高速EA4T车轴钢低温性能研究

薛振峰，郑 毅，赵兴龙，张 斌，王艳芳，崔永亮

(太原重工轨道交通设备有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

随着国家“一带一路”战略的提出，“中欧班列”的开通与普及，我国与欧洲业务往来也越发频繁与紧密。欧洲是高速铁路(又称“高铁”)体系完备且拥有高铁较早的区域，欧洲高铁车轴需求巨大，且有意向从我国进口。和谐号动车是国内保有量最多的车型，其EA4T钢车轴的使用率占95%以上，基本上为进口。为适应高铁在寒冷地区运行，高速EA4T钢车轴在EN13261标准的基础上又增加了-40 ℃低温性能要求。为开发欧洲高铁车轴市场和保障国内高铁车轴供应可持续性，研究EA4T车轴钢低温性能具有较大意义。

1 高速EA4T钢车轴材料基础深化研究

EA4T材料脆转变温度大约为-27 ℃，当冲击在-40 ℃温度下进行试验时，冲击断裂时出现脆性断裂比例增大，从而导致冲击性能的不稳定。

1.1 材料成分合金化设计

通过加入一定量的Nb、V，在晶界形成Nb/V的碳/氮化合物二次析出相来提升钢的性能。表1为三种不同Nb含量的高速车轴钢化学成分，其热处理后低温冲击性能见图1,电镜分析聚积物含量见图2。

表1 三种不同Nb含量车轴钢化学成分(质量分数) %

从图1中可以看出：加入Nb可以保证低温下的冲击韧性，但当Nb的质量分数超出了0.04%，钢中的Nb化物反而对低温冲击韧性有负面影响；加入0.02%的Nb，其强韧性能最佳。

图1 高速EA4T钢在不同温度下的冲击韧性

图2(a)、图2(b)、图2(c)中显示均有Nb化物的析出，而且随着Nb含量的增加析出物也增加。这种析出并不是均匀弥散分布在晶界处，而是局部的聚积，当这种聚积超过一定的尺寸范围后，Nb的化合物析出就不能起到“钉轧”位错、提高强韧性的作用了，而是钢种的“夹杂物”，隔裂了基体的连续性。

图2 电镜分析

通过对Nb、V微合金化研究表明，在V质量分数控制在0.04%条件下，再加入质量分数约为0.02%Nb对低温韧性有显著提升。

1.2 材料有害元素控制

微合金元素钛是形成TiN夹杂的元素，TiN夹杂本身具有尖利棱角和不变形性，且尺寸较大，对钢材的低温冲击性能危害巨大，有无TiN夹杂的冲击试验结果见表2，TiN夹杂能谱分析见图3。由表2和图3可以看出，TiN夹杂导致低温冲击断口全部为脆性断裂。经过多次试验研究发现，当Ti的质量分数≤0.000 5%时，不易形成影响低温冲击性能的TiN夹杂。

图3 TiN夹杂能谱分析

表2 TiN夹杂对低温冲击性能的影响

1.3 材料冶炼控制技术研究

经电渣重熔(Electro-slag Remelting，简称ESR)的钢，纯度高，含硫量低，非金属夹杂物少，钢锭表面光滑，结晶均匀致密，金相组织和化学成分均匀。

1.3.1 化学成分偏析

电渣重熔后成分偏析分析结果如表3所示。由表3可以看出，全截面成分偏析很小，特别是性能影响较大的碳元素，其极差为0。

表3 化学成分偏差分析(质量分数最大值-质量分数最小值) %

1.3.2 轴坯非金属夹杂物

经电渣重熔后的钢非常纯净，视场只可见有球状的D类夹杂和Ds类夹杂。电渣重熔和非电渣重熔夹杂物尺寸分别如图4(a)和图4(b)所示。

图4 夹杂物形态

电渣重熔后钢中的非金属夹杂物几乎全部球化，在非金属夹杂物的周边无尖锐的边界存在。电渣工艺非金属夹杂物能谱分析和非电渣工艺非金属夹杂物能谱分析分别如图5和图6所示。从能谱分析结果来看，无论是电渣工艺还是非电渣工艺，其非金属夹杂物的组分是一致的，均是以Al2O3为主，复合有CaO、MgO夹杂物。电渣重熔后钢中夹杂物尺寸变小了，形状也得到了球化处理，改善了钢质的疲劳强度，降低了钢材疲劳开裂的风险。

图5 电渣工艺非金属夹杂物能谱分析

图6 非电渣工艺非金属夹杂物能谱分析

2 高速EA4T钢车轴基础性能研究

2.1 微观组织对低温韧性的影响

图7给出了不同组织不同温度下的冲击韧性[1]。由图7可知，回火马氏体组织不同温度下的冲击吸收功显著高于贝氏体组织和贝氏体+回火马氏体组织，回火马氏体组织韧脆转变温度[2]达到-80 ℃，显著低于贝氏体组织、贝氏体+回火马氏体混合组织试样的-63 ℃、-55 ℃。回火马氏体低温冲击韧性明显优于贝氏体或贝氏体+回火马氏体混合组织。

图7 微观组织对低温冲击韧性的影响

2.2 拉伸的低温性能变化

在同种状态下的EA4T钢车轴相同位置取样，分别在+20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃保温后进行拉伸试验，试验结果见图8。由图8可知，随着试验温度的降低，屈服强度向抗拉强度靠近，且抗拉强度也有提升，低温状态下的疲劳极限也有提升。

图8 不同温度下的屈服强度σs和抗拉强度σb

2.3 淬火工艺对低温韧性的影响

参考文献[3]设定了3条工艺路线对EA4T钢车轴进行热处理，具体淬火工艺[4]见表4，不同工艺下的-40 ℃低温冲击结果见图9，车轴组织结果见图10。

表4 淬火工艺路线

根据图9和图10中结果可知：在冲击结果方面，工艺二和工艺三对低温冲击结果有了较好的改善，然而工艺三的低温冲击结果差值较大；在组织方面，由于工艺一淬火后仍然存在铁素体，导致冲击性能出现不满足标准的情况，所以工艺二较为合理。

图9 不同工艺下的-40 ℃低温冲击结果(U型2 mm缺口)

图10 不同工艺下的车轴组织结果

3 总结

(1) 通过加入0.04%的V和0.02%的Nb，严控Ti含量不超过0.000 5%，可提升EA4T材料的低温性能。

(2) 经电渣重熔使得非金属夹杂物球化和细小化，降低了非金属夹杂物对低温性能的影响。

(3) EA4T钢车轴热处理时，选择先水后油的淬火方式，可获得低温性能稳定的组织，有效提升车轴低温冲击性能均匀性。

(4) 通过对不同温度下拉伸性能研究，在球化和细小化非金属夹杂物且夹杂物含量极少的情况下，以及全部为良好的低温性能组织时，车轴的疲劳极限会随着温度的降低而升高，完全能够满足在现有的低温条件下使用。