CN109022744A - 一种高速动车组车轴表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高速动车组车轴的生产制造领域，具体说是一种高速动车组车轴表面改性方法。车轴表面通过激光淬火，组织转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织，淬火后表面耐磨层深度可达100μm～800μm，表面洛氏硬度可达70～85HR15N，车轴截面淬火层显微硬度可达390～550HV。激光淬火的工艺参数：激光淬火功率1200W～2500W，光斑扫描速率20～60mm/s，光斑直径为4mm，光斑间距为2～4mm，光斑高度为60～80mm。本发明采用激光加热，迅速使高速动车组车轴表面达到奥氏体化温度，并通过控制气体流量，保持一定的冷却速度，使车轴表面形成粒状贝氏体和马氏体的混合组织，从而起到提高表面硬度和耐磨性的作用。

Description

一种高速动车组车轴表面改性方法
技术领域
本发明涉及高速动车组车轴的生产制造领域，具体说是一种高速动车组车轴表面改性方法。
背景技术
转向架是高速动车组的重要部件，主要起到支撑动车组车体，承受并传递载荷及作用力，并通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体平动，传递牵引力和制动力的作用。其中轮对属于转向架部件之一，由一根车轴和两个相同的车轮组成，在轮轴结合处采用过盈配合，使两者牢固地结合在一起，其安全性和可靠性对整个动车组的安全运行至关重要。虽然目前车轴和车轮采用过盈配合联接，没有相对滑动，但是当动车组运行到一定里程后，就会出现微动磨损，影响车轴使用寿命。由于车轴属于全寿命周期零件，因此需要提高车轴的强度和硬度来改善微动磨损失效。而车轴在服役过程中长期受到拉压交变载荷作用，对车轴的疲劳强度、塑韧性、屈服强度有较高要求，如果提高车轴整体的强度和硬度会显著降低车轴的塑韧性，这将对车轴的安全性和可靠性产生较大风险。所以，采用表面改性的方法可以在保证原有的塑韧性和强度不变的条件下，提高车轴表面强度和硬度，增加其耐磨性，进一步提升车轴的安全可靠性。
另外，目前我国大力发展变轨距车辆，通常变轨距是通过车轮沿车轴轴向滑动来实现，在相互接触部位由原过盈配合变成花键联接，这将会造成车轴和车轮之间的滑动摩擦力增大，磨损增加，从而要求车轴表面具有更高的硬度和强度及耐磨性，所以通过车轴表面改性也可解决变轨距转向架给车轴带来的耐磨性的问题。
激光表面淬火是通过激光快速加热、快速冷却，通过改变材料组织实现改变材料性能的一种技术，同时具有热影响区小、工件变形小、可局部淬火等特点。同一金属材料用激光淬火加工工艺可以比常规的感应加热淬火提高10～20％。表面改性方法还可以采用表面渗氮、表面渗碳等工艺，但是不能实现局部处理。所以，对于高速动车组车轴，通过激光表面淬火，提高车轴表面硬度、强度和耐磨性，是较为合理的工艺。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是一种高速动车组车轴表面改性方法，利用激光淬火改善车轴表面组织，在保持车轴自身韧性和塑性不变的同时，进而提高车轴表面硬度和耐磨性能。
本发明的技术方案是：
一种高速动车组车轴表面改性方法，包括以下工艺步骤：
1)将高速动车组车轴表面进行精加工，表面喷涂SiO2吸光层，并使其干燥；
2)采用激光淬火工艺，控制激光功率、光斑直径、扫描速率、扫描间距、光斑高度工艺参数，并将气体吹到激光加热区域，控制冷却速率，使淬火层转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织；
3)如有必要，需对激光淬火后的表面进行磨光。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，高速动车组是指时速在200km/h～400km/h的动车组。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，车轴表面不限于圆面，还包括基于车轴表面加工的各种形状。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，表面改性部位要求Ra小于0.8μm。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，SiO2吸光层成分为：按重量百分比计，二氧化硅55～60％，三氧化二铝12～17％，蒙脱石9～11％，二氧化铈6～7％，其余为树脂。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，SiO2吸光层的厚度为10～25μm。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，激光淬火工艺参数为：激光输出功率：1200W～2500W，光斑直径为4mm，光斑扫描速率20～60mm/s，光斑间距为2～3mm，光斑高度为60～80mm。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，气体为惰性气体。
