高速铁路车轴材质的优化选择

重进行低噪音车轮开发。 马钢还将与铁路研究部门合作大力进行应用技术研究，
弄清各类车轮的主要损伤形式、机理及其影响因素， 以指导 车轮使用性能的持续改进。同时， 正在积极筹划铁路车轮质 量控制与质量检测工程中心建设， 建立具有设计、冶金工艺 研究、材料性能研究等功能的系统性实验平台， 并完善质量 检测手段， 使马钢向高质量铁路车轮研发基地的方向发展。 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 收稿日期： ２００７－ １１－ ０２ 作者单位： 苏世怀， 江波， 马鞍山钢铁股份有限公司。
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此外， 成分偏析是钢， 特别是较大截面钢件中普遍存 在的现象。钢的偏析包括化学成分和非金属夹杂物的均匀 分布。钢中硫、磷等元素含量偏高， 均导致成分不均匀分 布倾向增大。通常， 非金属夹杂物含量越少， 钢的淬透性 越高。车轴钢冶炼时必须充分脱气， 防止形成层化， 即氢 引起的裂缝。
２ 车轴钢强化技术
高均质度车轮钢冶金工艺； 三是完善车轮压轧、热处理的数 值仿真技术， 提高工艺设计水平； 四是完善实验手段， 为技 术开发、工艺研究提供充分的条件。
产品开发的重点之一为高速动车组用车轮， 先期以消化 日本、欧洲相关车轮技术为主， 确保车轮实物质量达到进口 车轮的同等水平， 尽快实现高速动车组用车轮的国产化。同 时， 跟踪分析其使用状态， 研制适应我国客运专线使用条件 的新型高速动车组用车轮； 其二为重载车轮， 先期按铁道部 部署在大秦线推广应用已开发的新型重载车轮， 同时进行３０ ｔ 轴重重载货车车轮的预研； 其三是城市轨道交通用车轮， 着
０．０３０
０．０３５
０．３０
中国
４０
０．３７￣０．４５ ０．１５￣０．３５ ０．５０￣０．８０
０．０３０
０．０３５
０．２５
中国
３０ＣｒＭｏＡ ０．２６￣０．３３ ０．１７￣０．３７ ０．４０￣０．７７ ０．８０￣１．１０
０．１５￣０．２５ ０．０２０
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车轴钢要求良好的强韧性配合， 必须严格控制钢中硫、 磷等杂质元素。硫在钢一般以ＭｎＳ夹杂物形式存在， 压力 加工后沿轧制方向呈条状分布， 使材料的各项异性增大。 磷对钢的韧性， 尤其是低湿韧性影响较大， 金属断裂是一 个裂纹萌生和扩展的过程。根据裂纹形核与扩展机理， 夹 杂物往往是钢在受力后的裂纹源与扩展路径。研究表明， 钢中夹杂物或其产生的孔洞相当于微小缺口， 在交变载荷 作用下会产生应力集中， 使材料在较低的应力水平下引起 交变滑移和微裂纹形核， 成为疲劳裂纹萌生的裂纹源， 从 而降低疲劳强度。除疲劳性能外， 断裂韧性、冷脆倾向等 同样受钢中夹杂物含量的影响。因而， 提高钢的冶金质量， 严格控制钢中硫、磷等杂质元素， 可显著改善与冶金质量 敏感的力学性能指标。
４０钢、４５钢车轴使用历史悠久， 是国际上使用较多的 钢种。由于其强度偏低、耐磨性差、疲劳裂纹萌生门槛值 较低， 使用寿命较短。但４０钢、４５钢韧脆转变温度低， 加 工性能好， 成本低， 如果能采用先进的冶炼、锻造技术和 热处理工艺， 在保持韧脆前提下提高强度， 其裂纹率很可 能有所下降， 使用寿命将会相对延长。
３ 车轴钢材的优化选择及其强化技术的展望
