[發明專利]一種高疲勞壽命、時速≥400公里高鐵車軸及其激光淬火方法

有效

• 申請號: 202011023323.4
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112176152B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 陳世杰;汪開忠;胡芳忠;杜松林;楊志強;吳林;郝震宇
• 申請（專利權）人: 馬鞍山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D1/18;C21D1/28;C21D1/74;C21D6/00;C21D9/28;C22C38/02;C22C38/04;C22C38/06;C22C38/42;C22C38/44;C22C38/46;B60B35/00
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 任晨晨

本發明提供了一種高疲勞壽命、時速≥400公里高鐵車軸及其激光淬火方法，方法為：淬火機床采用豎立式，車軸垂直放置，激光器與車軸軸向垂直，激光淬火過程中光斑大小保持穩定；氣體噴嘴設置多排不同角度，以保證車軸R角過渡處冷卻良好均勻；淬硬層深度H選擇1.0?2.0mm，激光輸出功率P為2000?8000W，激光掃描速度500?1300mm/min，激光搭接率控制在30％?40％之間。與現有技術相比，本發明車軸經“正火+淬火+高溫回火”熱處理后，對車軸全長進行激光淬火，經激光淬火后，表面硬度≥630HV，表面殘余壓應力超過?800MPa，疲勞強度超過690MPa。

技術領域

本發明屬于高鐵車軸技術領域，尤其涉及一種高疲勞壽命、時速≥400公里高鐵車軸及其激光淬火方法。

背景技術

車軸屬于超大型階梯狀軸對稱類零件，其最大直徑超過200mm，長度可達2320mm，它與車輪通過過盈聯接組成輪對，承受機車車輛的全部重量，是鐵道車輛三大關鍵零部件之一。重載化和高速化是高速列車重點發展方向，車軸作為單體最重的關鍵運動部件，提高疲勞性能是車軸鋼研發永恒的主題。

由于各國的國情不同，技術觀點不同，選用的車軸材料不盡相同。從國外的高速鐵路運輸實踐看，應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，通過預處理+淬火+回火能夠使車軸性能滿足時速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速大于350公里列車需求。

2010年2月17日公開的中國專利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，且車軸的抗拉強度不能滿足高速列車的需要。

2018年5月4日公開的中國專利CN107988563A公開了一種細晶粒超高強韌性車軸鋼及其熱處理方法，指出通過兩次淬火+回火的工藝能夠使車軸的抗拉強度保持在1000MPa左右，晶粒尺寸約11μm。該專利采用兩次淬火將增加能耗，不具有經濟性，盡管材料的強韌性得到提升，但缺少疲勞性能，不能直接應用于時速400公里的高鐵車軸。國內對車軸鋼的熱處理工藝研究僅為常規熱處理工藝，缺乏新型熱處理工藝。

歐洲高鐵車軸采用合金鋼整體調質來保證車軸疲勞性能，而日本高鐵車軸則采用碳素鋼表面感應淬火處理的方式來保證車軸疲勞性能。日本新干線通過對S38C進行表面感應淬火，淬硬層深度4mm，表面硬度≥500HV，疲勞強度提高30％以上，目前最高時速可達320公里。碳素鋼強韌性偏低，軸身尺寸較大，而合金鋼強韌性匹配較好，車軸尺寸相對較小，但若進一步提高疲勞性能，需加大車軸尺寸或提高合金含量。通過提高合金含量將會增加材料成本，不具有經濟性。

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以上，激光束離開被照射部位時，由于熱傳導作用，處于冷態的基體使其迅速冷卻而進行自冷淬火，得到較細小的硬化層組織。激光熱處理自動化程度較高，硬化層深度和硬化面積可控性好。該技術目前主要用于強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、耐蝕性以及強度和高溫性能等。

2018年12月18日申請公開的中國科學院金屬研究所的專利CN201810877969.5公開了一種高速動車組車軸表面改性方法，其特征在于通過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。不足之處是未對激光淬火后車軸表面殘余應力、疲勞強度等關鍵指標進行表征，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)檢測結果進行估算，其疲勞性能較低，無法滿足時速≥400公里高鐵車軸應用需求。

發明內容