35Cr MoA電力機車車軸熱處理工藝的研究與應(yīng)用

陳 寧，張銀鳳，孫曉庭

（1 常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164；

2 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116021）

35Cr MoA電力機車車軸熱處理工藝的研究與應(yīng)用

陳 寧1，張銀鳳2，孫曉庭2

（1 常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164；

2 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116021）

選用電渣鋼35Cr Mo A作為某型機車車軸材料，通過對其熱處理工藝的研究，按照優(yōu)化的調(diào)質(zhì)處理工藝，使車軸的金相組織和性能達到了最佳。采用專用工裝，使車軸調(diào)質(zhì)后具有最小變形，滿足了機加工要求。35Cr Mo A機車車軸的試制成功，滿足了大功率高速重載機車的需求。

35Cr Mo A；機車車軸；調(diào)質(zhì)處理

車軸是高速鐵路機車車輛承受動載荷的關(guān)鍵零件，受力狀態(tài)復(fù)雜，主要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭復(fù)合載荷，還受到一定的沖擊載荷。因此，車軸用鋼應(yīng)具有良好的強度，特別是彎扭復(fù)合疲勞強度及韌性。車軸材料是決定車軸使用壽命和可靠性的關(guān)鍵之一，因此許多國家都非常重視對車軸材料的開發(fā)。依據(jù)國內(nèi)外車軸用鋼標(biāo)準(zhǔn)，車軸材料一般分為兩大類，即碳鋼和合金鋼。依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路采用合金鋼車軸，常選用25Cr Mo4、30Cr Ni3、30Cr Mo A、34Cr NiMo6鋼等。由于各國的國情不同，技術(shù)觀點不同，選用的車軸材料也不盡相同，但都屬于含碳量較低的鋼種。車軸用鋼的含碳量一般為0.30%～0.45%，再加入適量的合金元素。Cr、Ni、Mo等是車軸鋼的主要合金化元素。過去機車車軸常采用Jz鋼或50鋼，熱處理工藝比較成熟。而機車車軸采用35Cr Mo A合金鋼材料，TB/T 3093－2004《鐵路機車用合金鋼車軸軸坯訂貨技術(shù)條件》對原材料提出了較高的要求，國內(nèi)各特殊鋼廠難以達到。同時設(shè)計師對成品車軸力學(xué)性能也提出了較高要求。因此研制機車35Cr Mo A合金鋼車軸熱處理工藝，就迫在眉睫。

1 車軸技術(shù)要求

某電力機車的運行速度較高，車軸承載較大的扭矩，力學(xué)性能的要求較高。表1為該型電力機車車軸性能要求。采用材料為35Cr Mo A，其主要化學(xué)成分見表2。

2 原材料的復(fù)驗

合金鋼車軸根據(jù)TB/T 3093－2004要求，做大試樣（140 mm×140 mm）性能復(fù)驗，由于TB/T 3093－2004對原材料沖擊性能要求過高，同時又有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗熱處理工藝限制，反復(fù)多次皆不合格。由于生產(chǎn)急需，根據(jù)撫順鋼鐵公司原材料狀態(tài)，增加一遍正火工序，挽救這批材料。通過正火細(xì)化晶粒，然后按標(biāo)準(zhǔn)工藝熱處理，沖擊性能勉強合格（見表3）。

3 工藝試驗

該電力機車車軸技術(shù)條件要求車軸力學(xué)性能試驗用試樣應(yīng)取自車軸一端延長體，在車軸端部距表面1/2 R處取樣。所以采用φ180 mm×200 mm規(guī)格試樣，與車軸延長線直徑相同，與車軸同工藝的鍛造試樣。

淬火加熱設(shè)備為RT2－360－9型臺車爐，回火采用RT2－270－6型臺車回火爐。根據(jù)35Cr Mo A材質(zhì)淬火加熱溫度應(yīng)選在820～850℃，但考慮到試樣尺寸及淬火過程，暫定試驗淬火加熱溫度850～860℃，加熱后油冷。回火選用580℃、590℃、600℃、620℃、640℃、650℃進行試驗，然后按照技術(shù)條件進行相應(yīng)項目的檢測，性能檢測結(jié)果見表4，金相檢驗結(jié)果見圖1～圖4。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，除沖擊值外，各性能指標(biāo)基本滿足要求，表明通過改變回火溫度很難使沖擊值達到技術(shù)要求。

分析原因如下：

（1）材料的沖擊值決定于材料的組織。一般回火索氏體的沖擊韌性最高，貝氏體次之，而回火馬氏體最差。對于疲勞強度則是貝氏體、回火馬氏體最好，回火索氏體次之。而淬火組織中由于加熱或保溫不足，使其殘留有未溶解的鐵素體或熱處理不當(dāng)存在過多的殘余奧氏體，將使疲勞極限下降。

（2）雖然35Cr Mo A回火穩(wěn)定性由于加入了Mo元素顯著提高。但是，由于車軸屬于大件，若是回火后不快冷，有可能出現(xiàn)回火脆性。所以，回火后油冷或水冷，能夠提高工件的沖擊值指標(biāo)。

