國內外高速列車車軸技術綜述及展望

杜松林，汪開忠，胡芳忠

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 前 言

運營速度為200 km/h以上的輪軌系統即為高速鐵路。自1964年日本首次開行高速列車以來，經過了50余年的發展，形成了以日本新干線、歐洲TGV(法國)和ICE(德國)、中國和諧號和復興號為代表的高速列車技術，日本、歐洲、中國高速列車的最高運營速度分別為300，320和350 km/h[1, 2]。

相對于高速列車技術，高速列車車軸技術目前也分為日本、歐洲和中國三大流派。同時，日本、歐洲和中國都正在積極開發400 km/h以上高速列車技術[3, 4]。因此很有必要對目前國內外高速列車車軸技術進行對比分析，在此基礎上展望了新一代高速列車車軸技術。

2 高速列車車軸主要失效形式

車軸屬于超大型階梯狀軸對稱類零件，其最大直徑將超過200 mm，長度可達2200 mm，它與車輪通過過盈聯接組成輪對，承受機車車輛的全部重量，是鐵道車輛三大關鍵零部件之一[5, 6]。

車軸在運動中的受載狀態比較復雜，不僅承受彈簧上垂向力、制動力和車輪的反作用力，而且承受來自線路的沖擊載荷和通過曲線時橫向作用于輪緣的導向力；此外，由于同一輪對兩個車輪的滾動圓半徑不同，或曲線上軌道長度不同，均會引起附加的扭轉力矩。因此，在車軸的各配合部位，有著大小不一的軸向力、徑向力、剪切力、彎矩和扭矩等載荷的單獨作用或共同作用[7, 8]。

在實際應用中，車軸常以熱切、冷切、裂紋、尺寸超限、銹蝕、碰傷、端部螺紋損壞和焊接燒傷等形式失效。高速列車空心車軸失效可能發生的部位主要在輪座嵌鑲部、卸合槽和軸身中部。據統計，在這些失效形式中，疲勞裂紋占在役車軸失效總數的90%以上。導致疲勞裂紋的原因有：材質(鋼的純凈度、組織均勻性和性能等)不良、表面加工不良、腐蝕、微動摩擦損傷和軸身表面外來損傷等[9, 10]。常見的車軸損傷形式和裂紋出現位置及發生率如圖1所示。

圖1 車軸主要損傷形式(a)，裂紋出現位置及發生率(b)Fig.1 The main damage forms (a) and crack occurrence positions and proportion (b) of axle

高速列車車軸要保證在服役環境下，具有足夠的安全性、可靠性和長的使用壽命，這就對車軸材料提出了更高的技術要求。車軸既要輕量化，又要保證有足夠的疲勞強度，以確保在整個服役期間不因疲勞裂紋擴展而損壞，甚至切軸，所以提高車軸疲勞強度一直是各國高速車輛的研究熱點。

因此，對車軸用鋼而言，主要是保證其良好的強度、韌性及疲勞性能(特別是旋轉彎曲疲勞強度)。為了防止其軸頸部位的迅速磨損，還應具備一定的表面硬度。車軸的強度、韌性及疲勞等性能要求可以通過車軸鋼材成分優化和熱處理工藝控制兩方面來保證；與此同時，對鋼材的冶金質量、淬透性等還需提出附加要求。

3 國內外高速列車車軸技術對比分析

世界各鐵路發達國家都非常重視高速列車車軸(以下簡稱“高速車軸”)的研究工作，分別從材料、設計、生產和運行維護等方面不斷改善。由于各國的國情和技術觀點不同，選用的車軸材料也不相同，主要選材范圍為優質碳素結構鋼和合金結構鋼，目前主要牌號有歐洲的EA1N、EA4T、34CrNiMo6和30NiCrMoV12等，日本的S38C等，中國的DZ1和DZ2等。本文重點從生產工藝流程、成分-組織-性能和車軸結構設計等方面進行對比分析。

