關于轉轍機動作桿銷軸熱處理工藝優化的研究

劉璐瑤

摘 要：動作桿銷軸作為ZY型轉轍機的關鍵零件，其熱處理方式對零件綜合性能的提升十分重要，為了進一步提高該零件的力學性能，保障轉轍機動作桿推動道岔轉換鎖閉功能的實現，通過對現有銷軸原材料分組進行熱處理后的力學性能、金相組織等的分析，探討了銷軸原材料40Cr較為理想的熱處理方式，以優化銷軸力學性能。采取了原材料分組試驗的方式，以求從對比試驗的角度更加清晰地體現不同熱處理方式對材料性能的影響，從而歸納成為最優方案。

關鍵詞：40Cr合金鋼；熱處理；沖擊韌性；轉轍機

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.015

動作桿銷軸是ZY型電動液壓轉轍機的關鍵零件之一，裝配在轉轍機動作桿上。每根動作桿上配有4個動作桿銷軸，裝配示意圖如圖1所示。銷軸頭部對動作桿定位，端面套在鎖閉塊上，鎖閉塊可繞銷軸360°旋轉。在轉轍機油缸帶動動作桿運動實現道岔轉換鎖閉的過程中，銷軸主要承受剪切力，因此，動作桿銷軸的力學性能是重中之重。在本文中，嘗試通過原材料分組進行不同方式的熱處理試驗，探討材料力學性能及金相組織的變化，從而尋求提高該零件的沖擊韌性的工藝優化方法。

1 試驗方法

試驗用銷軸原材料為40Cr為優質合金結構鋼，40Cr合金鋼具有良好的淬透性，調質處理后具有比較良好的力學性能。GB/T 3077—2015 中規定40Cr合金鋼的沖擊吸收能量不小于47 J。試驗中選取12根機加工后未進行熱處理的銷軸原材料，分別編號1～12號后分為3組，編號1，3，9，10為第一組；編號2，5，8，11為第二組；編號4，6，7，12為第三組。試驗方法如下：①對1～12號銷軸分別進行洛氏硬度檢測，記下洛氏硬度值待用。②第一組的4根銷軸不進行任何處理即進行沖擊試驗，沖擊完成后對沖擊條進行磨拋，并用質量分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察它的金相組織。③第二組、第三組銷軸同時在850 ℃保溫30 min油冷淬火，淬火后對第二組銷軸進行洛氏硬度檢測。④第二組銷軸進行沖擊試驗后，進行磨拋，并在質量分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察其金相組織。⑤第三組銷軸在520 ℃回火40 min后進行洛氏硬度檢測、沖擊試驗、磨拋，并在質量分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后在金相顯微鏡下觀察其金相組織。⑥第三組銷軸沖擊試驗后的沖擊條試樣進行QPQ表面處理后，進行維氏顯微硬度檢測及洛氏硬度檢測。QPQ表面處理主要是對工件進行氮化和氧化，工件氮化是將預熱到380 ℃的工件放入630 ℃的氮化爐中保溫2 h，目的在于使工件表面形成化合物層、中間層和擴散層，以提高工件表面的硬度，增強其耐磨性、抗腐蝕和抗疲勞性能；氮化處理后的工件直接進行工件氧化60 min后，空冷至300 ℃后冷卻清洗，氧化工序主要作用為分解工件氮化后的表面氮化鹽帶出的氰酸根，使工件表面形成氧化膜。

2 試驗結果與分析

未處理原材料狀態的洛氏硬度檢測結果如表1所示。

QPQ表面處理后的維氏硬度以及洛氏硬度檢測結果如表5所示。

如表1所示，未經熱處理的原材料狀態的40Cr材質銷軸硬度整體呈現偏低，不能滿足轉轍機動作桿銷軸的使用要求，必須經過合理的熱處理工序，方可達到理想效果。本次試驗選取的40Cr原材料的力學性能及金相組織如表2所示，沖擊吸收能量平均值為45 J，金相組織均為原材料熱軋態下的鐵素體和珠光體，晶粒較細，是較好的原材料狀態。

第二組、第三組在850 ℃油冷淬火后，再進行洛氏硬度檢測發現，經過淬火處理的銷軸的洛氏硬度值大大提高，硬度范圍為40～50，但沖擊吸收能量大大降低，在10 J左右，而在金相顯微鏡下觀察到的淬火態組織基體為中碳馬氏體。試驗結果表明，淬火態的銷軸組織過脆，盡管洛氏硬度值提高，但韌性降低，不利于在轉轍機動作桿運動過程中使用，難以承受較大的剪切力，易引發脆裂。

第三組銷軸在經過850 ℃保溫30 min油冷淬火后，進行520 ℃回火處理40 min，該組銷軸試驗結果如表4所示，回火后的銷軸整體洛氏硬度值范圍為32～37，沖擊吸收能量范圍為75～90 J，符合GB/T 3077—2015中對40Cr材質沖擊吸收能量的要求，且在金相顯微鏡下觀察的金相組織為組織均勻的回火索氏體和鐵素體。回火處理過程中，馬氏體發生分解，析出滲碳體顆粒，從而使基體分解為索氏體組織。此時，工件的強度和硬度有所下降，而塑性及韌性則明顯提高，因此，此種熱處理方式下的40Cr材質原材料體現了材質本身的優質合金結構鋼的特性，達到了試驗的目的。

進行QPQ表面處理后的第三組銷軸的維氏硬度及洛氏硬度檢測結果如5所示，進行QPQ表面處理后的銷軸心部洛氏硬度沒有較大的變化，但在維氏顯微硬度計0.980 7 kN載荷下檢測該零件，其表面的維氏硬度大大提高，維氏硬度值達580 HV左右。由此可見，在QPQ表面處理后的銷軸，其內部性能并未有較大改變，但表面的硬度大大提高，可以實現表面工件的耐磨性能的提高，可以滿足轉轍機動作桿運動過程中對銷軸表面硬度及耐磨性的要求。

3 結束語

40Cr是最常用的調質鋼。質量分數為1%Cr元素左右的40Cr鋼與碳鋼相比，其主要優點是淬透性高，能獲得穩定性較高的合金滲碳體，且油冷淬火可避免零件產生裂紋，更加適宜作為40Cr材質的淬火方式。40Cr材質中的鉻元素，可使其材料性能較碳鋼提高20%，具有良好的塑性，但回火的處理是至關重要的，回火后鉻大部分形成合金滲碳體，少部分融入了鐵素體，從而提高了鐵素體的強度和韌性。所以，本次試驗中采用的油冷淬火后回火處理的試驗方法充分發揮了40Cr材質的優良特性，既保證了零件硬度，又提高了韌性，整體性能得到了優化。而表面處理方法的運用又可以實現零件表面硬度的提高，從而提高零件的表面耐磨性，卻又不影響零件心部的綜合力學性能。本文從2個方面對現有轉轍機銷軸熱處理方式進行了研究，運用對比試驗方式尋求到實現40Cr材質最優力學性能的熱處理方式，即高溫850 ℃油冷淬火30 min后，520 ℃回火40 min。此種處理方式后的原材料可達到硬度與韌性的最優狀態。在此狀態下的QPQ表面處理是對零件表面硬度和耐磨性提高的一種新的方式。由試驗所做的一系列數據分析可得，本文所列的熱處理方式為符合轉轍機技術條件的較為優化的轉轍機動作桿銷軸熱處理方式，提高了銷軸的綜合性能，達到了本次試驗的目的。

〔編輯：張思楠〕