CN112176255B

CN112176255B - 一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴及其改性方法

Info

Publication number: CN112176255B
Application number: CN202011023298.XA
Authority: CN
Inventors: 杜松林; 汪开忠; 胡芳忠; 陈世杰; 杨志强; 吴林; 郝震宇
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112176255A

Abstract

本发明提供了一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴及其改性方法，成分：0.30％≤C≤0.40％、0.15％≤Si≤0.50％、0.90％≤Mn≤1.20％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％、Cr≤0.30％、Mo≤0.08％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％、V≤0.06％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。经过正火处理和激光淬火进行改性，与现有技术相比，本发明车轴表面硬度≥620HV，表面残余压应力超过‑800MPa，疲劳强度超过480MPa，较未进行激光淬火车轴试样疲劳强度(263MPa)提高超过83％。

Description

一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴及其改性方法

技术领域

本发明属于高铁车轴技术领域，尤其涉及一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴及其改性方法。

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。

激光淬火是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织。激光热处理自动化程度较高，硬化层深度和硬化面积可控性好。该技术目前主要用于强化汽车零部件或工模具的表面，提高其疲劳寿命、表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能等。

2018年12月18日申请公开的中国科学院金属研究所的专利CN201810877969.5公开了一种高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于通过激光加热使车轴表面形成粒状贝氏体和马氏体的混合组织，从而提高表面硬度和耐磨性。不足之处是未对激光淬火后车轴表面残余应力、疲劳强度等关键指标进行表征，从激光淬火后车轴表面洛氏硬度(70～85HR15N，换算成维氏硬度约为237～492HV)检测结果进行估算，其疲劳性能较低，无法满足时速≥400公里高铁车轴应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴，车轴具有高疲劳寿命，能够用于时速≥400公里高铁运行。

本发明另一目的在于提供一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴的改性方法，经激光淬火处理后，实现钢材疲劳强度超过480MPa，表面硬度≥620HV，表面残余压应力超过-800MPa，车轴疲劳强度提高超过83％。

本发明技术方案如下：

一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴，包括以下质量百分比成分：0.30％≤C≤0.40％、0.15％≤Si≤0.50％、0.90％≤Mn≤1.20％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％、Cr≤0.30％、Mo≤0.08％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％、V≤0.06％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

上述一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴的改性方法，包括正火处理和激光淬火。

因车轴属于超大型阶梯状轴对称类零件，尺寸较大，碳素钢中合金元素含量非常少，若进行整体调质处理，因碳素钢淬透性极差，最终得到的车轴组织均匀性较差，表面与心部组织及强韧性差异极大，经表面激光淬火后，车轴疲劳性能提高程度有限，性价比极低。本发明中仅对车轴进行整体正火预处理，得到晶粒细小均匀的铁素体+珠光体组织，在后续加热过程中易于得到成分均匀的奥氏体，经激光淬火后转变成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。所述正火具体为：将车轴加热至860-890℃，保温5-8h后空冷至300℃以下。

所述激光淬火包括以下步骤：

1)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)激光器与车轴轴向垂直，激光淬火过程中光斑大小保持稳定以保证车轴不同部位均匀加热；

3)气体喷嘴设置多排不同角度，以保证车轴R角过渡处冷却良好均匀；

4)淬硬层深度H选择1.0-2.0mm，激光输出功率P可选择2000-8000W，激光扫描速度300-1100mm/min。

进一步的，步骤1)激光淬火时，将最大直径为226mm、长度达2320mm的高铁车轴进行车轴全长激光淬火，淬火机床采用竖立式，车轴需垂直放置，以减少车轴淬火过程中的变形；

步骤2)和步骤3)中激光器和冷却气体喷嘴位置可进行微调以保证激光淬火时车轴加热和冷却均匀；

步骤2)中，对激光器进行微调，以保证激光器与车轴轴向垂直，激光淬火过程中光斑大小稳定；

进一步的，步骤3)中，气体喷嘴设置多排不同角度，优选的，气体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；激光淬火时用惰性气体进行冷却，惰性气体选自氩气、氮气或其他惰性气体，气压≥0.20MPa，冷却时间应保证冷却充分，冷却后表面温度＜100℃。

步骤4)中，淬硬层深度H与激光功率密度ρ成正比，与扫描速度v成反比，而激光功率密度ρ与光斑大小S(S为光斑面积)成反比，与激光功率P成正比，因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，淬硬层深度H计算方式为：H＝kP/(S·v)，其中k为与钢种及热处理状态有关的常数(单位mm⁴/(min·W))，取值范围7-11，具体数值需根据实际试验结果进行相应调节，P为激光功率(单位：W)，v为扫描速度(单位mm/min)，S为光斑面积(单位：mm²)。激光功率密度控制应适当，功率密度太小会导致加热温度偏低，淬火效果不足，功率密度太大会导致过热、过烧，因此激光功率与光斑大小应协同调节。激光搭接率应控制在30％～40％之间。

优选的，步骤4)中，淬硬层深度H选择1.0-2.0mm，激光输出功率P可选择2000-8000W，激光扫描速度300-1100mm/min。考虑到减少扫描次数可以获得较高的加工效率且能避免激光搭接区软化导致的耐磨性能下降，激光搭接率应控制在30％-40％之间。因车轴为圆柱形零件，可优选矩形光斑进行激光淬火以避免激光淬火时金属表面激光束功率密度差异导致的加热不均匀，矩形光斑的长度应控制在10-20mm之间，宽度控制在2-4mm之间。

