地鐵車輛轉向架(走行部)是軌道交通車輛實現高速的關鍵部件之一， 彈簧是連接車體和轉向架的關鍵部件，它直接影響車輛的運行安全性和舒適性，延長轉向架用彈簧鋼的疲勞壽命，提高彈簧的靜撓度是提高轉向架安全性、舒適性、可靠性的重要保證。

   介紹目前國產彈簧鋼類別、主要鋼種及其使用要求，質量現狀，彈簧鋼高強度化的措施和發展趨勢，并提出制定創建軌道交通地鐵車輛轉向架彈簧鋼的標準是刻不容緩的課題。

   軌道交通所用的新材料在地鐵車輛中的應用很廣，主要包括：車體和轉向架系統；輪軌系統；制動摩擦系統；弓網系統和減振降噪材料等。轉向架(走行部)是軌道交通車輛實現高速的關鍵部件之一，它的性能好壞直接影響車輛的運行安全和可靠。

    200km/h 地鐵車輛一般采用動力集中轉向架，動力集中轉向架主要有制造、使用及維修成本低，但軸重大、結構復雜, 可靠性較低， 對線路要求較高等特點。地鐵車輛對車體和轉向架系統，要求輕量化以減少高速氣動阻力和對軌道的沖擊與磨耗，車輛在運行過程中，轉向架構架承受次強隨機動載作用，疲勞是其最容易發生的失效模式，而彈簧是連接車體和轉向架的關鍵部件，它直接影響車輛的運行安全性和舒適性，延長轉向架用彈簧鋼的疲勞壽命，提高彈簧的靜撓度是提高轉向架安全性、舒適性、可靠性的重要保證。

    由于在轉向架的制造過程中，由于塑性加工工藝等原因而導致材料在塑性變形過程中發生斷裂，不僅增加了原材料的消耗，也使企業的制造成本增加。為此，如何擴大國產彈簧鋼的產量，滿足我國地鐵車輛生產轉向架的質量要求，很有必要。

1、鋼種及其使用要求

1.1彈簧鋼類別

    轉向架彈簧所用熱軋圓鋼和盤條、線材涉及的鋼種主要有Cr-V系，Cr-Mn系，Si-Mn系，Si-Cr系以及在Si-Cr系基礎上添加少量合金元素V、Ni、Mo、W等形成的更復雜系列彈簧鋼。Si-Cr系代表鋼種有55SiCr；Cr-V系代表鋼種有51CrV和55SiCrV；Cr-Mn系代表鋼種有55CrMnA〔1〕；Si-Mn系60Si2MnT； Cr-Mo系代表鋼種有52CrMoVT等。

     由于Cr-Mn系、Cr-V系合金彈簧鋼具有較好的淬透性，且表面脫碳傾向小，故國外大都采用Cr-Mn系、Cr-V系合金彈簧鋼。Cr-V鋼在歐洲得到普遍使用，由于有釩的析出，可提高強度，改進疲勞松弛性能，脫碳傾向小，淬透性好，晶粒細，但是釩的碳、氮化合物是硬夾雜，所以，Cr-V鋼的致命弱點是在高應力條件下抗松弛性能差。超純凈Si-Cr鋼的開發備受關注，預計若干年后最終完全取代Cr-V鋼。我國鉻資源不足，彈簧鋼一般采用Si-Mn系合金鋼。Si-Mn系合金鋼雖脫碳傾向大，淬透性弱，但抗彈減性優于Cr-Mn系彈簧鋼〔2〕。

    我國地鐵車輛轉向架彈簧的主流鋼種從60Si2MnT發展為51CrVT、52CrMoVT、60Si2CrVT，前兩個鋼種參考歐洲標準BS EN10089-2002中的51CrV4和52CrMoV4，化學成分采用國際標準牌號的化學成分，其中P、S含量比國際標準更嚴格，P≤0.02%、S≤0.015%。彈簧鋼的純度向超純凈鋼發展，表面缺陷、夾雜物受到嚴格限制，材料表面經過剝皮、拋光和2次渦流探傷，不允許有全脫碳層、部分半脫碳層深度應不大于圓鋼直徑的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元素也需控制范圍，Cu≤0.20%、Su≤0.025%、H≤2PPm、 O≤12PPm〔3〕。

