1、 35CrMo 高速列车车轴热处理工艺的确定 1.性能要求35CrMo 高速列车车轴的抗拉强度和屈服强度都较高，而且较稳定，延伸率、断面收缩率波动不大，并且都保持较高的数值。另外，材料的断面收缩率 明显大于延伸率 ，金属拉伸形成缩颈，且 与 之差愈大，缩颈愈严重 1。这说明材料组织细小均匀，是韧性很好的材料。35CrMo 高速列车车轴要求综合力学性能和安全储备均很高。2.35CrMo 高速列车车轴的化学成分及化学元素作用35CrMo 钢的化学成分见表 1。表 1 35CrMo 钢的化学成分 （质量分数）C Si Mn Cr S P Cu Ni Mo0.320.400.170.370.400.7
2、00.801.10 0.0350.0350.0300.0300.150.2535CrMo 钢是一种中碳的低合金调质钢，其合金化原理 2为： C：钢中含碳量增加，屈服强度和抗拉强度均升高，但塑性和冲击性降低35CrMo 钢含碳量 0. 320. 40，以保证一定的碳淬火时起固溶强化（淬火）和回火后的弥散强化作用，使之具有足够的强度。 Cr：在结构钢中主要作用是提高钢的淬透性，且铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。Cr 的碳化物在 910以上可以完全溶于奥氏体。 Mo：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和抑制第二类回火脆性。同时 Mo 的碳化物较稳定，若能细小而均匀地分布于钢中将有细
3、化奥氏体晶粒的作用，使之最终得到细小的铁素体晶粒，从而得到良好的强韧性。另外，Cr 、Mo 共同作用将使钢的淬透性得到显著提高，而不是叠加。 Mn：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰 0.400.70，且也具有提高钢的淬透性作用，Mn 与钢中的硫作用后生成 MnS，可以避免热脆性，改善钢的热加工性能。 Si：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，此外，硅元素有提高淬透性及强化铁素体的作用。 因此，为保证车轴有很高的综合力学性能，车轴粗加工后应当进行恰当的调质热处理。但车轴截面尺寸大，为能淬透，35CrMo 钢是恰当的选用材料。3.热处理工艺路线、工艺制定及参数计算 车轴加工工艺
4、流程为：下料锻造正火机械加工调质（淬火+高温回火）校直半精加工轴颈高频淬火低温回火精加工探伤检验喷丸防锈包装入库。3.1 35CrMo 热处理基本参数 335CrMo 钢的临界温度见表 2。表 2 35CrMo 钢热处理的临界温度3.2 正火 一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是均匀化学成分，达到改善机械性能及工艺性能，消除或减少内应力。因为 35CrMo 是亚共析钢，钢中含有碳化物形成元素。为使合金中难溶的特殊碳化物溶入奥氏体中，使奥氏体合金化程度增高，正火的加热温度为Ac3 以上 3050，35CrMo 的含碳量为 0.35%，Ac3 为 800
5、 摄氏度，所以将钢件的加热温度确定为 840 摄氏度。 保温时间=保温时间系数装炉修正系数工件厚度。工件加热保温时间与加热介质，材料成分，炉温，工件的形状和大小，装炉量和装炉量等因素有关。一般用经验公式来计算保温时间：保温时间=保温时间系数装炉系数工件的有效厚度。合金结构钢选择 750900箱式电阻炉加热的保温时间系数 选为 1.5，装炉系数 K 一般选择 1.4。工件的有效厚度为 D（8042）/261mm 所以 =KD=1.51.461=128.1m 正火的工艺曲线如图 1 所示：图 1 正火工艺曲线3.3 调质工艺 调质是指钢件淬火及高温回火的热处理工艺。调质处理所获金相是索氏体组织。具
6、有高的力学性能基体支撑其硬而耐磨的表面，是优等质量的最重要条件之一。因此，调质处理是必要的热处理工序。调质的目的有：获得索氏体组织满足工件表面硬化的准备,韧性明显提高 4，得到高的机械性能指标等。（1）淬火是将钢奥氏体化后以大于 Vk 的速度冷却，已获得高硬度的马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。淬火组织是由淬火马氏体、残余奥氏体和剩余碳化物组成。35CrMo 钢的淬火温度一般为 820880，其加热温度从俩个方面来影响淬火组织和性能。加热温度越高，碳化物溶解越多，奥氏体中碳化物及合金元素含量越高，淬透性和淬火硬度上升，在适宜的加热温度和保温时间淬火，可获得良好的金相组织与硬度的最佳配合。淬
