軌道交通車(chē)輛應用越來(lái)越廣，對其要求也越來(lái)越高，例如高速運行、沿海地區運用時(shí)的防腐蝕以及為了進(jìn)一步提高性?xún)r(jià)比而降低簧下重量等，傳統金屬材料已難以滿(mǎn)足這些特殊的使用要求，急需新材料來(lái)取代。鈦合金材料的許多優(yōu)越性能很適合用于軌道交通車(chē)輛，但由于價(jià)格的原因，一直未進(jìn)行這方面的嘗試。隨著(zhù)電解法制備海綿鈦即將實(shí)現工業(yè)化，海綿鈦成本越來(lái)越低，加之我國鈦資源豐富，因此，鈦合金材料應用在軌道交通車(chē)輛的前景可期。

目前我國高速動(dòng)車(chē)組***高運行速度為350km/h（預留380km/h）。速度越高，輪軌間的動(dòng)作用力就越大，輪軌磨耗也就越嚴重，舒適性也越差。在速度不變的條件下，降低輪軌間的動(dòng)作用力行之有效的辦法就是降低車(chē)輛的軸重，這其中尤以降低簧下重量效果***為顯著(zhù)，見(jiàn)經(jīng)驗公式（1）。

垂向動(dòng)態(tài)附加載荷(1)

式中：一運行速度，km/h；a一線(xiàn)路缺陷，mm；一線(xiàn)路剛度，n/m；m一簧下部分重量，t。

軌道車(chē)輛的簧下重量對車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能有著(zhù)重要的影響，簧下部分主要包括部分電機（軸懸式機車(chē)）、輪對、齒輪箱和軸箱等。

目前在國內運用比較多的CRH3、CRH380B及CRH380BL軸重也都是17toUIC（國際鐵路聯(lián)盟）規定，車(chē)輛運行速度不小于250km/h時(shí)，軸重不大于17t。既要考慮強度和剛度要求，還要考慮低溫韌性，同時(shí)在低溫運行條件下還要考慮乘客的防寒、防凍，也就是車(chē)輛的保溫性能要好，這些都是車(chē)輛軸重的約束條件，很多零部件都經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計才使軸重達到這個(gè)設計要求，進(jìn)一步輕量化難度非常大，且潛力有限，因此，急需高強度、密度小的新材料來(lái)取代傳統材料。

鈦合金密度4.5g/cm3，為鋼密度的57％，強度與鋼相當，替換鋼材減重43％，是比強度***高的金屬材料，等強度替換鋁合金減重20％~30％；同時(shí)鈦合金材料本身具有較好的阻尼，在傳力、衰減振動(dòng)和衰減沖擊方面應該有所作為田隨著(zhù)高速動(dòng)車(chē)組在我國海南島內開(kāi)行，腐蝕問(wèn)題開(kāi)始暴露，如受電弓及其上的彈簧等。這些零部件都直接暴露在含鹽量高、濕度大的空氣中，且受電弓受流電壓為25kV，電流通過(guò)時(shí)，溫度很高，也加劇了其腐蝕速度。目前這些零部件都是由鋼材制成，成型后涂防銹漆，不能從根本上解決問(wèn)題。

因此，從鈦合金材料的性能出發(fā)，分4方面對其在軌道交通車(chē)輛上的應用進(jìn)行可行性分析和展望。

鈦合金在軌道交通車(chē)輛中的應用展望

鈦合金彈簧

與鋼彈簧比，鈦合金彈簧具有6個(gè)優(yōu)勢：(1)重量輕；(2)強度高；(3)阻尼性好；(4)工作溫度范圍廣：一50℃~300℃；(5)工作應力低；(6)耐腐蝕。

更重要的是鈦合金材料的斷裂韌性也比較合適，當以減小彈簧體積作為設計依據時(shí)，σ/G值（式中：σ一彈簧工作應力，Pa；G一材料剪切模量，Pa）可以作為選用材料的判據。鈦合金材料的剪切模量比鋼材小，因此，所需彎成的圈數比鋼質(zhì)彈簧少，這也進(jìn)一步降低了鈦合金彈簧重量。

鈦合金材料耐蝕性好、維護成本低，會(huì )延長(cháng)使用壽命。海水中電位0.09v，其在大氣、雨水、海洋中腐蝕速率為0，見(jiàn)表1。軌道交通車(chē)輛中轉向架及受電弓上的零部件絕大多數都直接暴露在外，除了涂一層防銹漆外沒(méi)有任何其他庇護，鈦合金材料的耐蝕性也比較適合用在軌道交通車(chē)輛上，尤其適合運用于沿海一帶的軌道交通車(chē)輛上。

