CN112080625A - 一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺、高铁车轴及其生产方法 - Google Patents

一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺、高铁车轴及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺、高铁车轴及其生产方法，成分：C0.26％‑0.29％、Si0.25％‑0.35％、Mn0.62％‑0.82％、P痕量‑0.010％、S痕量‑0.010％、Cr0.95％‑1.18％、Mo0.22％‑0.28％、Ni0.60％‑1.40％、V0.020‑0.060％、Al0.015％‑0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。车轴经正火+淬火+高温回火热处理后，全长进行表面感应淬火和低温回火，车轴表面硬度≥650HV，表面残余压应力超过‑800MPa，疲劳强度超过860MPa，满足时速≥400公里高铁运行要求。

Description

一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺、高铁车轴及 其生产方法
技术领域
本发明属于高铁车轴技术领域，尤其涉及一种高疲劳寿命、时速≥400公里高铁车轴用钢表面感应淬火工艺。
背景技术
车轴属于超大型阶梯状轴对称类零件，其最大直径超过200mm，长度可达2320mm，它与车轮通过过盈联接组成轮对，承受机车车辆的全部重量，是铁道车辆三大关键零部件之一。重载化和高速化是高速列车重点发展方向，车轴作为单体最重的关键运动部件，提高疲劳性能是车轴钢研发永恒的主题。
由于各国的国情不同，技术观点不同，选用的车轴材料不尽相同。从国外的高速铁路运输实践看，应用碳素钢和低碳合金钢车轴都是可行的，但各有利弊。
2010年10月13日公开的中国专利CN101857914A公开了一种高速铁路客车用25CrMo合金钢空心车轴材料的热处理方法，通过预处理+淬火+回火能够使车轴性能满足时速200-350公里列车的需求。但该专利所采用的材料及工艺不能满足时速大于350公里列车需求。
2010年2月17日公开的中国专利CN101649387A公开了一种车轴的热处理方法，采用混合液淬火+回火的工艺能够使42CrMo车轴满足铁路机车车轴要求。本专利适用于车速较低的列车，且车轴的抗拉强度不能满足高速列车的需要。
2018年5月4日公开的中国专利CN107988563A公开了一种细晶粒超高强韧性车轴钢及其热处理方法，指出通过两次淬火+回火的工艺能够使车轴的抗拉强度保持在1000MPa左右，晶粒尺寸约11μm。该专利采用两次淬火将增加能耗，不具有经济性，尽管材料的强韧性得到提升，但缺少疲劳性能，不能直接应用于时速400公里的高铁车轴。国内对车轴钢的热处理工艺研究仅为常规热处理工艺，缺乏新型热处理工艺。
欧洲高铁车轴采用合金钢整体调质来保证车轴疲劳性能，而日本高铁车轴则采用碳素钢表面感应淬火处理的方式来保证车轴疲劳性能。日本新干线通过对S38C进行表面感应淬火，淬硬层深度4mm，表面硬度≥500HV，疲劳强度提高30％以上，目前最高时速可达320公里。碳素钢强韧性偏低，轴身尺寸较大，而合金钢强韧性匹配较好，车轴尺寸相对较小，但若进一步提高疲劳性能，需加大车轴尺寸或提高合金含量。通过提高合金含量将会增加材料成本，不具有经济性。
随着轨道交通事业尤其是沿海高铁建设的迅猛发展，对高铁车轴的性能提出了更高要求，目前我国高铁车轴的研究虽然有一定的积累，但目前仅能满足时速≤350公里列车的要求，对于高疲劳寿命、时速≥400公里的高铁车轴的热处理工艺的研究几乎空白，急需开发时速≥400公里，具有更高疲劳强度的高铁车轴的热处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，通过本发明设计优化的感应淬火工艺，车轴表面硬度≥650HV，表面残余压应力超过-800MPa，疲劳强度超过860MPa，较未进行表面感应淬火车轴试样疲劳强度(428MPa)提高超过101％。
本发明另一目的在于提供一种高铁车轴的生产方法，车轴经“正火+淬火+高温回火”热处理后，利用上述感应淬火工艺进行处理，使车轴能够用于时速≥400公里高铁运行。
本发明最后一个目的在于提供一种高铁车轴，通过设计优化的成分，利用上述生产方法生产得到。
本发明具体技术方案如下：
一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，包括以下步骤：
1)表面感应淬火时，淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置；最大程度降低车轴淬火过程中因自重产生的弯曲变形；
2)加热感应器与喷水线圈沿车轴纵向进行匀速轴向移动；
3)表面感应淬火时，淬火机床需带动车轴自转；
4)喷水线圈应设置多排不同角度；
