吳文兵 高文衛(wèi) 劉向東
摘要:鐵路車(chē)軸是機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件。由于運(yùn)行時(shí)的工況惡劣、應(yīng)力復(fù)雜,特別是近年來(lái)隨著鐵路的重載化和高速化,其運(yùn)行時(shí)的惡劣工況加劇,而存在有產(chǎn)生疲勞斷裂(冷切)的可能性,從而給列車(chē)的行車(chē)安全帶來(lái)了較大的隱患。因此,為了確保列車(chē)的行車(chē)安全,如何進(jìn)一步提高車(chē)軸的使用壽命或者疲勞強(qiáng)度就成了國(guó)內(nèi)外機(jī)車(chē)車(chē)輛制造企業(yè)亟待解決問(wèn)題中的重中之重。基于此,本文主要對(duì)如何提高鐵路車(chē)軸疲勞性能的表面強(qiáng)化處理進(jìn)行分析探討。
關(guān)鍵詞:鐵路車(chē)軸;疲勞性能;表面強(qiáng)化處理
1、提高車(chē)軸抗疲勞性能的表面強(qiáng)化處理方法
1.1滾壓強(qiáng)化處理
滾壓強(qiáng)化作為簡(jiǎn)單有效的強(qiáng)化方法,使得目前美國(guó)、歐洲和我國(guó)的鐵路企業(yè)普遍應(yīng)用它來(lái)強(qiáng)化鐵路車(chē)軸上較為薄弱的部分——卸荷槽、圓弧過(guò)渡處以及三座(軸承、車(chē)輪和齒輪座)等部位的表面,來(lái)提高其表面光潔度、硬度、耐蝕性以及在表層保留有殘余壓應(yīng)力,而使其疲勞壽命提高,并確保列車(chē)的行車(chē)安全。研究了LZ50車(chē)軸鋼經(jīng)滾壓強(qiáng)化處理后的疲勞短裂紋行為后發(fā)現(xiàn),LZ50車(chē)軸鋼經(jīng)滾壓強(qiáng)化處理后,由于其表面硬度提高了10%,軸向和周向的殘余壓應(yīng)力也分別提高了170MPa和101MPa,因而能有效地抑制微裂紋的萌生與擴(kuò)展,同時(shí)也將使裂紋的擴(kuò)展速率減緩。但是,在滾壓強(qiáng)化處理時(shí),操作與控制大部分是通過(guò)手工來(lái)完成的。由于手工操作后的車(chē)軸表面質(zhì)量將受到操作人員的素質(zhì)、能力、情緒、工作強(qiáng)度等多種因素的影響,從而有可能使得車(chē)軸經(jīng)滾壓強(qiáng)化處理后在其表面存有一些微小的滾壓臺(tái)階、劃痕以及漏滾等表面缺陷,影響車(chē)軸的疲勞壽命。
1.2噴丸強(qiáng)化處理
噴丸強(qiáng)化處理是利用壓縮空氣將堅(jiān)硬的小彈丸高速噴打向車(chē)軸表面,使之產(chǎn)生塑性變形,而在其表面得到一層高硬度和殘余有壓應(yīng)力的變形層,從而使車(chē)軸疲勞極限得到提高。研究了不同噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)對(duì)車(chē)軸鋼表面噴丸強(qiáng)化處理后的效果后發(fā)現(xiàn),其強(qiáng)化效果與彈丸的直徑、氣壓強(qiáng)度以及噴丸強(qiáng)度有關(guān),其表面最大的殘余壓應(yīng)力可達(dá)-890MPa,疲勞極限可以提高1倍多。但由于經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理后,其表面的粗糙度值增加,將使車(chē)軸的其它性能降低,因此在車(chē)軸的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中很少采用。
1.3表面感應(yīng)加熱淬火處理
采用表面感應(yīng)加熱淬火是提高碳素鋼車(chē)軸疲勞壽命最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。日本早在1948年就開(kāi)始了相關(guān)研究,將S38C碳素鋼等材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,再沿車(chē)軸縱向進(jìn)行車(chē)軸全長(zhǎng)度的表面感應(yīng)加熱淬火處理,使其表層具有高硬度馬氏體組織的開(kāi)發(fā),并成功地應(yīng)用于新干線。隨后,法國(guó)的高速鐵路車(chē)軸也由過(guò)去采用30CrNi3合金鋼調(diào)質(zhì)并滾壓強(qiáng)化處理的方法,改為現(xiàn)在的XC30碳素鋼調(diào)質(zhì)后再進(jìn)行表面感應(yīng)加熱淬火處理的方法。碳素鋼表面感應(yīng)淬火后,可以在表面淬硬層內(nèi)獲得非常細(xì)的馬氏體組織,使其表面硬度顯著增加,高的表面硬度有益于提高輪軸壓裝部位的抗微動(dòng)磨蝕疲勞性能;淬硬層越深,疲勞極限越高;另外,淬火車(chē)軸表面形成了殘余的壓應(yīng)力,有益于進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度和延長(zhǎng)疲勞壽命。