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摘要

根據(jù)國(guó)務(wù)院在2月印發(fā)的《;十三五現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，2011年至2020年，我國(guó)城市軌道交通新增營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到6560公里，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)城市軌道交通累計(jì)營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到7395公里。

可見(jiàn)，未來(lái)城規(guī)地鐵車輛緊固件的需求將是十分巨大的!

螺紋連接在城軌地鐵車輛中應(yīng)用十分廣泛。本文簡(jiǎn)述了城軌地鐵車輛緊固件的使用和技術(shù)研發(fā)的現(xiàn)狀，分析了車輛緊固件的使用鋼種等級(jí)的分類。根據(jù)緊固件斷裂失效而影響車輛安全運(yùn)行的問(wèn)題，對(duì)緊固件性能提出了更高的要求，展望了緊固件用鋼發(fā)展的研究前景。

螺紋連接在城軌地鐵車輛中應(yīng)用十分廣泛，是機(jī)械傳動(dòng)中必不可少的組成部分。螺紋緊固件起到聯(lián)接、定位以及密封等作用，是最常用的可拆卸連接，其中螺栓的用量最大。

隨著各類城軌地鐵車輛的大容量、大型化，以及功率轉(zhuǎn)速的不斷提高，車輛緊固件的工況條件更加苛刻，縱觀各類行車失效案例，緊固件的斷裂失效是影響城軌地鐵車輛安全運(yùn)行的巨大隱患。因此，對(duì)緊固件的性能提出了更高的要求。

1. 緊固件的使用現(xiàn)狀和技術(shù)研發(fā)

1.1 緊固件的使用現(xiàn)狀

目前，城軌地鐵車輛用緊固件普遍為8.8 級(jí)及以上高強(qiáng)度緊固件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，行走、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼連接螺栓為例，8.8 級(jí)及以上的螺栓用量約為25%，其中10.9 級(jí)及以上約為7%，極少量為12.9 級(jí)螺栓連接。底盤車廂上部采用的基本是奧氏體不銹鋼六角頭螺栓、自攻螺釘、沉頭螺釘占70% ～ 80%。

近年來(lái)，對(duì)影響城軌地鐵車輛安全運(yùn)營(yíng)的緊固件斷裂失效案例分析，涵蓋了高強(qiáng)度螺栓的疲勞斷裂、塑性斷裂、脆性斷裂三大類型。從人、機(jī)、料、法和環(huán)五大因素分析，造成螺栓斷裂失效的因素主要有以下幾種原因。

1.栓材質(zhì)不良，鋼材非金屬夾雜物嚴(yán)重，成為疲勞裂紋源;

2.螺栓制造工藝不合理，造成螺栓機(jī)械性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求或螺栓制品具有原始裂紋，使用時(shí)擴(kuò)展斷裂;

3.設(shè)計(jì)選擇的螺栓滿足國(guó)標(biāo)要求，但疲勞強(qiáng)度難以滿足實(shí)際工況需求。螺栓連接設(shè)計(jì)不科學(xué)，無(wú)法達(dá)到緊固扭矩。

1.2 緊固件的技術(shù)研發(fā)

城軌地鐵車輛每列車廂使用大量的緊固件，數(shù)量不少于15000個(gè)。當(dāng)今技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)是高強(qiáng)度化和提高品質(zhì);緊固件的高強(qiáng)度化可減輕緊固件重量和相應(yīng)部件的重量，這將是今后緊固件長(zhǎng)期的研發(fā)課題，在提高品質(zhì)方面最需要解決的問(wèn)題是防止廉價(jià)高強(qiáng)度鋼材緊固件的延遲斷裂。