通过试验， 提供我国高速铁路用车轴钢材的弯曲疲劳 和接触疲劳极限数据， 以更好地指导车轴钢材的优化选择。 为了提高铁路行车安全性， 应降低车轴钢的含碳量。在降 碳的同时， 可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。综 合考虑性能、资源和成本等多种因素， 车轴钢成分设计中， 在满足设计要求的组织和性能前提下， 应 控 制Ｎｉ、Ｍｏ 等 合 金元素的含量。车轴钢材的冶金质量十分重要。车轴钢冶 炼时钢的纯度、非金属夹杂物的形态和分布、氢含量均须 严格控制。选择高速铁路用车轴钢材时， 除了需要保证原 材料具有良好的性能外， 还要选择合适的热处理工艺， 以 确保车轴的机械强度性能和小的热处理变形。进一步研究 高速铁路用车轴的强化技术， 确保车轴良好的强度和韧性 综合性能， 这是提高我国高速铁路用车轴的承载能力和疲 劳寿命的技术方向。 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 收稿日期： ２００７－ １１－ ０５ 作者单位： 李桂仙， 晋西机械工业集团有限责任公司。
同时正在积极筹划铁路车轮质量控制与质量检测工程中心建设建立具有设计冶金工艺研究材料性能研究等功能的系统性实验平台并完善质量检测手段使马钢向高质量铁路车轮研发基地的方向发展
Ｍ 材料工程 ａ ｔｅ ｒｉａ ｌｓ Ｅｎｇｉｎｅ ｅ ｒｉｎｇ
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◆ 李桂仙
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长期以来， 我国的机车车辆均采用优质碳素钢车轴， 国外由于各国的国情不同、技术观点不同， 选用的车轴材 料不尽相同。表１是一些国家选用的车轴钢化学成分。
表 １ 有关国家选用的车轴钢化学成分
国别
材料
Ｃ
化学成分（ ％）
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｃｒ
Ｎｉ
Ｍｏ
Ｐ
Ｓ
Ｃｕ
德国
２５ＣｒＭｏ４ ０．２５￣０．２９ ０．１５￣０．４０ ０．６０￣０．９０ ０．４０￣０．６０
２．１ 车轴用碳素钢强化技术 采用低碳钢车轴表面感应淬火， 是提高其疲劳寿命最
为经济而有效的方法。日本对此进行了详细地试验研究， 并成功地运用在高速铁路上。为提高车轴疲劳强度， 高速 铁路车轴采用Ｓ３８Ｃ碳素钢经调质处理后， 再沿车轴纵向进 行表面感应加热淬火。在淬硬层内获得非常细的马氏体组 织， 使表面强度显著提高， 同时产生压缩残余应力。表层 的硬化可以提高车轴的耐磨性和抗冲击性， 通过产生的压 缩残余应力， 更能提高车轴的疲劳强度。试验结果表明， 淬硬层越深， 疲劳强度愈大。
车轴的强度、韧性等性能要求需通过车轴钢材成分和 热处理两方面来证。与此同时， 对钢材的冶金质量、淬透 性要求等还需提出附加要求。
１ 车轴钢材成分
１．１ 车轴钢材的含碳量 碳是钢中必不可少的元素， 也是影响钢材性能的重要
元素。然而， 增加含碳量虽然强化作用很高， 但却显著降
低韧性。轴类零件一般选择中碳钢。为了提高铁路行车安 全性， 应降低车轴钢的含碳量。同时， 可通过微合金化及 热处理来提高车轴强度。
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依据各国车轴标准不同， 车轴材料一般分为两大类， 即碳素钢车轴及合金钢车轴， 但都属于低碳钢范畴。碳素 钢车轴钢材的含碳量一般选择０．３０ ％ ￣０．４５ ％ ， 加 入 合 金 元素， 可适当降碳。 １．２ 车轴钢材的合金元素