1.2 彈簧使用要求

轉向架彈簧的使用要求

①高應力條件下具有高的疲勞壽命。疲勞試驗應力最大為906 Mpa，最小為388 Mpa，疲勞壽命從100萬次提高至目前的260萬次。軌道交通部門提出了對彈簧8年免維護要求。

②高的抗彈性松弛性能，在滿負載高密度運行的條件下，服役年限里不產生彈性松弛。

③高的淬透性。為適應快速、重載車輛的發展需要，彈簧線徑趨于增大，這就必然提出淬透性要求。

④高的低溫沖擊韌性。金屬材料在低溫條件下韌性會下降，有些材料降低較顯著，這勢必使常溫下運行的車輛在低溫下產生脆斷，彈簧在零下20℃時的沖擊吸收功應不小于10J。

⑤高的抗蝕性。軌道交通車輛轉向架用彈簧常年在惡劣的環境下工作，其防蝕性要求很高。

⑥高的性價比。目前我國軌道交通車輛轉向架用優質彈簧鋼供應緊張，有部分需要進口，價格上難以完全承受，因此對高性能彈簧所用彈簧鋼材料有性價比要求。

⑦高的質量穩定性與安全性〔4〕。這是最關鍵的，軌道交通部門對地鐵車輛為此提出零缺陷要求。

2、彈簧鋼質量現狀

2.1 標準與現狀

    地鐵車輛的轉向架彈簧，現選用GB/T1222《彈簧鋼》國家標準中抗拉強度性能最高的60Si2CrVA鋼，并制定了更高水平的TB/T2211-2010《機車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧》鐵道行業標準，TB/T2211中采用60Si2CrVAT鋼，兩者成分一致，但60Si2CrVAT鋼在保持高強度的同時要有更高的塑性指標，并在對該鋼的冶煉方面提出了新的要求，有害元素O、H的嚴格限制，對非金屬夾雜物的嚴格要求，軋制后采用磨光工藝等。

    目前，我國對地鐵車輛轉向架彈簧制造工藝方面，成套引進國外現代化感應加熱等制簧設備，重視彈簧制造工藝的試驗研究，不斷研發新型彈簧鋼種，嚴格執行鐵道行業產品認證與監督抽查工業產品質量通報制度，取得較好的成效。

2.2 標準與實物

    我國彈簧鋼標準經修訂后達到了國際先進水平，但對影響彈簧鋼疲勞性能的主要因素，包括硬度、非金屬夾雜物、顯微組織及表面缺陷等技術指標的要求，尚不能滿足市場的需求，國外彈簧鋼材實物水平遠高于標準水平。

     國內鋼鐵企業參照歐洲標準仿制的轉向架用彈簧鋼，在性能上還不能完全滿足地鐵車輛對轉向架用彈簧鋼的要求，160Kg/h以上時速車輛轉向架部分原材料至今仍主要依靠進口。

     國內鋼廠的高檔次彈簧鋼絲產品質量穩定性差，不能滿足用戶的需求，與國際先進水平還存在較大差距，生產該類產品的線材主要來自日本神戶、住友等企業的競爭。

    目前國產轉向架用彈簧鋼處于應用性批量生產階段，生產鋼種有 60Si2MnAT 、60Si2CrVAT和51CrVAT等合金彈簧鋼。寶鋼和興澄特鋼是國內領先企業，但與日本神戶制鋼相比，在大方坯技術，夾雜物無害化處理，材料均勻性等方面尚有差距，對彈簧疲勞壽命影響最大的表面缺陷和脫碳2項指標難以達到國外同類水平。

    但由于價格相對較低，市場有需求，已為相關企業提供大量轉向架彈簧的原料。國內合金彈簧鋼線材的主要生產企業寶鋼、鞍鋼、武鋼、東北特鋼和興澄特鋼等，部分廠家生產的60Si2MnAT 和51CrVAT經拉拔、熱處理和卷簧后，在120～200Km/h機車車輛上配套使用。

3、彈簧鋼高強度化和發展趨勢

    近年來，國際上高強度、高韌塑性彈簧鋼的技術發展趨勢是化學成分向中碳多元低合金鋼發展；冶金工藝則朝著純潔凈鋼、超純潔凈鋼的精煉方向發展，提高彈簧設計應力，減輕彈簧重量是彈簧生產的發展方向。