1.2.1 緊固件高強(qiáng)度化

提高緊固件的強(qiáng)度，可以使緊固件減少使用數(shù)量，縮小直徑、減輕重量，但需要解決抗拉強(qiáng)度達(dá)到1100Mpa、屈強(qiáng)比大于90% 的螺栓發(fā)生延遲斷裂和疲勞斷裂的問(wèn)題。因此，高強(qiáng)度螺栓用鋼的開(kāi)發(fā)非常重要，高強(qiáng)度螺栓制造技術(shù)也要同時(shí)進(jìn)行。

1.2.2 緊固件的小型輕量化

在不損失緊固性能的前提下，對(duì)小型輕量化的緊固件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。為此，對(duì)緊固件用新材料和緊固件形狀進(jìn)行研究，同時(shí)也對(duì)難加工材料的加工方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1.2.3 緊固和防松弛技術(shù)

為使緊固件牢固地緊固在部件上，防止因松弛發(fā)生事故，對(duì)緊固技術(shù)和防松弛技術(shù)進(jìn)行研究。由于不認(rèn)真安裝緊固件導(dǎo)致緊固性能下降引發(fā)大事故的情況時(shí)有發(fā)生，所以不能掉以輕心。緊固件的容易安裝和安全使用是兩個(gè)完全不同的概念，發(fā)揮緊固件緊固作用的關(guān)鍵在于正確的安裝作業(yè)，因此必須不斷對(duì)緊固設(shè)計(jì)優(yōu)化和強(qiáng)化緊固作業(yè)的施工方法開(kāi)發(fā)。

1.2.4 新材料利用

對(duì)重要連接部位如懸掛部位、齒輪傳動(dòng)箱與牽引電機(jī)連接高強(qiáng)度螺栓，采用微合金化Cr-Mo-V、Cr-Mo-V-Nb 高強(qiáng)度冷鐓鋼等新材料，在大氣環(huán)境下使用的緊固件采用耐熱、耐腐蝕的奧氏體不銹鋼或奧氏體- 鐵素體雙相不銹鋼。

2. 緊固件的使用鋼種分類

緊固件種類繁多，有螺栓、螺釘、螺柱、螺母、自攻螺釘、木螺釘、內(nèi)螺紋滾壓螺釘、內(nèi)螺紋鎖緊螺釘和板螺釘?shù)鹊取?

按城軌地鐵車輛及其零部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，螺栓連接的分類劃分，螺栓連接失效時(shí)可能發(fā)生的危險(xiǎn)定義為三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同，對(duì)螺栓連接的尺寸、安裝和文件記錄以及安裝時(shí)所用的工具提出的要求也不相同。

三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次為：風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)H，螺栓連接發(fā)生故障失效時(shí)，可能導(dǎo)致車輛運(yùn)行危險(xiǎn)或危及人身安全。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)M ，螺栓連接發(fā)生故障失效時(shí)，可能導(dǎo)致車輛發(fā)生功能性故障。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)L，螺栓連接發(fā)生故障失效時(shí)，最多導(dǎo)致乘客或乘務(wù)員感覺(jué)不舒適。為此，對(duì)連接各部位的各類緊固件的選材十分重要。

各類機(jī)車車輛使用的標(biāo)準(zhǔn)螺栓為8.8 級(jí)，多數(shù)為ML35、45、ML35B、ML35MnB、10B28、10B33 等碳素鋼、碳硼鋼。由于碳硼鋼價(jià)格較低，原因是B 的含量很少，可以使鋼的碳當(dāng)量很低，可省略加工前的球化退火;為了加固螺栓連接，標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)在原則上僅使用高強(qiáng)度螺栓材料，這樣還可以減少所用螺栓的種類數(shù)量。正是上述原因，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中不再含有強(qiáng)度低于8 或8.8 級(jí)的材料替代。

對(duì)于重要連接部位或齒輪傳動(dòng)箱與牽引電機(jī)連接的8.8 級(jí)螺栓，采用42CrMoE、18Cr2Ni4WE、25Cr2MoVA 等合金結(jié)構(gòu)鋼。10.9 級(jí)、12.9 級(jí)螺栓必須是合金鋼制品，與8.8 級(jí)螺栓不同之處是在鋼中添加適量的Cr、Mn、Mo、Ni、B 等合金元素可明顯提高鋼的淬透性和強(qiáng)度，還可改善鋼材的固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等冶金特性，表1 為合金元素對(duì)鋼材冶金特性的影響。

