EA4T车轴热处理工艺研究

EA4T 车轴热处理工艺研究

刘军辉

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，山东 青岛 266111）

摘 要 ： EA4T 为 欧 洲 标 准 牌 号 的 低 碳 合 金 钢 材 ，主 要 应 用 于 地 铁 车 轴 和 高 速 动 车 组 车 轴 ，化 学 成 分 与 国

产

25CrMoA 钢相近，所采用的热处理工艺为调质处理。通过对其进行成分分析和反复试验,确定车轴的调质工艺为淬 火温度为 880~900 ℃,回火温度为 590~610 ℃。 中图分类号：TG156.6

文献标识码：A

文章编号：1003-773X（2012）04-0057-03

0 引 言

EA4T 是一种德国牌号的低碳合金钢材，现公司地 铁产品车轴采用该材料。为保证车轴热处理后性能满 足要求，对其热处理工艺进行研究。 1 EA4T 车轴化学成分与热处理性能要求[1-3] 1.1 化学成分

车轴化学成分（熔炼分析）,见表 1。

表 1 EA4T 化学成分/%

C 0.22～0.29

Cu ≥0.30

Si 0.15～0.40

P ≥0.020

Mn 0.50～0.80

S ≥0.015

Cr 0.90～1.20

Ni ≥0.30

Mo 0.15～0.30

V ≥0.06

3 车轴加工工艺流程

锻造毛坯— 锻后正火—探伤—粗车—淬火—回

火—热校直—消除应力—性能检验— 精车—磨削— 探伤—待组

4 热处理工艺分析

4.1 加热设备及工艺装备选择

车轴为细长轴类零件，如图 1 所示，为有效减少车 轴在加热和冷却过程中的变形，车轴采用吊装加热和 冷却。根据车轴长度，考虑现场现有生产设备情况，淬 火 、回 火 加 热 设 备 选 用 RJ2-380-10 或 RTD23-360-9 深井式电阻炉，为保证车轴及试棒处于电阻炉内有效 加热区间及提高车轴热处理效率，设计制作车轴专用 调质吊具，车轴非带试棒端加工工艺孔，每炉次吊装 6 根车轴，车轴分两层错层均布。 4.2 加热温度的选择

工件的加热温度应综合考虑工件材质、技术性能 要求、几何形状及尺寸、加热方式、冷却方式、淬火变形 程度及开裂倾向等因素，通过对这些因素的综合分析， 车轴加热温度以 880～900 ℃为宜。 4.3 淬火加热速度的选择

车轴为合金钢材质，导热性差，且沿轴向横截面尺 寸差异较较大。为减小淬火加热过程中车轴的内应 力，应控制加热速度，可采用低温入炉、预热等方式降 低升温速度。

4.4 淬火保温时间的估算

为确保奥氏体形成过程有足够的时间，按照下述 经验公式来估算车轴的保温时间。

1.2 力学性能

车轴力学性能指标，见表 2。试棒位于车轴最大 直径的延长端，试样取自试棒半径的 1/2 处。

表 2 EA4T 车轴力学性能

等级 EA4T

ReH /MPa ≥420

Rm/MPa 650-800

A5 /% ≥18

20 ℃时的冲击功 KU/J 纵向 ≥40

横向 ≥25

注：1）如果屈服现象不明显，则应测定非比例伸长应力 Rp0.2；

2）纵向、横向冲击功各为 3 个试样的平均值，3 个试样中每个试 样冲击值不应低于最低标准值的 70 %。

1.3 金相组织和晶粒度

金 相 组 织 应 为 回 火 索 氏 体 ，晶 粒 度 应 不 低 于 5 级。取样部位与性能试样相同。 2 车轴示意图

车轴热处理工件图，如图 1 所示。

2 542 010

5 45

+31 048 001 867 -1+1343-102 064 0+22 302 0+1图 1 车轴热处理工序图

（1） τ =kαD.

