摘要：本文結合戚墅堰所及部分軌道交通鑄造單位多年生產軌道機車車輛關鍵鑄件的經驗，緊密跟蹤目前鑄造行業最新技術的發展趨勢，簡述了軌道交通機車車輛鑄造技術的創新與應用，并對未來的發展方向進行了闡述和展望。
　　關鍵字：軌道交通  鑄造技術  創新  展望
　　在中國經濟步入新常態的大背景下，鑄件整體需求增速趨穩。但近年來，隨著國家對鐵路行業投資的不斷加大及“四縱四橫”、“一帶一路”戰略的實施，軌道交通行業正迎來快速發展的機遇期。鑄造作為機械工業的基礎，對軌道交通行業的發展至關重要。根據2015年最新統計，軌道交通行業鑄件占鑄件總量5.2%，并且年需求增長9%，這正是對軌道交通行業快速發展的體現。軌道交通領域鑄件有其自身特點，技術要求高，以中、小件為主，多數非大批量生產，同時鑄造材質及鑄造方式多種多樣。由于軌道交通近年來高速、重載發展的需要，產品的技術要求越來越高，其中的關鍵鑄件質量直接關系到行車安全，因此鑄造技術的創新及應用是鑄件品質持續提升的關鍵。南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司作為國內軌道交通關鍵零部件供應商自成立起，即以材料工藝研究為基礎，以產品為導向，不斷研究并應用新材料、新工藝，開發并生產了諸多軌道交通關鍵鑄件和新材料。鑄鋼方面，早在80年代初期，便開始著手研究鑄鋼材料及產品開發，成功開發B、B+、C、D、E級鋼等系列鋼種，并廣泛應用于搖枕、側架、車鉤、鉤尾框、夾鉗等零件，為鐵路提速和行車安全做出了重要貢獻；鑄鐵方面，240單體鑄造活塞環獲得1978年的全國科學大會獎，80年代初研制出高磷鑄鐵閘瓦，后續又開發出蠕墨鑄鐵制動盤、低溫球鐵活塞、電機端蓋、齒輪箱等高端裝備鑄件，目前，已掌握各種球墨鑄鐵的生產技術，創造了巨大的社會和經濟效益；鑄鋁方面，自1996年開始進行高強度鑄造Al-Si合金材料制備工藝研究，并廣泛應用于各型號齒輪箱的生產,先后研制了“藍箭”高速動力車齒輪箱體、HXD1C機車齒輪箱、烏車齒輪箱、哈車齒輪箱、上海地鐵齒輪箱、HXD1D機車齒輪箱、CRH380A/B動車齒輪箱、CRH6動車齒輪箱，產品種類已完全覆蓋高鐵、動車、城軌、機車整個軌道交通領域，使我公司生產的齒輪傳動系統在中國高鐵、動車、城軌市場占有率達30%以上，為中國軌道交通行業鑄造技術的創新與發展做出了應有的貢獻。
　　1 軌道交通機車車輛用關鍵鑄鋼件技術
　　鑄鋼件在軌道交通機車車輛關鍵零部件中占很大一部分比例，尤其是貨運列車占了50%以上的比例。因此，機車車輛鑄鋼件質量的好壞，直接影響我國鐵路運輸的安全可靠性，并且也制約了我國軌道交通發展的速度。機車車輛鑄鋼件采用新技術、新工藝，提高鑄件質量，必將對我國鐵路運輸事業快速發展積極的推動作用。
　　1.1鑄造合金鋼精煉技術
　　軌道交通關鍵鑄鋼件，采用的牌號主要為符合美國AAR M201標準的A～E級鋼或國標的碳素鋼，主要為低合金高強度鑄鋼。鐵路高速重載機車車輛的關鍵、核心部件大多為鑄鋼產品（如車鉤、制動盤、搖枕、側架等）。隨著鐵路高速重載技術的深入發展，對鐵路鑄鋼產品的質量、性能提出了更高的要求。如對鋼中氧[O]含量和夾雜物進行了嚴格規定。鐵路關鍵鑄鋼件冶金質量的好壞，鋼水中有害夾雜物不但影響鋼的斷裂韌性，還對鋼的低、中、高周疲勞性能均產生重大影響[1]。
