提高電動機軸低溫沖擊性能的研究

丁盛

常州中車瑞泰裝備科技有限公司 江蘇常州 213000

1 序言

近年來，隨著經濟的高速發展，人們對于美好生活的愿望日益提高，軌道交通產業也越來越發達，其技術日趨成熟。地鐵、高鐵的建設劃時代地改變了人們的生活，而軌道列車制造是整個軌道交通產業中最核心的技術，直接關系著乘客生命安全，并且影響列車運行的穩定性。

牽引電動機軸在軌道交通行業被鐵道部規定為重要安全件，尤其在一些城市長期在零下幾十攝氏度的環境中運行，這就對電動機軸的性能要求更高。按照鐵道部制定的法律文件，牽引電動機軸的驗收必須得到鐵道部（現為“中國鐵路總公司”）駐常州地區的驗收室批準[1]。

用國產材料生產牽引電動機軸，可以降低成本。材料和熱處理工藝是影響牽引電動機軸質量穩定性的關鍵，與動車組的安全運行密切相關，因此研究電動機軸的熱處理工藝具有重要意義。

2 電動機軸技術要求

電動機軸主要熱處理方式為調質，材料為42CrMo鋼鍛件，按GB/T 3077—2015《合金結構鋼》執行，化學成分見表1，調質后技術要求見表2。在前期的生產試驗過程中有一項技術指標未達標，即-40℃的低溫沖擊吸收能量，調質后取樣檢測只有10～20J，遠低于35J的要求。

表1 42CrMo鋼的化學成分（質量分數）（%）

表2 電動機軸調質后力學性能技術要求

3 電動機軸熱處理

電動機軸熱處理工藝：650℃保溫2h＋870℃保溫3h后油冷＋630℃回火5h。熱處理后硬度及力學性能檢測結果見表3，金相組織為大量條狀鐵素體+索氏體，如圖1所示。

表3 電動機軸調質后力學性能及硬度

圖1 調質后金相組織

4 低溫脆性及脆性斷裂

溫度是影響金屬材料和工程結構鋼斷裂方式的重要因素之一。許多斷裂事故發生在低溫情況。這是由于溫度對工程上廣泛使用的低中強度結構鋼的性能影響很大，一般是材料的斷裂強度隨溫度的降低而減小，屈服強度會增加。這兩個函數相交于某一溫度，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，因此材料在受力時還未發生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。從微觀機制來看，低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關，若阻力增大，則材料屈服強度也相應增加，這是因為材料在塑性變形時主要依靠位錯運動來完成的。對于對稱性低的金屬合金而言，溫度降低時，位錯運動的點陣阻力增加，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加[2]。

而反映到沖擊試樣上來，隨著溫度降低，在某一溫度范圍內，缺口沖擊試樣的斷裂形式由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，韌性即沖擊吸收能量明顯下降。這種斷裂形式的轉變，通常用一個特定的轉變溫度來表示，該轉變溫度在一定意義上表征了材料抵抗低溫脆性斷裂的能力。這種隨溫度降低，材料由韌性狀態向脆性狀態轉變進而發生破壞的現象稱為低溫脆性或冷脆，發生脆性轉變的溫度稱為韌脆轉變溫度。

因此，鋼材的低溫沖擊吸收能量即是低溫脆性的表征，沖擊試樣試驗溫度在韌脆轉變溫度以下，沖擊吸收能量將顯著低于常溫下所獲得的值。

5 低溫脆性及韌脆轉變溫度影響因素

所有影響常溫下沖擊性能的因素都同時影響著材料的低溫脆性。

（1）晶體結構 對稱性低的體心立方以及密排六方金屬或合金的韌脆轉變溫度高，材料脆性斷裂趨勢明顯，塑性差；材料脆性傾向的本質是其塑性變形能力對低溫和高加載速率適應性的反映。在可用滑移系統足夠多、阻礙滑移的因素不因條件而加劇的情況下，材料將保持足夠的變形能力，而不表現出脆性斷裂，面心立方結構屬于這種情況。但是體心立方晶體結構，如鐵素體，在溫度較高時，變形能力尚好，但在低溫條件下，間隙雜質原子與位錯和晶界相互作用的強度增加，阻礙位錯運動，封鎖滑移的作用加劇，使得對變形的適應能力減弱，即表現出加載速率的敏感性[3]。