鋼材通過(guò)加入少量的V、Nb 等微量元素形成彌散細(xì)小的氮化物、碳化物或氮、碳化物或氮碳混合物，可起到彌散強(qiáng)化和晶粒細(xì)化效果，而這些彌散物通過(guò)增加晶界密度和位錯(cuò)可改善高強(qiáng)度螺栓的沖擊韌度;且降低了P、S 等導(dǎo)致延遲斷裂的有害元素含量，并且在拉拔過(guò)程中使用無(wú)滲磷潤(rùn)滑涂層。12.9 級(jí)螺栓鋼中必須添加V 等碳化物析出元素俘獲鋼中氫，提高抗延遲斷裂性，使之無(wú)害化，螺栓的緊固能力進(jìn)一步提高。

鋼中合金元素含量越高，其淬透性以及強(qiáng)度也就越高，但相應(yīng)的生產(chǎn)成本也明顯增加。碳硼鋼由于合金成本方面的優(yōu)勢(shì)具有重要的發(fā)展?jié)摿Α４送猓瑹崽幚泶慊鸾橘|(zhì)的冷卻能力越大，淬硬層越深。而為了保證高強(qiáng)度螺栓在調(diào)質(zhì)淬火處理時(shí)，不產(chǎn)生明顯的熱處理變形，又要求鋼中的合金元素含量應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，且淬火介質(zhì)能力也受到一定的限制。嚴(yán)格控制碳含量及合金元素含量的波動(dòng)范圍，可以實(shí)現(xiàn)均勻的淬透性，并明顯降低熱處理變形。

如10.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓，調(diào)質(zhì)處理能大大提高材料的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸應(yīng)力、提高屈服比和沖擊韌度，使材料具有強(qiáng)度和塑韌性的良好的配合。由于疲勞強(qiáng)度、沖擊韌度的提高，在高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)時(shí)就可以采用更小的材料截面，從而減少整車的整體重量，節(jié)省零部件占用空間和能量消耗。

常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼， 在GB/T6478-2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》和GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中的ML35B、ML35MnB、18Cr2Ni4WE、40Cr、35CrMoA、42CrMoE、40CrNiMoA、35CrMoVE 等鋼只有通過(guò)調(diào)質(zhì)處理才能充分發(fā)揮合金元素的作用，不調(diào)質(zhì)就等于浪費(fèi)了寶貴的合金資源。城軌地鐵車輛緊固件等級(jí)用鋼種類見(jiàn)表2。

3. 緊固件用鋼的發(fā)展研究

3.1 潔凈低合金緊固件鋼

低合金鋼一般在中碳范圍，從合金元素來(lái)看，有Cr 系、Cr-Mo 系、Cr-Mo-V 系、Ni-Cr-Mo 系等。由表3 可看出低合金緊固件鋼的應(yīng)用范圍是很廣泛的，強(qiáng)度級(jí)別從700 ～ 1200MPa 都可選用。當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)1200MPa 時(shí)，低合金鋼制造的螺栓延遲斷裂現(xiàn)象十分突出。目前低合金鋼仍是主要的高強(qiáng)度螺栓用鋼。

從提高螺栓鋼的冷鐓性，改善鋼質(zhì)方面來(lái)講，需要盡可能降低鋼中雜質(zhì)元素含量。降低S 含量可提高鋼的變形能力，降低P 含量可降低鋼的變形抗力，同時(shí)可減少P、S 在晶界的偏聚而減輕晶界脆化。降低S 含量還可以減少鋼中的非金屬夾雜物，改善鋼的韌塑性。

