高速列車DZ2車軸離子滲氮工藝研究

盧金生，王曉寧，張祥儒，蔡衛(wèi)星，李寶奎,任巖平

(1.鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450002；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；3.云南省機械研究設(shè)計院，云南 昆明 650000； 4.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

車軸是列車走行系統(tǒng)中直接關(guān)系到安全的重要部件, 與車輪組成輪對，承擔(dān)車輛的全部質(zhì)量，且在軌道上高速運轉(zhuǎn)。它不僅承受著較高的靜載荷和動載荷、振動沖擊等,還剛性地承受來自鋼軌接頭、道岔和線路不平順等的垂直和水平方向的作用力,車軸與車輪采用漸開線花鍵耦合，還有相對滑動，受力復(fù)雜，工作條件惡劣，車軸的不同部位有多種疲勞抗力的要求，如彎曲疲勞、接觸疲勞、剪切疲勞，摩擦面還存在切向微動磨損、沖擊微動磨損等行為，特別是動車組向高速化發(fā)展以來(本文研究對象為速度400 km/h高速列車車軸)，對車軸的可靠性要求更加嚴(yán)格，國內(nèi)外都是通過無限壽命設(shè)計和周期性的無損探傷來保證輪對的服役可靠性，但失效問題仍然一直存在，給人類帶來巨大的災(zāi)難和重大經(jīng)濟損失[1]。表面強化技術(shù)可以確保車軸具有良好的抗疲勞性能，是提高安全性和可靠性的技術(shù)手段?；ㄦI部位形狀復(fù)雜，是車軸和車輪的耦合部位，受力復(fù)雜，精度要求高，是強化的重點和難點部位。離子滲氮具有變形小、表面硬度高、殘余壓應(yīng)力大、耐磨性和疲勞強度高等優(yōu)勢。綜合考慮服役條件及制造精度等方面的要求，因而對車軸采用離子滲氮工藝處理。

近年來，我國開發(fā)了新型車軸材料DZ2(TJ/CL 520—2016《動導(dǎo)組DZ2車軸轉(zhuǎn)行技術(shù)條件》)，其技術(shù)指標(biāo)要高于歐洲高速車軸用鋼EA4T(EN 13261—2010)中的要求，車軸的靜強度指標(biāo)及低溫適應(yīng)性明顯提升[2]。對于此種新材料車軸，沒有成熟的滲氮工藝，且車軸外形尺寸較大，如表1所示，屏蔽防滲部位較多，見圖1。滲氮技術(shù)要求高，因此，須通過系統(tǒng)的工藝試驗研究得到車軸的成熟熱處理工藝，以實現(xiàn)車軸花鍵的硬化層組織結(jié)構(gòu)、硬度梯度、殘余應(yīng)力場的精密控制，滿足其抗疲勞性能的要求。

表1 動車軸基本尺寸信息

圖1 車軸滲氮區(qū)域示意

離子滲氮最重要的特點之一是可以通過控制滲氮氣氛的組成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制白亮層和擴散層組織，從而獲得優(yōu)異的性能。在NH3氣氛條件下離子滲氮表面通常得到ε+γ′混合相組織，由于兩相之間比容不同形成內(nèi)應(yīng)力，脆性較大，而單相γ′組織的韌性較為優(yōu)良，動車軸對于強韌性均有較高要求，所以期望得到表面γ′單相組織[3-4]。

根據(jù)車軸設(shè)計參數(shù)對花鍵部位滲氮質(zhì)量提出以下技術(shù)要求：花鍵滲氮層深度0.3～0.5 mm處顯微硬度≥400 HV，表面硬度≥550 HV，表面白亮層厚度為4～10 μm，γ′相比例≥90%，表面脆性≤1級，表面疏松≤2級，滲氮層中氮化物級別≤2級；滲氮層深度及金相檢驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和全相組織檢驗》。其技術(shù)難點在于：要求表面獲韌性較好的γ′單相組織，過渡層獲較為平緩的硬度梯度，而基體調(diào)質(zhì)硬度較低，僅220 HV左右，所以需較深的滲氮層才可以滿足硬度梯度的要求，長周期的滲氮易造成組織粗化、脈狀等不利情況，另外花鍵的模數(shù)較小，為5 mm，齒根部位由于幾何形狀的原因?qū)x光有屏蔽作用，以及齒根夾角部位氮原子發(fā)散性擴散等原因，對于滿足齒根薄弱部位的離子滲氮質(zhì)量有一定的難度，需采取一定措施方可達到[5-9]。

