A3T材質(zhì)車軸產(chǎn)品試制工藝研究及性能分析

張 艷 高振波 陶盈龍 于文壇

(馬鋼軌道交通裝備有限公司 安徽 馬鞍山 243000)

隨著高鐵和重載貨運(yùn)的高速發(fā)展，只有不斷研發(fā)新材質(zhì)車軸才能滿足各類鐵路車輛提出的新需求。A3T調(diào)質(zhì)態(tài)車軸為BS 5892-1[1]所列車軸級(jí)別，與EN 13261標(biāo)準(zhǔn)中EA4T車軸性能要求一致，但成分有明顯差別，目前國(guó)內(nèi)上線運(yùn)行的動(dòng)車組用EA4T車軸成分設(shè)計(jì)為中低C(≤0.30%)+高Cr(1.0%～1.20%)+中Mn(0.60%～0.8%)，而A3T車軸要求為中C(≤0.40%)+高M(jìn)n(1.0%～1.60%)+中低Cr(≤0.50%)。A3T車軸鋼，其Mn含量高、高溫脆性大，對(duì)鋼坯冶煉、軋制、車軸鍛造、熱處理等工藝控制要求較高。

A3T材質(zhì)車軸在國(guó)內(nèi)基本屬于空白，針對(duì)全新材質(zhì)A3T的車軸研發(fā)，需在其化學(xué)成分、制造工藝、熱處理工藝、探傷檢測(cè)等方面進(jìn)行深入的研究，通過(guò)化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能等檢驗(yàn)驗(yàn)證了工藝質(zhì)量控制的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了小批量穩(wěn)定供貨。

1 生產(chǎn)試制

1.1 生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)客戶要求、標(biāo)準(zhǔn)要求以及類似鋼種的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，基于公司的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定A3T材質(zhì)車軸生產(chǎn)工藝流程為：配料→電弧爐冶煉→LF 爐精煉→真空脫氣→連鑄圓坯(?600 mm)→軋制方坯(250 mm×250 mm)→車軸鍛造→熱處理→加工→探傷→終檢。

1.2 試驗(yàn)材料

從標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分來(lái)看，A3T材質(zhì)屬于中碳合金鋼，淬透性一般。為了能使車軸截面(?210 mm)1/2半徑處獲得良好的橫向與縱向力學(xué)性能，須對(duì)車軸鋼的化學(xué)成分及潔凈度作嚴(yán)格控制。

首先，提高C、Mn含量以增加鋼的淬透性并彌補(bǔ)Cr、Mo含量降低帶來(lái)的強(qiáng)度損失；其次，采用V、N微合金化以及添加適量的Cr、Ni提高鋼的強(qiáng)韌匹配性；同時(shí)嚴(yán)格控制P、S含量以及[O]、[H]等有害氣體成分，降低其開(kāi)裂敏感性，其成分設(shè)計(jì)如表1所示，氣體成分控制如表2所示。

表1 A3T材質(zhì)車軸鋼的化學(xué)成分控制表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

表2 氣體成分控制表 /10-6

1.3 冶煉工藝

此次試制生產(chǎn)采用EBT電弧爐+LF/RH +氬保護(hù)澆鑄工藝，以保證鋼坯性能滿足要求。電弧爐配料由廢鋼和低磷鐵水組成，全程吹氧助熔；當(dāng)鋼水溫度不小于1 615 ℃，且鋼液中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.06%～0.20%、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.006%時(shí)方可出鋼。

鋼包進(jìn)入LF/RH精煉爐工位后調(diào)渣，精煉過(guò)程保持流動(dòng)性良好的泡沫白渣，結(jié)合在線光譜分析結(jié)果添加合金，微調(diào)成分。同時(shí)采用鋁脫氧，鋁的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.040%左右。RH軟吹時(shí)間保持在8～15 min，出鋼溫度控制在1 550～1 570 ℃，為后續(xù)連鑄創(chuàng)造合適的澆鑄條件。

連鑄全程采用大包長(zhǎng)水口吹氬保護(hù)和中包吹氬保護(hù)澆鑄，連澆爐過(guò)熱度控制在液相線溫度以上15～35 ℃，配合電磁攪拌，優(yōu)化鑄坯質(zhì)量。

