王 皓，吳 昊

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

車軸作為鐵路貨車的關鍵走行部件，其制造質量直接影響鐵路貨車運行安全可靠性。隨著鐵路貨車載重量的增加，對車軸的制造質量提出了越來越高的要求。車軸的制造質量除了與原材料質量相關外，與車軸的熱處理質量也密切相關，而熱處理過程的溫度一致性是保證車軸制造質量一致性的重要因素[1-4]。

目前，為提高鐵路貨車車軸的性能一致性和制造效率，行業(yè)已普遍采用電加熱連續(xù)式熱處理進行車軸熱處理[5-6]。通過車軸真實熱處理曲線的測定及相應車軸的性能來評價和分析車軸制造質量，車軸熱處理過程中真實熱處理曲線的測定是熱處理工藝制定的重要保障。

1 車軸連續(xù)式熱處理裝備

由于連續(xù)式熱處理爐具有爐膛截面積小，爐溫控制精度高，加熱均勻性高、能耗低；節(jié)拍化連續(xù)生產，生產效率高，制造成本低；少量產品分批冷卻，冷卻均勻、產品性能高、質量一致性好；自動化程度高，勞動強度低，作業(yè)環(huán)境較好等優(yōu)點，因此，鐵路貨車行業(yè)的車軸熱處理已普遍采用懸掛鏈式電加熱連續(xù)式熱處理爐。我國長期使用的鐵路貨車車軸材料為LZ50鋼和AAR M101F級車軸鋼，兩種車軸材質的熱處理工藝均為兩次正火+一次回火，兩次正火后均為風冷。因此，該連續(xù)式熱處理爐按車軸的熱處理工藝和車軸的走行順序，將連續(xù)爐分為一次正火爐(8個加熱區(qū))+風冷室+二次正火爐(6個區(qū))+風冷室+回火爐(6個區(qū))+風冷室的結構，將爐體的截面分為上、中、下三個控溫和加熱區(qū)，以保證爐膛截面的溫度均勻性，見圖1。

圖1 車軸電加熱連續(xù)式熱處理爐Fig.1 Electric heating continuous heat treatment furnace for axle

2 熱處理曲線測定

為更好地評估車軸的性能一致性，本文將車軸劃分為五個部分，分別為上下軸頸、上下軸座和軸身。為實現(xiàn)車軸相應部位力學性能和實際熱處理溫度的對應，本文利用加裝熱電偶和外部測溫裝置的方式來測量車軸的實際溫度。為更好地測量車軸的實際溫度，在車軸相應部位鉆孔，孔深直達車軸心部，在孔中預埋熱電偶，然后將孔口用玻璃纖維塞住，以此方式進行托偶試驗來獲得車軸相應部位的溫度數(shù)據(jù)，并將電偶進行相應的編號，托偶軸見圖2。

圖2 托偶軸圖Fig.2 Axle with couple

2.1 初始測定

應用對應軟件分析初始測定的數(shù)據(jù)，如圖3、4、5分別為一次正火爐曲線、二次正火爐曲線和回火爐曲線，均為熱處理爐后四區(qū)保溫段曲線。從圖3可以看出，一次正火爐7區(qū)溫度呈鋸齒狀波動，爐膛上側溫度在5～7區(qū)均較低，僅在8區(qū)勉強達到設定溫度。因此，車軸上部的實際溫度很難達到工藝要求。

圖3 一次正火爐托偶曲線Fig.3 Couple curve of primary normalizing furnace

從圖4可以看出，二次正火爐后四區(qū)保溫段的溫差較大，在4區(qū)和5區(qū)的爐膛上側與中部溫度相差30 ℃，6區(qū)溫差為12 ℃。

圖4 二次正火爐托偶曲線Fig.4 Couple curve of secondary normalizing furnace

從圖5可以看出，回火爐也存在較大的溫差，爐膛上下溫差已達30 ℃，爐膛上側溫度較低。

圖5 回火爐托偶曲線Fig.5 Couple curve of tempering furnace

2.2 爐溫調整后的測定

根據(jù)初始測定的結果，進行了爐溫調整后，再次進行熱處理溫度測定，結果見圖6、7、8。經過爐溫調整，一次正火爐、二次正火和回火爐的保溫段溫度都滿足了±10 ℃的工藝要求。

圖6 調整后一次正火爐托偶曲線Fig.6 Couple curve of primary normalizing furnace after adjustment

圖7 調整后二次正火爐托偶曲線Fig.7 Couple curve of secondary normalizing furnace after adjustment

圖8 調整后回火爐托偶曲線Fig.8 Couple curve of tempering furnace after adjustment

2.3 風冷速率測定

風冷速率是影響正火工件強度的重要因素，利用托偶試驗實測車軸在一次風冷室和二次風冷室的冷卻曲線。一次風冷室為一個區(qū)，冷卻時間為一個生產節(jié)拍，一次風冷室冷卻曲線如圖9所示。一次風冷車軸的冷卻過程明顯分為三個階段，高溫段冷速較高，中溫段冷速平緩，低溫段冷速加快。高溫段和中溫段冷速最快的部位均為下軸頸，冷速最慢的部位為上軸座；低溫段各部位冷速基本一致，下軸座處略低，詳細數(shù)據(jù)見表1。

圖9 一次風冷室冷卻曲線Fig.9 Cooling curve of primary air cooling chamber

二次風冷室為兩個區(qū)，冷卻時間為兩個生產節(jié)拍，二次風冷室冷卻曲線如圖10所示。二次風冷車軸的冷卻過程分為三個階段，冷卻規(guī)律與一次風冷室大體一致。高溫段和中溫段冷速最快的部位均為下軸頸，冷速最慢的部位為上軸座，低溫段各部位冷速基本一致，上軸座處略高，下軸座處略低，見表2。

表2 二次風冷數(shù)據(jù)表Table 2 Secondary air cooling data

圖10 二次風冷室冷卻曲線Fig.10 Cooling curve of secondary air cooling chamber

3 車軸實物分析

為評估爐溫調整對車軸性能的影響，分別選取爐溫調整前后的車軸各一根，按照電偶的固定位置，對兩根車軸相應部位的力學性能進行檢驗，性能對比結果見表3。爐溫調整前的車軸下軸座部位屈服強度不合格，爐溫調整后車軸各部位性能均合格，且有一定提升。

表3 車軸力學性能數(shù)據(jù)Table 3 Mechanical property data of Axle

4 結論

1)在實物車軸相應部位鉆孔，預埋熱電偶的溫度測定方法能夠較好地反映出車軸實際的熱處理溫度，尤其是對連續(xù)式熱處理爐，對熱處理工藝的評估具有重要的意義。

2)經過爐溫調整，使連續(xù)式熱處理爐的爐溫更好地滿足了工藝要求，提升了車軸產品的質量一致性。

3)測得的風冷曲線表明了車軸的實際冷卻曲線，較好地體現(xiàn)了車軸的冷卻過程，對于熱處理工藝改進和產品性能提升具有較好的指導意義。

4)爐溫的均勻性對車軸的制造質量至關重要，延長體的性能并不能完全代表車軸各部位的性能。