关于转辙机动作杆销轴热处理工艺优化的研究

刘璐瑶

摘 要：动作杆销轴作为ZY型转辙机的关键零件，其热处理方式对零件综合性能的提升十分重要，为了进一步提高该零件的力学性能，保障转辙机动作杆推动道岔转换锁闭功能的实现，通过对现有销轴原材料分组进行热处理后的力学性能、金相组织等的分析，探讨了销轴原材料40Cr较为理想的热处理方式，以优化销轴力学性能。采取了原材料分组试验的方式，以求从对比试验的角度更加清晰地体现不同热处理方式对材料性能的影响，从而归纳成为最优方案。

关键词：40Cr合金钢；热处理；冲击韧性；转辙机

中图分类号：TP277 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.015

动作杆销轴是ZY型电动液压转辙机的关键零件之一，装配在转辙机动作杆上。每根动作杆上配有4个动作杆销轴，装配示意图如图1所示。销轴头部对动作杆定位，端面套在锁闭块上，锁闭块可绕销轴360°旋转。在转辙机油缸带动动作杆运动实现道岔转换锁闭的过程中，销轴主要承受剪切力，因此，动作杆销轴的力学性能是重中之重。在本文中，尝试通过原材料分组进行不同方式的热处理试验，探讨材料力学性能及金相组织的变化，从而寻求提高该零件的冲击韧性的工艺优化方法。

1 试验方法

试验用销轴原材料为40Cr为优质合金结构钢，40Cr合金钢具有良好的淬透性，调质处理后具有比较良好的力学性能。GB/T 3077—2015 中规定40Cr合金钢的冲击吸收能量不小于47 J。試验中选取12根机加工后未进行热处理的销轴原材料，分别编号1～12号后分为3组，编号1，3，9，10为第一组；编号2，5，8，11为第二组；编号4，6，7，12为第三组。试验方法如下：①对1～12号销轴分别进行洛氏硬度检测，记下洛氏硬度值待用。②第一组的4根销轴不进行任何处理即进行冲击试验，冲击完成后对冲击条进行磨抛，并用质量分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在金相显微镜下观察它的金相组织。③第二组、第三组销轴同时在850 ℃保温30 min油冷淬火，淬火后对第二组销轴进行洛氏硬度检测。④第二组销轴进行冲击试验后，进行磨抛，并在质量分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在金相显微镜下观察其金相组织。⑤第三组销轴在520 ℃回火40 min后进行洛氏硬度检测、冲击试验、磨抛，并在质量分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后在金相显微镜下观察其金相组织。⑥第三组销轴冲击试验后的冲击条试样进行QPQ表面处理后，进行维氏显微硬度检测及洛氏硬度检测。QPQ表面处理主要是对工件进行氮化和氧化，工件氮化是将预热到380 ℃的工件放入630 ℃的氮化炉中保温2 h，目的在于使工件表面形成化合物层、中间层和扩散层，以提高工件表面的硬度，增强其耐磨性、抗腐蚀和抗疲劳性能；氮化处理后的工件直接进行工件氧化60 min后，空冷至300 ℃后冷却清洗，氧化工序主要作用为分解工件氮化后的表面氮化盐带出的氰酸根，使工件表面形成氧化膜。

2 试验结果与分析

未处理原材料状态的洛氏硬度检测结果如表1所示。

QPQ表面处理后的维氏硬度以及洛氏硬度检测结果如表5所示。

如表1所示，未经热处理的原材料状态的40Cr材质销轴硬度整体呈现偏低，不能满足转辙机动作杆销轴的使用要求，必须经过合理的热处理工序，方可达到理想效果。本次试验选取的40Cr原材料的力学性能及金相组织如表2所示，冲击吸收能量平均值为45 J，金相组织均为原材料热轧态下的铁素体和珠光体，晶粒较细，是较好的原材料状态。

第二组、第三组在850 ℃油冷淬火后，再进行洛氏硬度检测发现，经过淬火处理的销轴的洛氏硬度值大大提高，硬度范围为40～50，但冲击吸收能量大大降低，在10 J左右，而在金相显微镜下观察到的淬火态组织基体为中碳马氏体。试验结果表明，淬火态的销轴组织过脆，尽管洛氏硬度值提高，但韧性降低，不利于在转辙机动作杆运动过程中使用，难以承受较大的剪切力，易引发脆裂。

第三组销轴在经过850 ℃保温30 min油冷淬火后，进行520 ℃回火处理40 min，该组销轴试验结果如表4所示，回火后的销轴整体洛氏硬度值范围为32～37，冲击吸收能量范围为75～90 J，符合GB/T 3077—2015中对40Cr材质冲击吸收能量的要求，且在金相显微镜下观察的金相组织为组织均匀的回火索氏体和铁素体。回火处理过程中，马氏体发生分解，析出渗碳体颗粒，从而使基体分解为索氏体组织。此时，工件的强度和硬度有所下降，而塑性及韧性则明显提高，因此，此种热处理方式下的40Cr材质原材料体现了材质本身的优质合金结构钢的特性，达到了试验的目的。

进行QPQ表面处理后的第三组销轴的维氏硬度及洛氏硬度检测结果如5所示，进行QPQ表面处理后的销轴心部洛氏硬度没有较大的变化，但在维氏显微硬度计0.980 7 kN载荷下检测该零件，其表面的维氏硬度大大提高，维氏硬度值达580 HV左右。由此可见，在QPQ表面处理后的销轴，其内部性能并未有较大改变，但表面的硬度大大提高，可以实现表面工件的耐磨性能的提高，可以满足转辙机动作杆运动过程中对销轴表面硬度及耐磨性的要求。

3 结束语

40Cr是最常用的调质钢。质量分数为1%Cr元素左右的40Cr钢与碳钢相比，其主要优点是淬透性高，能获得稳定性较高的合金渗碳体，且油冷淬火可避免零件产生裂纹，更加适宜作为40Cr材质的淬火方式。40Cr材质中的铬元素，可使其材料性能较碳钢提高20%，具有良好的塑性，但回火的处理是至关重要的，回火后铬大部分形成合金渗碳体，少部分融入了铁素体，从而提高了铁素体的强度和韧性。所以，本次试验中采用的油冷淬火后回火处理的试验方法充分发挥了40Cr材质的优良特性，既保证了零件硬度，又提高了韧性，整体性能得到了优化。而表面处理方法的运用又可以实现零件表面硬度的提高，从而提高零件的表面耐磨性，却又不影响零件心部的综合力学性能。本文从2个方面对现有转辙机销轴热处理方式进行了研究，运用对比试验方式寻求到实现40Cr材质最优力学性能的热处理方式，即高温850 ℃油冷淬火30 min后，520 ℃回火40 min。此种处理方式后的原材料可达到硬度与韧性的最优状态。在此状态下的QPQ表面处理是对零件表面硬度和耐磨性提高的一种新的方式。由试验所做的一系列数据分析可得，本文所列的热处理方式为符合转辙机技术条件的较为优化的转辙机动作杆销轴热处理方式，提高了销轴的综合性能，达到了本次试验的目的。

〔编辑：张思楠〕