　　當前以美國、德國、日本為代表的發達國家，其鑄鋼的冶煉幾乎全部采用爐外精煉技術。國內也有一些大型專業鑄鋼企業采用該技術，但大多是用于不銹鋼鑄件或有特殊要求的合金結構鋼鑄件的生產[2-3]。通過精煉技術提高鑄鋼件質量是鐵路鑄鋼件生產發展的必然趨勢，偏心底出鋼電弧爐的留鋼留渣操作，可實現無渣出鋼，鋼流短且呈直線狀，為精煉爐提供優質鋼液。LF爐、VOD/VD爐精煉具有精確控制鋼水成分和澆注溫度，采用喂絲吹氬工藝，降低鋼中[O]、[N]、[P]、[S]含量，降低鋼中夾雜物含量和改變夾雜物形態等。鋼水冶煉工序主要工藝流程為：EBT電弧爐初煉（降碳、去磷、去氣）——出鋼（控渣、初調成分）——LF爐、VOD/VD爐精煉（升溫、造渣脫硫、成分微調）——喂線（軟吹）——熱裝塞桿——引流澆注[4]。
　　鋼水化學成分在出鋼時粗合金化過程中達到鋼種規格下限，在精煉爐中微調到中限，補加合金的準確稱量和氬氣的充分攪拌，逐步將成分調到理想數值。脫氧、脫硫、合金化完成后，喂絲吹氬并調整鋁含量，鋁含量可控制在較小范圍內。某種鑄鋼件化學成分標準見表1，隨機抽取的鑄鋼件化學成分如表2，隨機抽取的鑄鋼件[O]、[N]及夾雜物如表3。

　　1.2整體芯技術[5]
　　搖枕、側架是鐵路貨車轉向架的關鍵零部件，搖枕、側架采用整體砂芯工藝，實現內腔關鍵部位平順無披縫、臺階、裂紋，提高壁厚和尺寸精度，減少砂眼、芯撐等缺陷。搖枕、側架整體砂芯，如圖1所示
　　消除了分體砂芯帶來的內腔裂紋、臺階、芯撐熔合不良、壁厚不均等質量缺陷和安全隱患。整體芯B+級鋼搖枕、側架內腔質量，如圖2所示。提高了鑄件尺寸精度，有利于提高轉向架的運行性能和安全可靠性。批量生產的搖枕、側架，如圖3 所示。進一步優化了鑄造工藝，提高了內部密實度。采用機器手下芯減少了人為因素的影響，大大提高了產品質量的穩定性，并改善了勞動條件。
　　整體芯B+級鋼搖枕在組合載荷試驗條件下，完成規定循環次數后，再加大載荷20％繼續試驗，所有整體芯B+級鋼全部通過了120萬次試驗；按上述試驗方法，試生產的轉K6搖枕極限循環次數達184萬次，轉K5搖枕累計達200萬次無裂紋；比原工藝和原材質提高60～80萬次，并遠遠高于AAR等標準；整體芯B+級鋼側架完成規定循環次數后，加大試驗載荷40％繼續試驗，累計達到50萬次均無裂紋。
　　當前，我國搖枕、側架的制造技術正在朝著高質量、高效益、低消耗、低污染的良性循環方向快速發展，以整體芯B+級鋼搖枕、側架制造技術為標志的我國搖枕、側架整體制造技術和產品質量水平，已達到世界領先水平。
　　2 軌道交通鑄造鋁合金成型技術
　　鋁合金由于密度小、比強度高、耐蝕性好,在現代交通運輸業、航空航天和機電等工業領域得到了廣泛應用。目前，日本、法國和德國已先后在高速列車上采用了鑄造高強度鋁合金齒輪箱體，軌道交通領域鑄造鋁合金材料工藝研究方興未艾。
　　2.1 鑄造Al-Si合金材料工藝研究
　　目前國內外軌道交通齒輪箱廣泛使用的材質為ZL101A（對應EN1706中AlSi7Mg0.3），