運用現代企業(yè)管理方式及多年積累的企業(yè)文化，先后與國內外30余家知名企業(yè)建立了配套關(guān)系，如中壓電器生產(chǎn)線(xiàn)焊接組裝用翻轉工裝， 諾基亞手機生產(chǎn)線(xiàn)配套工裝夾具，鋼鐵研究總院光譜分析儀鑄鋁外殼、沖擊試驗機，北京不銹鋼異型件加工，北京不銹鋼零件加工，空氣濾芯沖壓模具。

在軌道交通車(chē)輛中，比較重要的彈簧基本都采用51crV4或制成，如高速動(dòng)車(chē)組及機車(chē)上二系彈簧等，其性能見(jiàn)表2。

圖1是用TB6鈦合金試制成的用于CRH3高速動(dòng)車(chē)組的一系簧（包括內簧和外簧），經(jīng)理論計算和檢測各項指標均符合動(dòng)車(chē)組的使用要求。以外簧為例，重量由原來(lái)鋼彈簧的32.26kg降低為鈦合金彈簧的18.29kg，減輕了43.3％。目前，鈦合金彈簧正在進(jìn)行200萬(wàn)次的疲勞試驗。因為是取代原合金鋼彈簧，不僅各向剛度（包括垂向和橫向）要與原彈簧一致，而且還要與原彈簧安裝結構完全一樣，應力也要小于原鋼彈簧，以確保使用壽命不低于原鋼彈簧，其設計難度顯然大于彈簧的新設計。

圖一：TB6鈦合金彈簧                                     圖二：ZTC4鈦合金葉輪

從文獻檢索可知，鈦合金彈簧尚未用于軌道交通車(chē)輛，但2001年就在汽車(chē)領(lǐng)域得到了成功應用。

從鈦合金彈簧試制情況看，與傳統鋼彈簧的加工工藝及流程基本相同，因此，可有效利用原有加工設備，但也有差別，如熱卷溫度及如何控制鈦合金彈簧的回彈量等?，F在***缺的是鈦合金彈簧材料的有關(guān)疲勞壽命數據，目前正著(zhù)手這方面的試驗研究。

軌道交通車(chē)輛一般按30年壽命設計，因此，像一系彈簧這些重要零部件也是按30年的設計壽命計算的，這與汽車(chē)的要求不同。

鈦合金葉輪

在-253℃~550℃溫度范圍，鈦合金具有較高的強韌性，比較適合制造內燃機車(chē)柴油機的增壓器葉輪和汽輪機葉輪，見(jiàn)表3。

圖2為ZTC4材料用真空離心澆鑄技術(shù)鑄造的葉輪。原葉輪材料為2618，材料性能滿(mǎn)足表4要求（試驗溫度23℃±5℃）。由表4可知，鈦合金ZTC4鑄造性能無(wú)論是強度、硬度還是伸長(cháng)率都完全滿(mǎn)足葉輪的性能要求。鈦合金葉輪試制后，下一步將開(kāi)展測試，尤其要進(jìn)行模擬運行工況下的疲勞試驗，以檢驗鈦合金的鑄造工藝和材料的疲勞性能。

鈦合金軸箱

在軌道交通車(chē)輛行業(yè)，把套在軸頸上連接輪對和轉向架構架或二軸車(chē)車(chē)體的部件簡(jiǎn)稱(chēng)為軸箱。其作用是把車(chē)體及構架重量和載荷傳遞給輪對，潤滑軸頸，減少摩擦，降低運行阻力。軸箱與車(chē)軸直接通過(guò)軸承相連，輪軌動(dòng)作用力由鋼軌直接傳遞給車(chē)輪、車(chē)軸后，又未經(jīng)任何衰減傳遞給軸箱，因此，軸箱重量屬典型的簧下重量，其輕量化尤其具有重要意義。

現階段我國軌道交通車(chē)輛軸箱普遍采用鑄鐵或鑄鋼，如機車(chē)軸箱采用c級鑄鋼，抗拉強度不小于620MPa，屈服強度不小于4巧MPa，伸長(cháng)率不小于22％。鈦合金與其他材料的比阻尼及屈服強度見(jiàn)表5。顯而易見(jiàn)，鈦合金材料性能優(yōu)勢突出，完全可滿(mǎn)足使用要求，但價(jià)格偏高，因此，要著(zhù)重考慮性?xún)r(jià)比。

按照等強度和等剛度設計原則，采用TH一Ti321鈦合金材料鑄造的軸箱如圖3所示，其性能滿(mǎn)足TB/T2942一1999中C級鑄鋼的技術(shù)要求，重量約為原鑄鋼軸箱的53％，有效地降低了機車(chē)的簧下重量。由于鈦合金材料鑄造性能的特點(diǎn)，鈦合金軸箱運用真空離心澆鑄技術(shù)制作完成，這與普通的鑄鐵、鑄鋼的鑄造技術(shù)大不相同，目前正在進(jìn)行疲勞試驗。預計裝車(chē)后會(huì )明顯改善機車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能，提升鐵路機車(chē)運行的安全性和舒適性。