7、火加热温度如果太低，会使奥氏体中合金元素固容量不足，油冷后会出现非马氏体组织，使硬度和强度下降，当淬火温度过高时，碳化物大量溶解，并均匀化，阻止奥氏体晶粒长大的碳化物逐步减少，甚至消失，晶粒开始粗化，淬火后，会出现细长针状或者粗大针状马氏体组织，形成的过热组织或者严重过热组织，残留奥氏体增多，强度和韧性都达不到要求。所以淬火加热温度确定为 860 度。根据公式t=a*k*H，此工件的有效厚度（H）为 61mm，所以确定保温时间为30min。35CrMo 钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小，所以应采用油冷。 （2）回火的目的是降低或消除淬火引起的残余应力，这对于稳定钢制
8、品的尺寸特别重要。一般来说，淬火零件不经回火就投入使用时危险地，也是不允许的。回火可以在 A1 下很宽的温度范围内进行，钢的性能也可以在很宽的范围内变化，因此，回火是调整钢制零件的性能以满足使用要求的有效手段。 回火时间从工件入炉后炉温升至回火温度时间开始计算回火时间一般为 13h，可参考经验公式加以确定：tn=Kn+AnD 式中：tn回火时间（min） ； Kn回火时间基数；An回火系数； D工件有效厚度（mm）调质的工艺曲线如图 2 所示：图 2 调质工艺曲线3.4 高频淬火高频淬火也称为感应加热淬火,是一种利用钢铁材料等磁性体涡流的集肤效应进行淬火的方法。在要进行高频淬火的构件(或零件)
9、上缠绕线圈,一旦接通高频交流电流,构件就会产生感应电流(涡流)。这个涡流只流过构件的表面层(称其为集肤效应),通过线圈的交流电频率越高,就越能在构件的表层集中。表层的涡流由于构件的阻力(热阻)而发热(称其为涡流损),一般构件可加热到 900右。然后向加热部分喷水淬火。假如对车轴施行高频淬火,在其表层上就形成称为马氏体的致密金属组织,使硬度升高,同时产生压缩残余应力。表层的硬化就可以提高车轴的耐磨性和抗冲击性;通过产生的压缩残余应力,更能提高车轴的疲劳强度。淬火指的是使金属组织实现 50%以上的马氏体相变,车轴的表层 100%的变成马氏体组织。3.5 低温回火在高频淬火后,为了使金属组织稳定,并
10、具有韧性,需要进行回火。一般,淬火后的回火分 200左右的低温回火和 600左右的高温回火 2 种。回火温度越高,则韧性越好,但同时硬度降低,残余应力也会降低。高频淬火车轴一般重视由压缩残余应力所决定的疲劳强度,通常进行低温回火。4.热处理后的组织、性能及可能出现的缺陷4.1 正火后的组织、性能及可能出现的缺陷（1）正火后的组织和性能正火后得到的是珠光体型组织，或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。因为正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的，所以对 35CrMo 钢来说，析出的先共析铁素体较少，珠光体量较多，珠光体片层间距小。此外，由于转变温度较低，珠光体成核率较大，因而珠光体团的尺寸较小。正火后
11、的强度与韧性相对较高。 （2）正火后可能出现的缺陷：1) 过烧 由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。2) 粗大魏氏组织 正火钢中出现粗大魏氏组织的主要原因是由于加热温度过高所造成的。3) 裂纹工件硬度与磨削裂纹的形成有关，硬度小于 55HRC 的工件虽可能发生烧伤，但产生磨削裂纹的情况极少，60HRC 以上的工件，都会使磨削裂纹发生的可能性大为增加。磨削裂纹多在表面发生变色后才出现，烧伤前很少开裂。 4) 变形（翘曲）各道冷、热加工工序都应尽量减少引入的应力，在磨削之间插入人工时效。另外，应特别强调磨削过程中应经常翻面，注意使零件正反两面的磨削量基本一致，使两面引入
12、的磨削应力尽量达到平衡。4.2 调质后的组织、性能及可能出现的缺陷（1）调质后的组织和性能35CrMo 钢调质处理的组织为针状和颗粒状均匀分布的碳化物,这是典型的回火索氏体;但由于回火温度接近钢的 Ac1 点 755,因此高温回火 2 小时后,出 现少量细小的残余奥氏体和铁素体。使钢件有很高的韧性和足够的强度，具有综合的优良机械性能。（2）调质后可能出现的缺陷 1）淬火畸变与淬火裂纹: 热处理过程中淬火畸变是不可避免的现象,只有超过规定公差或产生无法矫正时才构成废品,通过适当选择材料,改进结够设计,合理选择淬火,回火方法及规范等可有效的减小与控制淬火畸变,可采用冷热效直,热点校直和加热回火等加
13、以休正。 裂纹是不可补救的淬火缺陷,只有采取积极的预防措施,如减小和控制淬火应力方向分布,同时控制原材料质量和正确的结构设计等。 2）氧化-脱碳-过热-过烧 零件加热过程中,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护。 过热导致淬火后形成粗大的马氏体组织将导致淬火裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧度,极易发生沿晶短裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组