1.4 軋制工藝

A3T材質(zhì)車軸軸坯采用的是?600 mm的連鑄圓坯，再軋制成斷面尺寸為250 mm×250 mm的方坯，軋制壓縮比為4.5。鑄坯加熱時(shí)嚴(yán)格控制加熱溫度和時(shí)間，避免出現(xiàn)“過(guò)燒”或“過(guò)熱”。開(kāi)軋溫度控制在(1 110±30)℃，終軋溫度不低于850 ℃。鑄坯加熱出爐后采用高壓水噴射去除氧化皮，保證軋制鋼坯的表面質(zhì)量。

1.5 鍛造工藝

車軸的鍛造成形過(guò)程屬于連續(xù)局部塑性成形，是局部變形的循環(huán)累積。成形過(guò)程包括倒棱、鍛輪座、鍛軸頸和鍛軸身等工步。其中，倒棱屬于大變形，且作用于整個(gè)坯料，是壓合孔洞缺陷、細(xì)化心部組織的主要工步。提升倒棱后鍛件的質(zhì)量有利于改善車軸整體的鍛造質(zhì)量。

軸坯加熱和鍛造分別采用中徑10 m環(huán)形加熱爐和12 500 kN液壓快鍛機(jī)組?？紤]到A3T鋼Mn含量較高，鋼液在凝固過(guò)程中，容易產(chǎn)生偏析，對(duì)后續(xù)車軸的熱處理組織與性能均勻性影響較大。因此，延長(zhǎng)鋼坯在高溫段(1 140～1 200 ℃)的保溫時(shí)間，軸坯加熱時(shí)間不小于280 min，以高溫?cái)U(kuò)散的方式減輕成分偏析對(duì)后續(xù)熱處理工序的影響。

Mn含量的提高還增加了鋼材高溫脆性傾向，對(duì)車軸的鍛造要求很高。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中始鍛溫度控制在1 150～1 190 ℃，終鍛溫度不低于850 ℃。同時(shí)，為避免大變形量引發(fā)的局部開(kāi)裂問(wèn)題，在保證鍛件質(zhì)量的前提下，全軸毛坯鍛壓比應(yīng)在1.5～2.5之間。鍛造操作時(shí)采取“先輕、后重、再輕”的成型方法，先輕壓坯料倒棱，破碎軋制粗晶，改善表層加工塑性，同時(shí)用高壓氣槍去除氧化皮，然后全軸粗鍛成型，控制壓下量在25～40 mm，滾圓角度不超過(guò)55°，進(jìn)給量為型砧工作面寬度的3/4左右，防止出現(xiàn)鍛造折疊缺陷，最后精整輕打。

1.6 熱處理工藝

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算A3T材質(zhì)車軸鋼相變溫度[2]，其加熱時(shí)臨界溫度Ac3約為795～810 ℃。對(duì)于亞共析鋼來(lái)說(shuō)，常規(guī)正火加熱溫度為Ac3+(30～50) ℃，考慮到成分偏析，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)在調(diào)質(zhì)工藝的基礎(chǔ)上增加一次正火工藝，正火溫度提高至870～900 ℃，淬火溫度為850～880 ℃，回火溫度為620～650 ℃。淬火前進(jìn)行正火預(yù)處理是為了改善鍛后車軸成分并克服組織不均勻的缺陷，防止淬火過(guò)程缺陷遺留，提高淬火質(zhì)量。根據(jù)理論工藝研究，制訂3組熱處理工藝方案，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取第2組工藝作為生產(chǎn)工藝。熱處理工藝試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 A3T車軸工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

在車軸軸頸延長(zhǎng)體的1/2半徑處截取?25 mm的樣塊進(jìn)行成分分析，從表4的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)精煉、真空脫氣等工藝優(yōu)化，鋼中有害元素P、S以及氫氧氣體含量得到了有效控制。

表4 車軸鋼坯成分表

2.2 低倍組織

按照GB/T 1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》的要求，對(duì)車軸鋼坯低倍組織進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。鋼坯低倍檢驗(yàn)疏松級(jí)別較低，無(wú)點(diǎn)狀偏析，低倍組織致密性良好。

