EA4T车轴热处理工艺研究

EA4T 车轴热处理工艺研究

刘军辉

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，山东 青岛 266111）

摘 要 ： EA4T 为 欧 洲 标 准 牌 号 的 低 碳 合 金 钢 材 ，主 要 应 用 于 地 铁 车 轴 和 高 速 动 车 组 车 轴 ，化 学 成 分 与 国

产

25CrMoA 钢相近，所采用的热处理工艺为调质处理。通过对其进行成分分析和反复试验,确定车轴的调质工艺为淬 火温度为 880~900 ℃,回火温度为 590~610 ℃。 中图分类号：TG 156.6

文献标识码：A

文章编号：1003-773X （2012）04-0057-03

0 引 言

EA 4T 是一种德国牌号的低碳合金钢材，现公司地 铁产品车轴采用该材料。为保证车轴热处理后性能满 足要求，对其热处理工艺进行研究。 1 EA4T 车轴化学成分与热处理性能要求[1-3] 1.1 化学成分

车轴化学成分（熔炼分析）,见表 1。

表 1 EA4T 化学成分/%

3 车轴加工工艺流程

锻造毛坯— 锻后正火—探伤—粗车—淬火—回

火—热校直—消除应力—性能检验— 精车—磨削— 探伤—待组

4 热处理工艺分析

4.1 加热设备及工艺装备选择

车轴为细长轴类零件，如图 1 所示，为有效减少车 轴在加热和冷却过程中的变形，车轴采用吊装加热和 冷却。根据车轴长度，考虑现场现有生产设备情况，淬 火 、回 火 加 热 设 备 选 用 RJ 2-380-10 或 RTD 23-360-9 深井式电阻炉，为保证车轴及试棒处于电阻炉内有效 加热区间及提高车轴热处理效率，设计制作车轴专用 调质吊具，车轴非带试棒端加工工艺孔，每炉次吊装 6 根车轴，车轴分两层错层均布。 4.2 加热温度的选择

工件的加热温度应综合考虑工件材质、技术性能 要求、几何形状及尺寸、加热方式、冷却方式、淬火变形 程度及开裂倾向等因素，通过对这些因素的综合分析， 车轴加热温度以 880～900 ℃为宜。 4.3 淬火加热速度的选择

车轴为合金钢材质，导热性差，且沿轴向横截面尺 寸差异较较大。为减小淬火加热过程中车轴的内应 力，应控制加热速度，可采用低温入炉、预热等方式降 低升温速度。

4.4 淬火保温时间的估算

为确保奥氏体形成过程有足够的时间，按照下述 经验公式来估算车轴的保温时间。

1.2 力学性能

车轴力学性能指标，见表 2。试棒位于车轴最大 直径的延长端，试样取自试棒半径的 1/2 处。

表 2 EA4T 车轴力学性能

1.3 金相组织和晶粒度

金 相 组 织 应 为 回 火 索 氏 体 ，晶 粒 度 应 不 低 于 5 级。取样部位与性能试样相同。 2 车轴示意图

车轴热处理工件图，如图 1 所示。

+32 542 0（1） τ =k αD .

5 45

100

式中：τ为工件的保温时间，min ；K 为工件的排料系数； α为加热系数，min/mm ；D 为工件的有效厚度，mm 。

α值与车轴尺寸、加热温度、加热炉类型以及钢的 成分有关，车轴在 RTD 23-360-9 深井式电阻炉中淬火 加热，故α取 1.5～1.8。D 值取车轴的最大直径。车轴 采取每炉 6 根分散悬挂方式加热（车轴热处理吊具，见

5 45

+1A A

600+10240 0343-1+11 048 001 867 -1+12 064 0+22 302 0图 1 车轴热处理工序图

收稿日期：2012-03-26 作者简介：刘军辉（1979-），男，山东青岛人，工程师，本科，从事机械设计和动车组及地铁产品热处理工艺研究。Email ：luhowe@ .

