CN110964988B - 一种a3车轴钢及a3车轴及其热处理工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法，属于车轴钢的热处理工艺技术领域。针对现有技术中A3材质车轴淬透性较差且强韧性低整体性能不佳的情况下，本发明提供了一种A3车轴钢，包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％；通过锻造加热+预处理+淬火+回火方式对其进行热处理。本发明在车轴成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，同时添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性；且通过在几个热处理步骤中严格控制加热温度和保温时间使得最终车轴具有较高的强度、抗韧性能，避免淬火裂纹的产生，整体组织均匀且强韧性匹配良好，可操作性强。

Description

一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法

技术领域

本发明属于车轴钢的热处理工艺技术领域，更具体地说，涉及一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法。

背景技术

车轴作为铁道车辆的重要走行部件之一，长期在交变应力条件下使用，受力情况复杂，其质量状态与铁路运输安全密切相关。随着高铁和重载货运的高速发展，只有不断提高车轴产品质量才能满足各类铁路车辆提出的新需求。A3材质车轴为BS 5892-1：1992《铁路车辆制造材料第1部分：牵引和拖车车轴规范》所列调质态车轴，根据BS 5892-1标准的要求，热处理后车轴的主要组组织与性能指标如下表1所示：

表1A3车轴产品性能指标

该级别车轴与动车组用EA4T车轴性能要求一致，但成分体系有明显差别，其Mn含量高，在冶炼、连铸过程中，极易引起钢坯截面方向化学成分的偏聚，形成宏观偏析，对车轴组织与性能的均匀性存在严重影响。另外该材质车轴钢高温热脆性大，淬透性一般，淬火过程中容易产生淬裂的问题。相关研究表明成分偏析导致车轴微观局部区域C、Mn等元素含量偏低，钢的淬透性会变差，淬火过程中会出现先共析铁素体；大块状或网状分布的铁素体是降低塑韧性的主要原因，同时对车轴疲劳性能也会产生负面影响。

针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201810443703.X，公开日为 2018年9月28日，该专利公开了一种车轴钢的热处理方法、车轴钢以及车轴。该车轴钢的热处理方法包括：对所述车轴钢进行正火加热；对所述车轴钢进行第一次冷却；对所述车轴钢在温度介于830℃与900℃之间进行淬火加热；对所述车轴钢进行第二次冷却；对所述车轴钢在温度介于560℃与660℃之间进行回火加热；对所述车轴钢进行第三次冷却。该方法依次对车轴钢进行正火处理、淬火处理以及回火处理。该专利的不足之处在于：车轴钢内部组织粗大，在进行淬火时容易出现未溶铁素体残留。

又如中国专利申请号CN201610624530.2，公开日为2016年12月21日，该专利公开了一种高速车轴钢材料及其热处理方法，所述高速车轴钢材料包含以下成分：0.22～0.29wt％的C、0.17～0.38wt％的Si、0.53～0.77wt％的Mn、≦0.015wt％的P、≦0.010wt％的S、0.20～ 0.27wt％的Ni、0.95～1.15wt％的Cr、≦0.15wt％的Cu、0.20～0.29wt％的Mo、0.02～0.05wt％的V、0.015～0.045wt％的Al、0.01～0.03wt％的Nb、≦15PPm的O、≦1.5PPm的H，余量为Fe及其他不可避免的元素。热处理要求如下：正火加热温度为880～920℃，淬火加热温度为870～900℃、保温时间为4～9h，回火加热温度为630～660℃。该专利的不足之处在于：该车轴钢淬透性不足，腐蚀疲劳差，一次淬火未考虑低温性能，整体车轴钢的性能较差。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中A3材质车轴淬透性较差且强韧性低整体性能不佳的情况下，本发明提供了一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法。通过在车轴成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，同时添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性；且通过在几个热处理步骤中严格控制加热温度和保温时间使得最终车轴具有较高的强度、抗韧性能，避免淬火裂纹的产生，整体组织均匀且强韧性匹配良好。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种A3车轴钢，包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰 1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％，其余为铁与不可避免的杂质。