　　戚墅堰所對此合金進行了系統的基礎研究。除了室溫條件下的拉伸性能實驗外，還測定了不同環境溫度下AlSi7Mg合金的力學性能。隨著溫度的提高，AlSi7Mg材料的抗拉強度，屈服強度具有不斷降低的趨勢。在-40℃～100℃范圍內拉伸變形，隨著溫度的不斷提高，合金的屈服點和抗拉強度緩慢降低，然而塑性顯著提高。AlSi7Mg材料的疲勞性能對齒輪箱的疲勞壽命與可靠性也具有較大的參考價值。通過對AlSi7Mg合金的拉壓與旋壓疲勞性能進行了研究，結果表明在軸向加載條件下，應力比R=-1，未失效試樣終止試驗的循環數=105次。根據升降法測得疲勞極限為159.2MPa。在旋轉彎曲加載條件下，Kt=1，未失效試樣終止試驗的循環數N=107次，測得合金的旋轉彎曲疲勞極限≥88MPa。我們還對AlSi7Mg材料的成型特性參數進行了研究，主要是與鑄造工藝性密切相關的流動性、熱裂傾向和收縮率，為鑄造工藝的設計提供了依據。
　　鋁合金熔煉方面，采用國內某大型鋁廠提供的ZL101A錠進行熔煉，通過AlSr10變質劑加入含量不同對比變質效果，研究表明Sr加入量在0.03-0.05%有良好的變質效果。通過加入AlTi5B，進行晶粒細化以提高材料力學性能。由于AlSi7Mg溶液有嚴重的吸氣傾向，利用高純氬氣并采取旋轉噴吹對鋁液進行精煉除氣，對熔煉后的鋁液進行含氣量測量，保證鋁液純凈。
　　2.2鋁合金低壓鑄造技術
　　目前日本、德國應用的高鐵鋁合金齒輪箱多采用重力砂型鑄造，但對國內鋁合金鑄造來說，低壓及壓鑄發展迅速，戚墅堰所一直采用低壓砂型鑄造。與重力鑄造相比，低壓鑄造充型平穩飛濺少、凝固補縮效率高。經過多年探索，相繼成功開發出CRH6、HXD1D、HXD1C、哈車、CRH380A、CRH380B等型號齒輪箱，產品種類已完全覆蓋高鐵、動車、城軌、機車整個軌道交通領域，有力的支撐公司齒輪傳動系統板塊的快速發展，使我公司生產的齒輪傳動系統在中國高鐵、動車、城軌市場上的占有份額達30%以上。目前，為進一步提高高鐵動車齒輪箱的的形位尺寸精度和內、外表面質量，正在進行齒輪箱低壓金屬型鑄造技術研究，已成功試制出CRH380A箱體樣件。
　　3．軌道交通鑄鐵件關鍵技術
　　軌道交通鑄鐵件主要有活塞及活塞環、柴油機機體、制動盤、齒輪箱、抱軸箱、制動零件等等，當前相關材料工藝研究主要集中在以下方面：
　　3.1超低溫高韌性球墨鑄鐵件的生產技術
　　為適應部分寒冷地區的惡劣自然條件，普通的球墨鑄鐵件已難以滿足設計需求。某些鑄件，例如轉向架軸箱、齒輪箱等都普遍要求-40℃甚至-60℃的沖擊值達到12J。目前，國內僅少數生產單位能夠穩定生產出-40℃的低溫球鐵件，其主要途徑為，采用優質高純生鐵等原材料、輔以特定的熔煉工藝等來獲得高品質的原鐵水，并嚴格限制有害元素含量，強化過程控制。
　　3.2高端鑄鐵件的生產技術
　　軌道交通鑄鐵件對于產品的內、外部質量要求較高，普遍的標準是DIN1690-S2-RV2，即磁粉探傷滿足EN 1369中規定的2級，射線探傷滿足ASTM規定的2級，這對鐵水的熔煉質量以及工藝設計提出了較高要求，蓋包球化、喂絲球化等環境友好型球化處理技術是國外發達工業國家常見的球化處理方法，但國內應用較少，可進行研究推廣；多次孕育處理、隨流孕育，鐵水預處理等技術，是獲得高端鑄鐵件不可或缺的手段，將會得到更多、更好的應用；與此同時，各類球化劑、孕育劑等鑄輔材料的應用也將更加專業化。同時，鑄件外觀質量、尺寸精度要求也不斷攀升，比普通鑄件要高1-2級，模具制作、造型、制芯、涂料、清理、打磨等工序需要更加嚴格控制，采用自動化靜壓線造型、各類冷、熱芯盒制芯，流涂、浸涂，自動打磨機等新裝備、新技術得到越來越多的應用。