所述的高速动车组车轴表面改性方法，经过激光淬火后，车轴表面洛氏硬度达到70～85HR15N，车轴截面淬火层显微硬度达到390～550HV，车轴表面耐磨层深度达到100μm～800μm。
本发明的设计思想是：
本发明通过激光迅速加热，使车轴表层达到奥氏体化温度，表层组织发生重新形核和再结晶，细化原奥氏体晶粒，同时控制冷却用惰性气体流量，使表面形成的稳定温度场，进而形成粒状贝氏体和马氏体混合组织，使表层组织得到改善，提高车轴表面硬度和耐磨性。激光淬火可以实现快速加热和冷却的效果，不会改变车轴内部组织和性能，车轴变形量小，淬火后表面粗糙度较好。如有必要，可对激光淬火后的表面进行磨光。
本发明的优点及有益效果是：
本发明通过引入激光淬火，显著提高车轴表面硬度和耐磨性，同时细化车轴表面的微观组织，可保证高速动车组车轴全寿命周期服役，同时在变轨距车辆车轴制备中，通过激光淬火，提高车轴表面硬度、强度和耐磨性，可解决变轨距转向架给车轴带来的耐磨性的问题，提高车轴服役寿命，保证变轨距车轴安全可靠性。
附图说明
图1为未激光淬火车轴金相组织。
图2为未激光淬火车轴扫描电镜组织。
图3为激光淬火实施例1车轴金相组织。
图4为激光淬火实施例1车轴扫描电镜组织。
图5为激光淬火实施例1车轴扫描电镜组织。
图6为激光淬火实施例1车轴扫描电镜组织。
图7为激光淬火实施例2车轴金相组织。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明高速动车组车轴表面改性的产生方法，包括以下工艺步骤：
1)将高速动车组车轴表面进行精加工，表面改性部位要求Ra小于0.8μm；表面喷涂SiO2吸光层，并使其干燥，表面喷涂SiO2吸光层的作用是：通过吸光层吸收激光能量并向基体传输，提高激光表面淬火金属对激光能量的吸收率；其中，车轴表面不限于圆面，还包括基于车轴表面加工的各种形状，如：花键、楔槽等。
2)采用激光淬火工艺，控制激光功率、光斑直径、扫描速率、扫描间距、光斑高度工艺参数，并将惰性气体吹到激光加热区域，控制冷却速率，使淬火层转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织；
本发明所用工艺参数：激光淬火功率1200W～2500W，光斑扫描速率20～60mm/s，光斑直径为4mm，光斑间距为2～4mm，光斑高度为60～80mm。
3)车轴表面通过激光淬火后，组织转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织，车轴表面洛氏硬度可达到70～85HR15N，车轴截面淬火层显微硬度可达390～550HV，淬火后表面耐磨层深度可达100μm～800μm。
4)如有必要，需对激光淬火后的表面进行磨光。
以下结合实施案例对本工艺方法作进一步的说明，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1
本实施例中，淬火深度800μm车轴的制备过程：
1)将高速动车组车轴表面进行精加工，激光淬火处表面粗糙度为Ra0.8；使用工作台夹持变轨距车轴，表面喷涂SiO2吸光层，SiO2吸光层成分为：按重量百分比计，二氧化硅57％，三氧化二铝15％，蒙脱石10％，二氧化铈6.5％，其余为紫胶树脂，并使其干燥，SiO2吸光层的厚度为15μm。
2)调整激光头与车轴表面呈90°，设置激光输出功率为1200W，光斑直径为4mm，光斑扫描速率20mm/s，光斑间距为2.5mm，光斑高度为70mm，进行车轴表面激光淬火，并将氩气吹到激光加热区域，控制冷却速率，使淬火层转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织；
3)激光淬火后，车轴表面粗糙度Ra达到1.6μm，需要对车轴进行精磨，表面粗糙度Ra达到0.8μm。
