提高电动机轴低温冲击性能的研究

丁盛

常州中车瑞泰装备科技有限公司 江苏常州 213000

1 序言

近年来，随着经济的高速发展，人们对于美好生活的愿望日益提高，轨道交通产业也越来越发达，其技术日趋成熟。地铁、高铁的建设划时代地改变了人们的生活，而轨道列车制造是整个轨道交通产业中最核心的技术，直接关系着乘客生命安全，并且影响列车运行的稳定性。

牵引电动机轴在轨道交通行业被铁道部规定为重要安全件，尤其在一些城市长期在零下几十摄氏度的环境中运行，这就对电动机轴的性能要求更高。按照铁道部制定的法律文件，牵引电动机轴的验收必须得到铁道部（现为“中国铁路总公司”）驻常州地区的验收室批准[1]。

用国产材料生产牵引电动机轴，可以降低成本。材料和热处理工艺是影响牵引电动机轴质量稳定性的关键，与动车组的安全运行密切相关，因此研究电动机轴的热处理工艺具有重要意义。

2 电动机轴技术要求

电动机轴主要热处理方式为调质，材料为42CrMo钢锻件，按GB/T 3077—2015《合金结构钢》执行，化学成分见表1，调质后技术要求见表2。在前期的生产试验过程中有一项技术指标未达标，即-40℃的低温冲击吸收能量，调质后取样检测只有10～20J，远低于35J的要求。

表1 42CrMo钢的化学成分（质量分数）（%）

表2 电动机轴调质后力学性能技术要求

3 电动机轴热处理

电动机轴热处理工艺：650℃保温2h＋870℃保温3h后油冷＋630℃回火5h。热处理后硬度及力学性能检测结果见表3，金相组织为大量条状铁素体+索氏体，如图1所示。

表3 电动机轴调质后力学性能及硬度

图1 调质后金相组织

4 低温脆性及脆性断裂

温度是影响金属材料和工程结构钢断裂方式的重要因素之一。许多断裂事故发生在低温情况。这是由于温度对工程上广泛使用的低中强度结构钢的性能影响很大，一般是材料的断裂强度随温度的降低而减小，屈服强度会增加。这两个函数相交于某一温度，在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性。从微观机制来看，低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关，若阻力增大，则材料屈服强度也相应增加，这是因为材料在塑性变形时主要依靠位错运动来完成的。对于对称性低的金属合金而言，温度降低时，位错运动的点阵阻力增加，原子热激活能力下降，因此材料屈服强度增加[2]。

而反映到冲击试样上来，随着温度降低，在某一温度范围内，缺口冲击试样的断裂形式由韧性断裂转变为脆性断裂，韧性即冲击吸收能量明显下降。这种断裂形式的转变，通常用一个特定的转变温度来表示，该转变温度在一定意义上表征了材料抵抗低温脆性断裂的能力。这种随温度降低，材料由韧性状态向脆性状态转变进而发生破坏的现象称为低温脆性或冷脆，发生脆性转变的温度称为韧脆转变温度。

因此，钢材的低温冲击吸收能量即是低温脆性的表征，冲击试样试验温度在韧脆转变温度以下，冲击吸收能量将显著低于常温下所获得的值。

5 低温脆性及韧脆转变温度影响因素

所有影响常温下冲击性能的因素都同时影响着材料的低温脆性。

（1）晶体结构 对称性低的体心立方以及密排六方金属或合金的韧脆转变温度高，材料脆性断裂趋势明显，塑性差；材料脆性倾向的本质是其塑性变形能力对低温和高加载速率适应性的反映。在可用滑移系统足够多、阻碍滑移的因素不因条件而加剧的情况下，材料将保持足够的变形能力，而不表现出脆性断裂，面心立方结构属于这种情况。但是体心立方晶体结构，如铁素体，在温度较高时，变形能力尚好，但在低温条件下，间隙杂质原子与位错和晶界相互作用的强度增加，阻碍位错运动，封锁滑移的作用加剧，使得对变形的适应能力减弱，即表现出加载速率的敏感性[3]。

（2）化学成分 化学成分中以碳的影响最为显著。碳是明显促使钢脆化的元素，随着钢中碳含量的增加，韧脆转折温度升高，冲击性能随温度的变化趋于平缓。碳含量越高，钢材的脆性破坏倾向越大。磷是引起钢产生冷脆现象的一个元素，因为其在钢中形成脆性很大的化合物磷化三铁。其余一切能够使材料硬度、强度提高的杂质或合金元素都会引起材料塑性和韧性变差，材料脆性提高。

（3）晶粒度 细化晶粒可以同时提高材料的强度、塑性和韧性。细化晶粒提高材料韧性的原因为，细化晶粒可以使基体变形更加均匀，晶界增多可以有效的阻止裂纹的扩张，因晶界面积很大，塑性变形引起的位错塞积也不会很大，可以防止裂纹的产生[4]。

（4）金相组织 马氏体经高温回火得到的索氏体组织其韧脆转变温度最低，脆性破坏倾向最小。细珠光体的韧脆转变温度比粗珠光体的低。上贝氏体的强度较高时，其韧脆转变温度比珠光体的还高，但回火到与珠光体的抗拉强度相同时，其韧脆转变温度比珠光体的低。

（5）淬火后回火温度 回火温度升高、硬度降低会使室温的冲击吸收能量增高、韧脆转变温度降低。回火温度低、硬度高时，室温和低温的冲击吸收能量变化不大，数值都很低。

（6）回火脆性 某些钢经回火后，冷却过程经过某一温度范围内较为缓慢，会产生回火脆性，称为第二类回火脆性。其常温下冲击吸收能量下降，韧脆转变温度提高。

6 分析及改进

经分析，化学成分无异常，C、P含量均未超标，而42CrMo钢不易产生第二类回火脆性[5]，且电动机轴硬度已经在要求范围下限，通过提高回火温度来增加低温冲击吸收能量也不现实。因此，主要从组织、晶体结构及晶粒度方面入手，进行改善。

组织中大量的铁素体引起了材料的低温脆性，为抑制调质后铁素体的产生，由油淬改为PAG水淬，从而获得更多的马氏体（高温回火后转变为索氏体）和极少的铁素体。索氏体的增多和铁素体的减少，都降低了材料的韧脆转变温度，将大大提高低温冲击性能。改善晶粒度，增加正火工序，使晶粒细化，可同时提高材料的强度、塑性和韧性。

因此，重新制定工艺，增加900℃正火预处理，调质工序加热后进入6%的PAG水溶液淬火[1]。经改进工艺后，得到的组织为索氏体，基本无铁素体出现，如图2所示。调质后力学性能各项指标均达标（见表4），尤其是－40℃的冲击吸收能量达到了70～80J，远高于35J的技术要求。

表4 改进后电动机轴调质后力学性能及硬度

图2 工艺改进后金相组织

7 结束语

1）钢材的低温冲击吸收能量即是低温脆性的表征，冲击试样试验温度在韧脆转变温度以下，其冲击吸收能量将显著低于常温下的冲击吸收能量。

2）改善组织、晶体结构及晶粒度，可显著提高42CrMo钢的－40℃低温冲击性能。为保证35J的低温冲击吸收能量，42CrMo钢必须经一定浓度的PAG水溶液淬火。