1 試驗條件

原材料化學(xué)成分分析用DF-100型東儀光電直讀光譜儀，離子滲氮在LDM-200型脈沖電源離子氮化爐內(nèi)進行，表面硬度檢測用HV-10B型小負(fù)荷維氏硬度計，顯微硬度檢測用HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計，金相觀察與拍照用德國LEICA公司LEICA DMI 3000M型金相顯微鏡，表面相成分分析用島津XRD-6100型X射線衍射儀，電壓40 kV，管電流30 mA，Cu靶，掃描：20°～110°，4(°)/min；殘余應(yīng)力檢測用加拿大Proto-LXRD型大功率(1 200 W)X射線應(yīng)力分析儀，管電壓30 kV，管電流25 mA，位敏探測器512通道，衍射角2°，范圍29°,優(yōu)化設(shè)置7站，采用同傾固定法測殘余應(yīng)力，利用JSM6610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面的形貌，使用Contour GT型白光干涉儀觀測表面的三維形貌圖像，滲氮用的氫氣、氮氣等氣源純度≥99.99%。

離子滲氮試樣采用矩形和齒形試樣兩種，矩形試樣尺寸為18 mm×32 mm×8 mm，表面粗糙度Ra=0.8 μm，齒形試樣為實體車軸上切割取下的三聯(lián)齒試塊。

2 試驗結(jié)果與分析

γ′相和ε相是滲氮層中最為常見的物相，γ′相具有脆性小、韌性良好等優(yōu)點，ε相的脆性稍大。γ′相在室溫時含氮量為5.7%～6.1%，相區(qū)狹窄，所以γ′單相化合物層比較薄，通常最厚僅為8 μm。碳在γ′相中的溶解度不大，室溫時最大溶碳能力為0.2%，由此可見，獲得γ′相的條件是滲氮時表面貧碳和氣氛氮含量適當(dāng)偏低。降低氣氛的含氮量、降低爐氣壓力、在氫氣中轟擊預(yù)脫碳處理等方法有利于γ′單相化合物層的獲得[10]。

車軸滲氮層的顯微硬度梯度要求為0.3～0.5 mm處≥400 HV，而基體調(diào)質(zhì)硬度又比較低，約220 HV，預(yù)計表層深度約為1 mm的深層滲氮才可以滿足顯微硬度的需求，常規(guī)滲氮層深一般在0.6 mm以下，進行深層滲氮勢必需要大幅度延長工藝時間，為了在可承受的周期內(nèi)得到滲氮層深，行之有效的措施是提高滲氮溫度，而溫度的提高又會影響到表面硬度，因此根據(jù)氮原子擴散及彌散強化機理，擬采用三段離子滲氮工藝[11]。

2.1 材料原始狀態(tài)檢測分析

對試驗材料的化學(xué)成分進行光譜分析，并與標(biāo)準(zhǔn)成分對比，如表2所示，僅有P元素少量超標(biāo)，其他元素均在要求范圍內(nèi)，屬于低碳合金鋼。

表2 車軸材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

車軸離子滲氮前的預(yù)處理為調(diào)質(zhì)處理，淬火加熱溫度為870 ℃，水淬油冷，回火溫度為650 ℃，基體硬度為200～220 HV，回火索氏體組織，游離鐵素體為1級，見圖2[12]。

圖2 基體調(diào)質(zhì)回火索氏體組織

2.2 離子滲氮工藝參數(shù)優(yōu)化試驗

滲氮溫度較低時，形成的氮化物層很薄，顆粒細(xì)小，位錯很容易切過質(zhì)點而變形，隨著溫度升高，質(zhì)點長大，硬度升高，當(dāng)溫度再進一步升高時，氮化物質(zhì)點與基體的共格關(guān)系降低，位錯以繞過質(zhì)點的機制來運動，滲氮層硬度會下降[13]。不同滲氮溫度對表面硬度及硬度梯度的影響見圖3、圖4，NH3為滲氮介質(zhì)，滲氮時間12 h，獲得最大表面硬度值的滲氮溫度范圍為440～520 ℃。