式中：τ为工件的保温时间，min；K 为工件的排料系数； α为加热系数，min/mm；D 为工件的有效厚度，mm。

α值与车轴尺寸、加热温度、加热炉类型以及钢的 成分有关，车轴在 RTD23-360-9 深井式电阻炉中淬火 加热，故α取 1.5～1.8。D 值取车轴的最大直径。车轴 采取每炉 6 根分散悬挂方式加热（车轴热处理吊具，见

收稿日期：2012-03-26 作者简介：刘军辉（1979-），男，山东青岛人，工程师，本科，从事机械设计和动车组及地铁产品热处理工艺研究。Email：luhowe@http://wendang.chazidian.com.

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图 2），k 值取 1.0 即可。通 过 计 算 ，车 轴 的 淬 火 加 热

切割过程中要防止试棒过热，需要及时冷却。试样试 验方法按 BS EN13261 要求进行。

1）拉伸试样。在车轴的最大截面处的三个水平 面取样。分别位于车轴外表面、车轴半径中部和车轴 中心取样，具体取样位置，如图 3 所示。

A

15 15 15

晶粒度 7 7.5 7 7 7 7.5 7 7.5

横向 KU/J 33、36、37 40、40、34 61、43、51 62、62、70 40、36、42 64、62、68 76、72、70 72、70、70 保温时间为 5.5~6.0 h。

4.5 淬火冷却规范的确定

由 于 EA4T 材 质 淬 透 性 为 中 等 ，车 轴 有 效 尺 寸 较大，因此，为保证淬硬层 深度达到 1/2 半径处，以获 得 合 格 的 显 微 组 织 ，必 须 采用冷却烈度较高的水基 淬 火 介 质 ，并 在 淬 火 过 程 中通过淬火液的搅拌和车 轴的上下窜动相结合等措 施 ，进 一 步 提 高 淬 火 冷 却 能力，同时，还应防止因冷 速过高导致车轴过大的弯 曲变形尤其是淬火开裂的 危险。工艺试验过程中先 后 采 用 了 两 种 淬 火 介 质 ，

图 2 车轴专用调质吊具图

A

图 3 车轴拉伸试样位置图

2）冲击试样。在车轴的最大截面处的三个水平 面取样。分别位于车轴外表面、车轴半径中部和车轴 中心取样。具体取样位置如图 4 所示。

A

1

分别是体积浓度为 20%~30%的无机淬火液 NK-2，以 及质量分数为 4.5%～5.5%的 NaCl 水溶液，根据试验 结果加以确定。

4.6 回火温度及时间的确定

回火温度是决定工件回火后的组织性能的重要因 素。综合根据热处理机械性能要求以及车轴淬火后表 面硬度，并经不同回火温度下的工艺试验结果，优化确 定回火温度。

为 彻 底 消 除 车 轴 在 淬 火 及 热 矫 直 过 程 中 产 生 的 内 应 力 ，获 得 稳 定 的 回 火 组 织 ，将 回 火 时 间 定 为 6.0~7.0 h。

4.7 试棒和试样的制作预处理

车轴试棒为图 1 端部208 mm 处，经过调质处理， 240 mm 处切割得到。

2

A

图 4 车轴冲击试样位置图

5 工艺实施结果汇总

车轴调质后，按照 BS EN13261 标准的要求，进行 机械性能试验与金相、晶粒度检验，试验、检验结果如 表 3 所示。

6 试验结果分析

图 5 试块显微组织×500

表 3 试验记录及数据

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

炉次编号 101-1-2 101-1-3 101-1-4 101-1-5 101-1-6 101-1-7 101-1-8 101-1-9

加热温度/℃ 880～900 880～900 880～900 880～900 880～900 880～900 880～900 880～900

冷却介质 NK-2 NK-2 NK-2 NK-2 盐水 盐水 盐水 盐水

回火温度/℃

560 600 620 610 520 590 600 600

Re/(N/mm2)

