aar标准g级钢车轴工艺研究

AAR 标准G 级钢车轴工艺研究
王艳芳，李树林，徐俊生，薛振峰，崔永亮
（太原重工轨道交通设备有限公司，山西太原
030032）
摘
要：AAR 标准G 级钢为美国标准AAR M-101中的牌号，化学成分范围比较宽松，性能要求值较高。

文章主
要以AAR 标准G 级钢为研究对象，讲述了该材质车轴的性能指标和要求。

通过对该材料的化学成分进行内控，并对其锻造和热处理工艺参数进行摸索试验，成功获得了该材质的工艺参数，并且在车轴粗加工后，对其进行亚临界淬火，经检测各项性能指标均符合AAR 标准要求。

关键词：车轴；AAR 标准G 级钢；锻造工艺；热处理工艺；亚临界淬火工艺
Metallurgy and materials
作者简介：王艳芳（1985-），女，山西吕梁人，主要研究方向：车轴制造工艺。

车轴是铁路车辆运输中的重要承重部件，在运输过程中承受冲击力、制动力以及周期旋转应力的作用，受力情况复杂，运行环境恶劣。

车轴的质量问题紧密关系着铁道运输的安全问题，为此，各国对车轴的综合力学性能均有严格的技术要求。

AAR 标准G 级钢是美国标准牌号，采用的技术标
准是美国标准AAR M-101《AXLES，CARBON STEEL，HEAT-TREATED SPECIFICATION》，我公司需供给客户该材质的车轴，为保证供给客户的车轴符合标准要求，因此需要对AAR M-101标准G 级钢车轴工艺进行开发研究。

化学成分要求具体如下，Mn 含量0.60%~0.90%，P 含量≤0.045%，S 含量≤0.050%，Si 含量≥0.15%。

理化性能指标要求为：R m ≥90000psi，Rep 0.2≥55000psi，A 4≥20，Z≥39，晶粒度等级应不小于5级。

同时客户增加了新的要求，车轴粗加工完成后，需对车轴进行亚临界淬火。

1制定车轴生产工艺路线
采购原材料—车轴坯料复验—轴坯锯切—轴坯加热—车轴锻造—车轴锻件热态打印标识—打吊孔—车轴锻件热处理—车轴锻件性能检验—车轴机加工、检测—车轴亚临界淬火—车轴定总长—车轴终检
2AAR 标准G 级钢车轴制造工艺研究与试验
2.1原材料化学成分内控，订购原材料
AAR 标准要求的化学成分范围比较宽松，为保证
车轴热处理后性能的一致性，对化学成分进行了内控，并且增加了C 、Mo 、Cr 含量要求，按照内控的化学成分从钢厂采购原材料。

2.2车轴锻造工艺研究
（1）车轴锻造温度研究。

轴坯加热作为锻造生产过
程的关键工序，金属的塑性与变形抗力直接影响到金
属坯料所制成锻件的质量，锻造加热主要目的是增强金属塑性、控制变形抗力，进而提高锻后组织的性能。

因此，车轴锻造过程必须高度重视车轴锻造加热。

轴坯加热采用我公司车轴厂精锻线Φ10m 环形加热炉，确定车轴始锻温度主要考虑车轴在加热过程中不产生过热和过烧，一般情况，低于熔点100~200℃，对于碳钢，始锻温度随含碳量的增加而降低，根据铁碳状态图，查找相近钢种的工艺参数，可确定该材质车轴的锻造温度1150℃，车轴锻造采用220方坯，主要考虑加热保温时间适当延长，以满足轴坯加热的均匀性，获得良好的车轴锻造性能。

车轴锻造使用车轴厂精锻机进行锻造，车轴直径相对较细，在保证锻件尺寸的同时，锻造过程主要控制车轴终锻温度，避免锻造温度过低，导致金属塑性降低，变形抗力增加，从而产生锻造裂纹，终锻温度过高，导致锻后晶粒长大而降低力学性能。

根据铁碳相图要求车轴终锻温度为800℃，因该车轴直径细，所以将车轴终锻温度内控为830℃，保证车轴锻造后各项理化指标符合要求，同时也没有锻造裂纹。

（2）车轴锻造。

原材料复验合格后，按照以上制定的锻造工艺进行生产，生产过程中，测量了车轴终锻温度，具体为862℃，锻件尺寸符合工艺要求，表面没有折叠、裂纹等缺陷。

目检车轴没有明显弯曲。

2.3车轴热处理工艺研究
车轴热处理采用悬挂式热处理炉，其热处理方式
为淬火+回火，加热温度是热处理工艺的重要参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。

另外淬火过程中另一个重要工序为冷却，较快的冷却速度可以提高强度。

（1）确定热处理工艺方案。

由于没有现成的热处理工艺，需制定热处理工艺参数。

淬火是将金属材料加热到相变温度以上，保温一段时间后在特定介质中快速
12
第1期
（上接第11页）冷却的方式。

淬火温度借鉴40Cr 的工艺温度，拟定淬火温度为860~880℃，而AAR 标准G 级钢车轴热处理后性能指标要求高，淬火后冷却方式为水淬油冷，同时延伸率指标要求较严，因而回火温度制定为640~660℃。

（2）试验结果与分析。

车轴热处理后在轴颈延长体1/2半径处取样，具体理化性能指标为，R m =110635psi，Rep 0.2=81925psi，A 4=21%，Z=63%，晶粒度6.5级。

