提高電動機軸低溫沖擊性能的研究

丁盛

常州中車瑞泰裝備科技有限公司 江蘇常州 213000

1 序言

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對于美好生活的愿望日益提高，軌道交通產(chǎn)業(yè)也越來越發(fā)達，其技術(shù)日趨成熟。地鐵、高鐵的建設(shè)劃時代地改變了人們的生活，而軌道列車制造是整個軌道交通產(chǎn)業(yè)中最核心的技術(shù)，直接關(guān)系著乘客生命安全，并且影響列車運行的穩(wěn)定性。

牽引電動機軸在軌道交通行業(yè)被鐵道部規(guī)定為重要安全件，尤其在一些城市長期在零下幾十攝氏度的環(huán)境中運行，這就對電動機軸的性能要求更高。按照鐵道部制定的法律文件，牽引電動機軸的驗收必須得到鐵道部（現(xiàn)為“中國鐵路總公司”）駐常州地區(qū)的驗收室批準[1]。

用國產(chǎn)材料生產(chǎn)牽引電動機軸，可以降低成本。材料和熱處理工藝是影響牽引電動機軸質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵，與動車組的安全運行密切相關(guān)，因此研究電動機軸的熱處理工藝具有重要意義。

2 電動機軸技術(shù)要求

電動機軸主要熱處理方式為調(diào)質(zhì)，材料為42CrMo鋼鍛件，按GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》執(zhí)行，化學(xué)成分見表1，調(diào)質(zhì)后技術(shù)要求見表2。在前期的生產(chǎn)試驗過程中有一項技術(shù)指標未達標，即-40℃的低溫沖擊吸收能量，調(diào)質(zhì)后取樣檢測只有10～20J，遠低于35J的要求。

表1 42CrMo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

表2 電動機軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能技術(shù)要求

3 電動機軸熱處理

電動機軸熱處理工藝：650℃保溫2h＋870℃保溫3h后油冷＋630℃回火5h。熱處理后硬度及力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3，金相組織為大量條狀鐵素體+索氏體，如圖1所示。

表3 電動機軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能及硬度

圖1 調(diào)質(zhì)后金相組織

4 低溫脆性及脆性斷裂

溫度是影響金屬材料和工程結(jié)構(gòu)鋼斷裂方式的重要因素之一。許多斷裂事故發(fā)生在低溫情況。這是由于溫度對工程上廣泛使用的低中強度結(jié)構(gòu)鋼的性能影響很大，一般是材料的斷裂強度隨溫度的降低而減小，屈服強度會增加。這兩個函數(shù)相交于某一溫度，在這個溫度以下材料的屈服強度比斷裂強度大，因此材料在受力時還未發(fā)生屈服便斷裂了，材料顯示脆性。從微觀機制來看，低溫脆性與位錯在晶體點陣中運動的阻力有關(guān)，若阻力增大，則材料屈服強度也相應(yīng)增加，這是因為材料在塑性變形時主要依靠位錯運動來完成的。對于對稱性低的金屬合金而言，溫度降低時，位錯運動的點陣阻力增加，原子熱激活能力下降，因此材料屈服強度增加[2]。

而反映到?jīng)_擊試樣上來，隨著溫度降低，在某一溫度范圍內(nèi)，缺口沖擊試樣的斷裂形式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，韌性即沖擊吸收能量明顯下降。這種斷裂形式的轉(zhuǎn)變，通常用一個特定的轉(zhuǎn)變溫度來表示，該轉(zhuǎn)變溫度在一定意義上表征了材料抵抗低溫脆性斷裂的能力。這種隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變進而發(fā)生破壞的現(xiàn)象稱為低溫脆性或冷脆，發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

因此，鋼材的低溫沖擊吸收能量即是低溫脆性的表征，沖擊試樣試驗溫度在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，沖擊吸收能量將顯著低于常溫下所獲得的值。