3.1 國內外高速車軸生產工藝流程

目前，國內外高速車軸多采用“軋制+鍛造+熱處理”的工藝進行生產，但歐洲、日本和中國的車軸生產工藝流程又不盡相同，具體如下。

中國和歐洲的合金鋼高速車軸加工工藝流程是[11]：電爐或轉爐冶煉→爐外精煉→連鑄或模鑄→連鑄坯或模鑄錠→車軸坯軋制→車軸坯加熱→車軸鍛造→車軸→(正火+)調質熱處理→車軸端面加工→車軸超聲波探傷→車軸外圓加工→車軸徑向超聲波探傷→內孔加工→內孔超聲波探傷→車軸端面精加工→車軸外圓精車加工→滾壓→磨削→車軸磁粉探傷→尺寸及外觀檢查→包裝。

日本碳素鋼高速車軸生產工藝流程為[12, 13]：電爐或轉爐冶煉→爐外精煉→連鑄或模鑄→連鑄坯或模鑄錠→車軸坯軋制→車軸坯加熱→車軸鍛造→調質熱處理→車軸端面加工→內孔加工→超聲波探傷→車軸外圓半精車加工→車軸表面高頻感應淬火+低溫回火→車軸外圓磨削→磁粉探傷→尺寸及外觀檢查→包裝。本文重點對澆鑄工藝和熱處理工藝進行對比。

3.1.1 澆鑄工藝對比分析

從澆鑄方式來說，歐洲主要采用模鑄工藝，日本主要采用連鑄工藝，中國既有模鑄工藝，也有連鑄工藝[14]。通過生產和檢測數據積累，將采用不同工藝生產的車軸檢測結果列于表1。通過統計數據可看出，采用模鑄工藝生產的車軸探傷報警率比連鑄工藝高。

3.1.2 車軸熱處理工藝對比分析

典型高速車軸鋼熱處理工藝見表2[15-17]。日本、中國和歐洲高速列車車軸采用鋼種不同，其熱處理工藝差別較大。日本高速車軸采用普通碳素結構鋼(S38C)，并進行表面中頻淬火熱處理，相比歐洲采用合金結構鋼并進行調質處理，日本高速車軸原材料成本低，熱處理工藝復雜，參數控制精度要求高。日本高速車軸的危險部位為輪座，為了增加輪座部位的疲勞強度，日本采用了表面感應淬火硬化措施(如圖2所示)，以進一步提高該部位的疲勞強度[15]。

表1 采用模鑄與連鑄工藝生產的車軸質量比較

表2 典型車軸鋼熱處理工藝[15-17]

中國和歐洲的高速車軸材料一般采用合金鋼(如EA4T、30NiCrMoV12等)，通過采用熱處理(正火+淬火+回火)及拋丸強化處理方法，使車軸表面形成殘余壓應力(磨削加工也能提高車軸表面壓應力)[16-18]。同時，也可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。因此，中國與歐洲高速車軸原材料成本較高，熱處理工藝相對比較簡單。

圖2 日本新干線列車車軸的表面感應淬火硬化工藝示意圖[15]Fig.2 Schematic diagram of induction hardening on the surface of axles of Shinkansen[15]

3.2 材料的化學成分-組織-性能對比分析

目前，國內外高速車軸用鋼大致可分為3類：優質碳素結構鋼、合金結構鋼和高Ni合金結構鋼。國內外典型高速車軸用鋼化學成分、組織和性能如表3和表4所示[19-27]。

3.2.1 優質碳素結構鋼

碳素結構鋼以日本的S38C為代表，成分如表3所示[19, 20]。

日本新干線上使用的兩種典型車軸為：0系實心軸和500系空心軸。其中0系實心軸的最大運行速度為210 km/h，500系空心軸的為300 km/h。為了提高輪座與軸壓配合部位的疲勞強度，這兩種軸均采用感應淬火處理來提高表面硬度。

日本新干線的高速列車，由于速度更高(200 km/h以上)，運行條件更為苛刻，對車軸可靠性的要求更高，因此采用了JIS(日本國有鐵道標準)中的S38C鋼制造。

表3 不同國家車軸用鋼化學成分[19， 20]

表4 不同國家高速車軸用鋼熱處理工藝-組織-性能對比[21-27]

Note: Microstructure of typical steel is shown in figure 3. EA4T axle is normalized at high temperature first, then tempered.