依据车轴钢材的使用性能， 要求车轴钢具有较高的强 度和韧性， 即良好的综合性能。因此， 车轴钢合金化的目 的就是添加合金元素达到强韧化目的。对于大截面钢件， Ｍｏ是使其 晶粒细化、提高综合性能的首选元素。Ｃｒ能够增 加钢的淬透性， 促使淬火及回火后工件整个截面上获得较 均 匀 的 组 织 。Ｎｉ是 提 高 钢 材 韧 性 最 有 效 的 合 金 元 素 。 多 种 合金元素的复合加入， 反映在性能上， 则由单一性能到优 良的综合性能， 从而可以满足车辆在不同受荷状态的需要。 因 此 ， Ｃｒ、 Ｎｉ、 Ｍｏ 等 合 金 元 素 是 车 辆 钢 合 金 化 的 主 要 元 素。
车轴高频淬火方式可有两种： 一种是边移动线圈边加 热车轴的所谓移动淬火部分， 一种是固定线圈只按固定状 态进行加热的固定淬火部分。假如要对车轴全长淬火， 就 必须进行移动淬火。但是， 对于从轮座外轮毂端直到轴颈 部的车轴直径变化较大的部分， 移动淬火比较困难， 可采 用固定淬火。
日本的车轴高频淬火技术已日益成熟， 其频率选择在 １０ ｋＨｚ左右， 回火温度选择２００ ℃￣ ２３０ ℃， 淬硬层 可达１０ ｍｍ 。表层可得到致密的 马 氏 体 组 织 ， 使 硬 度 升 高 到６００ ＨＶ。 距 表 层１０ ｍ ｍ 的 位 置 组 织 为 铁 素 体＋ 珠 光 体 ， 硬 度 达 ２００ ＨＶ。 车 轴 高 频 淬 火 强 化 技 术 在 我 国 尚 未 使 用 ， 还 有 待 进一步试验、研究。 ２．２ 车轴用合金钢化技术
依据欧洲标准， 高速铁路采用合金钢车轴， 常选用 ２５ＣｒＭｏ４、 ３０ＣｒＮｉ３、 ３０ＣｒＭｏＡ等 材 质 。 其 强 化 技 术 采 用 车轴调质处理后， 轮座部位喷钼， 其余部位采用滚压表面 强化。由于喷涂层与基体结合强度较小， 滚压强化层较浅， 对车轴的材质、喷涂及滚压工艺要求较高， 成本亦较高。 国 内 的 车 轴 通 常 采 用 调 质 处 理 （ 或 正 火 处 理） 后 滚 压 强 化 处理。但其强化层较浅， 硬度较低， 对疲劳强度和耐磨性 的改善十分有限。
０．４０￣０．５０ ０．０３５
０．０３５
法国
ＸＣ３０ ０．２８￣０．３３ ０．１０￣０．４０ ０．５０￣０．８０
０．０３５
０．０３５
法国
３０ＣｒＮｉ３ ０．２７￣０．３４ ０．１０￣０．４０ ０．２５￣０．６０ ０．６０￣０．９０ ２．５￣３．０
０．０３５
０．０３５
日本
Ｓ３８Ｃ ０．３５￣０．４１ ０．１５￣０．３５ ０．６０￣０．９０
摘 要： 在分析高速铁路用车轴的重要使用性能指标的基础上， 讨论了高速铁路用车轴材质的 优化选择。在成分控制基础上， 还要选择合适的强化工艺， 以确保车轴的机械强度性能和良好 的韧性。 关键词： 车轴 优化 高速铁路
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车轴是机车车辆承受动载荷的关键零件， 受力状态复 杂， 并可能受到一定冲击。所以， 车轴在工作中可因疲劳、 弯曲、扭转或拉伸应力而断裂， 但疲劳断裂是车轴的普遍 断裂形式。因此， 对车轴钢材而言， 主要是保证其良好的 强度， 特别是弯扭复合疲劳强度及韧性。为了防止其轴颈 部位的迅速磨损， 还应具备一定的表面硬度。
选材时还必须考虑经济性， 包括材料成本的高低， 供 应是否充分， 加工工艺过程是否复 杂。由于Ｎｉ、Ｍｏ 的 价 格 昂贵， 使材料的成本增加。综合性能、资源和成本等多种 因素， 车轴钢成分设计中， 在满足设计要求的组织和性能 前提下， 应控制Ｎｉ、Ｍｏ的含量。 １．３ 车轴钢的冶金质量
车轴要求钢材具有良好的疲劳强度， 钢材中的宏观和 微观缺陷将造成应力集中， 而且本身常常就是裂纹源， 因 而， 车轴钢材的冶金质量就显得十分重要。为此， 国外已 开始较普遍地采用钢包脱气、真空冶炼等精炼方法生产车 轴用钢。