薛振峰，李樹林，徐俊生，崔永亮，鄭 毅，王艷芳

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032)

我國是裝備制造業(yè)大國，尤其在近幾年，鐵路裝備制造業(yè)發(fā)展最為迅速，生產(chǎn)的鐵路裝備銷往世界各地。但是許多東南亞國家使用的大量鐵道車輛設(shè)計(jì)依然采用日本標(biāo)準(zhǔn)，其SFA60(日本標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào))鋼車軸產(chǎn)品最多。中國近幾年銷往東南亞鐵路裝備數(shù)量雖有一些增長，但是SFA60鋼車軸大部分市場被日本企業(yè)所壟斷。為了使中國制造占有更多的市場份額，需不斷開拓新市場，太原重工軌道交通設(shè)備有限公司對(duì)該材質(zhì)工藝開發(fā)迫在眉睫，為我公司對(duì)該材質(zhì)市場的開拓奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)方案

將整個(gè)研究分為試驗(yàn)階段和應(yīng)用階段。試驗(yàn)階段首先確定SFA60鋼化學(xué)成分范圍，將準(zhǔn)備的原材料試塊進(jìn)行熱處理，測試小試塊，分析試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出該材質(zhì)最佳熱處理工藝。應(yīng)用階段首先準(zhǔn)備該材質(zhì)車軸，車軸按試驗(yàn)得出的最佳熱處理工藝進(jìn)行熱處理，車軸經(jīng)理化檢測并總結(jié)熱處理工藝。

1.2材料設(shè)計(jì)

材料化學(xué)成分直接決定著材料特性和材料成本，根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)可知，標(biāo)準(zhǔn)中只給出SFA60鋼磷(P)和硫(S)含量，未給出其它化學(xué)成分含量，這種情況增加了化學(xué)成分設(shè)計(jì)難度。為了尋找出材料特性最佳，同時(shí)一定程度上能夠降低材料成本，現(xiàn)設(shè)計(jì)出如表1中3種材料。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3試樣制備

試驗(yàn)材料采用低成本、低消耗型坯料的試塊研究其熱處理特性，可大大節(jié)約研究過程的能耗，減少原材料費(fèi)用，又簡化整個(gè)研究過程，有效縮短了試樣制備和試驗(yàn)過程周期。按表1中給定的每種材料化學(xué)成分范圍準(zhǔn)備6塊200 mm×300 mm方形試塊。

2 試驗(yàn)階段

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得知，該材質(zhì)熱處理工藝為正火處理[1]。

2.1正火溫度的確定

試塊的晶粒度等級(jí)的變化是由于正火溫度影響到鋼的奧氏體形核和奧氏體晶粒長大[2]。經(jīng)相同加熱時(shí)間隨著加熱溫度的升高，奧氏體形核能增加，有助于晶核形成。晶粒度等級(jí)升高。然而在較高的加熱溫度下，由于晶核形成速度較大，形核后又經(jīng)過熱激活晶界遷移導(dǎo)致晶粒長大，晶粒度等級(jí)會(huì)有一定程度的下降[3]。

1) 材料1正火工藝溫度的確定

表2為不同加熱溫度相同保溫時(shí)間，正火冷卻后材料1晶粒度情況。從表2中可以看出，在5種不同正火溫度下，相同加熱時(shí)間和冷卻條件下隨著正火加熱溫度從820 ℃開始升高，材料1試塊的晶粒等級(jí)也升高，且消除了混晶現(xiàn)象；溫度升至940 ℃時(shí)，晶粒度等級(jí)有所下降，且再次出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。綜合而言，材料1的適宜正火溫度在850～910℃。

表2 材料1的不同正火溫度下的晶粒度等級(jí)

2)材料2正火溫度的確定

表3為不同加熱溫度相同保溫時(shí)間，正火冷卻后材料2的晶粒度。從表3中可以看出，在5種不同正火溫度下，相同加熱時(shí)間和冷卻條件下，隨著正火溫度從800 ℃開始升高，材料2試塊的晶粒等級(jí)也升高；當(dāng)溫度升至920 ℃時(shí)，晶粒度等級(jí)有所下降，且再次出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。綜合而言，材料2的適宜正火溫度在830～890 ℃。