日本高速車軸在鍛造成形后先進行調質處理(調質工藝為860 ℃/油淬+550～680 ℃回火)，然后進行半精加工，在直徑方向保留1 mm的精加工余量，接著對需硬化的部位采用3 kHz感應淬火和200 ℃的回火處理。熱處理結束后，對車軸進行0.7 mm的車削和0.22 mm的半精磨以及0.08 mm的精磨，即完成整個車軸的加工成形過程。

成品車軸高頻淬火部位的硬度要求為HS 55～80，每根車軸各部位的硬度允差為最高硬度的20%以內，圓周方向的硬度允差為HS 5以內。車軸表層的殘余壓應力為588～980 MPa，深度最好為10 mm。車軸表面的組織為馬氏體，越到內部貝氏體越多，至表面下4 mm處幾乎全部是細珠光體，再向內鐵素體析出量逐漸增加，從距表面15 mm處到車軸中心均為基體原始組織[21]。

采用“調質+感應淬火+回火”的熱處理工藝后，車軸的疲勞強度可大幅度提高。例如，直徑為180 mm的車軸壓裝部位的疲勞強度由正火時的113提高到157 MPa，表面硬度、抗拉強度和沖擊韌性等其他性能也有明顯提高。

3.2.2 合金結構鋼

歐洲高速車軸材料大多采用EA4T中碳合金結構鋼，通過采用熱處理(正火+淬火+回火)強化處理方法來提高車軸的強韌性指標[22]，熱處理工藝簡單，但材料成本要高于碳素鋼。

EA4T鋼是歐洲標準(EN 13261)規定的高速鐵路車軸用鋼，我國與德國西門子公司和加拿大龐巴迪公司合作生產高速鐵路動車(CRH3和CRH1)，車軸用鋼均為此鋼種[23, 24]。EA4T鋼的顯微組織由貝氏體或退火馬氏體構成，根據ISO643標準，其晶粒度應為5級或者更細。

國外文獻絕大部分集中在對鋼的熱處理工藝和疲勞性能的研究[25, 26]。除了標準試樣，研究還對含有半橢圓裂紋和幾何形狀表面缺陷的試樣進行了彎曲試驗。結果表明，裂紋增長率與試樣的幾何形狀和載荷狀態有關；在較低的應力范圍內，還與裂紋尖端塑性有關。部分試驗結果被用于評估正在服役的車軸的剩余壽命。一般認為，傳統疲勞極限測試并不能滿足高速鐵路車軸用鋼的評估要求，同時對服役狀態下車軸的探傷檢查間隔也必須重新設計。通過對微缺口試樣的疲勞極限測試，確定微裂紋的疲勞闕值，從而利用“比例效應”分析在整個軸中由非金屬夾雜物引起的微裂紋的臨界應力，確定軸的疲勞強度。對小規模試樣的裂紋擴展試驗表明：EPFM裂紋擴展模型同樣適用于全尺寸車軸部件，這些實驗結果可以用來確定軸的探傷檢查間隔。

歐洲高速車軸材料采用EA4T合金結構鋼，整體強韌性和疲勞性能優于日系，但存在淬透性不足而導致的組織不均勻、生產工藝窗口窄、回火穩定性較差及強度指標與疲勞性能指標不匹配(如按強度指標中下限控制，會出現疲勞指標不合格問題)等諸多問題。

