淬冷烈度對車軸鋼組織結構及力學性能的影響

趙劍，柯成，覃作祥

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

車軸是機車車輛轉向架的最重要部件，軸類零件在服役的時候會受到彎曲、拉壓和扭轉等交變載荷與沖擊載荷的作用，所以，車軸材質的選擇既要保證強度，還要具有良好的韌性，這樣才能保證車軸使用的可靠性，車軸在材質上一般選取優質碳素鋼和合金鋼[1- 3].目前，車軸正在朝著高強和髙韌的方向發展.通常增加材料抗拉強度的熱處理都能提高材料的疲勞抗性，成分均勻、組織細小、無內在連續缺陷的材料疲勞性能就好.車軸的組織不均勻或狀態不良都會導致使用過程中容易發生疲勞斷裂[4].王波和劉伯玉[5]在對EA4T鋼車軸斷裂失效的研究過程中發現，EA4T鋼車軸在淬火時如果沒有淬透，回火時間不夠，就會出現粗大的粒狀組織和殘留的鐵素體，影響車軸的壽命.張昌裕等[6]在研究中發現，經過合理的熱處理后，可以改善EA4T車軸鋼的帶狀組織，有效避免了晶粒粗大及混晶的問題，強韌性得到了很大的提高.孟揚等[7]研究發現，錳硅鉻適當提高可以改善其淬透性，減少先共析鐵素體的析出，并能夠細化晶粒，進而能有效的提高鋼的疲勞強度.梁晨等[8]對EA4T鋼進行了超聲沖擊處理，表面晶粒細化明顯，表面光潔度得到提高，表面硬度也有很好的提高.趙永翔等[9]以LZ50鋼車軸為研究對象，提出了一種新的模型，可以用來描述長疲勞裂紋的擴展，很好地解決了疲勞斷裂分析時遇到的問題.魏長竹等[10]運用疲勞損傷積累理論，建立了失效概率與疲勞壽命的函數關系式，能夠很好的服從疲勞壽命對數正態分布的基本規律，他建議車軸的額定壽命最好在15年左右.潘濤等[11]在國產高速車軸的研制中發現，應重點從車軸鋼化學成分的優化、熱處理工藝控制等方面入手，提高車軸鋼的淬透性，改善車軸鋼的金相組織狀態，以獲得盡可能多的馬氏體或下貝氏體組織，從而提高車軸鋼的強韌性匹配和截面金相組織的均勻性.盡管對車軸有許多研究，但組織優化的工作較少.

在車軸的熱處理中，盡管也使用水作為冷卻介質，但由于車軸截面較大，導致因冷速不足經常導致軸中心部位形成了非馬氏體組織，甚至析出先共析鐵素體.另外，馬氏體的碳的過飽和度也是影響馬氏體性能及隨后回火過程中的碳化物析出及分布，而碳的過飽和度與淬冷烈度的關系及其對碳化物析出的影響鮮有報道.為此，本文擬選擇車軸常用鋼EA4T和35CrMo鋼為研究對象，選用多種淬火介質探索淬冷烈度對組織結構和性能的影響，以期對車軸的生產工藝提供有價值的參考.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用的EA4T、35CrMo鋼的化學成分見表1，所用鋼材為直徑Φ16的棒材，均為鍛后正火態或熱軋態.

表1 EA4T和35CrMo鋼的化學成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣熱處理

淬冷烈度表示淬火介質對工件的冷卻能力，規定以18℃靜止水的冷卻能力作為標準，定義其淬冷烈度H=1.本文所用的淬火介質和其所對應的淬冷烈度如表2.

表2 淬火介質的淬冷烈度H[12- 14]

將鋼材切成長約10 mm的圓柱.EA4T鋼試樣分為10組，置于箱式電阻爐中加熱，奧氏體化溫度為910℃，保溫時間2 400 s；將35CrMo鋼試樣分為9組，奧氏體化溫度為860℃，保溫時間2 400 s.完后取出淬入不同的冷卻介質中，按直接淬火和分級淬火兩種不同的淬火方式.

