[發(fā)明專利]一種時(shí)速≥400公里的碳素鋼高鐵車軸及其改性方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011023298.X
• 申請(qǐng)日: 2020-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN112176255B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜松林;汪開忠;胡芳忠;陳世杰;楊志強(qiáng);吳林;郝震宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 馬鞍山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號(hào): C22C38/02
• 分類號(hào): C22C38/02;C22C38/04;C22C38/42;C22C38/44;C22C38/46;C21D1/09;C21D1/18;C21D1/28;C21D1/74;C21D6/00;C21D9/28
• 代理公司: 蕪湖安匯知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34107
• 代理人: 任晨晨

本發(fā)明提供了一種時(shí)速≥400公里的碳素鋼高鐵車軸及其改性方法，成分：0.30％≤C≤0.40％、0.15％≤Si≤0.50％、0.90％≤Mn≤1.20％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％、Cr≤0.30％、Mo≤0.08％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％、V≤0.06％，其余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)正火處理和激光淬火進(jìn)行改性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明車軸表面硬度≥620HV，表面殘余壓應(yīng)力超過(guò)?800MPa，疲勞強(qiáng)度超過(guò)480MPa，較未進(jìn)行激光淬火車軸試樣疲勞強(qiáng)度(263MPa)提高超過(guò)83％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高鐵車軸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種時(shí)速≥400公里的碳素鋼高鐵車軸及其改性方法。

背景技術(shù)

車軸屬于超大型階梯狀軸對(duì)稱類零件，其最大直徑超過(guò)200mm，長(zhǎng)度可達(dá)2320mm，它與車輪通過(guò)過(guò)盈聯(lián)接組成輪對(duì)，承受機(jī)車車輛的全部重量，是鐵道車輛三大關(guān)鍵零部件之一。重載化和高速化是高速列車重點(diǎn)發(fā)展方向，車軸作為單體最重的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件，提高疲勞性能是車軸鋼研發(fā)永恒的主題。

由于各國(guó)的國(guó)情不同，技術(shù)觀點(diǎn)不同，選用的車軸材料不盡相同。從國(guó)外的高速鐵路運(yùn)輸實(shí)踐看，應(yīng)用碳素鋼和低碳合金鋼車軸都是可行的，但各有利弊。

2010年10月13日公開的中國(guó)專利CN101857914A公開了一種高速鐵路客車用25CrMo合金鋼空心車軸材料的熱處理方法，通過(guò)預(yù)處理+淬火+回火能夠使車軸性能滿足時(shí)速200-350公里列車的需求。但該專利所采用的材料及工藝不能滿足時(shí)速大于350公里列車需求。

2010年2月17日公開的中國(guó)專利CN101649387A公開了一種車軸的熱處理方法，采用混合液淬火+回火的工藝能夠使42CrMo車軸滿足鐵路機(jī)車車軸要求。本專利適用于車速較低的列車，且車軸的抗拉強(qiáng)度不能滿足高速列車的需要。

2018年5月4日公開的中國(guó)專利CN107988563A公開了一種細(xì)晶粒超高強(qiáng)韌性車軸鋼及其熱處理方法，指出通過(guò)兩次淬火+回火的工藝能夠使車軸的抗拉強(qiáng)度保持在1000MPa左右，晶粒尺寸約11μm。該專利采用兩次淬火將增加能耗，不具有經(jīng)濟(jì)性，盡管材料的強(qiáng)韌性得到提升，但缺少疲勞性能，不能直接應(yīng)用于時(shí)速400公里的高鐵車軸。國(guó)內(nèi)對(duì)車軸鋼的熱處理工藝研究?jī)H為常規(guī)熱處理工藝，缺乏新型熱處理工藝。

歐洲高鐵車軸采用合金鋼整體調(diào)質(zhì)來(lái)保證車軸疲勞性能，而日本高鐵車軸則采用碳素鋼表面感應(yīng)淬火處理的方式來(lái)保證車軸疲勞性能。日本新干線通過(guò)對(duì)S38C進(jìn)行表面感應(yīng)淬火，淬硬層深度4mm，表面硬度≥500HV，疲勞強(qiáng)度提高30％以上，目前最高時(shí)速可達(dá)320公里。碳素鋼強(qiáng)韌性偏低，軸身尺寸較大，而合金鋼強(qiáng)韌性匹配較好，車軸尺寸相對(duì)較小，但若進(jìn)一步提高疲勞性能，需加大車軸尺寸或提高合金含量。通過(guò)提高合金含量將會(huì)增加材料成本，不具有經(jīng)濟(jì)性。

激光淬火是以高能量激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升高到相變點(diǎn)以上，激光束離開被照射部位時(shí)，由于熱傳導(dǎo)作用，處于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進(jìn)行自冷淬火，得到較細(xì)小的硬化層組織。激光熱處理自動(dòng)化程度較高，硬化層深度和硬化面積可控性好。該技術(shù)目前主要用于強(qiáng)化汽車零部件或工模具的表面，提高其疲勞壽命、表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強(qiáng)度和高溫性能等。

2018年12月18日申請(qǐng)公開的中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的專利CN201810877969.5公開了一種高速動(dòng)車組車軸表面改性方法，其特征在于通過(guò)激光加熱使車軸表面形成粒狀貝氏體和馬氏體的混合組織，從而提高表面硬度和耐磨性。不足之處是未對(duì)激光淬火后車軸表面殘余應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行表征，從激光淬火后車軸表面洛氏硬度(70～85HR15N，換算成維氏硬度約為237～492HV)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行估算，其疲勞性能較低，無(wú)法滿足時(shí)速≥400公里高鐵車軸應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種時(shí)速≥400公里的碳素鋼高鐵車軸，車軸具有高疲勞壽命，能夠用于時(shí)速≥400公里高鐵運(yùn)行。