如图1～图2所示，没有经过激光淬火的车轴组织，可以看出基体为贝氏体、铁素体和珠光体的混合组织，铁素体晶粒较为粗大，显微硬度255HV。如图3～图6所示，经过激光淬火的车轴组织：从图3可看出，淬火层(表面耐磨层)深度800μm左右，淬火层呈月牙形，与基体未淬火区分界明显，并可看出晶粒明显细化；从图4可看到，贝氏体和马氏体共存的混合组织；从图5可看到粒状贝氏体组织，从图6可看到马氏体组织。淬火层显微硬度为500HV，表面洛氏硬度为80HR15N。表面激光淬火后，车轴表面晶粒明显细化，硬度显著提升，车轴耐磨性能提高。
实施例2
本实施例中，淬火深度350μm车轴的制备过程：
1)将高速动车组车轴表面进行精加工，激光淬火处表面粗糙度Ra达到0.4μm；使用工作台夹持变轨距车轴，表面喷涂SiO2吸光层，SiO2吸光层成分为：按重量百分比计，二氧化硅57％，三氧化二铝15％，蒙脱石10％，二氧化铈6.5％，其余为紫胶树脂，并使其干燥，SiO2吸光层的厚度为20μm。
2)调整激光头与车轴表面呈90°，设置激光输出功率为1800W，光斑直径为4mm，光斑扫描速率50mm/s，光斑间距为3mm，光斑高度为70mm，进行车轴表面激光淬火，并将氩气吹到激光加热区域，控制冷却速率，使淬火层转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织；
3)激光淬火后，车轴表面粗糙度Ra达到0.8μm，满足车轴粗糙度使用条件，不用进行精磨处理。
如图7所示，可以看出淬火层(表面耐磨层)深度350μm左右，淬火层呈月牙形，与基体分界明显，晶粒细化；淬火层为粒状贝氏体和马氏体共存的混合组织，淬火层硬度显微硬为460HV，表面洛氏硬度为80HR15N。表面激光淬火后，变轨距车轴表面晶粒明显细化，硬度显著提升，车轴耐磨性能提高，通过提高光斑扫描速率，可降低淬火层深度，提高马氏体组织含量。
实施例结果表明，本发明采用激光加热，迅速使高速动车组车轴表面达到奥氏体化温度，并通过控制气体流量，保持一定的冷却速度，使车轴表面形成粒状贝氏体和马氏体的混合组织，从而起到提高表面硬度和耐磨性的作用。

Claims (9)

1.一种高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
1)将高速动车组车轴表面进行精加工，表面喷涂SiO2吸光层，并使其干燥；
2)采用激光淬火工艺，控制激光功率、光斑直径、扫描速率、扫描间距、光斑高度工艺参数，并将气体吹到激光加热区域，控制冷却速率，使淬火层转变为粒状贝氏体和马氏体混合组织；
3)如有必要，需对激光淬火后的表面进行磨光。
2.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，高速动车组是指时速在200km/h～400km/h的动车组。
3.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，车轴表面不限于圆面，还包括基于车轴表面加工的各种形状。
4.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，表面改性部位要求Ra小于0.8μm。
5.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，SiO2吸光层成分为：按重量百分比计，二氧化硅55～60％，三氧化二铝12～17％，蒙脱石9～11％，二氧化铈6～7％，其余为树脂。
6.按照权利要求1或5所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，SiO2吸光层的厚度为10～25μm。
7.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，激光淬火工艺参数为：激光输出功率：1200W～2500W，光斑直径为4mm，光斑扫描速率20～60mm/s，光斑间距为2～3mm，光斑高度为60～80mm。
8.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，气体为惰性气体。
9.按照权利要求1所述的高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于，经过激光淬火后，车轴表面洛氏硬度达到70～85HR15N，车轴截面淬火层显微硬度达到390～550HV，车轴表面耐磨层深度达到100μm～800μm。
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