我國高速車軸早期主要從歐洲LUCCHINI、BVV等引進，所以國產化的高速車軸主要采用的是中合金結構鋼的成分設計思路。針對進口EA4T動車組車軸存在的諸多問題，采用優化Mn，Ni，Mo等合金元素及V，Ti，Nb等微合金化元素含量的技術思路，在保證組織細化及析出強化的前提下進一步提高了淬透性，從而獲得了均勻的組織和良好的回火穩定性，并保證了強度與疲勞性能的合理匹配，設計出具有優異綜合性能的系列動車組車軸鋼DZ1和DZ2，顯著地提高了連鑄工藝高速車軸鋼的強度、韌塑性和抗疲勞性能指標，達到了國際先進水平。目前DZ1、DZ2材質車軸已完成中國鐵路總公司裝車運行考核，處于小批量應用階段。

3.2.3 高Ni合金結構鋼

歐洲耐低溫高速車軸材料選用30NiCrMoV12高Ni合金結構鋼。30NiCrMoV12鋼中含Cr 0.60%～1.00%、Ni 2.70%～3.30%、Mo 0.40%～0.60%、V 0.08%～0.13%(質量分數)，該類鋼種有很多優點，如淬透性好、可油淬、變形小、硬度高、屈強比高和耐腐蝕性能好等，但是成本比較高[27]。

圖3 典型鋼種的微觀組織: (a)EA4T，(b)DZ2，(c)30NiCrMoV12Fig.3 Microstructures of typical steels: (a) EA4T，(b) DZ2，(c) 30NiCrMoV12

3.3 車軸結構設計

3.3.1 車軸結構設計

高速運轉下的列車安全服役是人們關心的首要問題，在高速列車安全問題上，任何一個環節出現問題，都可能造成無法估量的嚴重后果[28]。為了確保車軸安全使用，高速車軸通常采用空心的結構形式，如圖4所示。由于車軸主要承受橫向彎曲力矩作用，截面中心部分應力很小，制成空心后，對車軸強度影響很小。同時，采用空心結構形式，一方面可以實現輕量化，更主要的是使用空心車軸可以更方便地進行高精度超聲波探傷，漏探和誤判幾率可明顯減少。所以空心車軸的使用安全性比實心車軸要高。目前我國空心車軸結構參數如表5所示，常見的空心車軸的空心直徑有：Φ30 mm、Φ60 mm和Φ65 mm[29-31]。

表5 我國高速列車車軸結構參數對比[29-31]

圖4 CRH2空心車軸結構圖[34]Fig.4 Hollow axle structure of CRH2[34]

3.3.2 直徑比及過渡圓弧半徑設計

鐵路車軸的疲勞危險部位為疲勞磨損多發生的壓裝部位，如輪座、從動齒輪座和制動盤座。據統計，機車車輛86%左右的車軸在輪座靠內側處發生裂損，這是由于車軸輪座中間部分承受著最大的變曲應力，并存在擦傷、腐蝕以及由于裝配引起的應力集中，致使輪座部分疲勞載荷明顯加大[32, 33]。為了提高壓裝部位的疲勞強度，各國高速車軸在輪座、從動齒輪座及制動盤座處的直徑處，均設計得比平滑部位的要大，并增設了圓弧過渡[34](如圖4)，圓弧的半徑在各個國家均是通過疲勞試驗進行優化的(如表6)。

表6 經疲勞試驗優化的車軸尺寸[31]

從表6可以看出，ICE和TGV采用大直徑比和小半徑圓弧。這樣，高的應力集中使其小半徑圓弧成為疲勞裂紋的危險部位。相反，由于采用小直徑比和大半徑圓弧，日本高速鐵路車軸的危險部位為輪座。因此，歐洲和日本對車軸輪座表面的熱處理方式也就不一樣。

3.4 綜合比較

對日本、歐洲和中國的高速列車車軸結構、鋼材、加工工藝和組織性能的綜合比較分析列于表7，結果表明[35-37]：① 日本、歐洲和中國車軸用的是不同類型的鋼，日本是碳素結構鋼，歐洲和中國是合金結構鋼；② 軸加工的熱處理工藝路線不同，日本是采用“調質+表面感應淬火”處理，歐洲和中國則是對整支軸進行調質熱處理；兩者相比，日本車軸的熱處理工藝更難控制一些；③ 由于表面熱處理裝備的局限，日本車軸在外形設計時對整支軸的直徑變化有一定限制；④ 日本車軸的1/2處和內孔表面的顯微組織和性能較差；⑤ 歐洲和中國車軸所用原材料價格比日本車軸昂貴。

