EA4T車軸熱處理工藝改進(jìn)

吳曉飛， 王凱軍，劉 彬，張 涵

(1.太原重工股份有限公司,山西 太原 030024； 2.浙江工業(yè)大學(xué),浙江 杭州 310014)

1 研究背景

2000年以后，火車輪軸速度為200 km/h的915KKD型快速客車車輪和50RD3A、50RD4A客車車軸的開(kāi)發(fā)，以及在國(guó)內(nèi)成功生產(chǎn)制造出符合EN標(biāo)準(zhǔn)的合金鋼調(diào)質(zhì)車軸[1-6]，代表了當(dāng)時(shí)我國(guó)輪軸制造的最高水平。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈化，近幾年動(dòng)車組用EN4T調(diào)質(zhì)車軸的性能要求也越來(lái)越高，同時(shí)還增加了組織的要求，而前期的材質(zhì)及鍛造工藝基本不變，從而對(duì)熱處理工藝提出了較高的要求。主要難點(diǎn)體現(xiàn)在滿足性能的基礎(chǔ)上，組織也需達(dá)到要求，尤其是解決由于鍛造等帶來(lái)的后期混晶現(xiàn)象。為滿足輪軸的快速發(fā)展，同時(shí)使動(dòng)車組EA4T車軸的熱處理工藝在全國(guó)始終具備先進(jìn)性的要求，本文研究熱處理工藝和熱裝爐方式對(duì)車軸的力學(xué)性能、熱處理產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率的影響。預(yù)期在工藝穩(wěn)定的前提下，生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，一次合格率達(dá)到99%以上。

2 研究對(duì)象

動(dòng)車組車軸材質(zhì)為EA4T，化學(xué)成分見(jiàn)表1。車軸尺寸大小為φ234/134 mm×2146 mm，約690 kg，EA4T車軸輪廓尺寸如圖1所示。動(dòng)車組EA4T車軸性能要求：Rel≥420 MPa；Rm≥650 MPa；A≥20%；Z≥60%；Aku (20 ℃) 四個(gè)試樣平均值≥71 J(沖擊試樣缺口深度為2 mm)；組織中鐵素體含量≤15%。軸坯試樣非金屬夾雜物及熱處理后晶粒度應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表1 EA4T車軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of EA4T axle (mass fraction, %)

圖1 EA4T車軸輪廓尺寸(mm)Fig.1 Outline dimension of EA4T axle

表2 軸坯試樣非金屬夾雜物及熱處理后晶粒度Table 2 Non-metallic inclusions and grain size after heat treatment in axletree specimens

3 問(wèn)題分析

1)沖擊韌性的高要求及均勻性，可通過(guò)調(diào)質(zhì)前增加正火進(jìn)一步細(xì)化晶粒[7]，并在淬火過(guò)程中提高車軸淬火過(guò)程的冷卻速度，提高沖擊韌性值及均勻性?，F(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備僅有淬火油槽和淬火水槽，EA4T車軸現(xiàn)有調(diào)質(zhì)工藝的淬火過(guò)程采用水淬油冷的雙液淬火方式[8]。鑒于此，可適當(dāng)延長(zhǎng)水淬時(shí)間的淬火方式提高EA4T車軸的淬火冷卻速度。

2)為保證EA4T車軸的加熱和淬火冷卻均勻性，車軸在料盤上的擺放需設(shè)置合理間隙。若設(shè)置的間隙過(guò)小，加熱和冷卻過(guò)程不均，容易產(chǎn)生局部軟點(diǎn)；若設(shè)置間隙過(guò)大則影響裝爐量，進(jìn)而增加熱處理生產(chǎn)成本。因此，需改進(jìn)車軸熱處理過(guò)程中在料盤上的擺放方式。

4 工藝改進(jìn)

4.1 水淬油冷工藝優(yōu)化

原有的水淬油冷熱處理工藝曲線如圖2所示，包括奧氏體化、雙液淬火、高溫回火三個(gè)過(guò)程，奧氏體化工藝為650 ℃保溫2 h后加熱至約880～890 ℃保溫4 h，水淬1 min油冷時(shí)間50～55 min，高溫回火工藝為600 ℃回火12 h。但出現(xiàn)組織不均勻，個(gè)別沖擊韌性不滿足技術(shù)要求，一次合格率僅有95.3%。

基于以上分析，在調(diào)質(zhì)前增加一次正火，以致于均勻組織、細(xì)化晶粒。同時(shí)在調(diào)質(zhì)時(shí)延長(zhǎng)水淬時(shí)間至4 min，以期提高EA4T車軸的沖擊韌性和產(chǎn)品合格率。車軸材料為EA4T，含碳量較低，有一定的合金含量，長(zhǎng)徑比較大，若在水中冷卻時(shí)間長(zhǎng)會(huì)有加劇變形的風(fēng)險(xiǎn)，而在水中冷卻時(shí)間太短起不到強(qiáng)韌化效果。因此，對(duì)其水淬油冷工藝的水冷時(shí)間進(jìn)行了探索，改進(jìn)后的熱處理工藝如圖3所示。

