高铁车轴用34crnimo6钢热处理工艺的试验研究

高铁车轴用34crnimo6钢热处理工艺的试验研究

erbo是负责高速铁路上动态负荷的重要零件。它主要承受弯曲负荷、扭转负荷或弯扭转复合负荷，并受到一定的影响。因此,对车轴钢材而言,需要保证其良好的强度,特别是弯扭复合疲劳强度及韧性。车轴材料是决定车轴寿命和可靠性的关键部件之一,许多国家都非常重视对车轴材料的开发。车轴材料一般分为两大类,即碳素钢车轴及合金钢车轴。依据欧洲标准,高速铁路采用合金钢车轴,常选用25CrMo4、30CrNi3、30CrMoA、34CrNiMo6等材质。由于各国的国情不同,技术观点不同,选用的车轴材料不尽相同,但都属于含碳量较低的钢的范畴。车轴钢材的含碳量一般选择0.30%～0.45%,加入适当的合金元素,而Cr、Ni、Mo等合金元素是车轴钢合金化的主要元素。高铁车轴要求的力学性能指标:抗拉强度≥610MPa;屈服强度≥345MPa;断后伸长率≥21%。选择高速铁路用车轴钢材时,除了需要保证原材料具有良好的性能外,还要选择合适的热处理工艺,以确保车轴的力学性能和小的热处理畸变。考虑价格因素,我国目前高铁车轴用材较多的是35CrMo钢,而用34CrNiMo6钢较少,因此对34CrNiMo6钢的研究较少,缺少34CrNiMo6钢的常规数据。为了掌握34CrNiMo6钢的力学性能,了解其特性,本文对34CrNiMo6钢的热处理工艺进行了研究,主要包括奥氏体化温度、冷却方式和回火温度等等与性能之间的关系。1试验材料和方法1.1材料物理性能选用退火态34CrNiMo6钢作为试验材料,试样尺寸ϕ50mm×200mm。从试样心部截取部分材料,应用SPECTROMAXX等离子体直读光谱仪分析材料的化学成分,分析结果见表1。用430SVD金相显微镜观察试样显微组织,用AKASHIMVK-E维氏硬度计(加载载荷砝码50g)测试材料硬度。由图1可知,试验钢原始组织为球状珠光体+碳化物,碳化物颗粒较细小,呈点、球状分布。其平均硬度为291.02HV0.05。1.2硬度、拉伸和冲击强度选用VOQ-334型双室油气淬火真空炉对34CrNiMo6钢进行热处理工艺试验,奥氏体化温度分别为850和870℃。用箱式电阻炉对34CrNiMo6钢进行不同温度的回火处理,回火温度分别为530、560、590、620、650和680℃。用TH300洛氏硬度计,并按GB/T230.1—2009《金属材料洛氏硬度试验》的规定测试硬度;用CMT5305SANS微机控制电子万能试验机,并按GB/T228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》的规定测试抗拉强度、屈服强度和断后伸长率;用ZBC2302-B金属摆锤冲击试验机,并按GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》分别测试常温、-20℃和-40℃冲击吸收能量;用430SVD金相显微镜,并按GB/T13298—1991《金属显微组织检验方法》的规定观察显微组织。2工艺试验和分析2.1体温度对硬度和组织的影响2.1.1监狱硬度与硬度的关系34CrNiMo6钢试样经850、870℃油淬后,其平均硬度分别为53.8和53.4HRC。两者淬火硬度相差很小。34CrNiMo6钢试样经850、870℃油淬后,采用530、560、590、620、650、680℃回火,回火后测试硬度,回火温度与硬度之间的关系如图2所示。由图2可知,34CrNiMo6钢试样经850、870℃油淬,在530～550℃回火,其硬度值相差不大;在550～650℃回火,850℃油淬回火后的硬度略高于870℃油淬回火后硬度。2.1.2显微组织的测定图3是34CrNiMo6钢试样经不同温度奥氏体化油冷后得到的显微组织。从图3中可以看出,34CrNiMo6钢经850℃油淬、870℃油淬后得到的组织均为均匀细小的板条状马氏体组织。2.2由回族温度和机械能力之间的关系确定2.2.1油淬加马加克氏回400油淬从图2中34CrNiMo6钢回火温度与硬度之间的关系可以看出,随着回火温度的升高,硬度下降。在850℃油淬后,经530℃回火后硬度可达42.8HRC,当回火温度升高至650℃时,硬度为29.1HRC。在870℃油淬后,经520℃回火后硬度为43.1HRC,当回火温度升高至650℃时,硬度为26.2HRC。