14、织如有足够的加工余地余量可以重新退火,细化晶粒再次淬火返修。 过烧常发生在淬火高速钢中,其特点是产生了鱼骨状共晶莱氏体,过烧后使淬火钢严重脆性形成废品。 3）硬度不足 淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加热不足,表面脱碳,在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多,或回火不足造成的,在含 CR 轴承钢油淬时还经常发现表面淬火后硬度低于内层现象这是逆淬现象,主要由于零件在淬火冷却时如果淬入了蒸汽膜期较长,特征温度低的油中,由于表面受蒸气膜的保护,孕化期比中心长,从而比心部更容易出现逆淬现象。 4）软点 淬火零件出现的硬度不均匀叫软点,与硬度不足的主要区别是在零件表面上硬度有明显的忽高忽低现象,这种缺陷是由于
15、原始组织过于粗大不均匀,(如有严重的组织偏析,存在大块状碳化物或大块自由铁素体)淬火介质被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能适当的运动,致使局部地区形成蒸气膜阻碍了冷却等因素,通过晶相分析并研解工艺执行情况,可以进一步判明究竟是什么原因造成废品。5）其他组织缺陷 对淬火工艺要求严格的零件,恒远机电有限公司的工作人员不仅要求淬火后满足硬度要求,还往往要求淬火组织符合规定等级,如淬火马氏体组织,.残余奥氏体数量,未溶铁素数量,碳化物的分布及形态,等所作的规定,当超过了这些规定时,尽管硬度检查通过,组织检查仍步合格,常见的组织缺陷如粗大淬火马氏体(过热)渗碳钢及工具钢淬火后的网状碳化物,及大
16、块碳化物,调质钢中的大块自由铁素体,(有组织遗传性的粗大马氏体)及工具钢淬火后残余奥氏体过多等。 ，4.3 高频淬火后的组织、性能及可能出现的缺陷（1）高频淬火后的组织和性能35CrMo 钢进行感应加热表面淬火后，截面边缘组织发生很大改善，由原来的铁素体和珠光体转变为针状马氏体。车轴施行高频淬火后,其淬火组织就要变得特别细密。表面变得特别坚硬。但是由于中心部分未被加热,因此,越靠近中央部分其硬度越小。淬火只是将钢的表面层组织由奥氏体改变为马氏体,以提高其强度和耐磨性。淬火后的车轴,除其内部产生应力外,马氏体组织的硬度大而且脆,组织本身也不稳定,因而时间久了就要产生变形。因此,为了缓和内部应力,
17、使其具有适当韧性和去除组织的不安定因素,而施行回火处理。高频淬火后既可以保持心部有较高的综合机械性能，又可使表面具有较高的硬度（HRC50）和耐磨性,还可以显著地提高零件的抗疲劳性能以及微变形等特点。（1）高频淬火后可能出现的缺陷1）开裂加热温度高、不均匀，冷却过快且不均匀；淬火液选择不当，冷却速度过大；材料淬透性偏高，成分偏析，含有毒元素，存在缺陷；零件结构设计不合理，技术规范不当。2）淬硬层深过深或过浅加热功率过高（低）且加热时间过长（短） ；电源频率选择不当，并且在此情况下又没有选择合理的比功率与加热时间；材料的淬透性过高或者过低；淬火 液的温度、压力、成分选择不当。3）表面硬度不均匀硬
18、度过高或过低材料含碳量偏高或偏低；回火温度偏低或过高且回火时间不当；淬火液成分、压力、温度选择不当；材料表面脱碳；淬火加热温度低组织尚未转变等。4）表面局部烧熔感应器结构不合理；引起加热、冷却不均匀；材料原始组织不良（带状组织、偏析、局部脱碳） 。加热时间过长；工件带有尖、角、孔、槽；表面有缺陷；连续加热或半圈旋转加热时，移动或旋转过程中有突然停止现象。4.4 低温回火后的组织、性能及可能出现的缺陷（1）低温回火后的组织和性能35CrMo 低温回火后得到回火马氏体组织。低温回火可降低钢的淬火应力和脆性，回火马氏体具有高的硬度（一般为 5864HRC） 、强度和良好耐磨性。此外，低温回火对残余应
19、力的消除也有利于韧性的改善。（2）低温回火后可能出现的的缺陷常见的回火缺陷有硬度过高或过低，硬度不均匀，以及回火产生变形及脆性等。回火硬度过高、过低或不均匀，主要由于回火温度过低、过高或炉温不均匀所造成。回火后硬度过高还可能由于回火时间过短。显然对这些问题，可以采用调整回火温度等措施来控制。硬度不均匀的原因，可能由于一次装炉量过多，或选用加热炉不当所致。回火后工件发生变形，常由于回火前工件内应力不平衡，回火时应力松弛或产生应力重新分布所致。耍避免回火后变形，或采用多次校直多次加热，或采用压具回火。参考文献：1束德林.金属力学性能M.北京：机械工业出版社，20022王晓敏.工程材料学M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,20023樊东黎,徐跃明,佟晓辉.热处理工程师手册第 2 版.北京:机械工业出版社,20054刘欢，李运昌. 35CrMo 钢重型工件的热处理工艺研究J.化学工程与装备，2010， （4）9293