表5 車軸鋼坯低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 非金屬夾雜物

對(duì)車軸產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，原材料純凈度越高，其性能越優(yōu)異，使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。鋼中非金屬夾雜物破壞基體的連續(xù)性，降低鋼的理化性能及加工性能。夾雜物含量高，淬火時(shí)會(huì)引發(fā)應(yīng)力裂紋，降低疲勞強(qiáng)度[3]。因此必須把夾雜物特別是臨界尺寸以上的夾雜物含量控制到較低水平。

非金屬夾雜物按照ISO 4967：2013《Steel - Determination of content of non-metallic inclusions - Micrographic method using standard diagrams》方法A進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如表6所示。A3T材質(zhì)夾雜物控制水平已達(dá)到EN 13261標(biāo)準(zhǔn)I類車軸要求。

表6 車軸鋼坯非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

2.4 金相顯微組織

對(duì)熱處理后的車軸取樣，根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)樣品進(jìn)行侵蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其組織形貌。同時(shí)根據(jù)ISO 643：2012《Steels - Micrographic Determination of the Apparent Grain Size》檢測(cè)其奧氏體晶粒度。A3T毛坯車軸熱處理后組織形貌及晶粒度如圖1所示。

從圖1可以看出，車軸表層基本為回火索氏體組織，1/2半徑處基體中出現(xiàn)少量的貝氏體，貝氏體組織的數(shù)量和尺寸隨著與表層距離的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。用直線截點(diǎn)法測(cè)定1/2半徑處奧氏體晶粒度為8.0級(jí)。

圖1 A3T毛坯車軸熱處理后組織形貌及晶粒度

2.5 力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)方法根據(jù)EN 10002-1《Metallic Materials - Tensile Testing - Part 1: Method of Test at Ambient Temperature》執(zhí)行，沖擊試驗(yàn)方法根據(jù)EN 10045-1《metallic materials - charpypendulum impact test - part 1: test method》執(zhí)行。A3T材質(zhì)車軸力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，車軸1/2半徑處的拉伸和沖擊性能完全滿足BS 5892-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。另外還測(cè)試了其近外表面和心部的常規(guī)力學(xué)性能，三個(gè)部位強(qiáng)度比例關(guān)系也能滿足EN 13261標(biāo)準(zhǔn)要求?？v向和橫向均具備良好的沖擊韌性。

表7 車軸熱處理后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)針對(duì)A3T材質(zhì)的特性，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)其化學(xué)成分，并通過(guò)“EBT電弧爐+LF/RH +氬保護(hù)澆鑄”工藝冶煉，試制出的車軸鋼坯化學(xué)成分符合BS 5892-1標(biāo)準(zhǔn)要求，且具備良好的冶金質(zhì)量。

(2)通過(guò)開(kāi)發(fā)適宜的熱加工工藝技術(shù)，控制鋼坯加熱溫度、在爐時(shí)間以及變形壓縮比，防止了A3T材質(zhì)車軸表面缺陷的產(chǎn)生。

(3)A3T材質(zhì)車軸經(jīng)“正火+淬火+高溫回火”后(正火溫度870～900 ℃、淬火溫度850～880 ℃、回火溫度620～650 ℃)，1/2半徑處可獲得均勻的“回火索氏體+貝氏體”復(fù)相組織，奧氏體晶粒度達(dá)到7.0級(jí)以上，且具有良好的強(qiáng)韌性匹配。

(4)通過(guò)17個(gè)熱處理檢驗(yàn)批次進(jìn)行取樣檢測(cè)分析，結(jié)果表明：車軸殘余元素控制較好，潔凈度高；代表樣車軸半徑處常規(guī)力學(xué)性能滿足BS 5892-1標(biāo)準(zhǔn)要求，其中：屈服強(qiáng)度≥460 MPa，抗拉強(qiáng)度≥690 MPa，延伸率富余量≥10%，沖擊指標(biāo)富余量≥60%；晶粒尺寸控制在7級(jí)以上，且1/2半徑處的組織為回火索氏體和貝氏體復(fù)相組織，具有良好的性能匹配。

(5)A3T淬火車軸屬國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品供貨，產(chǎn)品技術(shù)研究及工藝設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步優(yōu)化。