因此，降低鋼中的P、S 含量不僅可以改善鋼的冷鐓性能，還可以改善鋼的耐延遲斷裂性能。實(shí)踐表明，S 含量對(duì)45 鋼出現(xiàn)裂紋的傾向有很大的影響，降低S 含量可使這種傾向大大減少，特別是當(dāng)S 含量降低到0.005% 時(shí)，效果更明顯。為此，GB/T3098.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)中，將8.8 級(jí)及以上螺栓用鋼P(yáng)、S 含量更改為0.025%max。

在高強(qiáng)度螺栓的實(shí)際生產(chǎn)及使用過(guò)程中，非金屬夾雜物的類別及形態(tài)對(duì)高強(qiáng)度螺栓的疲勞性能有著較大影響。非金屬夾雜物在鋼中主要以氧化物和硫化物的形式存在。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，高強(qiáng)度螺栓材料的非金屬夾雜物允許范圍，根據(jù)GB/T10561-2005、標(biāo)準(zhǔn)，A 類硫化物類≤ 1.5 級(jí)、B 類氧化鋁類≤ 2 級(jí)、C 類硅酸鹽類≤ 1.5 級(jí)、D 類球狀氧化物類≤ 2 級(jí)、DS 類單顆粒球狀類≤ 0.5 級(jí)。

3.2 經(jīng)濟(jì)型高強(qiáng)度緊固件鋼

隨著城軌地鐵車輛的輕量化，要求緊固件用鋼具有更高的強(qiáng)度。如標(biāo)準(zhǔn)緊固件、特殊緊固件、非標(biāo)異型件。冷鐓鋼的強(qiáng)度級(jí)別較常用的是400~1000MPa 級(jí)，現(xiàn)已提高到1000~1300MPa級(jí)，甚至要求提高到1400MPa 級(jí)以上。除強(qiáng)度外，對(duì)冷鐓鋼的其他性能也提出了較高的要求，如抗延遲破壞性能、耐蝕性、加工性能等。

3.2.1 碳硼鋼

為了增加緊固件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在提高鋼材性能和冶金質(zhì)量的同時(shí)，還要求減少生產(chǎn)成本，省略或簡(jiǎn)化工序，降低對(duì)能源的消耗。因此開(kāi)發(fā)了節(jié)約合金元素的低、中碳硼鋼。其成分設(shè)計(jì)的基本原則是降低含碳量，改善鋼的冷變形能力，加入0.0008% ～ 0.0030% 的硼，以彌補(bǔ)因降碳而造成的強(qiáng)度和淬透性的損失。另外根據(jù)需要還可加入適量Cr、Mn、Ti 等合金元素，進(jìn)一步提高淬透性。硼鋼的特點(diǎn)是由于少量硼代替大量合金元素，成本降低，碳和合金元素含量低，熱軋線材可以直接拉拔和冷鐓加工，不需要預(yù)先球化退火處理，節(jié)約了緊固件的制造成本。

碳硼鋼作為高強(qiáng)度螺栓用的主要材料之一，淬火變形和開(kāi)裂傾向小，可用水溶液淬火處理，熱處理操作簡(jiǎn)便，改善了工作環(huán)境，不僅綜合力學(xué)性能好，在相同強(qiáng)度水平下韌性較中碳鋼有明顯改善，且脫碳敏感性小。9.8 級(jí)和10.9 級(jí)螺栓用與ML40Cr 相當(dāng)?shù)腗L35MnB、10B33 硼鋼制造，由于硼鋼的抗回火軟化能力小，其回火溫度要比SCM435、ML40Cr、ML35CrMo 鋼低60~80℃，因此用碳硼鋼制造的10.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂敏感性增大。