圖2 原水淬油冷熱處理工藝(水淬1 min)Fig.2 The original water quenching and oil cooling heat treatment process(water quenching for 1min)

圖3 正火+強(qiáng)水淬油冷熱處理工藝(水淬4 min)Fig.3 The heat treatment process of normalizing and strong water quenching oil cooling (water quenching for 4 min)

4.2 制定取樣方案

結(jié)合EA4T車軸的技術(shù)要求，力學(xué)性能(包括拉伸、沖擊試樣)測(cè)試、組織和晶粒檢測(cè)的取樣位置見(jiàn)圖4。取樣位置：在軸端加長(zhǎng)位置，取樣中心沿圓周方向上距離表面15 mm處、1/2R處和1/3R處。

4.3 結(jié)果分析

EA4T車軸熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表3。由表3可知，EA4T車軸經(jīng)原水淬油冷處理后沖擊韌性波動(dòng)較大，且個(gè)別試樣的沖擊韌性低于技術(shù)要求值。經(jīng)正火+強(qiáng)水淬油冷處理后，沖擊韌性得到明顯改善[9]，所有試樣的沖擊韌性均滿足技術(shù)要求；EA4T車軸經(jīng)正火+水冷時(shí)間為4 min的水淬油冷工藝處理后，強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性匹配最佳，且沖擊韌性均勻性好。

圖4 取樣位置Fig.4 Sampling location

表3 EA4T車軸熱處理后的力學(xué)性能及沖擊韌性Table 3 Mechanical properties and impact toughness of EA4T axles after heat treatment

EA4T車軸熱處理后的晶粒度和組織見(jiàn)表4。由表4可知，正火+強(qiáng)水淬油冷提高了其晶粒度等級(jí)。EA4T車軸經(jīng)原水淬油冷工藝處理后在1/2R處獲得的組織主要為鐵素體+貝氏體+少量索氏體，這是導(dǎo)致其強(qiáng)度較低和低溫沖擊韌性離散的主要原因。EA4T車軸經(jīng)正火+強(qiáng)水淬油冷處理后，組織主要為均勻的索氏體組織，見(jiàn)圖5，因此其沖擊韌性值離散度低[10]。

4.4 批量生產(chǎn)驗(yàn)證

EA4T車軸實(shí)際熱處理生產(chǎn)采用正火+強(qiáng)水淬油冷，按每件間隔150 mm裝架，制作專用工裝帶“V”缺口的長(zhǎng)條。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采用每件工裝盤上裝五層，每層裝9件的裝爐方式，沿車軸長(zhǎng)度方向每隔350 mm架一長(zhǎng)條工裝，整體加熱、冷卻，提高裝爐量，如圖6所示。經(jīng)過(guò)跟蹤確認(rèn)，熱處理后的車軸變形均可控制在余量范圍內(nèi)，且性能合格。實(shí)踐結(jié)果表明，EA4T車軸各項(xiàng)力學(xué)性能和組織滿足要求，產(chǎn)品合格率由原來(lái)的95.8%提高至99.1%。

表4 EA4T車軸熱處理后晶粒度和組織Table 4 The grain size and microstructure of EA4T axle after heat treatment

圖5 1/2R處試樣金相組織Fig.5 Microstructure of sample at 1/2R

表5 試樣非金屬夾雜物Table 5 Non-metallic inclusions in sample

圖6 車軸工裝圖Fig.6 Axle tooling drawing

5 結(jié)論

本研究對(duì)EA4T車軸熱處理工藝和熱處理裝爐方式進(jìn)行了改進(jìn)，提高了車軸的力學(xué)性能和生產(chǎn)效率。主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)改進(jìn)調(diào)質(zhì)工藝，提高了EA4T車軸的沖擊韌性及沖擊韌性的均勻性，產(chǎn)品合格率由原來(lái)的95.8%提高至99.1%；

2)通過(guò)優(yōu)化車軸的熱處理裝爐方式，大幅提高熱處理生產(chǎn)效率；

3)為獲得滿足性能要求的EA4T車軸，在淬火的過(guò)程中應(yīng)避免大量貝氏體及鐵素體組織的出現(xiàn)；

4)采用優(yōu)化的正火+強(qiáng)水淬油冷熱處理工藝，可細(xì)化晶粒，且優(yōu)化EA4T車軸的機(jī)械性能強(qiáng)塑性的最佳匹配。