（3）材料的原始組織對最終組織有遺傳性影響，若材料的原始組織和成分不均勻，淬火及其回火組織也會表現(xiàn)出不均勻的特征，特別是鋼材中碳元素發(fā)生偏析時，會導(dǎo)致材料內(nèi)部組織中存在貧碳區(qū)，在淬火和回火過程中該區(qū)組織特征仍會保留，即碳含量仍會過低，極易生成鐵素體區(qū)。為使組織均勻化，對材料進行了2次正火和高溫長時間奧氏體化可以有效的改善。

因此，在后續(xù)的試驗中通過對試樣進行一次正火處理，在調(diào)質(zhì)的高溫回火后進行水冷處理。檢測結(jié)果表明，可以使性能指標(biāo)完全滿足技術(shù)條件要求。檢測指標(biāo)見表5。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

（1）35Cr Mo A電爐鋼材料車軸的熱處理試驗

將優(yōu)化的熱處理工藝應(yīng)用于車軸實際生產(chǎn)中，首批生產(chǎn)12根車軸，全部一次達到圖紙力學(xué)性能要求。但在探傷時發(fā)現(xiàn)10根車軸存在發(fā)紋，對其中最嚴(yán)重的進行檢測，發(fā)紋深2.1 mm，發(fā)紋處夾雜物3級，無法使用。

（2）35Cr Mo A電渣重熔材料車軸的熱處理試驗

由于車軸試制過程中存在的原材料性能不達標(biāo)、出現(xiàn)發(fā)紋等問題，改用電渣重熔材料，并對鍛造比提出一定要求。按優(yōu)化調(diào)質(zhì)工藝進行試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

結(jié)果表明，采用電渣重熔的35Cr Mo A進行車軸加工，其性能完全可以滿足要求，其沖擊性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)文件的相應(yīng)要求。

在此基礎(chǔ)上，對熱處理工藝進行進一步優(yōu)化，然后應(yīng)用于車軸產(chǎn)品生產(chǎn)上，全部一次達到圖紙技術(shù)要求。檢測結(jié)果見表7。

（3）熱處理變形的控制

由于車軸在臺車爐內(nèi)加熱調(diào)質(zhì)，工件水平放置，在加熱過程中及淬火時難免出現(xiàn)變形。初步估計變形量應(yīng)該在10 mm以上。淬火工裝表面不平對變形也有影響。最初將加工留量確定為17～20mm。經(jīng)過多爐次車軸加工變形量的跟蹤，車軸在調(diào)質(zhì)過程中的變形量基本上在12～15 mm之間，以12 mm左右為多。為了降低淬火工裝及工件幾何尺寸對變形量的影響，設(shè)計了防變形工裝，使車軸平放于防變形工裝之上，淬火時工裝與工件同時入油中進行冷卻。通過用防變形工裝調(diào)質(zhì)的車軸，其變形量基本可以控制在6～9 mm之內(nèi)，檢測結(jié)果見表7，效果顯著。

5 結(jié) 論

（1）選用電渣鋼35Cr Mo A作為電力機車車軸材料，采用優(yōu)化調(diào)質(zhì)工藝（淬火加回火），可大大提高車軸的沖擊韌性，從而使車軸各項力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。每臺車6根車軸，共生產(chǎn)了43臺份機車車軸，成品探傷無裂紋，均已裝車，滿足了該型機車的生產(chǎn)急需。而電爐鋼35Cr Mo A即使對原材料進行一次正火預(yù)備熱處理，再采用同樣的淬、回火工藝處理，車軸仍因夾雜物的存在而產(chǎn)生發(fā)紋。說明電渣鋼35Cr Mo A可以作為我國鐵路發(fā)展之需的首選高速機車車軸用鋼。

（2）通過設(shè)計并采用適宜的防變形工裝，車軸完全可以采用臺車爐水平放置進行調(diào)質(zhì)處理，從而簡化了操作，提高生產(chǎn)效率。

［1］ 劉署榮.電力機車車軸熱處理工藝的研究［J］.電力機車與城軌車輛，2005，28（6）：25-30.

［2］ 李桂仙.高速鐵路車軸材質(zhì)的優(yōu)化選擇［J］.鐵路采購與物流，2008，（2）：34-35.

［3］ 安繼儒，劉耀恒.熱處理工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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［5］ 崔 崑.鋼鐵材料及有色金屬材料［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1984.

Research and Application of 35Cr MoA Electric Locomotive Axle Heat Treatment Process

CHEN Ning1，ZH ANG Yinfeng2，SUN Xiaoting2
（1 Changzhou Institude of Mechatronic Technology，Changzhou 213164 Jiangsu，China；2 Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，CNR Group，Dalian 116021 Liaoning，China）

The electroslag 35Cr MoA steel is selected as a certain type of locomotive axle material，and the microstructure and properties of the axle can achieve the best through the study of heat treatment process and the optimization of hardening and tempering process.Using specialized equipment and tooling，the quenched and tempered axle has the minimum deformation which can satisfy the requirements of machining.The successful trial-production of 35Cr MoA locomotive axle can meet the needs of high power high speed heavy locomotive.

35Cr Mo A；locomotive axle；hardening and tempering

U264.331＋.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.11

1008－7842（2014）06－0047－03

?）女，高級工程師（

2014－05－04）