3.2.2 微合金非調(diào)質(zhì)鋼

高強(qiáng)度螺栓用非調(diào)質(zhì)鋼主要是冷作細(xì)晶非調(diào)質(zhì)鋼，可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成形后的淬火并回火處理，且可減輕螺紋牙尖的脫碳傾向，提高螺栓成品率，經(jīng)濟(jì)效率十分明顯。非調(diào)質(zhì)鋼常用的微合金化元素有：Ti、Nb、V、B 等。在軋制前的加熱過(guò)程中應(yīng)保證微合金化元素充分固溶，隨后在控制軋制、冷卻過(guò)程中析出彌散微細(xì)的微合金化元素碳氮化物，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，得到細(xì)小的晶粒，在提高螺栓鋼強(qiáng)度的同時(shí)又能改善韌塑性。

我國(guó)使用的非調(diào)質(zhì)鋼，其組織為低碳含錳的鐵素體+珠光體型和貝氏體型，并添加有微量合金元素細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化元素;采用爐外精煉減少夾雜物并控制成分在較窄的范圍，通過(guò)控溫軋制、控溫冷卻，在鐵素體和珠光體中彌散析出碳、氮化物為強(qiáng)化相，使鋼在軋制后不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理即可獲得中碳鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后所達(dá)到的力學(xué)性能的鋼種。

MFT8、 MFT9、MFT10 非調(diào)質(zhì)鋼在冷鐓時(shí)的硬度較通常的線材高，使冷鐓復(fù)雜形狀的凸緣類螺栓時(shí)產(chǎn)生裂紋的機(jī)率較高，而且冷鐓模具壽命有所降低。因而非調(diào)質(zhì)鋼制造的螺栓主要為7T 級(jí)和8.8 級(jí)，少量10.9 級(jí)雙頭螺栓也可采用非調(diào)質(zhì)鋼制造。

為了提高螺栓的屈強(qiáng)比和去除加工應(yīng)力，需要對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行200 ～ 510℃的回火時(shí)效處理，10.9 級(jí)螺栓在200 ～ 220℃的回火處理與電鍍后的驅(qū)氫處理可同時(shí)進(jìn)行;而8.8級(jí)螺栓在350 ～ 400℃的回火處理可與著色發(fā)黑工序一道進(jìn)行。既減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，又達(dá)到節(jié)能降耗目的。

3.2.3 超細(xì)晶粒鋼

高強(qiáng)度螺栓屬于帶缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位處、桿與頭部的過(guò)渡處或螺紋根部產(chǎn)生延遲斷裂。耐延遲斷裂的具體措施之一是細(xì)化晶粒。為此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行廣泛的研究開(kāi)發(fā)超細(xì)晶粒緊固件鋼。如：日本住友金屬的ADS 系列，神戶制鐵的KNDS 系列，中國(guó)鋼鐵研究總院的ADF 系列鋼等。

研究表明，當(dāng)亞共析鋼的原奧氏體晶粒因共析鐵素體的超量析出而超細(xì)化至亞微米尺度時(shí)，隨后發(fā)生的共析相變產(chǎn)物不論具有什么樣的形態(tài)，在42CrMo 鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低S、P、Si、Mn 的含量，添加微合金元素V、Nb，并增加Mo 的含量，其綜合力學(xué)性能有較大幅度提高，使用在發(fā)動(dòng)機(jī)上13.9 ～ 14.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓，突破了最高設(shè)計(jì)只有12.9 級(jí)螺栓的限制;而國(guó)外采用KNDS2、SNCM439 鋼制造12.9 ～ 14.9 級(jí)螺栓，延遲斷裂有明顯改善。

4. 車輛緊固件的加工難點(diǎn)

在車輛緊固件標(biāo)準(zhǔn)方面，有關(guān)鐵道工務(wù)用緊固連接的標(biāo)準(zhǔn)約有30 余項(xiàng)，而有關(guān)城軌地鐵車輛用緊固連接的標(biāo)準(zhǔn)則相對(duì)較少。TB/ T32462010《機(jī)車車輛及其零部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則螺栓連接》標(biāo)準(zhǔn)，從設(shè) 計(jì)、安裝、連接等系統(tǒng)的角度對(duì)螺栓連接做了規(guī)定。但是，針對(duì)城軌地鐵車輛用緊固件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還很缺乏，目前主要只有6 項(xiàng)。

