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機車車輛用鋼現狀及發展趨勢

2018-09-27 12:15:58 作者：本網整理來源：世界金屬導報分享至：

軌道交通車輛用鋼主要在車體、轉向架及其他部件，主要用鋼種類包括：低碳低合金鋼、不銹鋼、滲碳合金鋼、調質鋼等，從成型方式上包括鑄鋼、鍛鋼、型材等。以下將對不同車輛的用鋼情況進行介紹。

1 車體用鋼現狀

1.1機車

目前，機車車體用鋼主要有普碳鋼、低合金高強鋼、耐候鋼三類，主要牌號包括：Q235A、Q345B、Q345E、Q420E、Q460E、Q355NH。

1.2貨車及城軌車輛

目前，鐵路貨車車體結構材料幾乎全部為耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼）。耐候鋼相對于原來使用的Q235普碳鋼，車輛的廠修期由6年延長至8年左右。最早使用的耐候鋼以09CuPTiRe（屈服強度295MPa）和09CuPCrNi（屈服強度345MPa）為主，其耐腐蝕性一般相當于普碳鋼的2倍左右。到2001年時，鐵路主要貨車、敞車、篷車都采用這種耐候鋼。2003年開始采用高強度、高耐候結構鋼以降低車輛自重，提高整體性能，目前，耐候鋼的屈服強度已超過550MPa。

新造貨車僅車輛用耐候鋼用量每年約為30-40萬噸，再加上路外企業自備車輛及出口車輛，實際用量大約在50萬噸左右。城軌車輛車體材料主要為SUS301L不銹鋼，目前主要從日本、韓國進口。該材質的優點有：材料沖壓成型性能較好，具有很高的疲勞強度，不足之處是成本較高、生產工藝復雜、鋼板的平直度不夠高。針對城軌車輛車體用鋼，需要開發更為經濟的不銹鋼，其中包括采用SUS304不銹鋼，推廣使用無Ni和低Ni不銹鋼板，如X2CrNi12（1.4003）或TCS（T鐵路貨車，C車體，S不銹鋼，屈服強度345MPa）。2003年12月，研制成功的C80不銹鋼敞車，已經在大秦線上使用。

2 轉向架用鋼現狀

轉向架是軌道車輛的關鍵部件，其主要功能包括：承重、傳力、緩沖、導向。轉向架的基本組成包括：輪對、軸箱、懸掛裝置、構架、基礎制動裝置、驅動裝置。

2.1構架

構架的設計和制造工藝而言，可分為鑄鋼構架和焊接構架。焊接構架又可分為鋼板焊接構架和壓型鋼板焊接構架，鑄造構架由于重量大、制造工藝復雜，目前，在機車上很少采用。機車構架用鋼板主要牌號有：H1001、H1002、Q345E、Q215A、Q235A。

高速動車組轉向架構架均使用焊接結構的構架。構架作為轉向架的骨架，承受和傳遞垂直力及水平力。主體框架呈H型，由兩側梁、橫梁、縱向連接梁、空氣彈簧支承梁及其他焊接附件構成。側梁為箱型斷面，橫梁采用無縫鋼管型材。國內高速動車組目前廣泛使用的轉向架用鋼是SMA490B耐候結構鋼，其化學成分與力學性能見表1。

2.2輪對

2.2.1車輪用鋼研發方向

車輪按制造工藝分為軋制車輪和鑄造車輪。由鋼坯軋制的整體輾制車輪在綜合性能、高低倍組織、力學性能、金屬利用率和使用壽命等方面均優于鑄造車輪。國外高速車輪的生產主要集中在法國、德國和日本，代表生產廠家有法國的萊迪納公司、德國的萊茵克公司和日本的住友制鋼株式會社所屬車輪生產廠，國內外高速車輪用鋼材料如表2所示。國內高速列車車輪的生產廠家如馬鋼等，2010年10月馬鋼試制生產了D1、D2和D3三個牌號，適合時速250km高速動車組車輪。