640 610 600 545 650 530 585 585

图 6 试块晶粒度×100

Rm/(N/mm2)

820 790 770 755 850 760 715 735

A/% 19 20 21 19 19 20 22 20

纵向 KU/J 66、56、56 52、60、54 54、66、65 84、84、83 45、48、60 70、72、78 94、80、92 70、74、80

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经过上述工艺处理，试样金相组织为回火索氏体, 如图 5 所示，晶粒度为 7 级及以上，如图 6 所示，因此,加 热温度选用合理，能够满足要求。当回火温度为 590~

介质采用 4.5%～5.5%NaCl 水溶液，冷却过程中采用上 下窜动和静止冷却相结合的方式，在冷却罐中增加水

泵搅动冷却液，保证冷却罐内冷却液上部和下部温度 一致；冷却介质温度不得超过 45 ℃；车轴回火后应趁 热校直或预热校直，在校直后需进行去应力退火；经过 1 448 根车轴正式批量生产，合格 1 432 件，证明工艺正 确可行。

参考文献

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610 ℃时，车轴试样检测数据满足性能指标要求，因此 回火温度选用 590~610 ℃；当采用 NK-2 冷却介质时， 由于其冷却烈度偏低，导致部分炉次的车轴淬火时，有 少量铁素体相析出。后改用 4.5%～5.5%NaCl 水溶液 均获得了符合要求的显微组织；车轴校直前最大径向 跳动量为 1～5 mm，因此，采用随炉升温的加热方式和 使用车轴专用吊具吊装加热的吊挂方式合理，能有效 地减少淬火变形量。

7 结束语

该 EA4T 材料车轴合理的热处理工艺为淬火+高 温回火，淬火温度为 880～900 ℃，保温时间为 5.5~6.0 h； 回火温度为 590～610 ℃，回火时间为 6.0~7.0 h；冷却

The Research of the Heat Treatment Process on EA4T

LIU Jun-hui

（CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co.,Ltd, Department of Technology and Engineering, Qingdao 266111, China） Abstract：The EA4T is the low carbon copper of steel material in the standard of European, mainly being apply in the axle of the subway and railway high-speed, the chemistry composition are close by the 25CrMoA which made in China. The heat treatment process on EA4T is hard ening and tempering .This paper pass as to analysis the composition and experiment again and again, make sure that the temperature of the quench hardening is (880-900)℃ , the temperature of the tempering is (590-610)℃.

Key words：EA4T; hardening and tempering; heat treatment

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了低频爬行阶段的颤动；2）提升机多功能数字深度指 示器使深度指示器实现数字化，以及深度和速度值的 数字化显示；3）提升机多功能数字深度指示器具有系 统监视和故障处理功能，可以实现运行全过程连续速 度监视和故障处理，能可靠地实现二级安全制动。 总

之，多功能数字深度指示器可实现后备保护及 监视功能，既可应用于我国交、直流矿井提升机电控设 备 的 技 术 改 造 ，也 可 用 于 开 发 新 系 列 的 提 升 机 电 控 系统。

参考文献

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刘 志. 矿井提升机减速方式的合理确定及性能分析[J]. 煤炭技术,2005(9):6-8.

Study on PLC Based Multi-functional Digital Deep Indicator of Mine Hoist

LI Hong-wei

（Changcun Coal Mine of Shanxi Lu'an Environmental Energy Development Co.，Ltd, Changzhi 046024，China） Abstract：Introduced the

multi-functional digital deep indicator, the multi-functional digital deep indicator is made up by a pair of two PLC, data gathered and dealt with the board, digital deep indicator, speed display. Its main function is as flow: collection, correcting exporting with many ways of the pulse; the Calculation, revealing and exporting of the location of pot, the automatically taking, calculating and revealing of S curve of speed; send out moderating and over speed signal, etc.. Key words：PLC control；mine hoist；multi-functional digital deep indicator；S curve of speed

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