　　4.鑄造模擬仿真技術
　　軌道交通關鍵零部件如連接系統車鉤、緩沖器、傳動系統齒輪箱、制動系統夾鉗、大型關鍵零部件柴油機機體、轉向架搖枕和側架等大多使用鑄造方式進行生產，其質量好壞直接關系到機車的安全性。為生產高質量、高精度的鑄件，目前工藝設計人員普遍先采用鑄造模擬仿真技術預測鑄件可能產生的鑄造缺陷，再在模擬仿真結果基礎上進行工藝優化和試驗驗證，縮短開發周期并快速獲得合格鑄件。
　　戚墅堰所等企業主要采用MAGMAsoft軟件進行模擬仿真，涉及的鑄造方式主要包括砂型鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造、離心鑄造和金屬型鑄造等，鑄造過程數值模擬流程如圖4所示。

　　圖4鑄造過程數值模擬流程
　　搖枕和側架均屬于大型鑄件，型號眾多，年消耗量大，南車集團公司內部有南方匯通公司、長江公司及戚墅堰公司等生產各種不同型號的搖枕和側架。在某機型車的搖枕和側架開發過程中，戚墅堰所分別采用了ProCAST軟件和MAGMAsoft軟件進行模擬分析和對比。圖5和圖6分別為基于ProCAST軟件和MAGMAsoft軟件對側架鑄件易出現縮孔縮松缺陷部位的模擬結果，從圖5和圖6中對比分析可知，三個易出現縮孔縮松缺陷的部位中，兩軟件預測的縮孔縮松缺陷的大小和位置基本相同。經對出現缺陷部位進行工藝改進后，缺陷得到了消除，縮短了開發周期，為實際生產提供了可靠性依據，滿足了客戶的交貨時間要求。
　　動車組車鉤屬箱形結構，鑄件壁薄，主要壁厚只有12mm，厚大部位超過40mm，壁厚相差懸殊，而且內部有多個空腔，容易產生縮孔縮松和澆不足現象。如圖7所示的原設計工藝中解鉤桿上部筋交際處、后腰部位和鉤舌腔有明顯的縮孔縮松缺陷。通過模擬仿真進行工藝改進后，缺陷基本得到消除，如圖8所示，且由原來的一模一件改為一模兩件后工藝出品率提高了10%以上，成品率超過96%。同時原方案生產的中間鉤鑄件進行拉噸試驗時，在拉力為110噸時發生斷裂，對工藝優化后生產的鑄件進行拉力試驗的噸位達到171噸，優質的鑄件質量確保了該產品使用可靠性以及行車安全。
　　制動夾鉗鑄件結構復雜，壁厚相差很大，最薄處為10mm，最厚處為66.5mm，鑄造難度大。圖9所示的原工藝方案中在圓環區域兩側的區域存在大面積的縮孔、縮松，經對工藝改進后，圓環形區域兩側出現縮孔的缺陷較之以前有所減少，如圖10所示。將優化后的鑄造工藝方案應用于實際生產中，能夠提高鑄件的成品率，提高了近10%，確保了產品使用可靠性以及行車安全。
　　鑄造模擬仿真技術在軌道交通關鍵零部件中的應用較廣泛，取得了較好的效果，尤其在關鍵零部件中的國產化、鑄造質量改進和縮短開發周期等方面起到了較好的作用，確保了產品使用可靠性以及行車安全，對滿足和促進鐵路高速重載的發展有重大的意義。此外，國外引進關鍵零部件鑄件價格昂貴，國產化后生產成本低廉，可節約成本近80％，創造了大量的經濟效益和社會效益。