圖3 氮化溫度對表面硬度的影響

圖4 氮化溫度對顯微硬度梯度的影響

采用N2+H2氣源進行離子滲氮時，氫可使材料最外表層發(fā)生脫碳作用，對氮原子擴散有促進的作用，控制適當(dāng)?shù)谋砻娴獫舛?，就可以將化合物層的組織調(diào)控為γ′相，而且氮氣和氫氣對環(huán)境均沒有污染[14]。含氮氣5%～80%不同比例氣源于540 ℃×8 h離子滲氮后的硬度梯度見圖5，微觀組織見圖6，熱分解氨氣氛具有較優(yōu)的硬化效果，表面白亮層也較厚，表面相成份分析見圖7，氣氛的含氮量在20%及以下時才可以獲得γ′單相表面組織。

圖5 不同氣體成分的硬度梯度分布(540 ℃×8 h離子滲氮后)

圖6 不同氣體成份于540 ℃×8 h離子滲氮后的滲層微觀組織

圖7 不同滲氮氣氛下表層XRD分析圖譜

2.3 三段式深層離子滲氮工藝優(yōu)化試驗

離子氮化工藝比較復(fù)雜,屬于多因素控制,氮化效果與溫度、時間、爐壓、氣氛、裝爐量、電流、電壓等參數(shù)有關(guān)，因此,采用正交試驗設(shè)計法, 對離子氮化的主要工藝參數(shù)進行試驗, 從數(shù)據(jù)分析的顯著性因素中找出最佳工藝參數(shù)條件。

三段式滲氮工藝中第一段與第三段參數(shù)相近，因此僅對第一段和第二段工藝進行正交試驗，選用3因素2水平的正交表，3個因素分別為：溫度、時間、氮氣比例。正交表如表3。圖8、圖9分別是第一段工藝正交試驗所得的各爐次滲氮層硬度梯度分布及滲氮層微觀組織，圖10,圖11分別為第二段工藝正交試驗所得的各爐次滲氮層微觀組織及硬度梯度分布。

表3 正交試驗

圖8 第一段正交試驗硬度梯度分布

圖9 第一段正交試驗滲氮層微觀組織

圖10 第二段正交試驗滲氮層微觀組織

圖11 第二段正交試驗硬度梯度分布

第一段在短時間內(nèi)在材料表面建立較高的氮濃度，獲得較大的氮濃度梯度，為第二段的擴散建立驅(qū)動勢壘，增大氮的擴散速度，不以提高滲層深度為目的，為避免氮化的聚集長大和共格關(guān)系的破壞，從而導(dǎo)致表面硬度下降。硬度梯度曲線在一定程度上反映氮濃度的分布趨勢，因此綜合評價硬度曲線和白亮層的厚度及均勻性等，第一段選用1-1爐工藝參數(shù)。第二段是獲得預(yù)定滲氮層深的關(guān)鍵階段，適當(dāng)提高滲氮溫度是提高氮原子擴散系數(shù)的有效措施，從而得到較深而硬度梯度平緩的滲氮層，同時提高氣氛氮比例來補充表面的氮原子。綜合評價有效硬化層深、白層厚度及微觀組織等指標(biāo)，第二段選用2-3爐工藝參數(shù)，要達到預(yù)定的深度還要延長第二段的工藝周期。經(jīng)過長時間高溫擴散后，表層氮濃度有所降低，顯微硬度有一定的下降，第三段采用與第一段基本相同的參數(shù)進行補滲，使硬度有所回升。在各段正交試驗優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，對矩形試樣和三聯(lián)齒試樣進行了三段式離子滲氮工藝試驗，試驗結(jié)果見圖12,由于受輝光放屏蔽效應(yīng)的影響齒部節(jié)圓部位與齒根夾角處的硬度梯度略有差異。

2.4 離子滲氮表面形貌觀測

由于滲氮過程中的離子轟擊及濺射作用，以及表面發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，滲氮表面的粗糙度會有所增加，用白光干涉儀觀察表面出現(xiàn)大量顆粒狀形貌，尺寸為微米級，表面SEM圖像見圖13(a)，表面三維形貌見圖13(b)。

圖12 試樣三段離子滲氮后的硬度梯度及XRD分析

圖13 離子滲氮后試樣的表面特征

離子滲氮后的表面粗糙度增加趨勢見圖14，滲氮前的原始表面進行了機械拋光處理。隨氣氛含氮量增加，表面粗糙度呈現(xiàn)增加趨勢，這是由于氫離子質(zhì)量較小，而氮離子質(zhì)量較大，兩種離子的轟擊能量有差別所造成的，但N2含量10%以上變化不大，達到80%N2時又略有下降，可以解釋為：根據(jù)M.Hudis分子離子理論，分子離子NHj+對離子滲氮起較大作用，H2含量過低會減弱離子滲氮效果，當(dāng)氣氛為純N2時離子滲氮過程將難以進行[14]。