鈦合金車(chē)鉤、緩沖器和牽引桿

目前我國貨車(chē)占車(chē)輛的絕大多數，其車(chē)鉤主要類(lèi)型為13號車(chē)鉤系列，約占95％以上，材料均為ZG25MnCrNiMoo由于車(chē)型不同，車(chē)鉤承受的拉壓力也不同，因此，各型號車(chē)鉤采用了不同的熱處理方式。13C型車(chē)鉤采用正火+回火工藝，13E和13A型車(chē)鉤均采用調質(zhì)處理工藝。用于重載牽引的巧號轉動(dòng)車(chē)鉤和17號固定車(chē)鉤的材質(zhì)同樣是ZG25MnCrNiMo，但采用淬火+回火的熱處理工藝。其材質(zhì)性能為：Rm＞827Mpa、Rp＞689MPa、伸長(cháng)率δ≥14％、斷面收縮率Ψ≥30％、Akv≥（一40℃）27J。

緩沖器能耗件材料分為摩擦、彈簧、橡膠及液壓4種，如果緩沖器本身采用鈦合金材料，不僅能承受各種縱向（即車(chē)鉤方向）載荷，且能利用鈦合金材料的阻尼特性（見(jiàn)表5）耗散一部分縱向動(dòng)載荷，這對減小列車(chē)的縱向沖擊是非常有利的。機車(chē)牽引桿有的采用25CrM04無(wú)縫鋼管，屈服極限400MPa、材料彈性模量210GPa、材料泊松比0.3、材料密度7850kg/m3。

由此可見(jiàn)采用鈦合金材料完全可滿(mǎn)足車(chē)鉤、緩沖器及牽引桿的使用要求，但成型卻是問(wèn)題，因為這些鑄件的零件尺寸都比較大，要投入新的設備?，F在的車(chē)鉤、緩沖器都是鑄造成型，牽引桿有鑄造也有鍛造的還有利用無(wú)縫鋼管制造的。因此，現階段僅僅是展望，還未開(kāi)始試制。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，成型應該不會(huì )成為限制鈦合金制成這些零件的因素。

結論

（1）軌道交通車(chē)輛發(fā)展到新階段受到各種條件的限制，采用新材料是必然的、也是迫切的，否則很難滿(mǎn)足使用要求，且這個(gè)市場(chǎng)潛力巨大。

（2）鈦合金材料的很多優(yōu)越性能都是軌道交通車(chē)輛所需的，本文4個(gè)方面的展望還只是探索，還有很多應用等待開(kāi)發(fā)，其可靠性更需得到驗證。

（3）從調研情況看，軌道交通車(chē)輛市場(chǎng)沒(méi)有壁壘，目前的限制條件就是價(jià)格，即鈦合金零部件性?xún)r(jià)比是否合適?？煞?步走：******行鈦合金材料的性能試驗及相關(guān)零部件試驗，為批量應用摸索和積累經(jīng)驗，到技術(shù)相對成熟，成本降低后再批量應用，而不是等成本降低后再投人研究。

（作者：黃志輝1    王超２   孫龍生２   周杰２

１西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力******重點(diǎn)實(shí)驗室；２沈陽(yáng)泰恒通用技術(shù)有限公司）

中國腐蝕與防護網(wǎng)是******級的腐蝕與防護專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站，由******材料環(huán)境腐蝕平臺主辦，向用戶(hù)提供公益性的專(zhuān)業(yè)數據，定制化的技術(shù)服務(wù)，知識化的科普資源，以及全方位的行業(yè)資訊。

ID：ecorr-ecorr

長(cháng)按上方二維碼識別關(guān)注

北京豐盈環(huán)蝕技術(shù)有限公司

北京豐盈環(huán)蝕技術(shù)有限公司擁有豐富的腐蝕與防護技術(shù)經(jīng)驗，融入當今******的科技知識，致力于推進(jìn)中國腐蝕與防護事業(yè)的發(fā)展。公司主營(yíng)業(yè)務(wù)包括宣揚防腐理念、開(kāi)發(fā)材料腐蝕數據、舉辦學(xué)術(shù)交流會(huì )議、研發(fā)******設備、為提供企業(yè)技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)、為企業(yè)提供廣告服務(wù)等。

中國腐蝕與防護網(wǎng)在線(xiàn)商務(wù)合作請聯(lián)系：

010-62316606

010-62345564

010-62316122

010-62345665-8280

010-62345665-8150

010-62345665-8270