0.   引言

車軸是鐵路機車中一個十分重要的構件,世界各國對提高車軸的可靠性均十分重視[1-5]。我國鐵道車輛的提速加載對大功率機車及高速列車車軸用鋼的性能提出了更高的要求。國內常用的機車車軸材料是40鋼和50鋼。40鋼強度稍低,但韌性好,50鋼強度較高,但韌性稍差,2種材料均已無法滿足高速、重載鐵路機車的要求[6]。EA4T鋼是一種廣泛使用于國外地鐵動車車軸及大功率機車車軸的鋼種,也是歐洲標準EN 13261規定的高速客車車軸用鋼。之前我國的合金鋼車軸主要靠進口,為了快速實現國家鐵路機車重載技術和提速戰略,通過引進、吸收、消化已實現車軸的國產化,許多新型機車都采用了國產的EA4T鋼車軸,如9 600 kW牽引機車和武漢、深圳的地鐵車輛等。 

EA4T車軸鋼的常規熱處理工藝為調質熱處理（淬火＋高溫回火）,根據EN 13261：2009標準要求,調質熱處理EA4T鋼車軸軸頸1/2半徑處的顯微組織應全部為馬氏體/貝氏體組織（以下簡稱為M/B組織）。當軸頸直徑較小,如180 mm時,采用常規工藝調質熱處理后,其1/2半徑處可以全部獲得M/B組織；但當軸頸直徑較大,達到280 mm時,其1/2半徑處在常規工藝下獲得全部的M/B組織則較為困難[7-8]。在實際生產中為了保證大尺寸車軸淬火加熱時心部能夠淬透,常常采用提高加熱溫度（高于鐵素體轉變為奧氏體的終了溫度Ac3 30~50 ℃）的方法進行淬火[9],而回火溫度及方式尚需進一步研究。為了確定大尺寸國產EA4T鋼車軸的熱處理工藝,作者設計了EA4T鋼等效車軸的熱處理工藝,研究了熱處理后等效車軸不同位置的顯微組織與性能,據此確定車軸的調質熱處理工藝并進行車軸的現場驗證。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為東北特殊鋼集團股份有限公司撫順特殊鋼股份有限公司生產的尺寸280 mm×280 mm×350 mm的熱軋退火態EA4T鋼車軸毛坯,化學成分如表1所示,符合EN 13261：2009標準要求。在毛坯上加工出規格?280 mm的圓柱體試樣,將其作為實際尺寸為?256 mm的EA4T鋼車軸的等效車軸,并對其進行調質熱處理預試驗。 

根據前期試驗結果,EA4T鋼的Ac3為840 ℃,在常規條件下其淬火溫度應為870~890 ℃。但由于EN 13261：2009標準要求,EA4T鋼在淬火時應具有較高的淬透性,而提高奧氏體加熱溫度可以獲得更高的淬透性,故將等效車軸的淬火溫度范圍設置為890~920 ℃。等效車軸的淬火保溫時間可以采用經驗公式來估算,公式[10]如下： 

式中：t為保溫時間,min；α為加熱系數,取值范圍為0.9~1.1 min·mm−1；K為加熱時的修正系數,取1.2；D為工件的有效厚度,取280 mm。 

由式（1）計算得到,等效車軸的淬火保溫時間為5~6 h。根據上述分析并結合前期研究[8],確定淬火工藝為900 ℃×5 h。為了確定大尺寸車軸坯的回火工藝,將EA4T鋼等效車軸進行900 ℃×5 h水淬處理后,分別進行595,610,650 ℃保溫6 h水冷回火處理[8]。 

按照EN 13261：2009進行車軸的顯微組織及力學性能研究。在不同調質工藝處理后的等效車軸表層、1/2半徑處和心部截取金相試樣,經打磨、拋光,用體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕20 s后,用清水沖洗試樣,并用乙醇擦拭,再用吹風機吹干,采用NEOPHOT-21型光學顯微鏡觀察顯微組織。按照GB/T 228—2002,在車軸表層、1/2半徑處和心部位置截取拉伸試樣,拉伸試樣的尺寸為直徑10 mm標準試樣尺寸的10倍,在AG-250KNISMO型電子拉壓試驗機上進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為10 mm·min−1,相同條件下測3次取平均值。按照GB/T 229—2007,在等效車軸表層、1/2半徑處和心部分別沿軸向（即橫向）和徑向（即縱向）截取標準夏比U型沖擊試樣,在JXB-300型擺錘式沖擊試驗機上進行室溫沖擊試驗,沖擊速度為5 m·s−1,相同條件下測3次取平均值。根據等效車軸測試結果,確定符合標準要求的調質熱處理工藝后進行規格?256 mm EA4T鋼車軸的現場驗證,拉伸試樣的尺寸為直徑10 mm標準試樣尺寸的5倍,沖擊試樣為5 mm缺口深度的U型沖擊試樣,測試設備及參數同前。采用Zeiss Supra 55型場發射掃描電鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。 

