淺談軌道交通裝備模鍛件的工藝升級

文/張金智·廣州鐵路（集團）公司

姚春華，許光華·株洲春華實業有限責任公司

改革開放以來，我國軌道交通運輸裝備技術應用成績斐然，特別是鐵路高速客貨運輸車輛的研發和制造技術已經達到世界領先水平，中國制造的鐵路車輛以其合理的成本和可靠的質量行銷全球大部分國家。本文主要闡述鐵路貨車模鍛件制造技術的發展。

80年代鐵路貨車敞車載重60噸，運行速度一般30～50km/h；因工藝技術落后，主要零部件采用鑄鋼件。鍛件數量不多，模鍛件主要有軸承端前蓋、后擋；鉤舌銷、鉤尾銷等，其中模鍛件鉤尾銷材質從Q275→45→40Cr→40Mn2鋼一路升級。為了提高產品的可靠性和使用壽命，形狀從扁方→圓柱，鍛后熱處理從正火到調質處理，強度等級提升5倍以上。

2000年后貨車主要車型發展方向為高速重載，使用升級后的新型轉向架，載重70～80 噸，貨車時速可達100～120km/h，最快達到160km/h。貨車高速重載的關鍵是提高轉向架的運行品質和動力學性能，近年來研發的30t軸重轉向架，載重可達120噸/輛。

為了滿足鐵路貨車高速重載需求，降低車輛運行中的故障率，必須研究貨車車輛各部件的承載能力和運行可靠性。

由于鑄鋼件內部及表面容易產生缺陷，如內部氣孔、疏松、夾雜；表面裂紋、麻點、凹坑等，由此造成一定比例的零件過早失效，許多零部件進行了“以鍛代鑄”的技術升級。鐵路貨車鍛件鍛造的一般特點：鍛件單重重，產品形狀復雜，成形難度大，鍛造工藝復雜，需要大噸位的鍛壓設備；熱處理淬透性要求高，性能等級要求成倍提高。鍛造、熱處理先進裝備的應用和鋼材冶煉技術的進步為車輛制造“鑄改鍛”技術升級提供了保障。

鍛鋼上心盤

上、下心盤為車體中梁和貨車轉向架的關鍵連接件，上心盤和中梁鉚接在一起，原來鑄鋼件普遍存在著內部偏析、縮孔、夾雜，表面質量差等缺陷。由于貨車運行中承受著復雜動、靜態載荷，車輛段修期內，經常發現鑄鋼上心盤根部產生裂紋，危及行車安全。選用25Mn鍛造上心盤，提高了產品的密實度，機械性能大大提高，有效地解決了上心盤圓弧處應力集中現象及疲勞裂紋問題。

25Mn鋼坯冶煉采用“轉爐+大方坯連鑄”技術，嚴格控制25Mn鋼中S、P含量，適當提高Mn/C比例到3.5左右；生產出上心盤鍛造用鋼坯，通過大噸位模鍛錘模鍛成形；經合適的正火工藝，實現伸長率≥25%，-40℃沖擊功AkV≥71J。

鍛造設備使用8000t摩擦壓力機或16t模鍛錘，坯料加熱使用天然氣爐，鍛造后采用900℃、保溫3～4h，保溫完成后出爐空冷的正火工藝。現場生產中發現，正火后實物取樣進行力學性能試驗，伸長率和沖擊功有時達不到標準的要求，通過控制正火冷卻速度可以明顯改善金相組織，提高本體的伸長率和沖擊功；如果實物取樣的強度較高，伸長率和沖擊功達不到要求，通過增加一次520～580℃、保溫4h的回火工藝，以實現最佳的綜合性能，滿足產品的質量要求。

鍛造搖動座

搖動座原來采用符合AAR-201標準的E級鋼鑄件，是過渡型轉向架的重要承力件，重載后運行條件惡劣，裂紋是常見的疲勞缺陷，影響到行車安全，鍛造搖動座由此被應用。鍛造搖動座采用材料25MnCrNiMoA圓鋼或方坯，25MnCrNiMoA牌號材料尚未列入到GB/T 3077-2015，行業標準對25MnCrNiMoA的化學成分（表1）、鋼坯狀態、力學性能、低倍組織、非金屬夾雜物、淬透性做了詳盡的規定。

鋼坯以熱軋或鍛制后經退火或高溫回火狀態供貨，鋼坯的尺寸、外形、重量及其允許偏差應符合GB/T 702-2017或GB/T 908-2008的有關規定。

鋼坯經調質處理后制成的試樣其力學性能應符合表2的規定：

鋼坯不允許有鑄態組織，低倍組織應符合GB/T 3077-2015規定的高級優質鋼的要求，取樣部位為鋼坯頭部，不得有縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等。

鋼坯的非金屬夾雜物按GB/T 10561-2005中的方法A及ASTM評級圖評定。非金屬夾雜物按A（硫化物）、B（氧化物）、C（硅酸鹽）、D（球狀氧化物）四類夾雜物進行評級，各類夾雜物應不大于2.0級。如同一視場中同時出現A、C類夾雜物時，應合并評定，合級應不大于2.5級。

