[发明专利]一种含铌高速列车车轴的热处理工艺

说明书

技术领域

本发明属于车轴钢领域，尤其涉及高速列车车轴用合金结构钢及其热处理工艺技术领域。 

背景技术

车轴是车辆行走部分的关键零件，承受着车辆的自重和负荷，在车辆运行和停车时还承受冲击力和制动力，在高速和重载的状态下受力情况就更为复杂，是铁路建设的三大关键零件（重轨、车轴和车轮）之一，火车轴属于超大型轴对称阶梯状轴类零件，其最大直径为200mm左右，长度达2200mm左右。 

随着我国高速铁路的投入运行，火车速度进一步提高，作为铁路列车关键部件之一的高速车轴是铁路列车重要的走行部件，其质量直接关系到高速铁路运行安全。高速列车车轴要保证在所规定的使用条件下，具有足够的安全性、可靠性和长使用寿命，这就对车轴材料相关技术提出了更高的要求。高速列车车轴承受着源自车体及轨道的各种载荷，其中主要是旋转弯曲载荷和扭转载荷。据统计资料，在这些失效形式中，裂纹引起的失效占全部失效车轴的90%以上，裂纹引起的车轴失效形式最终表现为疲劳断裂，疲劳断裂是一个裂纹产生、扩展导致断裂的过程，其疲劳破坏直接危及运输安全。因此，对车轴钢材而言，主要是保证其良好的强度（特别是弯扭复合疲劳强度）及韧性。影响钢材疲劳性能的因素主要有：钢的洁净度、钢的成分和组织、钢的表面状态及尺寸效应、钢的耐腐蚀性等。 

世界各铁路发达国家都非常重视高速车轴的研究工作，从材料、设计、生产、热处理和运用维护等方面不断改善。由于各国的国情和技术观点不同，选用的车轴材料也不相同。目前，国内外高速车轴用钢大致可分为3类：优质碳素结构钢、中合金结构钢、高合金结构钢。 

（1）优质碳素结构钢。日本采用普通碳素钢（S38C）加表面中频淬火热处理工艺，相比欧洲采用合金钢加调质处理热处理工艺而言，日本高速车轴原材料成本低，但热处理工艺复杂，热处理工艺参数控制精度要求高。 

（2）中合金结构钢。欧洲高速车轴材料大多采用中合金结构钢（如EA4T），通过采用强化处理方法来提高车轴的强韧性指标，热处理工艺简单。但EA4T钢只含Cr0.90~1.20%、Mo0.15~0.30%，钢的淬透性不是太好，对于大截面车轴来说，存在淬不透的问题，导致车轴截面显微组织和性能不均匀，影响了高速车轴的整体性能指标。中国专利201210555924.9提供了一种车轴钢，其成分为C：0.38~0.44，Si：0.17~0.37，Mn：0.60~0.80，P：≤0.015，S：≤0.010，Cr：0.90~1.20，Mo：0.15~0.30，Ni：0.10~0.25，V：0.07~0.2，Cu：0.08~0.2，Als：0.02~0.05。采用该专利生产的大截面车轴来也存在淬不透的问题。 

（3）高合金结构钢。部分欧洲高速车轴材料选用30NiCrMoV12等高合金结构钢，钢中含Cr0.60~1.00%、Ni2.70~3.30%、Mo0.40~0.60%、V0.08~0.13%，该类钢种有很多优点诸如淬透性好、可油淬、变形小、硬度高、屈强比高、耐腐蚀性能好等等，但是造价比较高。 

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种含铌高速列车车轴的热处理工艺，利用微量Nb、B及少量Ni、Cu复合合金化原理，结合对热处理工艺优化，在少量增加成本的前提下，显著提高高速列车车轴用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性，进而显著提高高速列车车轴用钢的整体性能、寿命和安全性，使高速列车车轴用钢的生产工艺更加简易、高效，从而生产出低成本高性能的高速列车车轴用钢。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种含铌高速列车车轴用钢，其化学成分的质量百分比（wt％）为：C：0.25~0.32，Si：0.15~0.40，Mn：0.60~0.90，P：≤0.015，S：≤0.010，Cr：1.00~1.20，Mo：0.20~0.35，Ni：0.15~0.30，Nb：0.015~0.060，Cu：0.10~0.30，B：0.0008~0.0050，Als：0.010~0.050，其余为铁和残余的微量杂质；所述含铌高速列车车轴的热处理工艺为：（1）正火：将所述含铌高速列车车轴以50~100℃/h的速度加热至900~950℃保温，保温时间按1.2~1.7min/mm计算，随后空冷至室温；（2）淬火：将所述含铌高速列车车轴以50~100℃/h的速度加热至880~930℃保温，保温时间按1.5~2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温；（3）回火：将所述含铌高速列车车轴以50~100℃/h的速度加热至620~680℃保温，保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。