EA4T车轴热处理工艺改进

2022-06-27吴晓飞王凯军

热处理技术与装备 2022年3期

吴晓飞，王凯军，刘彬，张涵

(1.太原重工股份有限公司,山西太原 030024； 2.浙江工业大学,浙江杭州 310014)

1 研究背景

2000年以后，火车轮轴速度为200 km/h的915KKD型快速客车车轮和50RD3A、50RD4A客车车轴的开发，以及在国内成功生产制造出符合EN标准的合金钢调质车轴[1-6]，代表了当时我国轮轴制造的最高水平。随着市场竞争的激烈化，近几年动车组用EN4T调质车轴的性能要求也越来越高，同时还增加了组织的要求，而前期的材质及锻造工艺基本不变，从而对热处理工艺提出了较高的要求。主要难点体现在满足性能的基础上，组织也需达到要求，尤其是解决由于锻造等带来的后期混晶现象。为满足轮轴的快速发展，同时使动车组EA4T车轴的热处理工艺在全国始终具备先进性的要求，本文研究热处理工艺和热装炉方式对车轴的力学性能、热处理产品合格率和生产效率的影响。预期在工艺稳定的前提下，生产持续稳定进行，一次合格率达到99%以上。

2 研究对象

动车组车轴材质为EA4T，化学成分见表1。车轴尺寸大小为φ234/134 mm×2146 mm，约690 kg，EA4T车轴轮廓尺寸如图1所示。动车组EA4T车轴性能要求：Rel≥420 MPa；Rm≥650 MPa；A≥20%；Z≥60%；Aku (20 ℃) 四个试样平均值≥71 J(冲击试样缺口深度为2 mm)；组织中铁素体含量≤15%。轴坯试样非金属夹杂物及热处理后晶粒度应符合表2的规定。

表1 EA4T车轴化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of EA4T axle (mass fraction, %)

图1 EA4T车轴轮廓尺寸(mm)Fig.1 Outline dimension of EA4T axle

表2 轴坯试样非金属夹杂物及热处理后晶粒度Table 2 Non-metallic inclusions and grain size after heat treatment in axletree specimens

3 问题分析

1)冲击韧性的高要求及均匀性，可通过调质前增加正火进一步细化晶粒[7]，并在淬火过程中提高车轴淬火过程的冷却速度，提高冲击韧性值及均匀性。现有生产设备仅有淬火油槽和淬火水槽，EA4T车轴现有调质工艺的淬火过程采用水淬油冷的双液淬火方式[8]。鉴于此，可适当延长水淬时间的淬火方式提高EA4T车轴的淬火冷却速度。

2)为保证EA4T车轴的加热和淬火冷却均匀性，车轴在料盘上的摆放需设置合理间隙。若设置的间隙过小，加热和冷却过程不均，容易产生局部软点；若设置间隙过大则影响装炉量，进而增加热处理生产成本。因此，需改进车轴热处理过程中在料盘上的摆放方式。

4 工艺改进

4.1 水淬油冷工艺优化

原有的水淬油冷热处理工艺曲线如图2所示，包括奥氏体化、双液淬火、高温回火三个过程，奥氏体化工艺为650 ℃保温2 h后加热至约880～890 ℃保温4 h，水淬1 min油冷时间50～55 min，高温回火工艺为600 ℃回火12 h。但出现组织不均匀，个别冲击韧性不满足技术要求，一次合格率仅有95.3%。

基于以上分析，在调质前增加一次正火，以致于均匀组织、细化晶粒。同时在调质时延长水淬时间至4 min，以期提高EA4T车轴的冲击韧性和产品合格率。车轴材料为EA4T，含碳量较低，有一定的合金含量，长径比较大，若在水中冷却时间长会有加剧变形的风险，而在水中冷却时间太短起不到强韧化效果。因此，对其水淬油冷工艺的水冷时间进行了探索，改进后的热处理工艺如图3所示。

图2 原水淬油冷热处理工艺(水淬1 min)Fig.2 The original water quenching and oil cooling heat treatment process(water quenching for 1min)

图3 正火+强水淬油冷热处理工艺(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 制定取样方案

结合EA4T车轴的技术要求，力学性能(包括拉伸、冲击试样)测试、组织和晶粒检测的取样位置见图4。取样位置：在轴端加长位置，取样中心沿圆周方向上距离表面15 mm处、1/2R处和1/3R处。

4.3 结果分析

EA4T车轴热处理后的力学性能见表3。由表3可知，EA4T车轴经原水淬油冷处理后冲击韧性波动较大，且个别试样的冲击韧性低于技术要求值。经正火+强水淬油冷处理后，冲击韧性得到明显改善[9]，所有试样的冲击韧性均满足技术要求；EA4T车轴经正火+水冷时间为4 min的水淬油冷工艺处理后，强度、塑性和冲击韧性匹配最佳，且冲击韧性均匀性好。

图4 取样位置Fig.4 Sampling location

表3 EA4T车轴热处理后的力学性能及冲击韧性Table 3 Mechanical properties and impact toughness of EA4T axles after heat treatment

EA4T车轴热处理后的晶粒度和组织见表4。由表4可知，正火+强水淬油冷提高了其晶粒度等级。EA4T车轴经原水淬油冷工艺处理后在1/2R处获得的组织主要为铁素体+贝氏体+少量索氏体，这是导致其强度较低和低温冲击韧性离散的主要原因。EA4T车轴经正火+强水淬油冷处理后，组织主要为均匀的索氏体组织，见图5，因此其冲击韧性值离散度低[10]。

4.4 批量生产验证

EA4T车轴实际热处理生产采用正火+强水淬油冷，按每件间隔150 mm装架，制作专用工装带“V”缺口的长条。经反复试验，采用每件工装盘上装五层，每层装9件的装炉方式，沿车轴长度方向每隔350 mm架一长条工装，整体加热、冷却，提高装炉量，如图6所示。经过跟踪确认，热处理后的车轴变形均可控制在余量范围内，且性能合格。实践结果表明，EA4T车轴各项力学性能和组织满足要求，产品合格率由原来的95.8%提高至99.1%。