表1 化學成分

表2 機械性能

淬透性：鋼坯須進行末端淬火試驗。末端淬火試驗時，按國家標準GB/ T225-2006制作試樣，淬火溫度為(910±10）℃，時間為30±5分鐘，不同含碳量的25MnCrNiMoA鋼淬透性試樣，在末端淬火試驗試樣距淬火端11mm處測得的硬度應符合表3的要求。

表3 淬透性

鍛造搖動座質量大，面積大，厚度薄，并有四個彈簧承臺，模鍛生產很難充滿。初次試制時，我們采用的是自由鍛預鍛，始鍛溫度是1150℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比≥3；坯料尺寸很難保證，致使部分產品終鍛時出現折疊、缺肉等缺陷，產品報廢率高。經改進預鍛方案，使用合理的胎模預成形坯料，經處理后使用8000t摩擦壓力機終鍛成形。調整工藝后，產品質量穩定，形狀尺寸達到鍛件圖要求。經過鍛后預正火、拋丸、探傷，再進行機加工，然后進行整體調質熱處理（工藝如圖1、圖2所示）和兩端耳軸的中頻表面淬火處理。企標要求：產品硬度235HBW～285HBW；耳軸支承面在距兩端95mm，對稱于中心線120°范圍內的硬度為364HBW～514 HBW或39.5HRC～51HRC，硬化深度≥5mm。

為了減少鍛造搖動座熱處理變形，批量生產使用積放鏈熱處理生產線，每臺小車上垂直懸掛4件，并在最終加熱溫度前進行650℃預熱，890℃加熱保溫完成后轉移到水槽中進行淬火冷卻，轉移時間不大于20s，在循環冷卻水槽中冷卻時間為5～6s；工件淬火冷卻完成后立即進行回火，間隔時間不大于1h。

圖1 鍛造搖動座淬火工藝曲線

圖2 鍛造搖動座回火工藝曲線

整體調質完成后，隨爐試棒的力學性能符合企標的要求，鍛造搖動座本體硬度符合圖樣規定的要求；且產品的變形量較小，不超差。

鍛造搖動座經拋丸清除表面氧化皮后進行濕法復合磁化探傷，確認沒有裂紋，使用PLC控制的專用中頻淬火機床對兩端耳軸進行表面淬火，選擇中頻淬火電源250kVA，頻率3000～6000Hz。產品進入淬火機床定位完成后，兩個感應器同時進行加熱，淬火冷卻時間60～90s，感應器淬火移動速度1.05～1.58mm/s，表面淬火的同時利用工件上的余熱進行自回火。

鍛造搖動座兩端耳軸表面淬火后，檢查硬度和淬火硬化層深度，均符合企標要求。鍛造搖動座裝上2014年生產的30噸軸重貨車1200輛，共計4800件。目前在大秦鐵路運煤專線上運行情況良好。

車鉤緩沖裝置鑄改鍛

車鉤緩沖裝置系統是鐵路機車車輛的重要組成部分，通過它使貨車機車車輛之間實現連接、編組成列車，并傳遞和緩和列車車輛相互間在運行或調車編組作業時所產生的牽引和沖擊力。簡言之，車鉤緩沖裝置系統的三大功能是連掛、牽引和緩沖。

車鉤緩沖裝置系統主要由車鉤、鉤尾框、緩沖器及從板、鉤尾銷等零部件組成。連掛、牽引功能是由車鉤、鉤尾框、鉤尾銷、從板等來實現的，以保證機車與車輛、車輛與車輛之間能夠實現連接、牽引。

鉤舌、鉤尾框、從板采用25MnCrNiMoA材料。車鉤緩沖裝置系統中的鉤尾框、從板已經全面推行模鍛件代替鑄鋼件，鉤舌也在出口國外的重載貨車上大規模應用。

鍛造鉤尾框

隨著我國鐵路貨車不斷重載提速，鑄造車鉤尾框疲勞裂紋、斷裂日益增多，造成列車分離事故增加，制約了行車安全及運輸效率的提高。2006年開始鑄造鉤尾框改為鍛造+焊接，主體部分采用精密輥鍛和大噸位鍛造設備模鍛后壓彎復合成形技術，現已在鐵路貨車上大批量應用。