（2）化學成分 化學成分中以碳的影響最為顯著。碳是明顯促使鋼脆化的元素，隨著鋼中碳含量的增加，韌脆轉折溫度升高，沖擊性能隨溫度的變化趨于平緩。碳含量越高，鋼材的脆性破壞傾向越大。磷是引起鋼產生冷脆現象的一個元素，因為其在鋼中形成脆性很大的化合物磷化三鐵。其余一切能夠使材料硬度、強度提高的雜質或合金元素都會引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。

（3）晶粒度 細化晶粒可以同時提高材料的強度、塑性和韌性。細化晶粒提高材料韌性的原因為，細化晶粒可以使基體變形更加均勻，晶界增多可以有效的阻止裂紋的擴張，因晶界面積很大，塑性變形引起的位錯塞積也不會很大，可以防止裂紋的產生[4]。

（4）金相組織 馬氏體經高溫回火得到的索氏體組織其韌脆轉變溫度最低，脆性破壞傾向最小。細珠光體的韌脆轉變溫度比粗珠光體的低。上貝氏體的強度較高時，其韌脆轉變溫度比珠光體的還高，但回火到與珠光體的抗拉強度相同時，其韌脆轉變溫度比珠光體的低。

（5）淬火后回火溫度 回火溫度升高、硬度降低會使室溫的沖擊吸收能量增高、韌脆轉變溫度降低。回火溫度低、硬度高時，室溫和低溫的沖擊吸收能量變化不大，數值都很低。

（6）回火脆性 某些鋼經回火后，冷卻過程經過某一溫度范圍內較為緩慢，會產生回火脆性，稱為第二類回火脆性。其常溫下沖擊吸收能量下降，韌脆轉變溫度提高。

6 分析及改進

經分析，化學成分無異常，C、P含量均未超標，而42CrMo鋼不易產生第二類回火脆性[5]，且電動機軸硬度已經在要求范圍下限，通過提高回火溫度來增加低溫沖擊吸收能量也不現實。因此，主要從組織、晶體結構及晶粒度方面入手，進行改善。

組織中大量的鐵素體引起了材料的低溫脆性，為抑制調質后鐵素體的產生，由油淬改為PAG水淬，從而獲得更多的馬氏體（高溫回火后轉變為索氏體）和極少的鐵素體。索氏體的增多和鐵素體的減少，都降低了材料的韌脆轉變溫度，將大大提高低溫沖擊性能。改善晶粒度，增加正火工序，使晶粒細化，可同時提高材料的強度、塑性和韌性。

因此，重新制定工藝，增加900℃正火預處理，調質工序加熱后進入6%的PAG水溶液淬火[1]。經改進工藝后，得到的組織為索氏體，基本無鐵素體出現，如圖2所示。調質后力學性能各項指標均達標（見表4），尤其是－40℃的沖擊吸收能量達到了70～80J，遠高于35J的技術要求。

表4 改進后電動機軸調質后力學性能及硬度

圖2 工藝改進后金相組織

7 結束語

1）鋼材的低溫沖擊吸收能量即是低溫脆性的表征，沖擊試樣試驗溫度在韌脆轉變溫度以下，其沖擊吸收能量將顯著低于常溫下的沖擊吸收能量。

2）改善組織、晶體結構及晶粒度，可顯著提高42CrMo鋼的－40℃低溫沖擊性能。為保證35J的低溫沖擊吸收能量，42CrMo鋼必須經一定濃度的PAG水溶液淬火。