5)淬火及喷水从下向上进行；
6)感应淬火设备的电流频率按下式进行选择：15000/H2<f<250000/H2，其中f为电流频率，单位：Hz，H为淬硬层深度，单位：mm。
步骤1)具体为：将最大直径为226mm、长度达2320mm的高铁车轴用钢进行全长表面感应淬火，淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置以减少车轴淬火过程中的变形；
步骤2)中，加热感应器与喷水线圈沿车轴纵向进行匀速轴向移动，移动速度可根据淬硬层深度要求进行连续调节，轮座部位淬火移动速度100-240mm/min；加热感应器与喷水线圈可沿水平方向微调，以保证车轴处于线圈正中位置。
进一步的，步骤2)中，因车轴为阶梯式结构，轮座与轴身直径差较大，连续加热过程中加热感应器很难保证加热温度均匀一致，为尽可能使车轴各部位加热均匀，加热感应器移动速度需进行分段控制，轴身部位、过渡部位和轮座部位应采用不同的淬火移动速度，直径较小的轴身部位和过渡部位因距加热感应器较远，加热温度偏低，淬火移动速度需相应减缓以保证加热效果，根据轮座与轴身位置直径差值以及实际淬火情况，轴身部位淬火移动速度减缓至80-180mm/min，过渡部位淬火移动速度减缓至90-210mm/min；
步骤3)中，淬火机床带动车轴以0～60r/min自转以保证车轴加热和冷却均匀。
步骤4)中喷嘴与车轴下端夹角范围为90°-150°，可根据轴型不同进行适当调整，以保证车轴R角过渡处冷却良好均匀。优选的，喷水线圈设置3-5排。
步骤5)中，淬火及喷水需从下向上进行，并保证合适的水压及喷水时间；水压0.20-0.30MPa，喷水时间以保证充分冷却为宜，冷却后温度＜100℃；
步骤6)中感应加热过程中电流透入深度与电流频率成反比关系，因此电流频率的选择需与淬硬层深度要求相匹配。感应淬火设备的电流频率按下式进行选择：15000/H2<f<250000/H2，其中f为电流频率(单位：Hz)，H为淬硬层深度(单位：mm)。
另外电流频率的选择与零件直径也有一定关系，车轴为大尺寸零件，在进行电流频率选择时以中下限频率为宜，电流频率选择1000～3000Hz，淬硬层深度4～10mm。因车轴的淬硬层深度需破轴检验方可确定，实际生产过程中车轴目标淬硬层深度往往需要大量试验方可确定，为降低试验次数及试验成本，车轴的淬硬层深度H(单位：mm)可用下式进行估算：H＝kPTt/v,其中k为与钢种、淬火频率、零件直径及热处理状态有关的常数，取值范围4×10-4-6×10-4(单位：mm2/(kW·℃·s·min))，具体数值需根据实际试验结果进行相应调节，T为加热温度(单位：℃)、t为加热时间(单位：s)、P为加热功率(单位：kW)，v为车轴轮座部分淬火速度(单位mm/min)。
一种高铁车轴的生产方法，采用上述时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺进行生产，包括以下工艺流程：车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→表面感应淬火→低温回火→外圆磨削。
因车轴属于超大型阶梯状轴对称类零件，尺寸较大，目前欧洲高铁车轴和国内高铁车轴均采用对强韧性匹配较好、淬透性较高的合金钢进行整体调质的方式来保证车轴疲劳性能，但目前国内外合金钢高铁车轴仅适用于时速≤350km高铁。本发明中合金钢具有较强的淬透性，经整体正火+淬火+高温回火热处理后可得到较为均匀的回火索氏体组织，在感应淬火加热过程中易于得到成分均匀的奥氏体，经表面感应淬火后转变为均匀的马氏体组织，从而在车轴表层形成高硬度淬硬层，大大提高车轴疲劳性能，可适用于时速≥400公里高铁。
所述热处理包括正火、淬火和高温回火。
所述正火：加热至890-920℃，保温4-6h后空冷至400℃以下；
所述淬火：将正火之后的高铁车轴加热至880-910℃，保温4-6h后水冷至100℃以下；水温15-30℃；
所述回火：将淬火之后的高铁车轴加热至600-660℃，保温6-8h后空冷至100℃以下；
表面感应淬火后加热至150-250℃保温2-4h后空冷至80℃以下(低温回火)以消除内应力。
回火完成后对车轴表面进行精磨。
本发明提供的一种高铁车轴，采用上述生产方法生产得到，所述车轴包括以下质量百分比化学成分：C 0.26％-0.29％、Si 0.25％-0.35％、Mn 0.62％-0.82％、P痕量-0.010％、S痕量-0.010％、Cr 0.95％-1.18％、Mo 0.22％-0.28％、Ni 0.60％-1.40％、V0.020-0.060％、Al 0.015％-0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明车轴经“正火+淬火+高温回火”预处理后，得到均匀的回火索氏体组织，在感应淬火加热过程中易于得到成分均匀的奥氏体，经表面感应淬火后转变为均匀的马氏体组织，从而在车轴表层形成高硬度淬硬层(表面硬度≥650HV)，表层硬度和强度大幅提高，提高了试样表面塑性畸变抗力，同时在车轴表面形成残余压应力，近表面残余压应力超过-800MPa，大大降低了试样表层所承受的有效拉应力，显著提高了表层的耐久极限应力；另外，因感应淬火加热时，相变温度高，奥氏体形核率大且没有充分时间长大，使得淬硬层奥氏体实际晶粒尺寸远远细于基体部分晶粒尺寸，表层晶粒尺寸得到显著细化，基体组织晶粒度为8.0-8.5级，经表面强化后表层晶粒度为12.0级；有助于提高疲劳性能(疲劳强度≥860MPa)，较未进行表面感应淬火车轴试样疲劳强度(426MPa)提高超过102％。