城軌地鐵車輛緊固件材料基礎(chǔ)技術(shù)研究十分薄弱，非標(biāo)準(zhǔn)緊固件無(wú)專用鋼材牌號(hào)，小批量產(chǎn)量難以達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模，且材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)混亂，基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)與行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)貧乏。只有隨之不斷積累著技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，期待城軌地鐵車輛的未來(lái)發(fā)展。

如果是車輛行走、傳動(dòng)高性能級(jí)緊固件，品質(zhì)的可靠性參差不齊， 對(duì)以自動(dòng)化裝配為主的車輛卻是重大缺失。車輛緊固件必須具備;零缺陷的要求，不良品率控制在60PPm 以下，這個(gè)指標(biāo)非常高，按照目前生產(chǎn)工藝，全過(guò)程全自動(dòng)渦流檢測(cè)篩選機(jī)或各類傳感器的研發(fā)，對(duì)缺陷和裂紋增加探傷功能自動(dòng)甄別，達(dá)到;零缺陷的終及目標(biāo)管理，可能在今后2~3 年內(nèi)會(huì)得到實(shí)現(xiàn)。但投入代價(jià)較高，普及化尚需時(shí)日。

現(xiàn)在世界上一些著名的大型緊固件生產(chǎn)企業(yè)，都有自己的專用材料、專用技術(shù)。專用材料是根據(jù)產(chǎn)品所需的成分和要求，與鋼廠聯(lián)合共同開(kāi)發(fā)研制，如日本神戶鋼廠就有針對(duì)連桿螺栓的專門冶煉SCM435 鋼。但是針對(duì)城軌地鐵車輛緊固件，尤其是車輛行走、傳動(dòng)高性能級(jí)緊固件材料至今仍然是空白。

目前車輛用高性能級(jí)緊固件最高強(qiáng)度為12.9 級(jí)，依據(jù)國(guó)外鋼材標(biāo)準(zhǔn)，借鑒歐盟DINEN10253-4： 2005《冷鐓和冷擠壓鋼線材、棒材和線材》，可以采用34CrMo4、42CrMo4、34CrNiMo6 等牌號(hào)。目前1300 MPa、1400 MPa 級(jí)螺栓短期內(nèi)很難在車輛中應(yīng)用，但材料設(shè)計(jì)思路在提高現(xiàn)有高性能級(jí)緊固件抗疲勞性能或抗延遲斷裂性能方面可以提供借鑒。

車輛行走、傳動(dòng)高性能級(jí)緊固件，使用的螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)能保證維持所施加的預(yù)緊力。軸向預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)螺紋連接產(chǎn)生不利影響。軸向預(yù)緊力過(guò)小，螺紋連接承載能力、防松性能均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;軸向預(yù)緊力過(guò)大，螺紋接觸面應(yīng)力值較大，容易引起螺紋變形、滑扣等機(jī)械損傷，降低螺紋連接可靠性。因此，為保證螺紋連接滿足連接實(shí)際工作需要，必須確定合理的軸向預(yù)緊力范圍。

車輛用高性能級(jí)緊固件的摩擦系數(shù)，主要取決于螺栓制造工藝和實(shí)際應(yīng)用時(shí)裝配工藝。我們?cè)诮?jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作實(shí)踐，10000 次臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)摩擦系數(shù)與下列因素密切相關(guān)。

①、螺紋精度。由螺紋公差帶和旋合長(zhǎng)度組成，螺紋精度是螺紋加工質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，同等條件下螺紋精度越高，摩擦系數(shù)越小。