一种A3车轴，采用上述所述的车轴钢制备而成。

一种如上述所述的一种A3车轴的热处理工艺方法，包括如下步骤：

一、锻造加热：将车轴进行加热，车轴在大于1100℃温度下的加热时间T＝aL，其中a 为均热时间系数，取1.0～1.2min/mm；L为车轴的截面边长；

二、预处理：步骤一中车轴冷却至室温后将其在预处理炉内加热，加热温度为880℃～910℃，保温时间T′＝1.05D+10(CE-0.67％)，出炉冷却；其中D为车轴最大截面直径；CE为碳当量；

三、淬火：步骤二结束后，将其在淬火炉内加热，加热温度为850℃～870℃，保温时间 T″＝KD，出炉冷却；其中，K为加热时间系数，取值为1.0～1.2min/mm；

四、回火：步骤三结束后，将其放入回火炉内加热，加热温度为630℃～650℃，保温时间为淬火步骤保温时间的1.5倍，出炉冷却至室温。

更进一步的，所述步骤二和步骤四中冷却方式为风冷，步骤三中冷却方式为水冷。

更进一步的，所述步骤二中以平均10℃/min的速度进行冷却，步骤三中以平均10～12℃/s的速度进行冷却，步骤四中以平均5℃/min的速度进行冷却。

更进一步的，步骤二中冷却后车轴表面温度低于250℃，步骤三中冷却后车轴表面温度低于100℃。

更进一步的，所述预处理炉、淬火炉和回火炉均采用电阻带加热，且炉内均设置有加热区和保温区。

更进一步的，炉外在与加热区与保温区对应地方均设置有温度显示器。

更进一步的，所述步骤一中出炉目标温度为1170～1200℃，终锻温度不低于860℃。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明在车轴钢的成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，因碳是最主要的强化元素和提高淬透性元素之一，锰是脱氧脱硫的有效元素同时也是提高淬透性的元素；同时减少合金用量，采用钒微合金化以及添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性，因铬和镍均是提高钢材韧性有效的合金元素；因此整体的成分比例设置有效提高了A3车轴整体的淬透性及强韧性，整体的制造成本降低；

(2)本发明在对车轴锻造加热冷却后进行预处理加热，温度控制在880℃～910℃，保温时间根据车轴最大截面直径和碳当量进行确定消除锻造加热时车轴内部的变形应力，有效细化锻后组织，进一步均匀合金成分，且后续淬火步骤创造有利条件；因车轴截面方向成分偏析对后续热处理极为不利，因此严格控制车轴在高温加热段的时间，使得合金元素扩散能力加强，合金元素分布更均质化；

(3)本发明在淬火步骤时选加热温度为850℃～870℃区间内，保温时间则根据均热时间系数和车轴最大截面直径确定是为了考虑到淬透性以及晶粒细化，若奥氏体化温度过高，则晶粒迅速聚集长大易形成粗晶，若奥氏体化温度过低，则淬火时会出现未溶铁素体残留；保温时间过长或过短均不利于铁素体以及碳化物完全溶解和扩散，进而使得原奥氏体在淬火冷却前期发生不稳定分解，降低淬透性；

(4)本发明在回火步骤时选加热温度为630℃～650℃，保温时间为淬火步骤保温时间的 1.5倍是为了综合考虑车轴整体强度、冲击韧性以及疲劳性能，回火温度不宜过低，过低会使得车轴的强度高但是韧性低，且回火温度偏低时回火所需时间长造成能源的浪费以及生产效率较低；

(5)本发明在预处理阶段和回火阶段采用风冷的手段进行对车轴的冷却，即将热处理加热和回头加热后的钢坯送入风冷室，风冷室内设置有鼓风机，通过调节鼓风机的开度来调整冷却室内的空气流动速度进而实现冷却速度的控制，操作简单，方便及时调整；

(6)本发明所采用的预处理炉、淬火炉及回火炉均采用电阻带加热，采用电阻带的方式进行加热便于操控，且加热速度快提高热处理工艺的工作效率，加热方式环保；且每个炉内均设置有加热区和保温区，区域划分明确便于车轴的加热与保温阶段互不干扰；每个炉外在与加热区和保温区对应的地方均设置有温度显示器用于监测该区域的温度，直观反映温度，方便操作人员对炉内温度的掌控；