圖14 不同氣氛滲氮后表面粗糙度Ra的變化

2.5 氮化層殘余應(yīng)力

離子滲氮后由于氮原子滲入表層形成含氮固溶體，造成晶格膨脹，同時產(chǎn)生的新相，比容較原始相大，所以在滲氮層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力場，不同表面含氮氣氛對表層殘余應(yīng)力的影響見圖15，三段離子滲氮后的殘余應(yīng)力場的分布見圖16，殘余壓應(yīng)力峰值達715 MPa，位于0.51 mm深處，硬化層內(nèi)得到了較深較大的殘余壓應(yīng)力分布。

圖15 不同氣氛滲氮后的表面殘余應(yīng)力

圖16 車軸隨爐試樣殘余應(yīng)力場分布

2.6 實物車軸離子滲氮試驗

車軸離子滲氮按以下工序進行：車軸信息記錄—清洗—烘干—防滲屏蔽件及吊具安裝—車軸及輔助件裝爐—離子滲氮工藝執(zhí)行—試樣出爐檢驗—車軸出爐檢驗。

為了達到車軸技術(shù)要求，采用三段式深層可控離子滲氮工藝，具體工藝曲線見圖17。

圖17 車軸離子滲氮工藝曲線

隨爐試樣采用矩形金相試樣和齒形試塊兩種，試樣與車軸材料為同一冶煉爐次，且預(yù)處理狀態(tài)與同爐車軸相同。試樣分別放置在上、下花鍵附近，分別在爐內(nèi)的上、下、前、后4個方位放置矩形金相試樣、齒形試樣。滲氮后的車軸取樣位置及花鍵滲氮層深檢測位置見圖18，檢測結(jié)果見圖19，金相法檢測滲氮層深約1 mm，沿花鍵齒廓均勻分布、白亮層的厚度為6～8 μm，組織結(jié)構(gòu)為γ′單相。車軸試驗件最終順利通過了“1 435/1 520 mm變軌距轉(zhuǎn)向架”速度600 km/h滾振試驗的考核驗證。

3 結(jié)論

(1)DZ2材料滲氮溫度位于440～520 ℃時可以獲得較高的表面硬度，采用氮氫混合氣氮氣比例為20%以下時，表面獲得γ′ 單相化合物層組織，經(jīng)過深層離子滲氮之后化合物層厚度為5～8 μm，結(jié)構(gòu)致密，表面脆性級別、疏松級別、擴散層脈網(wǎng)狀氮化物級別均達1級。

(2)在矩形試樣、齒形試樣和實體車軸的離子滲氮工藝試驗研究基礎(chǔ)上進行60余根車軸的離子滲氮小批量生產(chǎn)，經(jīng)多爐次車軸實物解剖檢驗達到了原定滲層表面硬度、硬度梯度、白亮層厚度、組織級別等技術(shù)要求，即：深度0.3～0.5 mm處顯微硬度≥400 HV，表面硬度≥550 HV，表面白亮層厚度4～10 μm(γ′≥90%)，表面脆性≤1級，表面疏松≤2級，滲氮脈狀氮化物≤2級。在基體硬度偏低的條件下得到平緩的硬度梯度分布，并獲得表面韌性γ′單相組織，組織級別優(yōu)良。

(3)離子滲氮層形成殘余壓應(yīng)力場，表面殘余壓應(yīng)力約為600～800 MPa，其幅值隨滲氮氣氛氮濃度的增加而增大；車軸深層滲氮后的滲氮層最大殘余壓應(yīng)力幅值約為715 MPa，位于離表面大約0.51 mm深處，在硬化層較深的區(qū)域內(nèi)建立了殘余壓應(yīng)力場，可以有效抑制疲勞裂紋的萌生與擴展，提高車軸的疲勞抗力。

(3)通過加入一定比例氬氣，調(diào)整爐壓、電壓等工藝參數(shù)，提高爐內(nèi)支座保護間隙精度等措施，解決了花鍵齒根部滲氮層深度不易達標(biāo)的問題，使得花鍵全齒廓得到比較均勻的滲氮，保證了齒根薄弱部位的強化效果。