42CrMo钢车轴热处理工艺

张 斌，薛振峰，郑 毅，张勤帅，王艳芳，高晓文

(太原重工轨道交通设备有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

目前42CrMo钢车轴市场占有率稳定，太原重工轨道交通设备有限公司接到该种材质车轴的订单数量逐年上升，客户对该材质车轴的各项指标也提出了严格的要求，车轴组织中不允许存在铁素体，使得该种材质车轴热处理难度加大。以往热处理42CrMo钢车轴，主要使用间歇性热处理炉加热，多轴同时淬火冷却。为了更好地发挥本公司设备优势，提高该材质车轴热处理后的质量，我公司引入了国内首条悬挂式单轴调质/正火热处理生产线，它是一条功能齐全的连续式单轴淬火车轴热处理生产线。该生产线特点为步进式单轴淬火冷却，相比台车炉加热淬火可有效地提高车轴淬透性及车轴各部位调质性能均匀性，在技术上可克服生产周期长、人为影响大的问题，实现连续式批量化生产。

1 试验材料及方法

根据标准得知，42CrMo钢车轴热处理方式为正火+调质处理[1]。

1.1 车轴原材料化学成分内控

由于42CrMo钢中C、Si、Mn、Cr、Mo化学成分范围较宽，为了更好地满足42CrMo钢车轴的力学性能和金相要求，依据AISI 4140钢对42CrMo钢的化学成分进行内控，具体见表1。

表1 42CrMo钢化学成分(质量分数) %

1.2 热处理工艺的制定

该材质的理论完全奥氏体化温度约为800 ℃[2]，初步制定以下两条工艺：工艺一：T1(高于奥氏体化温度)加热，然后直接入油淬火60 min～80 min，T2(低于奥氏体化温度)回火；工艺二：(T1+40 ℃)正火，(T1+10 ℃)淬火加热，双液淬火后(T2+50 ℃)回火。

1.3 车轴热处理后性能指标及组织

车轴热处理后性能指标要求见表2。表2中的冲击试验采用Ku2冲击(J)，5 mm缺口。

表2 车轴性能指标

车轴热处理后晶粒度≥5级、组织为回火马氏体/贝氏体，不允许出现铁素体。

2 试验阶段

2.1 热处理工艺开发过程

2.1.1 车轴首次热处理检验

为了加快开发进度，分别按工艺一、工艺二对车轴进行热处理，热处理后延长体力学性能试验结果见表3，延长体金相结果见表4。

表3 首次热处理后力学性能试验结果

根据表3、表4结果可知:按工艺一热处理后的性能指标虽然满足标准(表2)要求，但是晶粒度结果(6级)偏低，组织为回火马氏体+回火贝氏体+少量铁素体(约为5%)，不满足标准(回火马氏体+贝氏体)要求；按工艺二热处理后的性能指标和晶粒度、组织结果均满足标准要求，但是屈服强度为553 MPa，仅仅高出标准要求43 MPa(标准要求值为≥510 MPa)，富裕量较小，抗拉强度770 MPa，接近标准要求下极限值(730 MPa)。综上所述，工艺二各项性能指标优于工艺一，且按工艺二热处理后车轴组织满足标准要求。经工艺一处理的车轴虽然力学性能和晶粒度满足标准要求，但是显微组织不满足标准要求，主要是由于使用“油”为淬火介质，较工艺二其冷却速度较慢，在淬火过程中容易产生少量铁素体。

表4 首次热处理后组织晶粒度试验结果

2.1.2 车轴本体验证

为了进一步验证工艺二的合理性，在车轴最大截面位置进行解剖试验，车轴热处理力学性能试验结果见表5，金相结果见表6。

根据表5、表6结果可知：按工艺二热处理后的性能指标和晶粒度、组织结果均满足标准要求，但是屈服强度和抗拉强度仍有优化空间，可适当降低回火工艺温度[3]。

表5 首次热处理后车轴最大截面处力学性能试验结果

表6 首次热处理后车轴最大截面处组织晶粒度试验结果

2.2 优化车轴热处理工艺

根据上述结论，可在工艺二的基础上降低车轴回火工艺温度(降低10 ℃),热处理后车轴力学性能试验结果见表7，金相结果见表8。车轴外表面、1/2半径处和心部的组织分别如图1～图3所示。

表7 热处理工艺优化后力学性能试验结果

表8 热处理工艺优化后组织和晶粒度试验结果

图1 车轴外表面组织 图2 车轴1/2半径处组织 图3 车轴心部组织

将工艺二和优化工艺后的屈服强度、抗拉强度、纵向冲击功和横向冲击功进行对比，分别见图4～图7。

图4 屈服强度对比

图5 抗拉强度对比

图6 纵向冲击功对比

图7 横向冲击功对比

车轴按优化热处理工艺处理后，其力学性能和金相组织均满足标准要求，且抗拉强度约为830 MPa,处于标准要求范围的中线位置，冲击性能结果超出标准下限值25 J以上，力学性能优良，截面各个位置处晶粒度均为7级，一致性良好，组织为回火马氏体+贝氏体，完全满足标准要求。

3 应用阶段

根据以上试验结果，将(T1+40 ℃)正火，(T1+10 ℃)淬火加热，双液淬火后(T2+40 ℃)回火工艺作为42CrMo钢车轴的批量化生产工艺，热处理后的性能结果见表9。由表9可知，车轴整体性能基本一致，该热处理工艺合理，热处理后各项性能结果合格并稳定[4]。

表9 优化工艺后车轴热处理性能结果

4 总结

此次通过研究42CrMo钢热处理特性，确定了42CrMo钢车轴按(T1+40 ℃)正火，(T1+10 ℃)淬火加热，双液淬火后(T2+40 ℃)回火工艺热处理,热处理后车轴各项性能稳定且都满足标准要求，热处理后车轴的各项指标均有足够的富余量。

本次研究成功，说明太原重工轨道交通设备有限公司具有热处理42CrMo钢车轴的能力，完全掌握了该材质车轴的热处理特性，为我公司巩固车轴市场打下坚实基础，也为公司未来的发展做出了优越的技术准备。