[发明专利]一种高疲劳寿命、时速≥400公里高铁车轴及其激光淬火方法

说明书

本发明提供了一种高疲劳寿命、时速≥400公里高铁车轴及其激光淬火方法，方法为：淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置，激光器与车轴轴向垂直，激光淬火过程中光斑大小保持稳定；气体喷嘴设置多排不同角度，以保证车轴R角过渡处冷却良好均匀；淬硬层深度H选择1.0‑2.0mm，激光输出功率P为2000‑8000W，激光扫描速度500‑1300mm/min，激光搭接率控制在30％‑40％之间。与现有技术相比，本发明车轴经“正火+淬火+高温回火”热处理后，对车轴全长进行激光淬火，经激光淬火后，表面硬度≥630HV，表面残余压应力超过‑800MPa，疲劳强度超过690MPa。

技术领域

本发明属于高铁车轴技术领域，尤其涉及一种高疲劳寿命、时速≥400公里高铁车轴及其激光淬火方法。

背景技术

车轴属于超大型阶梯状轴对称类零件，其最大直径超过200mm，长度可达2320mm，它与车轮通过过盈联接组成轮对，承受机车车辆的全部重量，是铁道车辆三大关键零部件之一。重载化和高速化是高速列车重点发展方向，车轴作为单体最重的关键运动部件，提高疲劳性能是车轴钢研发永恒的主题。

由于各国的国情不同，技术观点不同，选用的车轴材料不尽相同。从国外的高速铁路运输实践看，应用碳素钢和低碳合金钢车轴都是可行的，但各有利弊。

2010年10月13日公开的中国专利CN101857914A公开了一种高速铁路客车用25CrMo合金钢空心车轴材料的热处理方法，通过预处理+淬火+回火能够使车轴性能满足时速200-350公里列车的需求。但该专利所采用的材料及工艺不能满足时速大于350公里列车需求。

2010年2月17日公开的中国专利CN101649387A公开了一种车轴的热处理方法，采用混合液淬火+回火的工艺能够使42CrMo车轴满足铁路机车车轴要求。本专利适用于车速较低的列车，且车轴的抗拉强度不能满足高速列车的需要。

2018年5月4日公开的中国专利CN107988563A公开了一种细晶粒超高强韧性车轴钢及其热处理方法，指出通过两次淬火+回火的工艺能够使车轴的抗拉强度保持在1000MPa左右，晶粒尺寸约11μm。该专利采用两次淬火将增加能耗，不具有经济性，尽管材料的强韧性得到提升，但缺少疲劳性能，不能直接应用于时速400公里的高铁车轴。国内对车轴钢的热处理工艺研究仅为常规热处理工艺，缺乏新型热处理工艺。

欧洲高铁车轴采用合金钢整体调质来保证车轴疲劳性能，而日本高铁车轴则采用碳素钢表面感应淬火处理的方式来保证车轴疲劳性能。日本新干线通过对S38C进行表面感应淬火，淬硬层深度4mm，表面硬度≥500HV，疲劳强度提高30％以上，目前最高时速可达320公里。碳素钢强韧性偏低，轴身尺寸较大，而合金钢强韧性匹配较好，车轴尺寸相对较小，但若进一步提高疲劳性能，需加大车轴尺寸或提高合金含量。通过提高合金含量将会增加材料成本，不具有经济性。

激光淬火是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织。激光热处理自动化程度较高，硬化层深度和硬化面积可控性好。该技术目前主要用于强化汽车零部件或工模具的表面，提高其疲劳寿命、表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能等。

2018年12月18日申请公开的中国科学院金属研究所的专利CN201810877969.5公开了一种高速动车组车轴表面改性方法，其特征在于通过激光加热使车轴表面形成粒状贝氏体和马氏体的混合组织，从而提高表面硬度和耐磨性。不足之处是未对激光淬火后车轴表面残余应力、疲劳强度等关键指标进行表征，从激光淬火后车轴表面洛氏硬度(70～85HR15N，换算成维氏硬度约为237～492HV)检测结果进行估算，其疲劳性能较低，无法满足时速≥400公里高铁车轴应用需求。

发明内容