    國內廠家應充分發揮現有彈簧鋼潛力，改進生產工藝，采用新技術，提高其力學性能和應用性能，擴大使用范圍，對于新鋼種的研究開發，將抗疲勞破壞和抗彈性減退作為地鐵車輛彈簧用鋼研究開發的重點。

    ①提高純凈度。嚴格控制鋼中鈦、鋁和氧的含量，尤其是對彈簧鋼氧含量提出更高要求，因為低氧即使在高硬度區內的疲勞極限也在一般材料疲勞極限范圍的上限，且波動范圍小。超純凈鋼正是基于地鐵車輛彈簧用鋼的需求而發展的。超純凈鋼并非無夾雜，而是使夾雜無害化，以硅代替鋁作脫氧劑，控制鋼中有限的夾雜主要為低溶點軟夾雜，以及容易在軋鋼中變形的氧化硅，從而消除高溶點、不變形的氧化鋁疲勞源。

    彈簧失效及斷片的分析研究結果表明，高性能轉向架彈簧失效破壞的最主要原因是鋼中非金屬夾雜物引起。因此確定轉向架用彈簧鋼的非金屬夾雜物為必檢項目非常有必要，并應根據對純凈度的不同要求規定其合格級別。按GB/T 10561標準中A法評定，5種類型非金屬夾雜物粗、細系必須小于1.5級，并按最嚴重表示結果。

    ②充分發揮合金元素的作用。為提高彈減抗力應從選擇合適的化學成分入手，Si是合金元素中提高彈減抗力最有效的元素之一，其作用僅次于C元素。早期彈減抗力優良的彈簧鋼含Si量已達最高值，現在利用析出強化和晶粒細化的共同作用來改善彈減抗力，如加入微合金元素V和Nb等。

    ③熱處理強化工藝的優化與完善。彈簧鋼熱處理后的強度取決于最終回火硬度，幾乎不受淬火硬度影響，而屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率不僅取決于回火硬度，與淬火硬度也有很大關系，相同回火硬度條件下，這些指標隨淬火硬度的升高而提高〔6〕。生產實踐表明，淬火溫度過低，未溶碳化物過多，合金元素溶于基體不充分，影響鋼的淬透性。

    通過大量的彈簧安裝使用驗證，且要求彈簧淬火獲得馬氏體組織大于98%，合金彈簧鋼的淬火溫度應在Ac3以上80～100℃，中溫回火溫度一般控制在380～450℃，鋼的力學性能指標較佳〔7〕。

    另外，等溫淬火可以提高彈簧鋼的抗拉強度、疲勞極限和塑性、韌性，使制造的彈簧具有較高的抗微塑性變形能力和抗松弛穩定性，熱應力和組織應力都很小，彈簧變形明顯減小，可減小矯正彈簧的工作量。但等溫淬火屈服強度和彈性極限有所下降，等溫淬火后再進行一次補充回火則可使屈服強度和彈性極限回升，能夠使彈簧獲得最高的綜合力學性能。

   ④研制開發超高強度的新型彈簧鋼。轉向架彈簧使用應力不斷提高，重量相應減輕，與此同時，對彈簧的可靠性要求不斷提高，彈簧的使用壽命要求從100萬次提高到最高280萬次，且針對高應力下容易產生腐蝕疲勞的傾向，新型彈簧鋼應具有超高強度、超高疲勞強度和耐腐蝕疲勞性能，優良的抗彈減性能，良好的經濟性和抗鹽霧試驗的要求等。

4、結束語

   近年來，軌道交通部門對地鐵車輛彈簧用鋼提出了更高的要求，其指標為：抗拉強度Rm≥1900MPa、屈服極限Rp0.2≥1700MPa、斷后伸長率A≥9%、斷面收縮率Z≥30%、扭轉剪切應力≥1100MPa。

     國內軌道交通市場的穩定發展，帶動了轉向架彈簧的快速發展，地鐵車輛用高質量彈簧鋼的市場日趨廣闊，與國外相比，國產彈簧鋼差距比較大。因此研制高性能轉向架彈簧鋼及其先進制造工藝，并在此基礎上制定創建適合我國國情的軌道交通地鐵車輛轉向架彈簧鋼的標準是刻不容緩的課題。

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