2.   試驗結果與討論

2.1   調質熱處理后等效車軸的組織和性能

由表2可以看出,與EN 13261：2009標準要求的力學性能（屈服強度不低于420 MPa,抗拉強度為650~800 MPa,斷后伸長率不低于18%,縱向和橫向沖擊吸收能量分別不低于50,25 J）相比,等效車軸經900 ℃水淬后,除了595 ℃水冷回火后不同位置的抗拉強度,以及610 ℃水冷回火后表層的抗拉強度偏高之外,其余條件下的強度、斷后伸長率、斷面收縮率以及縱向與橫向沖擊韌性均符合要求,同時還存在較大的富裕量。 

由圖1可以看出,等效車軸經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后,除了心部含有少量鐵素體外,表層以及1/2半徑處的組織基本為回火M/B組織,符合EN 13261：2009對車軸組織的要求。心部與表層、1/2半徑處組織差異的原因主要在于冷卻速率的不同,心部冷卻速率較慢,未發生完全馬氏體轉變,導致生成少量鐵素體,表層和1/2半徑處冷卻速率較快,形成了回火M/B組織。這種回火M/B組織具有較高的硬度和耐磨性,對車軸的表層性能有積極影響[11-12]。綜上,確定EA4T鋼車軸的調質熱處理工藝為900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火。 

圖  1  等效車軸經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后不同位置的顯微組織

Figure  1.  Microstructures of different areas in equivalent axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering: (a) surface layer；(b) 1/2 radius position and (c) core

2.2   調質熱處理工藝的現場驗證

在熱處理車間采用規格?256 mm的EA4T鋼車軸對前文確定的調質熱處理工藝（900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火）進行現場驗證。由表3可以看出,規格?256 mm的EA4T鋼車軸經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后,不同位置的力學性能均完全滿足EN 13261：2009標準要求。由圖2可以看出,不同部位的組織均為回火M/B組織,也滿足EN 13261：2009標準要求。 

圖  2  ?256 mm車軸經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后不同位置的顯微組織

Figure  2.  Microstructures of different areas in?256 mm axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering: (a) surface layer；(b) 1/2 radius position and (c) core

由圖3和圖4可以看出,車軸不同位置所取的拉伸試樣在斷裂前均發生了大量的塑性變形,為韌性斷裂。宏觀斷口表現出明顯的縮頸,且僅存在表現韌性的纖維區和剪切唇,而不存在表現脆性的放射區。纖維區微觀均呈韌窩特征。在拉伸應力的作用下,試樣發生頸縮而在最小截面處形成三維應力,其值在軸線方向上最大,這些三維應力使晶界、缺陷等處形成顯微孔洞；隨著應力的提高,孔洞不斷長大且相互連接,同時產生新的孔洞,從而使裂紋緩慢形成并擴展,最終在斷口上留下韌窩狀的區域。綜上所述,國產EA4T鋼車軸經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火的調質熱處理后,其力學性能和組織均符合EN 13261：2009標準要求。 

圖  3  經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后?256 mm車軸不同位置拉伸試樣試驗后的宏觀形貌

Figure  3.  Macromorphology of tensile samples in different areas of?256 mm axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering after test

圖  4  經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后?256 mm車軸不同位置拉伸試樣的斷口SEM形貌

Figure  4.  Fracture SEM morphology of tensile samples in different areas of?256 mm axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering: (a) surface layer, overall morphology；(b) surface layer, micromorphology of fiber area；(c) 1/2 radius position, overall morphology；(d) 1/2 radius position, micromorphology of fiber area；(e) core, overall morphology and (f) core, micromorphology of fiber area

3.   結論

（1）國產?280 mm EA4T鋼等效車軸在進行900 ℃×5 h水淬和595 ℃×6 h水冷回火處理后不同位置以及610 ℃×6 h水冷回火后表層的抗拉強度均偏高,650 ℃×6 h水冷回火后的強度、斷后伸長率、斷面收縮率以及縱向與橫向沖擊韌性均符合EN 13261：2009標準要求,組織也基本為回火M/B組織。確定EA4T鋼車軸的調質熱處理工藝為900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火。 

（2）現場驗證得到經900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后,國產?256 mm EA4T鋼車軸表層、1/2半徑處和心部處的力學性能和顯微組織均符合EN 13261：2009標準要求,不同位置取樣拉伸后均發生韌性斷裂,斷口均由纖維區和剪切唇組成,纖維區呈韌窩形貌。

文章來源——材料與測試網