(7)本发明在步骤三淬火过程中将从淬火炉出来的车轴转移到淬火水槽进行冷却的转移过程控制在40s以内，防止车轴出炉温降大而产生先共析铁素体；将冷却速度控制在平均 10～12℃/s范围内避免因高温热脆性大产生淬裂的风险同时避免因冷却速率低导致原奥氏体向马氏体转变前析出大量的铁素体。

附图说明

图1为本发明的热处理工艺曲线图；

图2为本发明车轴轴颈1/2半径处金相组织；

图3为本发明车轴轴颈1/2半径处晶粒度；

图4为对比例1车轴轴颈1/2半径处金相组织；

图5为对比例1车轴轴颈1/2半径处晶粒度；

图6为对比例2车轴轴颈1/2半径处金相组织；

图7为对比例2车轴轴颈1/2半径处晶粒度。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种A3车轴钢，包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰 1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤ 0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％，其余为铁与不可避免的杂质；因EA4T车轴钢目前广泛应用于国内外地铁车和高速动车组，而本发明所述的A3车轴钢在成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，因碳是最主要的强化元素和提高淬透性元素之一，锰是脱氧脱硫的有效元素同时也是提高淬透性的元素；同时减少合金用量，采用钒微合金化以及添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性，因铬和镍均是提高钢材韧性有效的合金元素；一种A3车轴，采用上述A3车轴钢制备而成，因此整体的成分比例设置有效提高了A3材质车轴整体的淬透性及强韧性，整体的制造成本降低，并且整个A3材质车轴技术指标与EA4T车轴达到同等水平，从工业化生产的角度来看，A3材质车轴具备更好的经济效益；

一种如上述所述的A3车轴的热处理工艺方法，包括如下步骤：

一、锻造加热：将车轴进行加热，车轴在大于1100℃温度下的加热时间T＝aL，其中a 为均热时间系数，取1.0～1.2min/mm，此处a的选择根据碳当量CE确定，不同熔炼炉号的钢坯化学成分含量存在波动，根据A3车轴钢的成分由经验公式计算得出CE值在0.64％～0.73％之间，当CE值在该范围中间值偏上时a取上限，反之当CE值在该范围中间值偏下时取下限； L为车轴的截面边长，单位为mm；因车轴截面方向成分偏析对后续热处理极为不利，必须在车轴加热过程予以控制，因此在本步骤中车轴在大于1100℃温度下的加热时间由车轴截面边长与均热时间系数决定，随着加热时间的延长，合金元素分布更趋于均质化，有效减少车轴在锻造加热过程中成分偏析；

二、预处理：步骤一中车轴冷却至室温后将其在预处理炉内加热，加热温度为880℃～910℃，保温时间T′＝1.05D+10(CE-0.67％)，出炉冷却，使得冷却后车轴表面温度低于250℃；其中D为车轴最大截面直径，单位为mm；CE为碳当量；由于在锻造加热时存在变形不均匀的原因，使得锻造加热后不可避免的出现局部组织粗大，会在后续热处理过程中遗传下来，而预处理为了消除锻件内部的变形应力，细化锻后组织，进一步均匀合金成分，为后续淬火处理创造有利条件；由于奥氏体晶粒在高温状态下随时间的延长极易粗化，因此预处理的温度以及时间的选择很重要，预处理的加热温度在880℃～910℃区间内有效细化锻后组织，进一步均匀合金成分，且后续淬火步骤创造有利条件；保温时间过长原奥氏体晶粒粗化，导致后续淬火组织粗大；保温时间短，锻态成分及组织不均匀性并不能得到进一步改善，热处理后易形成混晶，因此保温时间的选择不仅与工件大小有关，同时需兼顾成分偏析带来的影响；

三、淬火：步骤二结束后，将其在淬火炉内加热，加热温度为850℃～870℃，保温时间 T″＝KD，其中，K为加热时间系数，因此时车轴已经经过预处理，所以此处K值取值偏低，一般取值为1.0～1.2min/mm；出炉冷却使得冷却后车轴表面温度低于100℃；若奥氏体化温度过高，则晶粒迅速聚集长大易形成粗晶；若奥氏体化温度过低，则淬火时会出现未溶铁素体残留，因此将淬火步骤中的加热温度选在850℃～870℃区间内；而保温时间由热时间系数和车轴最大截面直径确定，因保温时间主要以奥氏体稳定性为主，即铁素体以及碳化物完全溶解和扩散，防止原奥氏体在淬火冷却前期发生不稳定分解，降低淬透性；