·57·

R 10

R 100+1208 0+1600+206 0R 10

R 100

+11780+1208 0+1160 0

等级

R e H /MPa

R m /MPa

A 5 /% 20 ℃时的冲击功 K U /J 纵向 横向 EA 4T

≥420

650-800

≥18

≥40

≥25

注：1）如果屈服现象不明显，则应测定非比例伸长应力 R p0.2；

2）纵向、横向冲击功各为 3 个试样的平均值，3 个试样中每个试 样冲击值不应低于最低标准值的 70 %。

C Si Mn Cr Mo 0.22～0.29

0.15～0.40

0.50～0.80

0.90～1.20

0.15～0.30

Cu P S Ni V ≥0.30

≥0.020

≥0.015

≥0.30

≥0.06

第 4 期

（总第 128 期） 机 械 管 理 开 发

2012 年 8 月

图 2），k 值取 1.0 即可。通 过 计 算 ，车 轴 的 淬 火 加 热

保温时间为 5.5~6.0 h 。

4.5 淬火冷却规范的确定

由 于 EA4T 材 质 淬 透 性 为 中 等 ，车 轴 有 效 尺 寸 较大，因此，为保证淬硬层 深度达到 1/2 半径处，以获 得 合 格 的 显 微 组 织 ，必 须 采用冷却烈度较高的水基 淬 火 介 质 ，并 在 淬 火 过 程 中通过淬火液的搅拌和车 轴的上下窜动相结合等措 施 ，进 一 步 提 高 淬 火 冷 却 能力，同时，还应防止因冷 速过高导致车轴过大的弯 曲变形尤其是淬火开裂的 危险。工艺试验过程中先 后 采 用 了 两 种 淬 火 介 质 ，

切割过程中要防止试棒过热，需要及时冷却。试样试 验方法按 BS EN 13261 要求进行。

1）拉伸试样。在车轴的最大截面处的三个水平 面取样。分别位于车轴外表面、车轴半径中部和车轴 中心取样，具体取样位置，如图 3 所示。

200A

A

图 3 车轴拉伸试样位置图

2）冲击试样。在车轴的最大截面处的三个水平 面取样。分别位于车轴外表面、车轴半径中部和车轴 中心取样。具体取样位置如图 4 所示。

A

1

图 2 车轴专用调质吊具图

A

分别是体积浓度为 20%~30%的无机淬火液 NK-2，以 及质量分数为 4.5%～5.5%的 NaCl 水溶液，根据试验 结果加以确定。

4.6 回火温度及时间的确定

回火温度是决定工件回火后的组织性能的重要因 素。综合根据热处理机械性能要求以及车轴淬火后表 面硬度，并经不同回火温度下的工艺试验结果，优化确 定回火温度。

为 彻 底 消 除 车 轴 在 淬 火 及 热 矫 直 过 程 中 产 生 的 内 应 力 ，获 得 稳 定 的 回 火 组 织 ，将 回 火 时 间 定 为 6.0~7.0 h 。

4.7 试棒和试样的制作预处理

车轴试棒为图 1 端部 208 mm 处，经过调质处理， 在车轴校直退火处理后，从尺寸 240 mm 处切割得到。

2

图 4 车轴冲击试样位置图

5 工艺实施结果汇总

车轴调质后，按照 BS EN 13261 标准的要求，进行 机械性能试验与金相、晶粒度检验，试验、检验结果如 表 3 所示。

6 试验结果分析

图 5 试块显微组织×500

图 6 试块晶粒度×100

表 3 试验记录及数据

·58·

15

15 15 序号 炉次编号 加热温度/℃ 冷却介质 回火温度/℃

R e /(N/mm 2)

R m /(N/mm 2)

A/% 纵向 K U /J 横向 K U /J 晶粒度 1 101-1-2 880～900 NK-2 560 640 820 19 66、56、56 33、36、37 7 2 101-1-3 880～900 NK-2 600 610 790 20 52、60、54 40、40、34 7.5 3 101-1-4 880～900 NK-2 620 600 770 21 54、66、65 61、43、51 7 4 101-1-5 880～900 NK-2 610 545 755 19 84、84、83 62、62、70 7 5 101-1-6 880～900 盐水 520 650 850 19 45、48、60 40、36、42 7 6 101-1-7 880～900 盐水 590 530 760 20 70、72、78 64、62、68 7.5 7 101-1-8 880～900 盐水 600 585 715 22 94、80、92 76、72、70 7 8

101-1-9

880～900

盐水

600

585

735

20

70、74、80

72、70、70 7.5