一种合金钢高铁车轴及其生产方法技术

本发明专利技术提供了一种合金钢高铁车轴及其生产方法，成分：C 0.22％‑0.29％、Si 0.17％‑0.37％、Mn 0.60％‑0.80％、P痕量‑0.015％、S痕量‑0.010％、Cr 0.95％‑1.20％、Mo 0.20％‑0.30％、Ni 0.15％‑0.30％、V 0.02％‑0.06％、Al 0.010％‑0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明专利技术通过设计的钢组分，通过经“正火+淬火+高温回火”常规热处理后，对车轴全长进行激光淬火，车轴表面硬度≥550HV，表面残余压应力超过‑800MPa，疲劳强度超过570Mpa。

【技术实现步骤摘要】
一种合金钢高铁车轴及其生产方法
本专利技术属于高铁车轴
，尤其涉及一种合金钢高铁车轴及其生产方法，具有高疲劳寿命，能够用于时速≥400公里高铁车轴。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种合金钢高铁车轴，通过设计的优化合金钢化学成分，提高钢的综合性能。本专利技术还有一个目的在于提供一种合金钢高铁车轴的生产方法，通过热处理工艺和激光淬火，达到表面硬度≥550HV，表面残余压应力超过-800MPa，疲劳强度超过570MPa的性能，较未进行激光淬火车轴试样疲劳强度(365MPa)提高超过56％。本专利技术技术方案如下：一种合金钢高铁车轴，包括以下质量百分比成分：C0.22％-0.29％、Si0.17％-0.37％、Mn0.60％-0.80％、P痕量-0.015％、S痕量-0.010％、Cr0.95％-1.20％、Mo0.20％-0.30％、Ni0.15％-0.30％、V0.02％-0.06％、Al0.010％-0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。上述合金钢高铁车轴的生产方法，包括以下工艺流程：车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理工艺→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→激光淬火→外圆磨削。因车轴属于超大型阶梯状轴对称类零件，尺寸较大，目前欧洲高铁车轴和国内高铁车轴均采用对强韧性匹配较好、淬透性较高的合金钢进行整体调质的方式来保证车轴疲劳性能，但目前国内外合金钢高铁车轴仅适用于时速≤350km高铁。本专利技术中合金钢具有较高的淬透性，经整体正火+淬火+高温回火热处理后可得到较为均匀的回火索氏体组织，在激光淬火加热过程中易于得到成分均匀的奥氏体，经激光淬火后转变为均匀的马氏体组织，从而在车轴表层形成高硬度淬硬层，大大提高车轴疲劳性能，可适用于时速≥400公里高铁。所述热处理工艺包括正火、淬火和高温回火。所述正火为：车轴加热至890-940℃，保温4-6h后空冷至300℃以下；所述淬火为：车轴加热至870-910℃，保温4-6h后水冷至100℃以下；水温为15-30℃。所述回火为：车轴加热至580-680℃，保温5-8h后空冷至100℃以下。所述激光淬火，车轴全长激光淬火处理，具体包括以下步骤：1)淬火机床采用竖立式，车轴垂直放置，最大程度降低车轴淬火过程中因自重产生的弯曲变形；2)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以保证车轴不同部位均匀加热；3)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；4)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400-1200mm/min。进一步的，步骤1)激光淬火时，将最大直径为226mm、长度达2320mm的高铁车轴进行全长激光淬火，淬火机床采用竖立式，车轴需垂直放置，以减少车轴淬火过程中的变形；步骤2)和步骤3)中激光器和冷却气体喷嘴位置可进行微调以保证激光淬火时车轴加热和冷却均匀；步骤2)中，对激光器进行微调，以保证激光器与车轴轴向垂直，激光淬火过程中光斑大小稳定；进一步的，步骤3)中，气体喷嘴设置多排不同角度，优选的，气体喷嘴与车轴下端夹角范围为90°-150°，可根据轴型不同进行适当调整，以保证车轴R角过渡处冷却良好均匀；激光淬火时用惰性气体进行冷却，惰性气体选自氩气、氮气或其他惰性气体，气压≥0.20MPa，冷却时间应保证冷却充分，冷却后表面温度＜100℃。步骤4)中，淬硬层深度H与激光功率密度ρ成正比，与扫描速度v成反比，而激光功率密度ρ与光斑大小S(S为光斑面积)成反比，与激光功率P成正比，因淬硬层深度需破轴检验方可确定，实际生产过程中车轴目标淬硬层深度往往需要大量试验方可确定，为降低试验次数及试验成本，淬硬层深度H计算方法为：H＝kP/(S·v)，其中k为与钢种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种合金钢高铁车轴，其特征在于，所述合金钢高铁车轴包括以下质量百分比成分：/nC 0.22％-0.29％、Si 0.17％-0.37％、Mn 0.60％-0.80％、P痕量-0.015％、S痕量-0.010％、Cr 0.95％-1.20％、Mo 0.20％-0.30％、Ni 0.15％-0.30％、V 0.02％-0.06％、Al0.010％-0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种合金钢高铁车轴，其特征在于，所述合金钢高铁车轴包括以下质量百分比成分：
C0.22％-0.29％、Si0.17％-0.37％、Mn0.60％-0.80％、P痕量-0.015％、S痕量-0.010％、Cr0.95％-1.20％、Mo0.20％-0.30％、Ni0.15％-0.30％、V0.02％-0.06％、Al0.010％-0.040％、Cu≤0.20％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。


2.一种权利要求1所述的合金钢高铁车轴的生产方法，其特征在于，所述生产方法，包括以下工艺流程：
车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理工艺→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤→激光淬火→外圆磨削。


3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述热处理工艺包括正火、淬火和高温回火。


4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述正火为：车轴加热至890-940℃，保温4-6h后空冷至300℃以下。


5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述淬火为：车轴加热至870-910℃，保温4-6h后水冷至100℃以下。


6.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世杰，汪开忠，胡芳忠，杜松林，杨志强，吴林，郝震宇，
申请(专利权)人：马鞍山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34