2.2.2性能测试与分析34CrNiMo6钢试样经850、870℃油淬后,分别采用不同温度对34CrNiMo6钢进行回火,测试抗拉强度、屈服强度和断后伸长率,具体数据如图4所示。从图4可以看出,随着回火温度的升高,34CrNiMo6钢抗拉强度和屈服强度显著下降,断后伸长率逐步上升。2.2.3冲击吸收能量测定34CrNiMo6钢试样经850、870℃油淬后,分别采用不同温度对34CrNiMo6钢进行回火,测试冲击吸收能量,结果如图5所示。由图5可知,34CrNiMo6钢随着回火温度的升高,冲击吸收能量逐步提高。相同条件处理的试样冲击温度越低,冲击吸收能量下降越明显。但在淬火温度850℃油淬、回火温度为620℃时,常温冲击吸收能量为97.6J,-20℃冲击吸收能量93.3J,-40℃冲击吸收能量88.7J,常温冲击吸收能量与低温冲击吸收能量较为接近;在淬火温度870℃油淬、回火温度为620℃时,常温冲击吸收能量为103.5J,-20℃冲击吸收能量96.5J,-40℃冲击吸收能量94.0J,常温冲击吸收能量与低温时相近,表明34CrNiMo6钢的韧脆转变温度低于-40℃,该钢在常温到-40℃之间可保持较好的韧性,保证了高铁在中国南北温差较大的区域正常运行。2.2.4优化回血流体的组织34CrNiMo6钢试样在850℃油淬后,经不同回火温度热处理后的显微组织如图6所示。从图6(a)可以看出,在回火温度为530℃时基本保持马氏体位相的回火组织,碳化物很细小,铁素体含量很少,此时组织仍保持比较高的硬度(43HRC左右),是比较典型的回火屈氏体组织。从图6(b)～(d)可以看出,随着回火温度的升高,保持马氏体位相的回火屈氏体含量逐步减少,碳化物颗粒逐步长大,铁素体的含量逐步增加。图6(e)～(f)可以看出,在回火温度达620℃时,保持马氏体位相的区域逐步减少,有保持马氏体位相的回火索氏体,碳化物长大,等轴状的铁素体含量和区域进一步增大,硬度低于32HRC。2.3由马氏体分布的回转索氏体的力学性能根据上述试验结果,制定出34CrNiMo6钢优化热处理工艺,具体工艺为850℃奥氏体化后油淬,回火温度为680℃。该工艺处理的34CrNiMo6钢试样的显微组织为保持马氏体位向分布的回火索氏体,在索氏体上有大量颗粒状渗碳体(如图6(f)所示),其力学性能如下:34CrNiMo6钢经850℃油冷、680℃回火后其抗拉强度为829.7MPa,屈服强度为730.0MPa,伸长率23.3%,达到了高铁车轴要求的力学性能指标(抗拉强度≥610MPa;屈服强度≥345MPa;断后伸长率≥21%)。经冲击试验,其常温冲击吸收能量与-20℃、-40℃时相差不大(分别为141.7、128.3和121.3J)。淬火后和淬火+回火后的硬度分别为54.2、25.3HRC。3种性能对比34CrNiMo6钢经850℃油淬、870℃油淬后得到的组织均为均匀细小的板条状马氏体组织,其平均硬度分别为53.8和53.4HRC,说明试样在850、870℃都已经淬透,组织和硬度相差不大,这说明34CrNiMo6钢具有良好的淬透性。34CrNiMo6钢经不同温度回火后,回火后的硬度随着回火温度的升高而降低,试样在850、870℃油淬,530～550℃回火时,两者硬度值相差不大;在550～650℃回火时,850℃油淬回火后的硬度略高于870℃油淬回火后硬度。34CrNiMo6钢随着回火温度的升高,抗拉强度和屈服强度下降,在530～650℃回火,抗拉强度和屈服强度均满足高铁车轴要求的性能指标(抗拉强度≥610MPa;屈服强度≥345MPa);断后伸长率随着回火温度的升高而升高,在850℃油淬650℃回火,断后伸长率为20.56%,870℃油淬650℃回火断后伸长率19.96%,在850℃油淬680℃回火时23.28%,满足了高铁车轴断后伸长率≥21%的要求。所以,本试验推荐34CrNiMo6钢的热处理工艺为850℃油淬,680℃回火,其抗拉强度为829.7MPa,屈服强度为730.0MPa,断后伸长率可达23.3%,达到高铁车轴要求的力学性能指标,且常温、-20℃和-40℃冲击吸收能量分别为141.7、128.3和121.3J。4结论134cti-136钢℃奥氏体化后油淬,硬度相差不大,组织均为均匀细小的板条状马氏体组织,具有良好的淬透性。234cti-136钢℃奥氏体化后油淬,随着回火温度的升高,硬度、抗