附图说明
图1是实施例1生产的车轴表面显微组织(500×)；
图2是对比例1生产的车轴表面显微组织(500×)。
具体实施方式
以下的实施例用于阐述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。
实施例1
一种高铁车轴的生产方法，采用表面感应淬火工艺进行生产，包括以下工艺流程：车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→表面感应淬火→低温回火→外圆磨削。
实施例1所述的高铁车轴化学成分重量百分比：见表1。表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
表1实施例与对比例化学成分(单位：wt％)
Figure BDA0002701366820000041
在生产过程中，所述热处理包括正火、淬火和高温回火。
所述正火：加热至890-920℃，保温4-6h后空冷至400℃以下；
所述淬火：将正火之后的高铁车轴加热至880-910℃，保温4-6h后水冷(水温15-30℃)至100℃以下；
所述回火：将淬火之后的高铁车轴加热至600-660℃，保温6-8h后空冷至100℃以下；
实施例1具体热处理工艺参数见下表2。
表2实施例与对比例热处理工艺
Figure BDA0002701366820000051
实施例1热处理后车轴钢力学性能检验结果见表3。
表3实施例与对比例力学性能
Figure BDA0002701366820000052
上述热处理后的车轴经过车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→表面感应淬火→低温回火→外圆磨削。表面感应淬火具体为：
1)将最大直径为226mm、长度达2320mm的高铁车轴用钢进行全长表面感应淬火，淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置以减少车轴淬火过程中的变形；
2)加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证车轴处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿车轴纵向进行匀速轴向移动，轮座部位淬火移动速度100～240mm/min，因车轴为阶梯式结构，轮座与轴身直径差较大，连续加热过程中加热感应器很难保证加热温度均匀一致，为尽可能使车轴各部位加热均匀，加热感应器移动速度需进行分段控制，轴身部位、过渡部位和轮座部位应采用不同的淬火移动速度，直径较小的轴身部位和过渡部位因距加热感应器较远，加热温度偏低，淬火移动速度需相应减缓以保证加热效果，根据轮座与轴身位置直径差值以及实际淬火情况，轴身位置淬火移动速度减缓至80-180mm/min，过渡位置淬火移动速度减缓至90-210mm/min；
3)表面感应淬火时，淬火机床带动车轴以0～60r/min自转以保证车轴加热和冷却均匀；
4)喷水线圈设置四排不同角度(喷嘴与车轴下端夹角范围为90°-150°)，以保证车轴R角过渡处冷却良好均匀；
5)淬火及喷水需从下向上进行，水压0.20-0.30MPa，喷水时间以保证充分冷却为宜，冷却后温度＜100℃；
6)感应淬火设备的电流频率需按下式进行选择：15000/H2<f<250000/H2，其中f为电流频率(单位：Hz)，H为淬硬层深度(单位：mm)。另外电流频率的选择与零件直径也有一定关系，车轴为大尺寸零件，在进行电流频率选择时以中下限频率为宜，电流频率选择1000-3000Hz，淬硬层深度4-10mm。
7)表面感应淬火后加热至150-250℃保温2-4h后空冷至80℃以下(低温回火)以消除内应力，回火完成后对车轴表面进行精磨。
实施例1表面感应淬火具体工艺参数见表4。
表4实施例与对比例表面感应淬火工艺
Figure BDA0002701366820000061
实施例2-实施例3及对比例1采用与实施例1相同的成分和生产方法，不同在于，实施例2-实施例3表面感应淬火工艺与实施例1不同，实施例4采用与实施例1相同的淬火工艺参数，不同在于，实施例4成分和热处理工艺与实施例1不同；对比例1不采用激光淬火，对比例2采用与实施例1相同的淬火工艺参数，不同在于，对比例2成分和热处理工艺与实施例1不同。各实施例和对比例激光淬火工艺见表4。