直接淬火法：將EA4T、35CrMo鋼各6組試樣分別淬入0℃過飽和的CaCl2水溶液、20℃過飽和的CaCl2水溶液、0℃3.5%NaCl水溶液、20℃3.5%NaCl水溶液、0℃水和20℃水中冷卻直至室溫.

分級淬火法：將EA4T鋼、35CrMo鋼各1組試樣先淬入過飽和的CaCl2水溶液中3 s后取出，然后淬入液氮中20 s后取出，再置于過飽和的CaCl2水溶液中冷卻至室溫.將1組先淬入過飽和的CaCl2水溶液中3 s后取出，然后放入液氮中20 s后取出，最后空冷至室溫.先淬入液氮中25 s后取出，然后淬入過飽和的CaCl2水溶液中冷卻至室溫；將EA4T鋼試樣淬入液氮中120 s后取出，然后空冷至室溫.

選取35CrMo鋼經過0℃過飽和的CaCl2水溶液、0℃水和20℃水淬火后的試樣進行回火，回火溫度分別選取530℃、600℃和650℃.

1.2.2 金相觀察

所有熱處理后的樣品去除氧化脫碳層，經砂紙磨制和機械拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐刻，在VHX- 1000型超景深顯微鏡下觀察組織.

1.2.3 點陣常數測定

點陣常數測量采用Empyrean-X射線衍射儀，利用儀器自帶的標準Si粉樣品進行標定，利用石墨器加濾波片的方法減少X射線的發散度，同時將入射及接受光欄減少為0.01°，掃描速度為0.125°/min.

2 試驗結果與分析

2.1 EA4T和35CrMo鋼的顯微組織分析

圖1為EA4T鋼加熱到910℃奧氏體化保溫40 min后，在不同的淬火介質淬火后得到的金相組織.從圖中可以看出，EA4T鋼在各淬冷烈度介質中直接淬火的組織都呈典型的板條特征，都獲得了單一的板條馬氏體組織.隨著淬火介質的淬冷烈度變化，淬火后得到的組織也有明顯的變化.淬冷烈度越大，淬火后得到的板條馬氏體越細小.但EA4T鋼在液氮+CaCl2水溶液的分級淬火中，其板條變得粗化，板條的特征不明顯，表明冷速的變化導致馬氏體形態產生變化.而在液氮中直接淬火120 s后，會有少量的碳化物析出，形成非馬氏體組織.這是因為，液氮雖然具有很高的淬冷烈度，但在淬火過程中易形成蒸汽膜而導致冷速降低，消耗了奧氏體的孕育期，形成了少量的非馬氏體組織.

(a) 0℃過飽和的CaCl2水溶液(H=3.1)

(b) 0℃NaCl水溶液(H=2.4)

(c) 20℃NaCl水溶液(H=2.2)

(d) 0℃水(H=1.1)

(e) 3 sCaCl2水溶液+液氮20 s+CaCl2水溶液

(f) 液氮25 s+ CaCl2水溶液

(g) 液氮(H=3.7)120 s

圖2為35CrMo鋼加熱到860℃奧氏體化保溫40 min后，在不同的淬火介質淬火后得到的金相組織.從圖中可以看出，淬冷烈度對35CrMo鋼組織的影響與EA4T鋼的規律基本相似，也是各淬冷烈度介質中直接淬火的組織都呈典型的板條特征，都獲得了單一的板條馬氏體組織.由于含碳量比EA4T鋼高，其板條的特征沒有EA4T的典型，條狀變短.同樣，隨著淬火介質的淬冷烈度變化，淬火后得到的馬氏體的尺寸、大小各不相同.淬冷烈度越大，淬火后得到的板條馬氏體越細小，板條束變小.

(a) 0℃過飽和的CaCl2水溶液(H=3.1) (b) 0℃ NaCl水溶液(H=2.4)

(c) 0℃ NaCl(H=2.2) (d) 20℃水(H=1)

圖2 35CrMo車軸鋼不同淬火介質處理后的金相組織

2.2 淬冷烈度對35CrMo鋼晶格常數的影響

利用X射線衍射雙峰分離法及迭代的方法對35CrMo鋼經不同淬火介質淬火后得到的馬氏體的點陣常數進行計算，其結果如表3.