最后，激光淬火后对车轴表面进行精磨。

对精磨后的成品车轴进行表面硬度测试、残余应力测试，并对与车轴轮座同样直径的延长体近表面位置取样进行旋转弯曲疲劳试验，经激光淬火后，表面硬度≥620HV，表面残余压应力超过-800MPa，疲劳强度超过480MPa，较未进行激光淬火车轴试样疲劳强度(263MPa)提高超过83％。

与现有技术相比，本发明车轴通过正火预处理后，得到晶粒细小均匀的铁素体+珠光体组织，经激光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≥620HV)，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，因激光淬火加热时，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，基体组织晶粒度在8.0-8.5级，经表面强化后表层晶粒度在11.0-11.5级，均有助于提高疲劳性能(疲劳强度≥480MPa)，具有抗疲劳性能优良的优点，明显优于未经激光淬火同材质车轴，经激光淬火后，车轴疲劳强度提高超过83％。

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

一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1中没有列出的余量为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％)

所述时速≥400公里的碳素钢高铁车轴生产工艺流程为：车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→正火热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→激光淬火→外圆磨削。

上述生产工艺流程包括的改性方法，包括正火处理和激光淬火。

所述正火具体为：将车轴加热至860℃，保温7h后空冷至300℃以下。

实施例1所述的时速≥400公里的碳素钢高铁车轴的改性方法中，正火具体工艺参数如下表2所示：

表2实施例与对比例热处理工艺

类别	正火温度/℃	保温时间/h
			实施例1～3，对比例1	860	7
实施例4	870	6
			对比例2	860	6

正火热处理后车轴力学性能见下表3。

表3实施例与对比例力学性能

类别	R<sub>m</sub>/MPa	R<sub>eL</sub>/MPa	A/％
				实施例1～3，对比例1	615	345	28
实施例4	620	349	28
				对比例2	511	235	26

按照上述工艺和参数生产的车轴进行激光淬火，具体工艺为：

1)将最大直径为226mm、长度达2320mm的高铁车轴用钢进行全长激光淬火，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)对激光器进行微调，以保证激光器与车轴轴向垂直，激光淬火过程中光斑大小稳定；

3)气体喷嘴设置四排不同角度，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；

4)冷却气体(可选氩气、氮气或其他惰性气体)气压≥0.20MPa，冷却时间应保证冷却充分，冷却后表面温度＜100℃；

5)淬硬层深度H选择1.0-2.0mm，激光输出功率P可选择2000-8000W，激光扫描速度300-1100mm/min。考虑到减少扫描次数可以获得较高的加工效率且能避免激光搭接区软化导致的耐磨性能下降，激光搭接率应控制在30％-40％之间。因车轴为圆柱形零件，可优选矩形光斑进行激光淬火以避免激光淬火时金属表面激光束功率密度差异导致的加热不均匀。

具体的，实施例1激光淬火的工艺参数见表4。

表4实施例和对比例激光淬火工艺

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激光淬火工艺与实施例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(激光淬火后)与对比例1(未进行激光淬火)、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1与对比例1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

表6实施例与对比例晶粒度

可见，经激光淬火后，各实施例疲劳循环周次为1×10⁸时疲劳强度≥480MPa，表面硬度≥620HV，表面残余压应力超过-800MPa，实施例1-4较未进行激光淬火车轴(对比例1)试样疲劳强度(263MPa)分别提高了83％、85％、86％和84％，实施例1与采用相同激光淬火工艺的对比例2相比，疲劳强度提高160MPa。

Claims

1.一种时速≥400公里的碳素钢高铁车轴的改性方法，其特征在于，所述改性方法包括正火处理和激光淬火；

所述正火处理具体为：将车轴加热至860-890℃，保温5-8h后空冷至300℃以下；

所述激光淬火包括以下步骤：

1）淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置；

2）激光器与车轴轴向垂直，激光淬火过程中光斑大小保持稳定；

3）气体喷嘴设置多排不同角度，气体喷嘴与车轴下端夹角范围为90°-150°；

4）淬硬层深度H选择1.0-2.0mm，激光输出功率P为2000-8000W，激光扫描速度300-1100mm/min；

所述时速≥400公里的碳素钢高铁车轴包括以下质量百分比：0.30%≤C≤0.40%、0.15%≤Si ≤0.50%、0.90%≤Mn ≤1.20%、P 痕量~0.015%、S 痕量~0.010%、Cr ≤0.30%、Mo ≤0.08%、Cu≤0.30%、Ni ≤0.30%、V≤0.06%，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

改性后的时速≥400公里的碳素钢高铁车轴表面硬度≥620HV，表面残余压应力超过-800MPa，疲劳强度超过480Mpa。

2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，步骤3）中激光淬火时用惰性气体进行冷却。

3.根据权利要求2所述的改性方法，其特征在于，步骤3）中惰性气体选自氩气、氮气或其他惰性气体，气压≥0.20MPa，冷却时间应保证冷却充分，冷却后表面温度＜100℃。

4.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于，步骤4）中淬硬层深度H计算方式为：H=kP/(S·v)，其中k为与钢种及热处理状态有关的常数，单位mm⁴/(min·W)，取值范围7-11， P为激光功率，单位：W，v为扫描速度，单位mm/min，S为光斑面积，单位：mm²。