表3 材料2的不同正火溫度下的晶粒度等級(jí)

3)材料3正火溫度的確定

表4為不同加熱溫度相同保溫時(shí)間，正火冷卻后材料3的晶粒度。從表4中可以看出，在5種不同正火加熱溫度下，相同加熱時(shí)間和冷卻條件下，隨著正火加熱溫度從800 ℃開始升高，材料3試塊的晶粒等級(jí)也升高；當(dāng)溫度升至920 ℃時(shí)的晶粒度等級(jí)相對(duì)有所下降且再次出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。綜合而言，材料3的適宜正火溫度在790～890 ℃。

表4 材料3的不同正火溫度下的晶粒度等級(jí)

2.2材料化學(xué)成分的選定

由上可知，按表5中給出的正火溫度分別對(duì)3種材料試塊進(jìn)行正火處理，不同正火溫度下進(jìn)行力學(xué)性能測試結(jié)果見表6。其中材料3試塊正火熱處理后彎曲不合格，且延伸率和沖擊值富余量太小；材料1試塊正火熱處理后各項(xiàng)力學(xué)性能雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是抗拉強(qiáng)度的富余量較小，材料1較其它兩種材料更為昂貴，且正火需選取較高的溫度；材料2經(jīng)正火熱處理后，不但各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且各項(xiàng)結(jié)果均有較大的富余量。由于材料3很難滿足彎曲性能，所以SFA60鋼不能用于生產(chǎn)車軸；而材料1生產(chǎn)SFA60鋼車軸時(shí)，制造成本會(huì)大大增加，生產(chǎn)的車軸不具有較強(qiáng)的競爭力。綜上所述，選取材料2作為生產(chǎn)SFA60鋼車軸。

表5 三種材料的正火溫度

3 應(yīng)用階段

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，將材料2作為SFA60鋼，860 ℃熱處理工藝作為SFA60鋼車軸的熱處理工藝，熱處理后的性能見表7。根據(jù)表7中結(jié)果得知車軸外表面、1/2半徑和車軸心部處結(jié)果相差較小，說明SFA60鋼車軸經(jīng)860 ℃熱處理后車軸整體性能基本一致，該熱處理工藝合理，熱處理后各項(xiàng)性能合格并穩(wěn)定[4]。

表6 三種材料的力學(xué)性能

表7 車軸熱處理性能

4 總結(jié)

此次通過小坯料試樣研究了SFA60鋼調(diào)質(zhì)熱處理特性，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出了最佳SFA60鋼化學(xué)成分配比和相應(yīng)車軸的最佳熱處理工藝。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，標(biāo)準(zhǔn)中只給出SFA60鋼磷和硫的含量，未給出其它化學(xué)成分含量，且SFA60鋼車軸熱處理后有彎曲性能要求，加大了材料化學(xué)成分的設(shè)計(jì)難度。結(jié)合原材料性價(jià)比和采用相對(duì)較低的能耗生產(chǎn)出的優(yōu)良的車軸，有效地增強(qiáng)了市場競爭力，故選取材料2作為SFA60鋼，車軸熱處理選取860 ℃進(jìn)行正火處理。

本次研究成功，說明太原重工軌道交通設(shè)備有限公司具有熱處理SFA60鋼車軸的能力，完全掌握了該材質(zhì)車軸的熱處理特性，我公司具有雄厚的技術(shù)開發(fā)和研究實(shí)力。新材質(zhì)、新工藝在車軸制造上的應(yīng)用，標(biāo)志著我公司對(duì)該材質(zhì)市場的進(jìn)一步開拓奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，為我公司下一步進(jìn)軍此類材質(zhì)車軸市場打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為公司未來的發(fā)展做出了優(yōu)越的技術(shù)準(zhǔn)備。