對于高速列車運行速度超過160km/h后，列車的動力學條件發生顯著變化，車輪的使用條件也發生顯著變化，在研究過程中，確立了降C微合金化的技術思路，而適當降低碳含量所帶來的強度和硬度的損失，可以通過添加微合金元素來彌補，一次獲得車輪鋼優良的綜合力學性能，且降低碳含量是提高車輪鋼相變溫度最有效的方法之一。而高速車輪材料的研發更重要的是要緊跟國外先進技術和水平，不斷提高車輪鋼的冶金純凈度，降低夾雜物和氣體含量，重點研究過去關注較少的O、N、H氣體對車輪鋼的影響程度，在保證裝備水平的前提下，開發適應中國高速鐵路用車輪鋼。

高速列車車輪用鋼存在的技術問題包括：在新材質特種鋼的冶煉、軋制、熱處理工藝等關鍵技術方面尚不成熟。目前，高速列車車輪還依靠進口。在未來發展中，應注重高速車輪材質的研發、新型車輪的預測和試驗方法、新型車輪淬火方式的研發、車輪檢測方式的研究以及輪對綜合模擬仿真性能檢測等方面。

我國高速列車車輪用鋼重點研究方向包括：

1）采用適用于高速運行的車輪材質，降低碳含量并結合微合金化是我國高速車輪用鋼發展的主要趨勢，如何提高鋼的強韌性，以提高高速列車車輪的運行安全，仍是高速車輪用鋼重要的研究方向；

2）采用噴丸強化手段提高輻板強度與抗疲勞能力；

3）重點關注高速運行狀態下車輪的疲勞和斷裂行為的研究及新型車輪服役壽命和服役狀態的研究和評價。

2.2.2車軸用鋼研發方向

我國普通客車、貨車車軸采用的主要鋼種為LZ50中碳鋼，機車車軸少量采用JZ45鋼，以模鑄居多。目前，連鑄工藝車軸鋼坯也得到快速推廣，動車組用空心車軸則采用了中碳合金鋼并進行調質處理的技術路線，目前，我國主要采用進口材質。針對重載運輸快速發展的需要，我國研制開發了適用于30t以上重載車輛的新材質車軸鋼坯，采用微合金化路線，已經在大秦線上裝車考核，實績運用效果良好。與世界發達國家相比，更大軸重車軸材料在性能方面還有提升空間，需要進一步研究。

目前，世界上各主要國家車軸材料，主要分為碳素鋼車軸與合金鋼車軸（如表3）。日本采用普通碳素鋼（如S38C）+表面中頻淬火熱處理工藝，相比歐洲采用合金鋼+調質處理工藝而言，日本高速車軸原材料成本低，熱處理工藝控制精度要求高。歐洲高速車軸材料一般采用合金鋼（如EA4T），通過采用正火+淬火+回火熱處理及拋丸強化處理方法，提高車軸的疲勞性能。同時，通過對輪座表面噴涂涂層，來提高輪座的抗磨損能力，延長車軸使用壽命。所以，歐洲高速車軸原材料成本高，而熱處理工藝相對簡單。

在普速客貨車車軸材質及生產技術方面，我國工藝裝備優良，鋼坯冶煉水平較高。但在重載、高速列車車軸的研究與開發方面起步較晚，與世界一流水平仍有較大差距。

2.3制動系統

制動系統是列車安全可靠運行的基本保障，盤型制動則是確保高速列車安全最重要的措施之一，尤其是高速列車在其他安全措施出現故障時，只能依靠盤形制動，作為安全可靠制動的最后保障。作為盤形制動的三大關鍵元件——制動盤、制動閘片、制動夾鉗，其最基本的功能是吸收制動動能，并將其轉化為熱能散發到空氣中，在這個過程中，制動盤、閘片和制動夾鉗的材料、結構和性能不被破壞。