　　5．發展趨勢展望
　　5.1 3D打印技術
　　3D打印技術近年來發展迅速，并得到越來越廣泛的應用，其在新產品開發、復雜結構制造、傳統工藝難以加工以及個性化定制等方面具有傳統工藝不具備的優勢，具有較強的市場應用前景，目前該項技術在航空航天，醫療、汽車、文化創意、設計等領域得到了較大程度的應用。3D打印技術根據所用的設備、成形材料及成形制件等特點基本可以歸結為6種基本方法，即熔融沉積制造（FDM）、光固化（SLA）、實體疊層制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、三維噴涂粘接（3DP）、金屬直接增材制造等。
　　3D打印技術為傳統鑄造行業提供了快速制造鑄型、型芯的技術手段，給鑄造行業帶來了新的發展機遇。3D打印技術與傳統鑄造技術的結合，能夠迅速的實現從設計到產品的過程，減少中間環節，加快產品開發周期，降低成本，尤其適合單件新產品試制或者小批量結構復雜鑄件的生產，如結合選擇性激光燒結成型SLS技術的快速砂型鑄造已經成為目前發動機樣件試制的最常用和最有效的方法。目前利用SLS技術快速制造鑄件的工藝路線主要有兩種：一種是直接燒結覆膜砂或者陶瓷粉，制造砂型或者砂芯用于重力或低壓鑄造；另一種是燒結高分子塑料或者石蠟材料，通過熔模鑄造的方法快速制造金屬零件。隨著3D打印設備及耗材的技術進步，必將對鑄造模具制造、復雜砂型和砂芯、蠟模、消失模等成型帶來深刻的變革。
　　5.2 智能技術
　　近年來，隨著產業升級及勞動力成本的上升，智能機器人及自動化設備正迅速應用于各行各業。在鑄造領域，目前自動化的造型、澆注生產線早已屢見不鮮，機器手臂在下芯、合箱、澆注、切割澆冒口及去毛刺等各工序也已得到廣泛應用，自動化技術使得傳統鑄造正在向綠色鑄造、智能鑄造加速轉變。此外，鑄造模擬仿真技術在缺陷的預測方面也更加全面、可靠，并從傳統的分析縮松缺陷，擴大到分析夾渣、裂紋、冷隔等外部缺陷方面，甚至能預測金相組織及力學性能，最終對產品的使用性能做出評價。相信在不久的將來，鑄造將真正由經驗型向智慧型轉變，鑄件質量也可以得到穩定的有效控制。
　　5.3 鑄鋼、鑄鐵新材料研究及應用
　　由于產品使用要求的不斷提高，鑄鋼、鑄鐵新材料開發及應用需求更加廣泛。結合具體
　　產品，針對目前貨用車鉤鉤體及鉤舌裂損慣性質量問題，需重點開發高強韌鑄鋼材料及制造工藝研究；針對工程機械耐磨鑄鋼件如耙板、搗鎬等耐磨件耐磨性偏低的特點，亟需開展新型高耐磨高韌性鑄鋼材料技術攻關，開發新型高耐磨鑄鋼材料，提高磨耗產品的耐磨性及服役壽命；針對動車組鑄鋼制動盤及其它關鍵鑄鋼零部件對鑄件本體夾雜物及氣體含量要求較低的現狀，開展中頻爐鋼水凈化技術及高純凈鋼材料制備工藝研究，降低鋼水中的氣體及夾雜物含量，提高鋼水品質，保證產品內在質量和性能。
　　新型鑄鐵材料及工藝開發方面，開展新型鑄鐵材料及制造工藝的開發，發展新型高性能球墨鑄鐵材料，拓寬其應用范圍；開發新型耐低溫高性能球鐵材料及制造工藝，提高耐低溫球鐵件的服役性能，拓寬其應用領域；合金化是提高鑄鐵性能的重要手段，通過合理調整Si，Mn，Cu，Ni，Mo等合金元素的成分，可以生產出綜合力學性能優異的各類鑄鐵件，例如生產出高強度高塑性的QT550-10、QT600-7材料，也可以顯著提高鑄鐵件的使用壽命，如提高蠕鐵制動盤的耐磨性和韌性；研究各種合金化鑄鐵的力學性能及使用性能，既擴大了鑄鐵材料的應用范圍，也為代替各種軌道交通鑄鋼件提供了基礎支撐。
