0.   引言

車(chē)軸是鐵路機(jī)車(chē)中一個(gè)十分重要的構(gòu)件,世界各國(guó)對(duì)提高車(chē)軸的可靠性均十分重視[1-5]。我國(guó)鐵道車(chē)輛的提速加載對(duì)大功率機(jī)車(chē)及高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的性能提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)常用的機(jī)車(chē)車(chē)軸材料是40鋼和50鋼。40鋼強(qiáng)度稍低,但韌性好,50鋼強(qiáng)度較高,但韌性稍差,2種材料均已無(wú)法滿(mǎn)足高速、重載鐵路機(jī)車(chē)的要求[6]。EA4T鋼是一種廣泛使用于國(guó)外地鐵動(dòng)車(chē)車(chē)軸及大功率機(jī)車(chē)車(chē)軸的鋼種,也是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13261規(guī)定的高速客車(chē)車(chē)軸用鋼。之前我國(guó)的合金鋼車(chē)軸主要靠進(jìn)口,為了快速實(shí)現(xiàn)國(guó)家鐵路機(jī)車(chē)重載技術(shù)和提速戰(zhàn)略,通過(guò)引進(jìn)、吸收、消化已實(shí)現(xiàn)車(chē)軸的國(guó)產(chǎn)化,許多新型機(jī)車(chē)都采用了國(guó)產(chǎn)的EA4T鋼車(chē)軸,如9 600 kW牽引機(jī)車(chē)和武漢、深圳的地鐵車(chē)輛等。 

EA4T車(chē)軸鋼的常規(guī)熱處理工藝為調(diào)質(zhì)熱處理（淬火＋高溫回火）,根據(jù)EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求,調(diào)質(zhì)熱處理EA4T鋼車(chē)軸軸頸1/2半徑處的顯微組織應(yīng)全部為馬氏體/貝氏體組織（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為M/B組織）。當(dāng)軸頸直徑較小,如180 mm時(shí),采用常規(guī)工藝調(diào)質(zhì)熱處理后,其1/2半徑處可以全部獲得M/B組織；但當(dāng)軸頸直徑較大,達(dá)到280 mm時(shí),其1/2半徑處在常規(guī)工藝下獲得全部的M/B組織則較為困難[7-8]。在實(shí)際生產(chǎn)中為了保證大尺寸車(chē)軸淬火加熱時(shí)心部能夠淬透,常常采用提高加熱溫度（高于鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ac3 30~50 ℃）的方法進(jìn)行淬火[9],而回火溫度及方式尚需進(jìn)一步研究。為了確定大尺寸國(guó)產(chǎn)EA4T鋼車(chē)軸的熱處理工藝,作者設(shè)計(jì)了EA4T鋼等效車(chē)軸的熱處理工藝,研究了熱處理后等效車(chē)軸不同位置的顯微組織與性能,據(jù)此確定車(chē)軸的調(diào)質(zhì)熱處理工藝并進(jìn)行車(chē)軸的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司撫順特殊鋼股份有限公司生產(chǎn)的尺寸280 mm×280 mm×350 mm的熱軋退火態(tài)EA4T鋼車(chē)軸毛坯,化學(xué)成分如表1所示,符合EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求。在毛坯上加工出規(guī)格?280 mm的圓柱體試樣,將其作為實(shí)際尺寸為?256 mm的EA4T鋼車(chē)軸的等效車(chē)軸,并對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理預(yù)試驗(yàn)。 

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,EA4T鋼的Ac3為840 ℃,在常規(guī)條件下其淬火溫度應(yīng)為870~890 ℃。但由于EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求,EA4T鋼在淬火時(shí)應(yīng)具有較高的淬透性,而提高奧氏體加熱溫度可以獲得更高的淬透性,故將等效車(chē)軸的淬火溫度范圍設(shè)置為890~920 ℃。等效車(chē)軸的淬火保溫時(shí)間可以采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算,公式[10]如下： 

式中：t為保溫時(shí)間,min；α為加熱系數(shù),取值范圍為0.9~1.1 min·mm−1；K為加熱時(shí)的修正系數(shù),取1.2；D為工件的有效厚度,取280 mm。 

由式（1）計(jì)算得到,等效車(chē)軸的淬火保溫時(shí)間為5~6 h。根據(jù)上述分析并結(jié)合前期研究[8],確定淬火工藝為900 ℃×5 h。為了確定大尺寸車(chē)軸坯的回火工藝,將EA4T鋼等效車(chē)軸進(jìn)行900 ℃×5 h水淬處理后,分別進(jìn)行595,610,650 ℃保溫6 h水冷回火處理[8]。 

按照EN 13261：2009進(jìn)行車(chē)軸的顯微組織及力學(xué)性能研究。在不同調(diào)質(zhì)工藝處理后的等效車(chē)軸表層、1/2半徑處和心部截取金相試樣,經(jīng)打磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕20 s后,用清水沖洗試樣,并用乙醇擦拭,再用吹風(fēng)機(jī)吹干,采用NEOPHOT-21型光學(xué)顯微鏡觀(guān)察顯微組織。按照GB/T 228—2002,在車(chē)軸表層、1/2半徑處和心部位置截取拉伸試樣,拉伸試樣的尺寸為直徑10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸的10倍,在AG-250KNISMO型電子拉壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為10 mm·min−1,相同條件下測(cè)3次取平均值。按照GB/T 229—2007,在等效車(chē)軸表層、1/2半徑處和心部分別沿軸向（即橫向）和徑向（即縱向）截取標(biāo)準(zhǔn)夏比U型沖擊試樣,在JXB-300型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn),沖擊速度為5 m·s−1,相同條件下測(cè)3次取平均值。根據(jù)等效車(chē)軸測(cè)試結(jié)果,確定符合標(biāo)準(zhǔn)要求的調(diào)質(zhì)熱處理工藝后進(jìn)行規(guī)格?256 mm EA4T鋼車(chē)軸的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,拉伸試樣的尺寸為直徑10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸的5倍,沖擊試樣為5 mm缺口深度的U型沖擊試樣,測(cè)試設(shè)備及參數(shù)同前。采用Zeiss Supra 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀(guān)察拉伸斷口形貌。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   調(diào)質(zhì)熱處理后等效車(chē)軸的組織和性能