4 新一代高速車軸材料發展方向的思考

從過去30年的高速車軸材料的發展歷程來看，車軸材料有兩種發展方向，一是提高材料的合金元素(Ni，Mo和Cr等)含量，以歐洲尤其是德國為代表，先后由EA1N、EA4T直到EA7T，強度呈逐步提高的趨勢[38]；二是日本為代表的在S38C碳素結構鋼基礎上，采用整體調質+表面熱處理硬化，通過提高表面強度而不是提高整個車軸強度，因為高速車軸的疲勞失效大多數由表面開始[39]。目前，在歐洲以法國國家鐵路公司為代表，不主張繼續通過提高合金元素含量來提高材料強度，認為高合金結構鋼存在裂紋敏感性高等缺點。

中國的高速鐵路技術正在從跟跑、并跑逐步向領跑的方向發展。對于時速超過350 km的有軌高速鐵路領域，目前中國的相關研究更為超前，時速400 km及以上的高速列車車軸的研發，作為國家重點研發計劃項目已經于2017年立項，由上海交通大學、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、北京交通大學和中科院金屬研究所等單位共同參與。基于材料基因組(MGI)技術，研發生產我國具有自主知識產權的時速400 km的高速車軸，這在世界上尚無先例，沒有成功的經驗可供借鑒。我國地域遼闊，從-60 ℃的極寒地區到溫度高達45 ℃的高溫高濕的南方地區，從廣袤的平原到崇山峻嶺到茫茫戈壁，氣候和地形十分復雜。這要求我國高鐵的車軸用鋼除了具有通用性能外，還要有廣泛的適應性。

表7 3種車軸的比較[34-37]

時速400 km等級的新一代高速車軸，從載荷上看軸重在目前最大為17 t，由于彎曲疲勞以及車體結構的要求，軸的尺寸也不可能有大幅度的減小，這意味著材料需要強度指標的大幅提升。在復雜的服役條件下，新一代高速車軸材料應該具有：① 優異的性能：包括優異的超高周疲勞性能(108循環周次，疲勞強度RfL≥350 MPa)、良好的低溫沖擊韌性(韌脆轉變溫度≤-80 ℃，應用于高寒地帶)和高耐蝕性能(應用于沿海地區)。② 高度的可靠性：包括材料無缺陷、高可靠性和低裂紋敏感性。③ 生產和運行的經濟性：包括材料的生產成本低、減輕車輛重量和使用過程中免或少檢修。

通過DZ1和DZ2的研究及生產實踐，設想新一代高速車軸的材料設計方向為：① 應用MGI技術平臺，優化化學成分和熱處理工藝，節約材料研發成本和周期。通過Nb和V的復合微合金化，研究與材料相適應的熱處理工藝，進行多尺度復雜相的調控，達到晶粒細化，提高車軸材料的強韌性。② 開發新型表面強化處理技術。如超聲滾壓強化、激光強化、表面滲層強化、深冷強化、表面熱處理及其組合技術等。③ 應用智能制造技術，建立可靠的質量控制技術和體系，以保證產品的質量穩定性。

5 結 語

隨著我國標準化動車組的研制及高速鐵路“走出去”戰略的實施，我國的高速列車研究需要具備國際視野。與高速列車配套的相關產業也需要從更開闊的視野、用更前沿的技術去追趕、引領整個行業。隨著我國科技自主創新能力的增強，我國在高速列車車軸技術方面取得了長足進步。但與國外相比還存在不足，應加強對產品研發基礎數據的積累、提高產權保護意識、緊追前沿科技，為高速新型列車的研制提供材料保障，確保我國高速列車技術在未來幾十年具備足夠的國際競爭力。