2.3.1制動盤

日本以Ni-Cr合金化的方式，研究開發的鍛鋼制動盤，可用于275km/h的高速動車組，而德國主要以Cr-Ni-Mo合金化的方式，研究開發的鑄鋼制動盤，可以適用于350km/h的高速動車組。目前，我國通過對日本和歐洲高速客車制動盤材料的研究，掌握了鑄鋼/鍛鋼制動盤的制造技術，已完全實現了該部件的國產化。

2.3.2 制動閘片

閘片主要包括樹脂基閘片和粉末冶金閘片兩類，使用最多的是銅基粉末冶金閘片。日本的新干線、法國的TGV和德國的ICE高速列車，均采用銅基粉末冶金閘片。我國自主研制和生產的銅基粉末冶金閘片，與國際先進水平的差距越來越小，已基本能滿足300km/h以下時速的緊急制動要求。為了滿足350km/h時速以上的緊急制動要求，在閘片材料的理論設計方面，仍需要進行基礎研究，尤其是摩擦性能的影響因素、機理、實現途徑等方面要有所突破。

2.3.3 制動夾鉗

制動夾鉗和支持架是動車組上制動系統中的關鍵零件，其鑄件質量的好壞，直接關系到動車組制動的可靠性。200km/h制動夾鉗的制造技術從日本KYB公司引進，其材質為SCMn3B，在國產化的過程中，采用低合金鑄鋼（如表4），碳當量采用 CE≈0.495，與SCMn3B的碳當量CE≈0.58相比，碳當量減小了，焊接裂紋傾向有所減輕，也提高了鑄造工藝性。

2.4驅動裝置

2.4.1齒輪鋼研發方向

國內外齒輪滲碳鋼主要有Cr-Mn系、Cr-Mo系、Cr-Ni系、Cr-Ni-Mo系等，其碳含量一般在0.10% -0.25% 之間，屬于低碳鋼；為了提高淬透性，保證芯部強度，在滲碳鋼中加入各種合金元素如：Ni、Cr、Mn、Mo等，同時還加入一定量的V、W、Ti等合金元素，以細化晶粒。我國軌道交通齒輪鋼材料主要有：17CrNiMo6、20CrMnMo、20CrNi2Mo、20Cr2Ni4、42CrMo等，其中18Cr零件在滲碳過程中發生過熱。由于不同的鋼種合金元素特別是Cr、Ni含NiMo7-6、20CrMnMo、20CrNi2Mo、20Cr2Ni4為滲碳齒輪鋼，42CrMo為感應淬火鋼。在軌道交通高速重載方面，國內大多采用17CrNiMo6滲碳鋼。

“高速、重載”是鐵路機車的發展趨勢，隨著機車速度的提高與載荷的增加，作為機車關鍵零部件的牽引齒輪工況也趨于惡劣，對齒輪的工作性能提出了更高的要求。對此，一方面通過優化設計與精密加工來提高齒輪的外在質量；另一方面具有更高的彎曲與接觸疲勞強度的滲碳硬化齒輪，獲得越來越廣泛的應用，并通過材料精煉與熱處理來提高齒輪的內在質量。

目前，滲碳淬火仍是高速重載齒輪的主要表面質量強化手段之一，齒輪滲碳過程中最大問題就是熱處理變形大。齒輪的變形直接關系到齒輪的強度、精度等質量指標。對于滲碳淬火的齒輪，特別是大型齒輪，其變形量較大且影響因素多、難以控制，已成為國內外齒輪制造的技術難點之一。較大的變形不僅會使磨量增加、成本提高，而且影響齒輪的制造精度，降低承載能力，最終使用壽命大大下降。齒輪滲碳淬火變形的因素復雜，包括齒輪的幾何形狀尺寸、原材料及冶金質量、鍛造和機加工的殘余應力、裝料方式和熱處理工藝及設備等諸多方面。