表3 35CrMo鋼在不同淬火介質淬火得到馬氏體的晶格常數

試驗結果可以表明：35CrMo鋼在淬火狀態下是過飽和的固溶體，軸比c/a值比退火時的c/a值大，而且隨著淬冷烈度的增大，c/a值略有增大.在淬火狀態下，晶格常數a的大小隨著淬冷烈度的變化較小，在0.000 5～0.001 7 nm之間，在0℃過飽和的CaCl2水溶液中淬火后的a值最大，在20℃水中淬火后的a值最小；晶格常數c的大小隨著淬冷烈度的變化在0.000 5～0.003 8 nm之間，在0℃過飽和的CaCl2水溶液淬火后的c值最大，在20℃水淬火后的c值最小.通過以上分析可以得出，淬火時，35CrMo的軸比c/a值隨著淬冷烈度的增大而變大，幅度很小，但是，也能夠說明，淬冷烈度越大，在淬火過程中就會有更多的C被固溶在鐵素體的正八面體空隙中.

2.3 EA4T和35CrMo鋼的硬度分析

表4為EA4T、35CrMo鋼在不同淬火介質淬火后測得的硬度值.

表4 不同烈度的淬火介質淬火后的EA4T和35CrMo鋼的硬度值(HRC)

從表中可以看出，在相同淬冷烈度下，35CrMo鋼硬度略高于EA4T鋼的硬度，說明C對車軸鋼的硬度的大小起著決定性的作用.對于同一鋼種，在不同的淬冷烈度下，其基本的變化規律是淬火馬氏體的硬度隨著淬冷烈度增大而增大.進而印證了馬氏體的碳的過飽和度隨著淬冷烈度的增大而增加.

表5 分級淬火所得EA4T和35CrMo鋼的硬度值(HRC)

表5為EA4T和35CrMo鋼在液氮中淬火和分級淬火后的硬度值.可以看出，EA4T鋼在過飽和的CaCl2水溶液淬火后的硬度明顯高于液氮，這是因為，盡管液氮的淬冷烈度比較大，但是其熱容量較小，且淬火時，試件表面容易形成蒸汽膜，形成的蒸汽膜能夠阻礙鋼表面的熱量交換，降低冷卻速率，生成的馬氏體量較少，出現非馬氏體組織，進而顯微硬度較低.在過飽和的CaCl2水溶液和液氮的分級淬火中，由于過飽和的CaCl2水溶液和液氮的冷卻能力不同，液氮的冷卻能力較低，試件在液氮中冷卻的時候，表層會比心部生成更多的馬氏體，所以在液氮+過飽和的CaCl2水溶液的分級淬火中，表現出表面和心部的硬度不同，心部的硬度會低于表面.

2.4 淬冷烈度35CrMo車軸鋼力學性能的影響

選取35CrMo鋼經過0℃過飽和的CaCl2溶液、0℃水和20℃水淬火后進行回火，回火溫度分別選取530、600和650℃.將回火后獲得的試樣進行拉伸和沖擊試驗，結果列于表6中.

表6 回火溫度和淬冷烈度對力學性能的影響

從表中可以看出，35CrMo鋼在相同的淬火介質淬火后進行回火，抗拉強度和屈服強度隨回火溫度的升高逐漸降低，而伸長率和斷面收縮率逐漸增加；35CrMo鋼經不同淬冷烈度的淬火介質淬火后在650℃回火，其力學性能各項指標基本相同，沒有顯著差別，這表明回火鋼的力學性能主要取決于回火溫度，碳的過飽和度對回火后鋼的力學性能影響不明顯.

3 結論

(1)淬火介質的淬冷烈度越大，EA4T和35CrMo鋼在淬火后獲得的馬氏體組織就越均勻細小，硬度略有增大.液氮雖然具有很高的淬冷烈度，但在淬火過程中易形成蒸汽膜而導致冷速降低，形成少量非馬氏體組織，導致顯微硬度降低;

(2)淬火介質的淬冷烈度越大，淬火后獲得的馬氏體過飽和度越高，軸比c/a值隨著淬冷烈度的增大而變大，變化幅度較小;

(3)車軸鋼的回火鋼的力學性能主要取決于回火溫度，碳的過飽和度對回火鋼的性能影響不顯著.

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