由表2可以看出,與EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度不低于420 MPa,抗拉強(qiáng)度為650~800 MPa,斷后伸長(zhǎng)率不低于18%,縱向和橫向沖擊吸收能量分別不低于50,25 J）相比,等效車(chē)軸經(jīng)900 ℃水淬后,除了595 ℃水冷回火后不同位置的抗拉強(qiáng)度,以及610 ℃水冷回火后表層的抗拉強(qiáng)度偏高之外,其余條件下的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率以及縱向與橫向沖擊韌性均符合要求,同時(shí)還存在較大的富裕量。 

由圖1可以看出,等效車(chē)軸經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后,除了心部含有少量鐵素體外,表層以及1/2半徑處的組織基本為回火M/B組織,符合EN 13261：2009對(duì)車(chē)軸組織的要求。心部與表層、1/2半徑處組織差異的原因主要在于冷卻速率的不同,心部冷卻速率較慢,未發(fā)生完全馬氏體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致生成少量鐵素體,表層和1/2半徑處冷卻速率較快,形成了回火M/B組織。這種回火M/B組織具有較高的硬度和耐磨性,對(duì)車(chē)軸的表層性能有積極影響[11-12]。綜上,確定EA4T鋼車(chē)軸的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火。 

圖  1  等效車(chē)軸經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后不同位置的顯微組織

Figure  1.  Microstructures of different areas in equivalent axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering: (a) surface layer；(b) 1/2 radius position and (c) core

2.2   調(diào)質(zhì)熱處理工藝的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在熱處理車(chē)間采用規(guī)格?256 mm的EA4T鋼車(chē)軸對(duì)前文確定的調(diào)質(zhì)熱處理工藝（900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。由表3可以看出,規(guī)格?256 mm的EA4T鋼車(chē)軸經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后,不同位置的力學(xué)性能均完全滿(mǎn)足EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖2可以看出,不同部位的組織均為回火M/B組織,也滿(mǎn)足EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求。 

圖  2  ?256 mm車(chē)軸經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后不同位置的顯微組織

Figure  2.  Microstructures of different areas in?256 mm axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering: (a) surface layer；(b) 1/2 radius position and (c) core

由圖3和圖4可以看出,車(chē)軸不同位置所取的拉伸試樣在斷裂前均發(fā)生了大量的塑性變形,為韌性斷裂。宏觀(guān)斷口表現(xiàn)出明顯的縮頸,且僅存在表現(xiàn)韌性的纖維區(qū)和剪切唇,而不存在表現(xiàn)脆性的放射區(qū)。纖維區(qū)微觀(guān)均呈韌窩特征。在拉伸應(yīng)力的作用下,試樣發(fā)生頸縮而在最小截面處形成三維應(yīng)力,其值在軸線(xiàn)方向上最大,這些三維應(yīng)力使晶界、缺陷等處形成顯微孔洞；隨著應(yīng)力的提高,孔洞不斷長(zhǎng)大且相互連接,同時(shí)產(chǎn)生新的孔洞,從而使裂紋緩慢形成并擴(kuò)展,最終在斷口上留下韌窩狀的區(qū)域。綜上所述,國(guó)產(chǎn)EA4T鋼車(chē)軸經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火的調(diào)質(zhì)熱處理后,其力學(xué)性能和組織均符合EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求。 

圖  3  經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后?256 mm車(chē)軸不同位置拉伸試樣試驗(yàn)后的宏觀(guān)形貌

Figure  3.  Macromorphology of tensile samples in different areas of?256 mm axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering after test

圖  4  經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后?256 mm車(chē)軸不同位置拉伸試樣的斷口SEM形貌

Figure  4.  Fracture SEM morphology of tensile samples in different areas of?256 mm axle after 900 ℃×5 h water quenching and 650 ℃×6 h water cooling tempering: (a) surface layer, overall morphology；(b) surface layer, micromorphology of fiber area；(c) 1/2 radius position, overall morphology；(d) 1/2 radius position, micromorphology of fiber area；(e) core, overall morphology and (f) core, micromorphology of fiber area

3.   結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)?280 mm EA4T鋼等效車(chē)軸在進(jìn)行900 ℃×5 h水淬和595 ℃×6 h水冷回火處理后不同位置以及610 ℃×6 h水冷回火后表層的抗拉強(qiáng)度均偏高,650 ℃×6 h水冷回火后的強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率以及縱向與橫向沖擊韌性均符合EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求,組織也基本為回火M/B組織。確定EA4T鋼車(chē)軸的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火。 

（2）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證得到經(jīng)900 ℃×5 h水淬和650 ℃×6 h水冷回火后,國(guó)產(chǎn)?256 mm EA4T鋼車(chē)軸表層、1/2半徑處和心部處的力學(xué)性能和顯微組織均符合EN 13261：2009標(biāo)準(zhǔn)要求,不同位置取樣拉伸后均發(fā)生韌性斷裂,斷口均由纖維區(qū)和剪切唇組成,纖維區(qū)呈韌窩形貌。

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