基礎(chǔ)制動(dòng)裝置用杠桿銷軸熱處理工藝優(yōu)化

張洪波 岳亮亮 馮寶林

（1、常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164 2、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031）

1 問題的提出

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由制動(dòng)缸、吊座、閘片托、杠桿、吊桿等部件組成，如圖1 所示。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置通過杠桿將制動(dòng)缸模塊的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閘片托的夾緊運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)盤制動(dòng)功能。根據(jù)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的原理可知銷軸為制動(dòng)杠桿傳遞制動(dòng)力的的支撐點(diǎn)，現(xiàn)車運(yùn)用過程中還需要承受振動(dòng)沖擊，因此，銷軸是基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的關(guān)鍵受力件，但對(duì)入廠的銷軸進(jìn)行抽樣和沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銷軸的沖擊功偏低，不合格，使用時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。若使用過程中銷軸斷裂，則整套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置失效，且有零部件脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置示意

2 原因分析

2.1 銷軸的組織成分和力學(xué)性能

銷軸的材料成分為1Cr17Ni2 鋼，1Cr17Ni2 鋼是一種用途廣泛的馬氏體不銹鋼，它是在Cr17 型不銹鋼的基礎(chǔ)上添加1.5%-2.5%Ni 而發(fā)展起來的。其特點(diǎn)是在保留鐵素體不銹鋼耐腐蝕性的同時(shí)，又具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度，該鋼是大型水輪發(fā)電機(jī)組和船用特種電機(jī)的軸、銷、螺栓等部件的專用材料[1-2]。1Cr17Ni2 鋼的熔點(diǎn)溫度為1430℃-1510℃，Ac1 約810℃，Ar1約 780℃ ，Ms 約 357℃ ，Mf 約 140℃ 。 根 據(jù) GB/T 1220-2007，1Cr17Ni2 鋼化學(xué)成分如表1 所示。

表1 1Cr17Ni2 鋼化學(xué)成分

經(jīng)熱處理的馬氏體型不銹鋼鋼棒或試樣的力學(xué)性能如表2所示。

表2 1Cr17Ni2 鋼熱處理后的鋼棒或試樣力學(xué)性能

2.2 銷軸的熱處理工藝分析

對(duì)于馬氏體不銹鋼，一般在淬火后還要進(jìn)行回火處理，進(jìn)行回火后馬氏體型不行剛的拉伸性能得到提高，同時(shí)可以獲得較高的屈服比與持久強(qiáng)度?；鼗鸷笤亳R氏體型不銹鋼的基體中過飽和固溶的碳元素以碳化物的形式析出，隨時(shí)間逐漸形成穩(wěn)定相[3]。

目前銷軸的熱處理工藝為980℃油淬火，保溫2 小時(shí)后油冷，然后550℃回火，保溫3 小時(shí)后油冷。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)1Cr17Ni2 不銹鋼推薦的淬火加熱溫度為950℃-980℃，淬火后的組織為馬氏體、少量的殘留奧氏體和鐵素體。若淬火溫度超過1000℃，奧氏體中會(huì)大量溶解合金元素，γ 相區(qū)穩(wěn)定元素的增多會(huì)使馬氏體相變點(diǎn)降低，殘留奧氏體和鐵素體明顯增多，進(jìn)而導(dǎo)致硬度、沖擊韌性和抗晶間腐蝕能力下降,如果淬火溫度態(tài)度太低，則會(huì)使材料不能充分均勻的奧氏體化，從而降低1Cr17Ni2 不銹鋼的耐腐蝕性，故目前銷軸的淬火溫度還是很合理的。

但是回火可選擇高溫回火、中溫回火和低溫回火，溫度范圍較寬，因此分別選取了300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃以及650℃共15 個(gè)回火溫度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以求找出保證材料力學(xué)能性能的最佳回火溫度。將熱處理后的試樣加工成GB/T2975-1998 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸試樣和梅氏沖擊試樣分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)多組試樣取平均值的結(jié)果如表3 所示。

表3 不同回火溫度下1Cr17Ni2 鋼試樣的力學(xué)性能

對(duì)表3 的數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)：

（1）隨回火溫度的提升，試樣的延伸率逐步提高，抗拉強(qiáng)度在前期溫度提高過程中基本穩(wěn)定，在600℃后逐步下降，沖擊吸收功隨溫度提高呈現(xiàn)先升高然后下降再升高的趨勢(shì)。

（2）在475℃-550℃回火溫度區(qū)間，1Cr17Ni2 不銹鋼材料存在脆性區(qū)，沖擊吸收功較低。

（3）回火溫度在350℃左右時(shí)，沖擊吸收功出現(xiàn)波峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和延伸率都較高，因此，相比較而言，350℃的回火溫度較為合理。

基于此可得當(dāng)前銷軸的熱處理工藝確實(shí)存在問題，淬火溫度在合理范圍內(nèi)，但是回火溫度較高直接導(dǎo)致了銷軸的力學(xué)性能在材料脆性區(qū)，從而導(dǎo)致了沖擊吸收功不合格。

3 銷軸熱處理工藝優(yōu)化及驗(yàn)證

在了解了銷軸的沖擊功低下的原因之后，對(duì)銷軸的淬火和回火熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果350℃時(shí)銷軸材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率都較高，沖擊吸收功又處于波峰階段，因此銷軸優(yōu)化后的熱處理工藝為980℃油淬火，保溫2 小時(shí)后油冷，回火溫度為350℃，保溫3 小時(shí)后油冷，將熱處理后的樣件加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。銷軸熱處理工藝優(yōu)化前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 銷軸熱處理優(yōu)化前后后的鋼棒或試樣力學(xué)性能

銷軸的熱處理工藝優(yōu)化后，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都在標(biāo)準(zhǔn)要求的合格范圍內(nèi)，沖擊吸收功較之前有了顯著提高，優(yōu)化后的熱處理工藝切實(shí)可行。

4 結(jié)論

基于銷軸化學(xué)成分和力學(xué)性能，對(duì)銷軸的熱處理工藝過程進(jìn)行分析，研究了不同回火溫度下對(duì)銷軸抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊吸收功的影響，發(fā)現(xiàn)了高溫回火是導(dǎo)致銷軸沖擊吸收功低下的根本原因。通過對(duì)回火溫度的調(diào)整，銷軸的沖擊吸收功得到了有效的改善，解決了銷軸沖擊吸收功不合格的質(zhì)量問題，提高了整體效率和經(jīng)濟(jì)效益。