四、回火：步骤三结束后，将其放入回火炉内加热，加热温度为630℃～650℃，保温时间为淬火步骤保温时间的1.5倍，出炉冷却至室温；在回火步骤时选加热温度为630℃～650℃时温度较为适宜，回火温度不宜过低，过低会使得车轴的强度高但是韧性低，且回火温度偏低时回火所需时间长造成能源的浪费以及生产效率较低；回火温度与保温时间的选择为了综合考虑车轴整体强度、冲击韧性以及疲劳性能，使其车轴整体强度较高，强韧性能较好。

本发明所述的A3车轴的制备方法除了热处理采用本发明所述的热处理工艺制作，其它制作工艺均和常规的制作车轴方法一致，因此不再详细赘述；本发明所述的A3车轴的热处理工艺方法通过严格控制每个步骤中的温度与保温时间，有效改善在锻造加热后车轴成分与组织的不均匀性，防止淬火过程缺陷遗留，避免车轴淬火开裂，减少热处理后组织中先共析铁素体，提高淬透性；避免热处理后车轴出现晶粒粗大与混晶的现象，通过该热处理工艺方法处理后的车轴轴颈1/2半径处的组织为回火索氏体和贝氏体复相组织，具有良好的强韧性匹配，使得该车轴常规力学性能均达到了BS 5892-1标准的要求，组织均匀且力学性能优良；整体显著提高该材质车轴的淬透性，避免锻件淬火开裂，同时解决了由钢坯成分偏析导致车轴热处理后组织与性能不均匀的技术难题，具有较高的使用意义。

实施例2

如图1、图2和图3所示，基本同实施例1，具体的在本实施例中，所用车轴的截面尺寸为250mm*250mm，与实施例1不同的是A3车轴钢具体质量百分含量如下：碳0.355％，硅0.325％，锰1.45％，磷0.020％，硫0.015％，铬0.25％，镍0.165％，铜0.30％，钼0.40％，钒0.04％，铝0.0275％，其余为铁与不可避免的杂质含量由经验公式算出该材质Ac1约720℃，Ac3约810℃，Ms约310℃，CE约0.67％；且锻造加热与预处理过程用环形加热炉，淬火过程用淬火炉，回火过程用回火炉，所述预处理炉、淬火炉和回火炉均采用电阻带加热，且炉内均设置有加热区和保温区；采用电阻带的方式进行加热便于操控，且加热速度快提高热处理工艺的工作效率，加热方式环保；且每个炉内均设置有加热区和保温区，区域划分明确便于车轴的加热与保温阶段互不干扰；优选的，炉外在与加热区与保温区对应地方均设置有温度显示器，便于实时监测该区域内的温度，直观反映温度，方便操作人员对炉内温度的掌控；该车轴的热处理工艺过程如下：

一、锻造加热：将车轴进行加热，车轴在大于1100℃温度下的加热时间控制在4-5个小时，并且具体的，保证车轴的出炉目标温度为1170～1200℃，终锻温度不低于860℃，减小车轴在锻造加热过程中截面成分偏析；

二、预处理：步骤一中车轴冷却至室温后将其在预处理炉内加热，加热温度为880℃±10℃，保温时间3.5h～4.5h，出炉冷却；具体的，选将锻后缓冷至室温的车轴装入预处理炉内，以近 280℃/h的速率升温至保温温度保温3.5～4.5h；然后出炉冷却；该步骤采用风冷，即将加热完的车轴送入冷却室，冷却室内设置有冷风机，将风机开度设为90％，使得车轴以平均10℃/min 的速度进行冷却，防止内部组织粗大；车轴出冷却室表面温度约160～200℃；通过调节鼓风机的开度来调整冷却室内的空气流动速度进而实现冷却速度的控制，操作简单，方便及时调整；