綜觀近年來國內外齒輪材料的發展，齒輪用鋼將呈現以下發展趨勢：

1）降低滲碳層表面氧化傾向大的合金元素含量，添加氧化傾向小的合金元素。

2）開發窄淬透性帶齒輪鋼，而冶煉窄淬透性帶齒輪鋼的重要環節，集中在對材料化學成分的把控，同時，對材料組織均勻性提出了更高要求。一般來說，可以通過建立化學成分與淬透性相關的方法，再輔以計算機等現代化工具監測材料成分變化，來達到嚴格控制化學成分的目的。

3）開發滲層高韌性齒輪鋼，要求增加重載齒輪的負荷，同時，也要提高鋼承受沖擊的強度，為了抑制齒輪形體的大型化，在基體具有高的強度和韌性的前提下，抑制的關鍵在于防止滲層裂紋的形成，以達到提高滲層韌性的目的。主要采用降低Si、P 元素并同時添加Ni、Mo 元素的方法。當然，更為有效的措施選用氧含量不超過10ppm 的超低氧鋼。

4）開發低氧含量齒輪鋼。它的原理是通過降低齒輪鋼中氧含量，提高鋼的純度，會使齒輪疲勞壽命大幅提升。原因是鋼中氧含量下降的同時，氧化物夾雜也會減少，從而抑制夾雜物對疲勞性能的影響。

5）優化噴丸強化技術。通過系列噴丸工藝試驗及檢測分析，優化噴丸強化工藝，獲得優化的殘余壓應力場和細化的形變組織結構，確保齒輪材料表層殘余奧氏體向馬氏體轉變，降低表面粗糙度，顯著提高齒輪材料的表面顯微硬度。

2.4.2軸承鋼研發方向

鐵路列車軸箱軸承需要在高速、高接觸應力和大沖擊載荷狀態下能夠連續、穩定、可靠地工作，因此，對軸承材料的可靠性、壽命、穩定性提出了更高要求。由于歷史原因，我國鐵路軸承用鋼的冶煉方法一直被限定為電渣重熔。經過長期研究和積累，中國鐵路總公司已于2006年組織制定了新的鐵路貨車軸承用鋼技術條件，涵蓋電渣重熔軸承鋼和真空脫氣軸承鋼。在普通機車車輛用軸承研究與制造領域，我國總體技術水平基本與世界先進水平相當。現階段我國的高速鐵路列車均采用進口軸承。

隨著列車運行速度的提高和載重的增加，各國廣泛使用滲碳鋼制造的圓錐滾子軸承。瑞典SKF公司、美國Timken公司、日本NSK公司和NTN公司等均采用表面滲碳鋼制作圓錐滾子軸承，有效地提高了軸承免維護運行里程及其安全可靠性。

長期以來，美國、日本、瑞典、德國等軸承生產強國均致力于開發先進的軸承設計、制造、密封性能以及潤滑技術等，以滿足鐵路的使用要求，并在激烈的市場競爭中保持著領先地位。特別是在軸承的基礎性研究、系統性研究和前瞻性研究等方面，這些國家均積累了豐富經驗，這也是其保持技術領先的主要原因，我國應在這些方面盡快縮小差距。

3 其他部件用鋼現狀

3.1鉤緩系統

鉤緩裝置是使車輛與車輛，機車或動車相互連掛，傳遞牽引力，制動力并緩和縱向沖擊力的車輛部件。它由車鉤、緩沖器、鉤尾框等組成一個整體，安裝于車底架構端的牽引梁內。其中車鉤與鉤尾框等關鍵部件均采用鑄鋼或鍛鋼材料。車鉤用鑄鋼材質主要有：SCC60、ZG18MnNiV、40Cr、E級鋼與D級鋼。動車車鉤鉤體材料牌號原先采用為JRISE4201標準中的SCC60。通過試驗對材料成分和力學性能的統計分析，系統地研究了不同元素成分、含量對材料力學性能的影響，最終確定材料牌號為ZG18MnNiV。兩種牌號的材料化學成分與力學性能如表5所示。E級鋼與D級鋼化學成分與力學性能如表６所示。復興號中國標準動車組車鉤連桿采用的是40Cr鍛鋼。

