热处理工艺对EA1N车轴性能影响的研究

黄俏梅，牛迎春，苏立武，李泉

株洲中车天力锻业有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

EA1N钢为欧洲标准 EN13261-2009中应用的车轴钢[1]，广泛应用于德国、法国等欧洲发达国家铁路行业[2]。随着国外轨道交通装备设计技术在国内引进，该钢种在国内100km/h以下的各型地铁车轴上普遍使用，比如武汉2号线、广州3号线、昆明1号线、郑州1号线、宁波1号线、长沙3/4号线等。相对于其他材质的车轴而言，EA1N具有低成本、性能稳定、高性价比等优点。

目前，国内生产的EA1N车轴热处理方式不尽相同，原南车长江公司采用两次正火和一次回火的工艺[3]，整体耗时至少15h（包括升温、等温正火及风冷的时间），生产效率低，工艺步骤复杂且能耗相当大；太原重工股份有限公司采用连续式炉正火工艺[4]。各公司根据设备和产品要求选择不同的热处理方式，对其工艺合理性和能耗成本的考虑参差不齐，并未形成统一的行业基准。

因此，通过对现有的EA1N车轴钢热处理工艺方法进行试验对比分析，研究热处理工艺对EA1N车轴性能的影响规律，获得在满足EA1N车轴技术和质量要求的前提下，能简化工艺步骤、降低能耗并提高生产效率、经济效益可观的EA1N车轴钢热处理工艺，对工厂生产有指导性意义。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为符合EN 13261-2009标准的EA1N车轴，其钢坯化学成分见表1，金相组织如图1所示。

表1 EA1N钢坯化学成分（质量分数） （%）

图1 EA1N钢坯金相组织

2.2 试验方法

试验采用台车式电阻炉进行正火处理，如图2所示，装炉方式为4层间隔堆叠。正火工艺试验参数见表2，试验车轴最大有效直径为225mm。

图2 车轴正火装炉示意

表2 正火参数

3 试验数据与分析

3.1 力学性能

1）按EN 13261-2009标准规定取样，其力学性能及晶粒度见表3。根据表3数据对比，在一次正火条件下，EA1N车轴（均值）抗拉强度高于标准14%，屈服强度高于标准要求15%，伸长率高于标准23%，纵向冲击吸收能量高出37%，横向冲击吸收能量高出95%，各项性能指标完全满足标准要求。

2）不同正火温度对一次正火条件下的EA1N车轴力学性能、合格率和混晶情况有一定影响（见表3）。力学性能随正火温度降低有所波动，屈服强度最大差值为15MPa（4.6%），规律性并不明显。一次正火合格率随正火温度降低呈不明显的上升趋势，860℃时相对较高。混晶率随正火温度降低呈下降趋势，900℃正火时存在约3%的混晶情况，860℃时有明显改善，存在偶发性约0.5%的混晶，有较强的规律性。

表3 半轴二分之一半径处性能结果

3）从组别4和其他的性能对比可见，经返工正火的EA1N车轴，综合力学性能与一次正火的平均水平无明显差异，合格率明显提升，混晶情况得到消除。

4）表3和表4的数据对比表明，正火次数对车轴综合性能的影响并不大，增加一次正火和一次回火工艺可在一定程度上提升车轴屈服强度和冲击吸收能量，增加约3%的合格率，但至少需增加50%的能耗和30%的生产周期，就工艺成本和效率而言，一次正火工艺的经济性相对更高。

表4 原南车长江公司车轴二分之一半径处性能结果

3.2 金相组织

1）车轴热处理后的组织和晶粒度无明显差异。图3为各组别的金相组织和晶粒度图谱，其组织为均匀的铁素体+珠光体，晶界清晰，结构稳定，晶粒度为7~8级，并无明显差异。EA1N钢车轴在正火温度800℃以上经充分保温可实现完全奥氏体化，一定范围内正火保温温度升高，保温时间不变，会增大出炉时车轴表面和心部的温度差，在相同风冷情况下，越靠近外表面，冷却速度越快，而心部冷却速度基本一致，从而加大车轴表面和心部的冷却速度差，造成批量生产时较大的性能和组织波动，增加混晶的几率，降低整体合格率。

2）由图3和图4的金相组织照片可知，经一次正火、二次正火与二次正火加一次回火后的组织并无明显差异，正火次数对EA1N钢车轴的组织和晶粒度级别无明显影响。

图3 各组别晶粒度及金相组织

图4 原长江公司二次正火+一次回火工艺下的金相组织

4 结束语

1）经一次正火处理的EA1N钢车轴其组织性能完全满足并超越EN 13261-2009标准要求，可通过减少正火或热处理次数大幅提升EA1N钢车轴的生产效率，实现节能降耗。

2）不同的一次正火温度，对EA1N钢车轴的综合力学性能的影响并不明显。但在合理的正火温度调节范围内，随着正火温度降低，一次正火合格率呈不明显的上升趋势，混晶情况得到明显改善。

3）正火次数对EA1N钢车轴的综合性能的影响有限，对组织和晶粒度级别无明显影响。

4）根据实际经验，EA1N钢车轴进行一次正火处理存在约5%的不合格率，可对不合格炉次进行返工正火处理，合格率达到100%。