由以上试验结果可以看出，水淬后车轴各项性能指标不仅符合标准要求，并且有一定的富余量。

同时对水淬车轴进行机加工，加工后车轴表面没有裂纹，说明该材质通过水淬油冷工艺是可取的。

2.4车轴亚临界淬火工艺研究
车轴机加工后对车轴进行尺寸、超声波检测，合格
后对车轴进行亚临界淬火。

根据美国铁路协会《AAR 机务标准手册》中S-658-82“美国铁路客运公司双层客车无凸肩内置滚子轴承车轴”的要求，车轴粗加工后在1000~1050°F 水中进行次临界淬火，也就是说亚临界淬火温度为538~656℃，淬火介质为水。

因此拟定淬火工
艺温度为550~570℃，淬火后冷却方式为水淬。

车轴亚临界淬火后在轴颈延长体1/2半径处取样，理化性能指标如下，R m =118030psi，Rep 0.2=87290psi，A 4=22%，Z=59%，晶粒度6.5级。

AAR 标准并未规定车轴亚临界淬火后性能要求值，但是通过对比发现，亚临界淬火前后理化性能指标和晶粒度差异不大，通过查阅相关文献，亚临界淬火后采用合适的机加工工艺，可显著增加车轴表面压应力，且能提高车轴疲劳寿命。

2.5车轴成品
通过试制，成功研制出了AAR 标准G 级钢材质车
轴，并且在车轴粗加工后进行了压临界淬火，最后铣端面、定总长，然后进行车轴终检，顺利完成产品交货。

3结
语
（1）AAR 标准G 级钢车轴的锻造温度范围为1150~800℃。

（2）通过试验，总结出一套较为合理的AAR 标准G 级钢车轴热处理参数，具体工艺为淬火+高温回火，淬火后冷却方式为水淬+油冷，采用以上工艺生产的车轴，经检测各项性能指标均符合AAR 标准要求。

车轴机加工后进行亚临界淬火，淬火后冷却方式为水淬。

（3）成功开发了AAR 标准G 级钢车轴工艺，保证了车轴的正常交货进度。

这也为此种材质的车轴批量生产积累了经验，并且为以后我公司生产该同类车轴打下坚实的基础。

参考文献
［1］中国机械工程学会锻压学会.锻压手册（第1卷）［M ］.北京：
机械工业出版社，1993.
［2］杨海泓，王瑞革.车轴表面残余应力的试验与研究［J ］.铁道
机车与动车，2013，（4）：33.
含氧量分析，
一氧化碳含量≤50mg/m 3、含氧量≤2%为合格（若需进入煤气设备内部作业，必须进行通风后，在设备内取样做一氧化碳和含氧量分析，含氧量≥20.5%，CO≤30mg/m 3方可进入）。

合格后，可签发第一张动火许可证。

2.2施工过程
（1）经有限空间内氧气含量和一氧化碳含量化验
合格后在管道适当位置用无齿往复锯在管道上切割出第一个矩形开口，使焦炉煤气管道接通大气。

（2）清理天窗处污物1.6~2.2m，清理出来的污物用防渗漏编织袋回收。

（3）用水将清理污物处装满水，有条件敷设黄沙。

（4）天窗两侧煤焦油用石棉覆盖。

（5）准备好消防水将黄沙和石棉打湿。

（6）动火处另外一侧用石棉封堵以保证管道内微正压。

（7）在天窗中部动火割管。

（8）吊装。

（9）落地后的管道继续用往复锯开口。

（10）清理煤焦油（用防渗漏编织袋回收）。

（11）管道破开清理里面污物回收管道。

（12）清理出来的污物送化工回收生产利用。

（13）拆除脚手架的由高向低顺序实施拆除。

（14）清理作业现场的环境卫生。

2.3开口作业控制要点
开口作业是为了方便清理焦炉煤气管道内的萘和
焦油以及硫化物等沉积物。

开口作业是整个拆除焦炉
煤气管道作业的重点，现在管道开口作业我们按照以下要点作业。

（1）为保证开口作业过程中安全，开口时须向焦炉煤气管道内通入氮气，控制压力50Pa 左右；开口作业前要确保化验合格（含氧量≤2%，CO≤50mg/m 3）。

（2）开口工具为往复锯，使用往复锯开出长0.5m，宽0.2倍管道直径的开口。

（3）首次焦炉煤气管道动火位置须选在氮气置换末端。

（4）清理出来的焦油要用黄沙掩盖，防止动火时焊渣引燃残余焦油。

3结语
鞍钢老二回收焦炉煤气管道运行超过二十年后，煤气管道中萘、焦油以及硫化物腐蚀产生的铁氧化物逐渐在管道内部积累形成沉积物。

在含有大量可燃萘和焦油以及硫化物等沉积物焦炉煤气管道废除拆除过程中采用“往复锯开口清除可燃沉积物与氮气或者蒸汽微正压保护”的安全措施，分段拆除焦炉煤气管道，保证了焦炉煤气管道拆除过程中的安全与环保。

参考文献
［1］韩新萍.焦炉煤气管道堵塞原因分析及防范措施［J ］.武钢
技术，2010，（6）：24-25.
［2］闫志刚.焦炉煤气管道堵塞问题的分析［J ］.机械管理开发，
2015，（1）：56-57.
王艳芳等：AAR 标准G 级钢车轴工艺研究
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