实施例1-4(表面感应淬火)与对比例1(未进行表面感应淬火)、对比例2(激光淬火后)疲劳强度(试验标准:GB/T 4337)、表面硬度(试验标准:GB/T 4340)和表面最大残余压应力(试验标准：GB/T 7704)对比见表5，实施例(表面感应淬火)与对比例(未进行表面感应淬火)车轴表面显微组织如图1-图2所示，淬火前后晶粒度如表6所示。
表5实施例与对比例疲劳强度、表面硬度和表面最大残余压应力对比
Figure BDA0002701366820000062
Figure BDA0002701366820000071
表6实施例与对比例晶粒度
Figure BDA0002701366820000072
可见，经表面感应淬火后，各实施例疲劳循环周次为1×108时疲劳强度≥860MPa，表面硬度≥650HV，表面残余压应力超过-800MPa，实施例1-实施例4较未进行表面感应淬火车轴试样疲劳强度(426MPa)分别提高了102％、106％、109％和103％，与采用相同表面感应淬火工艺的对比例2相比，疲劳强度提高353MPa。

Claims (10)

1.一种时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，其特征在于，所述时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺包括以下步骤：
1)表面感应淬火时，淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置；
2)加热感应器与喷水线圈沿车轴纵向进行匀速轴向移动；
3)表面感应淬火时，淬火机床带动车轴自转；
4)喷水线圈应设置多排不同角度；
5)淬火及喷水从下向上进行；
6)感应淬火设备的电流频率按下式进行选择：15000/H2<f<250000/H2，其中f为电流频率，单位：Hz，H为淬硬层深度，单位：mm。
2.根据权利要求1所述的时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，其特征在于，步骤2)中，加热感应器与喷水圈沿车轴纵向进行匀速轴向移动，轮座部位淬火移动速度100-240mm/min，轴身部位淬火移动速度减缓至80-180mm/min，过渡部位淬火移动速度减缓至90-210mm/min。
3.根据权利要求1所述的时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，其特征在于，步骤3)中，淬火机床带动车轴以0-60r/min自转。
4.根据权利要求1所述的时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，其特征在于，步骤4)中喷嘴与车轴下端夹角范围为90°-150°。
5.根据权利要求1所述的时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，其特征在于，步骤5)中，淬火及喷水需从下向上进行，水压0.20-0.30MPa，喷水冷却后温度＜100℃。
6.根据权利要求1所述的时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺，其特征在于，步骤6)中电流频率选择1000-3000Hz，淬硬层深度4-10mm。
7.一种高铁车轴的生产方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述时速≥400公里高铁车轴表面感应淬火工艺进行生产，所述生产方法包括以下工艺流程：车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→表面感应淬火→低温回火→外圆磨削；
所述热处理包括正火、淬火和高温回火。
8.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，所述正火：加热至890-920℃，保温4-6h后空冷至400℃以下；
所述淬火：将正火之后的高铁车轴加热至880-910℃，保温4-6h后水冷至100℃以下；
所述回火：将淬火之后的高铁车轴加热至600-660℃，保温6-8h后空冷至100℃以下。
9.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，所述低温回火是指加热至150-250℃保温2-4h后空冷至80℃以下。
10.一种权利要求7-9任一项所述生产方法生产的高铁车轴，其特征在于，所述高铁车轴包括以下质量百分比化学成分：C 0.26％-0.29％、Si 0.25％-0.35％、Mn 0.62％-0.82％、P痕量-0.010％、S痕量-0.010％、Cr 0.95％-1.18％、Mo 0.22％-0.28％、Ni0.60％-1.40％、V 0.020-0.060％、Al 0.015％-0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
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