　　5.4鋁合金材料工藝發展趨勢
　　5.4.1 Al-Cu系合金
　　鑄造鋁合金除Al-Si系外，還有Al-Mg、Al-Zn和Al-Cu系鑄造合金，Al-Mg系鑄造鋁合金室溫強度雖高，但高溫性能較差，鑄造工藝性也不如Al-Si系合金。Al-Cu合金是典型的高強韌鑄造鋁合金，合金強度高，塑性、韌性較好，同時兼具較高的熱穩定性，適于高溫下使用的鑄件，但鑄造性能普遍較差，易發生熱裂。目前已工業化應用的高強韌鋁合金（Rm≥400MPa，A≥8%）幾乎全是Al-Cu系合金。國內研制的ZL205A（AiCu4Ti）合金，抗拉強度可達510MPa，延伸率可達13%，是目前強度最高的鑄造鋁合金。ZL205A合金可以實現以鋁代鋼，以鑄代鍛，制作高難度的優質鑄件。
　　隨著軌道交通裝備朝著高速、節能、安全、舒適的方向發展，對鑄造鋁合金產品的性能和質量提出了更高的要求，在輕量化的同時越來越追求合金的高強度和延伸率。然而由于鑄造工藝性能較差，高強韌鑄造Al-Cu系合金在軌道交通領域的應用還幾乎是空白，未來需要在提高Al-Cu系合金材料的鑄造性能和新的鑄造工藝技術兩方面取得突破。
　　5.4.2 鋁基復合材料
　　早在60年代初期,即開始了對鋁基復合材料的研究。初期研究主要是針對鋁合金基體和增強顆粒、增強纖維的復合,研究復合材料各方面的性能。復合材料的性能較原基體鋁合金在強度、剛性、耐熱、耐腐性等方面均有大幅度的提高。鋁基復合材料具有高的比強度、比剛度和優良的高溫力學性能以及低的膨脹系數和優良的耐磨性,在軌道交通、航空、航天、汽車等工業領域具有十分廣泛的應用前景,是當前金屬基復合材料研究的熱點,也是鑄造鋁合金發展的新方向。用鋁合金復合材料制作的軌道交通用的剎車制動盤,可減重50%～60%,減小了慣性力,增大了制動加速度,提高了導熱速度,減小了磨損,從而改善了制動盤的性能。目前戚墅堰所正在開展軌道交通用鋁基復合材料制動盤的研究。
　　5.4.3 真空差壓鑄造
　　真空差壓鑄造是一種在低壓鑄造方法上改進的先進鑄造方法，使金屬液在可調壓力下充型及凝固，故具有一系列有利于獲得優質鑄件的因素：能消除鑄件氣孔、縮孔、縮松等缺陷；改善鑄件表面的粗糙度；明顯減少大型復雜鑄件凝固時的熱裂傾向；補縮能力是低壓鑄造的4～5 倍；而且可減少凝固時間20%~25%，相應地也減少了凝固期內的變質衰退現象，而且其晶粒也有所細化。真空差壓鑄造目前其工程化應用對象還局限于航空類鋁合金鑄件，但隨著這項技術的進一步成熟，成本進一步降低，其應用領域擴展到軌道交通鋁合金齒輪箱體成型方面將勢在必行。
　　6結束語
　　在新技術、新裝備、新材料、新工藝的不斷發展和升級下，鑄造正快速得由傳統的高能耗工業，向綠色鑄造、智能鑄造轉變。軌道交通的快速發展推動了相關技術在本領域的創新和應用，取得了較好的效果，產品使用可靠性以及行車安全系數不斷提高，對滿足和促進鐵路高速重載的發展有重大的意義，同時也創造了大量的經濟效益和社會效益。