3.2彈簧鋼研發方向

軌道交通彈簧鋼國內外一般采用Si-Mn系、Cr-Mn系、Cr-V系合金鋼，我國鐵路車輛的提速，要求進一步延長車輛用彈簧鋼的疲勞壽命，提高彈簧的靜撓度，以確保鐵路運輸的高效和安全。彈簧鋼必須有極佳的冶金質量（良好的純凈度、均勻度和穩定性以及表面質量）和優良的力學性能。但目前，我國合金彈簧鋼的生產工藝水平總體上還較落后，產品檔次和質量與世界先進水平尚有較大差距，主要反映在鋼的性能穩定性、純凈度、表面質量、外形尺寸等方面。因而，目前仍然需要從國外進口。

鐵路提速要求彈簧鋼向高性能化方向發展，抗疲勞破壞和抗彈性減退為彈簧鋼研究的主題。開發高性能彈簧鋼的途徑為：①研制新鋼種，一方面要優化現有彈簧鋼的合金元素含量并添加微合金化元素；另一方面則借鑒航空用超高強度鋼的經驗，降低碳含量并添加V和Nb等微合金化元素；②改進冶金工藝和加工方法。在現有鋼種成分基本不變的情況下，探索形變熱處理、感應熱處理、在線熱處理和噴丸、表面處理、強壓處理等工藝技術。

4 機車車輛用鋼發展趨勢

1）鋼材品種簡統化：機車使用鋼材品種盡量少，便于組織生產，降低成本；鋼材盡量使用統一的型材、壓型件，在輕量化前提下提高利用率。

2）選用鋼材具有良好的環境適應性：由于對環境要求的逐步提高，目前機車采用的低合金高強度結構鋼，均是低溫沖擊性能良好的、質量等級為E的鋼材料（或相當）；對運用在濕熱、鹽霧、風沙等環境下的車體，使用高強度低合金耐大氣腐蝕鋼。

3）選用鋼材強度逐步提升：隨著高速重載對機車車輛靜強度等級要求的提高，車體及轉向架理想的鋼鐵材料是低合金高強度結構鋼，要求其綜合力學性能、焊接性能、低溫韌性良好。

4）未來輕量化替代材料的應用：在非承載結構處，逐步選用輕量化的材料，如：鋁合金結構、玻璃鋼、碳纖維復合材料結構。

5）采用優化配方、改善熱處理工藝等方法，提高重載、高速鐵路用車輪輪輞的硬度，尤其要盡快提高車輪的硬度；以減少高鐵運營過程中，車輪出現嚴重踏面凹磨和多邊形等缺陷，延長鏇輪周期、降低維修成本。

6）盡快改變高速鐵路用車軸全部進口的現狀，盡早實現國產化。

7）高速列車軸承用鋼國產化，是當務之急。

8）開展制動系統、鉤緩系統材料國產化工作，滿足高速鐵路發展的需要。

5 結語

與鐵路技術發達的國家相比，我國普速鐵路技術與國外差距不大。由于我國在高速與重載鐵路技術上起步較晚，在引進、消化、吸收及再創新的基礎上，逐步實現了高速、重載列車與鐵路技術的國產化，但作為高速與重載列車重要安全部件的基礎材料（如車輪、車軸、軸承等），目前尚未實現國產化。

高速與重載鐵路技術專有性強，核心技術僅僅掌握在少數幾個國家，知識產權壁壘極高。當前，我國高速、重載鐵路發展的主要障礙之一是關鍵材料國產化進程滯后，過分依靠國外引進技術和產品，特別是對速度在250km/h以上的高速列車用系列關鍵材料缺乏技術儲備。