三、淬火：步骤二结束后，将其在淬火炉内加热，加热温度为860±10℃，保温时间3.5h～4.5h，出炉冷却；该步骤中采用水冷的方式进行冷却，冷却速率快，即将淬火加热保温完后的车轴送至淬火水槽内，在转移过程中将出炉到完全进入冷却水中的时间严格控制在40 秒以内，防止车轴出炉温降大而产生先共析铁素体；淬火水冷时间20min左右，整个淬火过程冷却水温度不超过25℃，以平均10～12℃/s的速度进行冷却，实现快速冷却使得车轴内部成分向马氏体转变，保证车轴淬透至1/2半径处，在该冷却速度范围内避免因高温热脆性大产生淬裂的风险同时避免因冷却速率低导致原奥氏体向马氏体转变前析出大量的铁素体；车轴出水后表面温度约为50～80℃；此处淬火处的冷却方式也可采用常规的油冷或空冷的冷却方式进行；

四、回火：步骤三结束后，将其放入回火炉内加热，加热温度为630℃～650℃，保温时间为5.5h～6.5h，出炉冷却至室温，此步骤中采用风冷的冷却方式，即将加热后的车轴送入冷却室，冷却室内的风机调至开度为60％，使得车轴以平均5℃/min的速度进行冷却；使其车轴整体强度较高，强韧性能较好；通过调节鼓风机的开度来调整冷却室内的空气流动速度进而实现冷却速度的控制，操作简单，方便及时调整；

如图4和图5所示，对比例1：将锻造加热后的车轴直接进入淬火过程，淬火完成在进行回火过程；如图6和图7所示，对比例2：将锻造加热后的车轴进行两次正火后，进行淬火过程，淬火过程完成后再进行回火过程；分别采取本发明所述的热处理工艺后的车轴轴颈1/2半径处、对比例1所述的热处理工艺后的车轴轴颈1/2半径处和对比例2所述的热处理工艺后的车轴轴颈1/2半径处组织进行车轴组织和力学性能检验结果，其结果如下表2所示：

表2车轴组织和力学性能检验结果

由上述表2可得知，采用本发明所述的热处理工艺方法能显著提高该材质车轴的淬透性，避免锻件淬火开裂，同时解决了由车轴成分偏析导致车轴热处理后组织与性能不均匀的技术难题，使得车轴在达到力学性能指标的情况下具有更大的韧性余量，晶粒更细小且无残余铁素体，其组织为回火索氏体和贝氏体复相组织，具有良好的强韧性；因此使得A3材质的车轴整体具有较高的力学性能，且组织性能均匀，能够替代EA4T，成为国内外地铁及高速动车组车轴用钢。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种A3车轴，采用一种包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％，其余为铁与不可避免的杂质的A3车轴钢制备而成；所述的A3车轴的热处理工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：

一、锻造加热：将车轴进行加热，车轴在大于1100℃温度下的加热时间T＝aL，其中a为均热时间系数，取1.0～1.2min/mm；L为车轴的截面边长；

二、预处理：步骤一中车轴冷却至室温后将其在预处理炉内加热，加热温度为880℃～910℃，保温时间T’＝1.05D+10(CE-0.67％)，出炉冷却；其中D为车轴最大截面直径；CE为碳当量；

三、淬火：步骤二结束后，将其在淬火炉内加热，加热温度为850℃～870℃，保温时间T”＝KD，出炉冷却；其中，K为加热时间系数，取值为1.0～1.2min/mm；

四、回火：步骤三结束后，将其放入回火炉内加热，加热温度为630℃～650℃，保温时间为淬火步骤保温时间的1.5倍，出炉冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种A3车轴，其特征在于：所述步骤二和步骤四中冷却方式为风冷，步骤三中冷却方式为水冷。

3.根据权利要求2所述的一种A3车轴，其特征在于：所述步骤二中以平均10℃/min的速度进行冷却，步骤三中以平均10～12℃/s的速度进行冷却，步骤四中以平均5℃/min的速度进行冷却。

4.根据权利要求1或2所述的一种A3车轴，其特征在于：步骤二中冷却后车轴表面温度低于250℃，步骤三中冷却后车轴表面温度低于100℃。

5.根据权利要求1所述的一种A3车轴，其特征在于：所述预处理炉、淬火炉和回火炉均采用电阻带加热，且炉内均设置有加热区和保温区。

6.根据权利要求5所述的一种A3车轴，其特征在于：炉外在与加热区与保温区对应地方均设置有温度显示器。

7.根据权利要求1所述的一种A3车轴，其特征在于：所述步骤一中出炉目标温度为1170～1200℃，终锻温度不低于860℃。

Images