发展趋势，并提出制定创建轨道交通地铁车辆转向架弹簧钢的标准是刻不容缓的课题。

   轨道交通所用的新材料在地铁车辆中的应用很广，主要包括：车体和转向架系统；轮轨系统；制动摩擦系统；弓网系统和减振降噪材料等。转向架(走行部)是轨道交通车辆实现高速的关键部件之一，它的性能好坏直接影响车辆的运行安全和可靠。

    200km/h 地铁车辆一般采用动力集中转向架，动力集中转向架主要有制造、使用及维修成本低，但轴重大、结构复杂, 可靠性较低， 对线路要求较高等特点。地铁车辆对车体和转向架系统，要求轻量化以减少高速气动阻力和对轨道的冲击与磨耗，车辆在运行过程中，转向架构架承受次强随机动载作用，疲劳是其最容易发生的失效模式，而弹簧是连接车体和转向架的关键部件，它直接影响车辆的运行安全性和舒适性，延长转向架用弹簧钢的疲劳寿命，提高弹簧的静挠度是提高转向架安全性、舒适性、可靠性的重要保证。

    由于在转向架的制造过程中，由于塑性加工工艺等原因而导致材料在塑性变形过程中发生断裂，不仅增加了原材料的消耗，也使企业的制造成本增加。为此，如何扩大国产弹簧钢的产量，满足我国地铁车辆生产转向架的质量要求，很有必要。

1、钢种及其使用要求

1.1弹簧钢类别

    转向架弹簧所用热轧圆钢和盘条、线材涉及的钢种主要有Cr-V系，Cr-Mn系，Si-Mn系，Si-Cr系以及在Si-Cr系基础上添加少量合金元素V、Ni、Mo、W等形成的更复杂系列弹簧钢。Si-Cr系代表钢种有55SiCr；Cr-V系代表钢种有51CrV和55SiCrV；Cr-Mn系代表钢种有55CrMnA〔1〕；Si-Mn系60Si2MnT； Cr-Mo系代表钢种有52CrMoVT等。

     由于Cr-Mn系、Cr-V系合金弹簧钢具有较好的淬透性，且表面脱碳倾向小，故国外大都采用Cr-Mn系、Cr-V系合金弹簧钢。Cr-V钢在欧洲得到普遍使用，由于有钒的析出，可提高强度，改进疲劳松弛性能，脱碳倾向小，淬透性好，晶粒细，但是钒的碳、氮化合物是硬夹杂，所以，Cr-V钢的致命弱点是在高应力条件下抗松弛性能差。超纯净Si-Cr钢的开发备受关注，预计若干年后最终完全取代Cr-V钢。我国铬资源不足，弹簧钢一般采用Si-Mn系合金钢。Si-Mn系合金钢虽脱碳倾向大，淬透性弱，但抗弹减性优于Cr-Mn系弹簧钢〔2〕。

    我国地铁车辆转向架弹簧的主流钢种从60Si2MnT发展为51CrVT、52CrMoVT、60Si2CrVT，前两个钢种参考欧洲标准BS EN10089-2002中的51CrV4和52CrMoV4，化学成分采用国际标准牌号的化学成分，其中P、S含量比国际标准更严格，P≤0.02%、S≤0.015%。弹簧钢的纯度向超纯净钢发展，表面缺陷、夹杂物受到严格限制，材料表面经过剥皮、抛光和2次涡流探伤，不允许有全脱碳层、部分半脱碳层深度应不大于圆钢直径的1%，且具有光亮的表面，表面粗糙度不大于2.5Ra/μm，除有害元素S、P需要控制外，O、N、H、Al、Cu、Su元素也需控制范围，Cu≤0.20%、Su≤0.025%、H≤2PPm、 O≤12PPm〔3〕。

1.2 弹簧使用要求

转向架弹簧的使用要求

①高应力条件下具有高的疲劳寿命。疲劳试验应力最大为906 Mpa，最小为388 Mpa，疲劳寿命从100万次提高至目前的260万次。轨道交通部门提出了对弹簧8年免维护要求。