5 低溫脆性及韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響因素

所有影響常溫下沖擊性能的因素都同時影響著材料的低溫脆性。

（1）晶體結(jié)構(gòu) 對稱性低的體心立方以及密排六方金屬或合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高，材料脆性斷裂趨勢明顯，塑性差；材料脆性傾向的本質(zhì)是其塑性變形能力對低溫和高加載速率適應(yīng)性的反映。在可用滑移系統(tǒng)足夠多、阻礙滑移的因素不因條件而加劇的情況下，材料將保持足夠的變形能力，而不表現(xiàn)出脆性斷裂，面心立方結(jié)構(gòu)屬于這種情況。但是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，如鐵素體，在溫度較高時，變形能力尚好，但在低溫條件下，間隙雜質(zhì)原子與位錯和晶界相互作用的強度增加，阻礙位錯運動，封鎖滑移的作用加劇，使得對變形的適應(yīng)能力減弱，即表現(xiàn)出加載速率的敏感性[3]。

（2）化學(xué)成分 化學(xué)成分中以碳的影響最為顯著。碳是明顯促使鋼脆化的元素，隨著鋼中碳含量的增加，韌脆轉(zhuǎn)折溫度升高，沖擊性能隨溫度的變化趨于平緩。碳含量越高，鋼材的脆性破壞傾向越大。磷是引起鋼產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象的一個元素，因為其在鋼中形成脆性很大的化合物磷化三鐵。其余一切能夠使材料硬度、強度提高的雜質(zhì)或合金元素都會引起材料塑性和韌性變差，材料脆性提高。

（3）晶粒度 細化晶?？梢酝瑫r提高材料的強度、塑性和韌性。細化晶粒提高材料韌性的原因為，細化晶?？梢允够w變形更加均勻，晶界增多可以有效的阻止裂紋的擴張，因晶界面積很大，塑性變形引起的位錯塞積也不會很大，可以防止裂紋的產(chǎn)生[4]。

（4）金相組織 馬氏體經(jīng)高溫回火得到的索氏體組織其韌脆轉(zhuǎn)變溫度最低，脆性破壞傾向最小。細珠光體的韌脆轉(zhuǎn)變溫度比粗珠光體的低。上貝氏體的強度較高時，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度比珠光體的還高，但回火到與珠光體的抗拉強度相同時，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度比珠光體的低。

（5）淬火后回火溫度 回火溫度升高、硬度降低會使室溫的沖擊吸收能量增高、韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低?；鼗饻囟鹊?、硬度高時，室溫和低溫的沖擊吸收能量變化不大，數(shù)值都很低。

（6）回火脆性 某些鋼經(jīng)回火后，冷卻過程經(jīng)過某一溫度范圍內(nèi)較為緩慢，會產(chǎn)生回火脆性，稱為第二類回火脆性。其常溫下沖擊吸收能量下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。

6 分析及改進

經(jīng)分析，化學(xué)成分無異常，C、P含量均未超標，而42CrMo鋼不易產(chǎn)生第二類回火脆性[5]，且電動機軸硬度已經(jīng)在要求范圍下限，通過提高回火溫度來增加低溫沖擊吸收能量也不現(xiàn)實。因此，主要從組織、晶體結(jié)構(gòu)及晶粒度方面入手，進行改善。

組織中大量的鐵素體引起了材料的低溫脆性，為抑制調(diào)質(zhì)后鐵素體的產(chǎn)生，由油淬改為PAG水淬，從而獲得更多的馬氏體（高溫回火后轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w）和極少的鐵素體。索氏體的增多和鐵素體的減少，都降低了材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，將大大提高低溫沖擊性能。改善晶粒度，增加正火工序，使晶粒細化，可同時提高材料的強度、塑性和韌性。

因此，重新制定工藝，增加900℃正火預(yù)處理，調(diào)質(zhì)工序加熱后進入6%的PAG水溶液淬火[1]。經(jīng)改進工藝后，得到的組織為索氏體，基本無鐵素體出現(xiàn)，如圖2所示。調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能各項指標均達標（見表4），尤其是－40℃的沖擊吸收能量達到了70～80J，遠高于35J的技術(shù)要求。

表4 改進后電動機軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能及硬度

圖2 工藝改進后金相組織

7 結(jié)束語

1）鋼材的低溫沖擊吸收能量即是低溫脆性的表征，沖擊試樣試驗溫度在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，其沖擊吸收能量將顯著低于常溫下的沖擊吸收能量。

2）改善組織、晶體結(jié)構(gòu)及晶粒度，可顯著提高42CrMo鋼的－40℃低溫沖擊性能。為保證35J的低溫沖擊吸收能量，42CrMo鋼必須經(jīng)一定濃度的PAG水溶液淬火。