黃俏梅，牛迎春，蘇立武，李泉

株洲中車天力鍛業(yè)有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

EA1N鋼為歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN13261-2009中應(yīng)用的車軸鋼[1]，廣泛應(yīng)用于德國(guó)、法國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路行業(yè)[2]。隨著國(guó)外軌道交通裝備設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)內(nèi)引進(jìn)，該鋼種在國(guó)內(nèi)100km/h以下的各型地鐵車軸上普遍使用，比如武漢2號(hào)線、廣州3號(hào)線、昆明1號(hào)線、鄭州1號(hào)線、寧波1號(hào)線、長(zhǎng)沙3/4號(hào)線等。相對(duì)于其他材質(zhì)的車軸而言，EA1N具有低成本、性能穩(wěn)定、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的EA1N車軸熱處理方式不盡相同，原南車長(zhǎng)江公司采用兩次正火和一次回火的工藝[3]，整體耗時(shí)至少15h（包括升溫、等溫正火及風(fēng)冷的時(shí)間），生產(chǎn)效率低，工藝步驟復(fù)雜且能耗相當(dāng)大；太原重工股份有限公司采用連續(xù)式爐正火工藝[4]。各公司根據(jù)設(shè)備和產(chǎn)品要求選擇不同的熱處理方式，對(duì)其工藝合理性和能耗成本的考慮參差不齊，并未形成統(tǒng)一的行業(yè)基準(zhǔn)。

因此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的EA1N車軸鋼熱處理工藝方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，研究熱處理工藝對(duì)EA1N車軸性能的影響規(guī)律，獲得在滿足EA1N車軸技術(shù)和質(zhì)量要求的前提下，能簡(jiǎn)化工藝步驟、降低能耗并提高生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益可觀的EA1N車軸鋼熱處理工藝，對(duì)工廠生產(chǎn)有指導(dǎo)性意義。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為符合EN 13261-2009標(biāo)準(zhǔn)的EA1N車軸，其鋼坯化學(xué)成分見(jiàn)表1，金相組織如圖1所示。

表1 EA1N鋼坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 EA1N鋼坯金相組織

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用臺(tái)車式電阻爐進(jìn)行正火處理，如圖2所示，裝爐方式為4層間隔堆疊。正火工藝試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)車軸最大有效直徑為225mm。

圖2 車軸正火裝爐示意

表2 正火參數(shù)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 力學(xué)性能

1）按EN 13261-2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取樣，其力學(xué)性能及晶粒度見(jiàn)表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)對(duì)比，在一次正火條件下，EA1N車軸（均值）抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)14%，屈服強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求15%，伸長(zhǎng)率高于標(biāo)準(zhǔn)23%，縱向沖擊吸收能量高出37%，橫向沖擊吸收能量高出95%，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）不同正火溫度對(duì)一次正火條件下的EA1N車軸力學(xué)性能、合格率和混晶情況有一定影響（見(jiàn)表3）。力學(xué)性能隨正火溫度降低有所波動(dòng)，屈服強(qiáng)度最大差值為15MPa（4.6%），規(guī)律性并不明顯。一次正火合格率隨正火溫度降低呈不明顯的上升趨勢(shì)，860℃時(shí)相對(duì)較高。混晶率隨正火溫度降低呈下降趨勢(shì)，900℃正火時(shí)存在約3%的混晶情況，860℃時(shí)有明顯改善，存在偶發(fā)性約0.5%的混晶，有較強(qiáng)的規(guī)律性。

表3 半軸二分之一半徑處性能結(jié)果

3）從組別4和其他的性能對(duì)比可見(jiàn)，經(jīng)返工正火的EA1N車軸，綜合力學(xué)性能與一次正火的平均水平無(wú)明顯差異，合格率明顯提升，混晶情況得到消除。

4）表3和表4的數(shù)據(jù)對(duì)比表明，正火次數(shù)對(duì)車軸綜合性能的影響并不大，增加一次正火和一次回火工藝可在一定程度上提升車軸屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量，增加約3%的合格率，但至少需增加50%的能耗和30%的生產(chǎn)周期，就工藝成本和效率而言，一次正火工藝的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)更高。

表4 原南車長(zhǎng)江公司車軸二分之一半徑處性能結(jié)果

3.2 金相組織

1）車軸熱處理后的組織和晶粒度無(wú)明顯差異。圖3為各組別的金相組織和晶粒度圖譜，其組織為均勻的鐵素體+珠光體，晶界清晰，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，晶粒度為7~8級(jí)，并無(wú)明顯差異。EA1N鋼車軸在正火溫度800℃以上經(jīng)充分保溫可實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化，一定范圍內(nèi)正火保溫溫度升高，保溫時(shí)間不變，會(huì)增大出爐時(shí)車軸表面和心部的溫度差，在相同風(fēng)冷情況下，越靠近外表面，冷卻速度越快，而心部冷卻速度基本一致，從而加大車軸表面和心部的冷卻速度差，造成批量生產(chǎn)時(shí)較大的性能和組織波動(dòng)，增加混晶的幾率，降低整體合格率。

2）由圖3和圖4的金相組織照片可知，經(jīng)一次正火、二次正火與二次正火加一次回火后的組織并無(wú)明顯差異，正火次數(shù)對(duì)EA1N鋼車軸的組織和晶粒度級(jí)別無(wú)明顯影響。

圖3 各組別晶粒度及金相組織

圖4 原長(zhǎng)江公司二次正火+一次回火工藝下的金相組織

4 結(jié)束語(yǔ)

1）經(jīng)一次正火處理的EA1N鋼車軸其組織性能完全滿足并超越EN 13261-2009標(biāo)準(zhǔn)要求，可通過(guò)減少正火或熱處理次數(shù)大幅提升EA1N鋼車軸的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2）不同的一次正火溫度，對(duì)EA1N鋼車軸的綜合力學(xué)性能的影響并不明顯。但在合理的正火溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，隨著正火溫度降低，一次正火合格率呈不明顯的上升趨勢(shì)，混晶情況得到明顯改善。

3）正火次數(shù)對(duì)EA1N鋼車軸的綜合性能的影響有限，對(duì)組織和晶粒度級(jí)別無(wú)明顯影響。

4）根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，EA1N鋼車軸進(jìn)行一次正火處理存在約5%的不合格率，可對(duì)不合格爐次進(jìn)行返工正火處理，合格率達(dá)到100%。