疲勞強度高：鍛造鉤尾框產品比鑄造鉤尾框產品提高80%。

疲勞壽命高：鍛造鉤尾框產品比鑄造鉤尾框產品提高60倍。

質量保證期大大延長：鍛造鉤尾框產品25年，鑄造鉤尾框產品8年，提高了2.13倍。

鍛造車鉤尾框承載了高速重載列車12年的安全運行。

鍛造鉤舌

車鉤鉤舌由于結構非常復雜，一直采用鑄造成形工藝。澳大利亞礦石車載重量120噸/輛，使用鑄造鉤舌運行不到一個月，就出現斷裂或裂紋，鍛造鉤舌被應用。材質同樣采用25MnCrNiMoA鋼坯，由于鉤舌結構非常復雜，難以一次性鍛造成形，目前采用預制坯料，在8000t摩擦壓力機上鍛造成形，鍛造最大打擊力可達120000kN，提高了產品的密實度，性能大為改觀。經機械加工、調質熱處理，其熱處理工藝和搖動座、鍛造鉤尾框工藝基本一致。由于鍛造鉤舌要求的抗拉、屈服強度更高，因此回火溫度一般采用540～550℃，力學性能指標如表4所示：

裝用鍛造鉤舌的重載礦石車在澳大利亞運行情況良好，相比原來的鑄造鉤舌，使用壽命大幅提高，杜絕了斷裂和早期疲勞裂紋產生，減少了車輛的維修更換車鉤的頻次，提高了車輛的使用效率。

鍛造前從板、鍛鋼支承座

鍛造前從板其力學性能要求與鍛造鉤舌相似，結構相對簡單，制造難度不大。鍛鋼支承座性能要求與鍛造上心盤類似，結構相對復雜。為減少鍛鋼支承座的鍛造難度，一般使用大噸位鍛造設備、兩件產品錯位布排同時鍛造成形的鍛造工藝，加工時切割分成兩件，容易鍛造成形并能節約原材料。

表4 機械性能

緩沖器中心楔塊滲碳淬火過程氫脆解決方法

中心楔塊所用材料為20CrMnMo，組裝前主要工序有：中頻爐加熱至1180℃～1250℃模鍛→切邊→920℃氣體滲碳（丙酮和甲醇，時間0～8h）→降溫850℃淬油→低溫回火（230℃～245℃）。

中心楔塊在熱處理完成后1～2天內組裝，組裝后中心楔塊主要受拉應力的作用，時常出現崩斷現象。經斷口檢查分析， 在滲碳區斷口具有典型的氫致滯后斷裂形態、沿晶斷裂，心部有韌性斷裂和沿晶混合斷裂。中心楔塊上沿晶特征的產生可能由四種因素所致：過熱、過燒組織；應力腐蝕；回火脆；氫脆。斷口金相組織基本正常，斷面較干凈，未見腐蝕產物，中心楔塊在熱處理完畢到組裝后約7天內產生斷裂，具有典型的延遲開裂的特點，而回火脆一般不具備延遲開裂特性，綜合分析判定是氫脆。

中心楔塊制造工藝方案優化：模鍛后進行940℃正火，消除粗大組織；產品非加工面打磨光，減少在滲碳過程中表面氫的吸附；適當提高回火溫度，延長回火時間；產品熱處理后，室溫中停留48h以上。

通過以上工藝改進，中心楔塊滲碳后的氫脆斷裂得以消除。

鐵路貨車專用拉鉚釘

貨車制造鉚接部位原來均采用普通圓頭鉚釘加熱后進行鉚接，無法量化鉚接夾緊力，鉚接工件之間間隙不均，容易產生松動，已不適應高速重載車輛的發展需求。2005年貨車制造開始引進拉鉚釘，該產品利用虎克定律可以設置所需的鉚接作用力，實現工件間相對夾緊并保持設置的夾緊力，在高速重載車輛運行中受力均勻可靠，保證車輛運行的安全性。

拉鉚釘為冷鍛系列產品，T22鉚釘用于貨車中梁沖擊座的鉚接，T16鉚釘主要用于貨車車體的鉚接。鉚釘一般采用中碳合金結構鋼，通常選用45Mn2鋼為原材料，通過冷拉、退火、表面磷皂化處理，再冷鍛成型坯，滾或搓環槽最終成形。

實際生產過程中發現，冷鐓后蘑菇頭變形量較大的部位，最容易出現裂紋，主要與原材料的夾雜物含量和球化退火級別有關，材料入廠檢查中必須按照GB/T 10561-2005標準進行夾雜物的檢驗，保證粗系、細系夾雜物合并評級低于2.0級。

產品使用網帶爐生產線進行調質，45Mn2材質淬火加熱溫度選用850℃，回火溫度520℃。回火后直接進行余熱表面發黑，力學性能達到GB/T 3098-2004規定的10.9級的要求。

套環冷鐓后，進行再結晶退火，然后鍍鋅或達克羅處理。

結語

近年來，我國鐵路車輛的制造工藝水平有了大的提升，制造成本合理，產品質量可靠，已經站立于世界之巔。

為了滿足鐵路貨運高速重載的需要，很多零部件逐步采用“以鍛代鑄”技術，隨著鍛造工藝技術裝備發展，一些原來形狀復雜，只能采用鑄造成型的零部件，正逐步被模鍛件取代。如何進一步降低成本，提高模具壽命，降低鍛件的不良品率，減少鍛件的機加工余量和進一步提升產品綜合性能等許多方面，值得我們去繼續努力攻關。