②高的抗弹性松弛性能，在满负载高密度运行的条件下，服役年限里不产生弹性松弛。

③高的淬透性。为适应快速、重载车辆的发展需要，弹簧线径趋于增大，这就必然提出淬透性要求。

④高的低温冲击韧性。金属材料在低温条件下韧性会下降，有些材料降低较显著，这势必使常温下运行的车辆在低温下产生脆断，弹簧在零下20℃时的冲击吸收功应不小于10J。

⑤高的抗蚀性。轨道交通车辆转向架用弹簧常年在恶劣的环境下工作，其防蚀性要求很高。

⑥高的性价比。目前我国轨道交通车辆转向架用优质弹簧钢供应紧张，有部分需要进口，价格上难以完全承受，因此对高性能弹簧所用弹簧钢材料有性价比要求。

⑦高的质量稳定性与安全性〔4〕。这是最关键的，轨道交通部门对地铁车辆为此提出零缺陷要求。

2、弹簧钢质量现状

2.1 标准与现状

    地铁车辆的转向架弹簧，现选用GB/T1222《弹簧钢》国家标准中抗拉强度性能最高的60Si2CrVA钢，并制定了更高水平的TB/T2211-2010《机车车辆悬挂装置钢制螺旋弹簧》铁道行业标准，TB/T2211中采用60Si2CrVAT钢，两者成分一致，但60Si2CrVAT钢在保持高强度的同时要有更高的塑性指标，并在对该钢的冶炼方面提出了新的要求，有害元素O、H的严格限制，对非金属夹杂物的严格要求，轧制后采用磨光工艺等。

    目前，我国对地铁车辆转向架弹簧制造工艺方面，成套引进国外现代化感应加热等制簧设备，重视弹簧制造工艺的试验研究，不断研发新型弹簧钢种，严格执行铁道行业产品认证与监督抽查工业产品质量通报制度，取得较好的成效。

2.2 标准与实物

    我国弹簧钢标准经修订后达到了国际先进水平，但对影响弹簧钢疲劳性能的主要因素，包括硬度、非金属夹杂物、显微组织及表面缺陷等技术指标的要求，尚不能满足市场的需求，国外弹簧钢材实物水平远高于标准水平。

     国内钢铁企业参照欧洲标准仿制的转向架用弹簧钢，在性能上还不能完全满足地铁车辆对转向架用弹簧钢的要求，160Kg/h以上时速车辆转向架部分原材料至今仍主要依靠进口。

     国内钢厂的高档次弹簧钢丝产品质量稳定性差，不能满足用户的需求，与国际先进水平还存在较大差距，生产该类产品的线材主要来自日本神户、住友等企业的竞争。

    目前国产转向架用弹簧钢处于应用性批量生产阶段，生产钢种有 60Si2MnAT 、60Si2CrVAT和51CrVAT等合金弹簧钢。宝钢和兴澄特钢是国内领先企业，但与日本神户制钢相比，在大方坯技术，夹杂物无害化处理，材料均匀性等方面尚有差距，对弹簧疲劳寿命影响最大的表面缺陷和脱碳2项指标难以达到国外同类水平。

    但由于价格相对较低，市场有需求，已为相关企业提供大量转向架弹簧的原料。国内合金弹簧钢线材的主要生产企业宝钢、鞍钢、武钢、东北特钢和兴澄特钢等，部分厂家生产的60Si2MnAT 和51CrVAT经拉拔、热处理和卷簧后，在120～200Km/h机车车辆上配套使用。

3、弹簧钢高强度化和发展趋势

    近年来，国际上高强度、高韧塑性弹簧钢的技术发展趋势是化学成分向中碳多元低合金钢发展；冶金工艺则朝着纯洁净钢、超纯洁净钢的精炼方向发展，提高弹簧设计应力，减轻弹簧重量是弹簧生产的发展方向。