②、緊固件表面粗糙度。包括螺紋表面粗糙度和支承面表面粗糙度，與緊固件生產(chǎn)中的冷鐓作業(yè)工藝參數(shù)、螺紋制造工藝有直接關(guān)系。

③、緊固件表面處理工藝。包括磷化、電鍍和鋅鋁涂層。受表面處理層材料類型、局部厚度、轉(zhuǎn)化工藝等因素影響，不同表面處理工藝得到的緊固件摩擦系數(shù)相差較大。

目前我國(guó)還無(wú)城軌地鐵車輛螺紋緊固件緊固扭拒的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只有汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和基礎(chǔ)理論層面的技術(shù)支撐。

5. 緊固件發(fā)展與用鋼展望

城軌地鐵車輛幾乎不采用其他緊固方法 代替螺紋連接。原因是螺紋緊固的可靠性很高，并且已經(jīng)緊固的螺紋也比較容易拆卸，即便于更換和維修。因此，提高緊固件的性能和性價(jià)比，比試圖減少或取代緊固件的探索更有意義。

螺栓緊固后不松弛和容易拆卸是兩個(gè)相反的特性。為了提高這兩個(gè)特性，應(yīng)不使螺栓銹蝕和黏結(jié)，為此多年來(lái)在提高螺紋精度、采用涂裝和表面處理技術(shù)以及改進(jìn)緊固方法等方面開(kāi)展了大量的工作。

為了提高緊固件的疲勞性能主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如在車輛的走行部位及動(dòng)力總成部位的連接螺栓，由于螺栓承受振動(dòng)沖擊載荷，不僅要具有高的強(qiáng)度，且要具有良好的疲勞性能。在結(jié)構(gòu)上需最大限度地改善螺栓連接結(jié)構(gòu)中螺紋牙角的載荷分布和應(yīng)力狀態(tài)，主要從以下三方面入手：降低螺栓所承受的應(yīng)力幅;減小螺紋牙底的應(yīng)力集中水平;改善螺紋牙角上的載荷分布。

在緊固件成本方面，材料費(fèi)占的比例最大，其次是加工費(fèi)和熱處理費(fèi)。因此，為實(shí)現(xiàn)更高的性價(jià)比，需提高緊固件用料的成材率。為此，在小規(guī)格螺栓制造中實(shí)現(xiàn)了螺栓頭部的無(wú)飛邊模鍛成型和螺紋的滾軋成型，期待將這些技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用到大規(guī)格螺栓的制造上。

在緊固件用鋼方面，城軌地鐵車輛高強(qiáng)度螺栓，因一直存在的延遲斷裂和淬透性問(wèn)題，成為影響使用的瓶頸。目前，應(yīng)改變部分關(guān)鍵緊固件依賴進(jìn)口，受制于人的被動(dòng)局面，隨著城軌地鐵車輛的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)高精度、高強(qiáng)度、高可靠性的緊固件是現(xiàn)階段的工作任務(wù)。從鋼的淬透性方面入手，開(kāi)發(fā)新型鋼種或進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，用價(jià)格低廉B、Ti 替代高價(jià)合金元素，加熱后也可以進(jìn)行充分冷卻的熱處理技術(shù)和非調(diào)質(zhì)鋼高強(qiáng)度螺栓。

在抗延遲斷裂性方面開(kāi)發(fā)出的超高強(qiáng)度螺栓用鋼，在技術(shù)上是可行的，但是價(jià)格仍然較高。研發(fā)城軌地鐵車輛12.9 級(jí)螺栓，提高緊固件用鋼的高純凈化、高均勻化以及高精細(xì)化的控制，以減少雜質(zhì)元素，降低延遲斷裂的危險(xiǎn)性。所以期待著開(kāi)發(fā)出低成本、高可靠性的新型超高強(qiáng)度緊固件用鋼。

作者：張九高，上海申通軌道交通研究咨詢有限公司

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原文刊登于金蜘蛛《緊固件》季刊第48期，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明作者和來(lái)源。