調(diào)質(zhì)處理的S38C鋼車(chē)軸經(jīng)過(guò)表面感應(yīng)淬火之后,其淬硬層深度達(dá)到4mm,表面硬度高于500HV,表面殘余壓應(yīng)力區(qū)深度為10~15mm,殘余應(yīng)力值可以達(dá)到-588~-980MPa,個(gè)別點(diǎn)的殘余壓應(yīng)力可高達(dá)-980MPa,疲勞性能將提高30%以上。我國(guó)科學(xué)研究院也通過(guò)大量的試驗(yàn)開(kāi)發(fā),最終使40鋼車(chē)軸表面經(jīng)感應(yīng)淬火處理后的表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力分別達(dá)到500~600HV和-538~-1085MPa;而經(jīng)高頻感應(yīng)淬火處理后的模擬車(chē)軸試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限比未經(jīng)處理的提高145%,其性能指標(biāo)達(dá)到了日本和法國(guó)碳素鋼車(chē)軸表面淬火的性能指標(biāo),完全可以滿足我國(guó)重載、快速及高速鐵路運(yùn)輸對(duì)車(chē)軸的要求。但由于國(guó)內(nèi)車(chē)軸外形結(jié)構(gòu)的階梯加多、且階梯尺寸差較大,而使得感應(yīng)加熱淬火處理時(shí)的工藝控制較為復(fù)雜,性能也不易保證,因而,感應(yīng)加熱淬火處理方法在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的車(chē)軸結(jié)構(gòu)條件下是較難得到推廣應(yīng)用的。
1.4熱噴涂處理
目前,針對(duì)大多數(shù)車(chē)軸裂紋的形成是由于車(chē)軸配合面間的微動(dòng)磨損所致,各國(guó)鐵路企業(yè)均開(kāi)始采取了在其配合面間噴涂一層高性能材料的方法來(lái)減輕或消除其微動(dòng)磨損,以防止鐵路車(chē)軸的早期失效。德國(guó)的E120機(jī)車(chē)及ICE動(dòng)力車(chē)和我國(guó)的30CrMoA鋼和EA4T鋼車(chē)軸采用的是在車(chē)軸輪座的表面噴涂一種能與基體牢固結(jié)合的鉬和氧化鉬層(稱為噴鉬處理)的方法。該方法充分利用了噴鉬層所具有的優(yōu)異的粘結(jié)特性和抗粘附磨損特性,一方面可以用來(lái)防止輪對(duì)壓裝時(shí)的車(chē)軸拉傷,另一方面,可以用來(lái)完全消除微動(dòng)磨損,因而將可以大大地提高車(chē)軸的疲勞極限。調(diào)質(zhì)處理的30CrMoA鋼車(chē)軸噴鉬后,其涂層的顯微硬度一般要超過(guò)700HV,有時(shí)最高可達(dá)1300HV,與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度在20N/mm2以上。文獻(xiàn)研究了采用熱噴涂方法在車(chē)軸表面噴涂一層成分配比為Fe2.181%,Cu90.222%,Ni2.346%,Al4.988%的涂層后的疲勞性能的變化規(guī)律。其結(jié)果顯示,在噴涂0.1mm厚時(shí),在加載載荷為120MPa條件下,實(shí)物車(chē)軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)均超過(guò)了107次。而這種成分配比的涂層既能用于修復(fù),又能防止微動(dòng)磨損。研究者采用含0.44%C的車(chē)軸鋼,在模擬試驗(yàn)車(chē)軸上噴涂了含有Fe、Ni、Cr和Al等合金的粉末后進(jìn)行了微動(dòng)損傷試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果顯示,在170MPa載荷下,經(jīng)1.6×107次循環(huán)后,其模擬車(chē)軸表面都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋,表面完好無(wú)損;而無(wú)涂層的模擬車(chē)軸在120MPa載荷下,經(jīng)1.2×107次循環(huán)就出現(xiàn)了疲勞裂紋。由上可見(jiàn),熱噴涂處理均可以提高車(chē)軸的疲勞性能。但熱噴涂處理普遍存在著操作工序繁瑣、且涂層較易脫落等問(wèn)題,而使其在鐵路車(chē)軸上的應(yīng)用受到了一些限制。
2、結(jié)語(yǔ)
鐵路車(chē)軸具體采用何種表面強(qiáng)化處理方法來(lái)提高車(chē)軸的疲勞壽命以確保鐵路的安全運(yùn)行,則必須根據(jù)各國(guó)鐵路企業(yè)的實(shí)際情況以及鐵路車(chē)軸所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),并在綜合考慮性能和成本等因素之后來(lái)進(jìn)行選擇,這樣才有可能獲得較為滿意的效果。
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