    国内厂家应充分发挥现有弹簧钢潜力，改进生产工艺，采用新技术，提高其力学性能和应用性能，扩大使用范围，对于新钢种的研究开发，将抗疲劳破坏和抗弹性减退作为地铁车辆弹簧用钢研究开发的重点。

    ①提高纯净度。严格控制钢中钛、铝和氧的含量，尤其是对弹簧钢氧含量提出更高要求，因为低氧即使在高硬度区内的疲劳极限也在一般材料疲劳极限范围的上限，且波动范围小。超纯净钢正是基于地铁车辆弹簧用钢的需求而发展的。超纯净钢并非无夹杂，而是使夹杂无害化，以硅代替铝作脱氧剂，控制钢中有限的夹杂主要为低溶点软夹杂，以及容易在轧钢中变形的氧化硅，从而消除高溶点、不变形的氧化铝疲劳源。

    弹簧失效及断片的分析研究结果表明，高性能转向架弹簧失效破坏的最主要原因是钢中非金属夹杂物引起。因此确定转向架用弹簧钢的非金属夹杂物为必检项目非常有必要，并应根据对纯净度的不同要求规定其合格级别。按GB/T 10561标准中A法评定，5种类型非金属夹杂物粗、细系必须小于1.5级，并按最严重表示结果。

    ②充分发挥合金元素的作用。为提高弹减抗力应从选择合适的化学成分入手，Si是合金元素中提高弹减抗力最有效的元素之一，其作用仅次于C元素。早期弹减抗力优良的弹簧钢含Si量已达最高值，现在利用析出强化和晶粒细化的共同作用来改善弹减抗力，如加入微合金元素V和Nb等。

    ③热处理强化工艺的优化与完善。弹簧钢热处理后的强度取决于最终回火硬度，几乎不受淬火硬度影响，而屈服强度、断后伸长率、断面收缩率不仅取决于回火硬度，与淬火硬度也有很大关系，相同回火硬度条件下，这些指标随淬火硬度的升高而提高〔6〕。生产实践表明，淬火温度过低，未溶碳化物过多，合金元素溶于基体不充分，影响钢的淬透性。

    通过大量的弹簧安装使用验证，且要求弹簧淬火获得马氏体组织大于98%，合金弹簧钢的淬火温度应在Ac3以上80～100℃，中温回火温度一般控制在380～450℃，钢的力学性能指标较佳〔7〕。

    另外，等温淬火可以提高弹簧钢的抗拉强度、疲劳极限和塑性、韧性，使制造的弹簧具有较高的抗微塑性变形能力和抗松弛稳定性，热应力和组织应力都很小，弹簧变形明显减小，可减小矫正弹簧的工作量。但等温淬火屈服强度和弹性极限有所下降，等温淬火后再进行一次补充回火则可使屈服强度和弹性极限回升，能够使弹簧获得最高的综合力学性能。

   ④研制开发超高强度的新型弹簧钢。转向架弹簧使用应力不断提高，重量相应减轻，与此同时，对弹簧的可靠性要求不断提高，弹簧的使用寿命要求从100万次提高到最高280万次，且针对高应力下容易产生腐蚀疲劳的倾向，新型弹簧钢应具有超高强度、超高疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能，优良的抗弹减性能，良好的经济性和抗盐雾试验的要求等。

4、结束语

   近年来，轨道交通部门对地铁车辆弹簧用钢提出了更高的要求，其指标为：抗拉强度Rm≥1900MPa、屈服极限Rp0.2≥1700MPa、断后伸长率A≥9%、断面收缩率Z≥30%、扭转剪切应力≥1100MPa。

     国内轨道交通市场的稳定发展，带动了转向架弹簧的快速发展，地铁车辆用高质量弹簧钢的市场日趋广阔，与国外相比，国产弹簧钢差距比较大。因此研制高性能转向架弹簧钢及其先进制造工艺，并在此基础上制定创建适合我国国情的轨道交通地铁车辆转向架弹簧钢的标准是刻不容缓的课题。

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