基礎(chǔ)制動裝置用杠桿銷軸熱處理工藝優(yōu)化

張洪波 岳亮亮 馮寶林

（1、常州先進制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164 2、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，安徽 合肥 230031）

1 問題的提出

基礎(chǔ)制動裝置是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要由制動缸、吊座、閘片托、杠桿、吊桿等部件組成，如圖1 所示。基礎(chǔ)制動裝置通過杠桿將制動缸模塊的運動轉(zhuǎn)化為閘片托的夾緊運動，從而實現(xiàn)對制動盤制動功能。根據(jù)基礎(chǔ)制動裝置的原理可知銷軸為制動杠桿傳遞制動力的的支撐點，現(xiàn)車運用過程中還需要承受振動沖擊，因此，銷軸是基礎(chǔ)制動裝置的關(guān)鍵受力件，但對入廠的銷軸進行抽樣和沖擊試驗發(fā)現(xiàn)銷軸的沖擊功偏低，不合格，使用時存在嚴重的安全隱患。若使用過程中銷軸斷裂，則整套基礎(chǔ)制動裝置失效，且有零部件脫落的風險。

圖1 基礎(chǔ)制動裝置示意

2 原因分析

2.1 銷軸的組織成分和力學性能

銷軸的材料成分為1Cr17Ni2 鋼，1Cr17Ni2 鋼是一種用途廣泛的馬氏體不銹鋼，它是在Cr17 型不銹鋼的基礎(chǔ)上添加1.5%-2.5%Ni 而發(fā)展起來的。其特點是在保留鐵素體不銹鋼耐腐蝕性的同時，又具有馬氏體不銹鋼的高強度，該鋼是大型水輪發(fā)電機組和船用特種電機的軸、銷、螺栓等部件的專用材料[1-2]。1Cr17Ni2 鋼的熔點溫度為1430℃-1510℃，Ac1 約810℃，Ar1約 780℃ ，Ms 約 357℃ ，Mf 約 140℃ 。 根 據(jù) GB/T 1220-2007，1Cr17Ni2 鋼化學成分如表1 所示。

表1 1Cr17Ni2 鋼化學成分

經(jīng)熱處理的馬氏體型不銹鋼鋼棒或試樣的力學性能如表2所示。

表2 1Cr17Ni2 鋼熱處理后的鋼棒或試樣力學性能

2.2 銷軸的熱處理工藝分析

對于馬氏體不銹鋼，一般在淬火后還要進行回火處理，進行回火后馬氏體型不行剛的拉伸性能得到提高，同時可以獲得較高的屈服比與持久強度。回火后再馬氏體型不銹鋼的基體中過飽和固溶的碳元素以碳化物的形式析出，隨時間逐漸形成穩(wěn)定相[3]。

目前銷軸的熱處理工藝為980℃油淬火，保溫2 小時后油冷，然后550℃回火，保溫3 小時后油冷。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)1Cr17Ni2 不銹鋼推薦的淬火加熱溫度為950℃-980℃，淬火后的組織為馬氏體、少量的殘留奧氏體和鐵素體。若淬火溫度超過1000℃，奧氏體中會大量溶解合金元素，γ 相區(qū)穩(wěn)定元素的增多會使馬氏體相變點降低，殘留奧氏體和鐵素體明顯增多，進而導(dǎo)致硬度、沖擊韌性和抗晶間腐蝕能力下降,如果淬火溫度態(tài)度太低，則會使材料不能充分均勻的奧氏體化，從而降低1Cr17Ni2 不銹鋼的耐腐蝕性，故目前銷軸的淬火溫度還是很合理的。

但是回火可選擇高溫回火、中溫回火和低溫回火，溫度范圍較寬，因此分別選取了300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃以及650℃共15 個回火溫度進行對比試驗，以求找出保證材料力學能性能的最佳回火溫度。將熱處理后的試樣加工成GB/T2975-1998 標準規(guī)定的拉伸試樣和梅氏沖擊試樣分別進行試驗，試驗后對多組試樣取平均值的結(jié)果如表3 所示。

表3 不同回火溫度下1Cr17Ni2 鋼試樣的力學性能

對表3 的數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)：

（1）隨回火溫度的提升，試樣的延伸率逐步提高，抗拉強度在前期溫度提高過程中基本穩(wěn)定，在600℃后逐步下降，沖擊吸收功隨溫度提高呈現(xiàn)先升高然后下降再升高的趨勢。

（2）在475℃-550℃回火溫度區(qū)間，1Cr17Ni2 不銹鋼材料存在脆性區(qū)，沖擊吸收功較低。

（3）回火溫度在350℃左右時，沖擊吸收功出現(xiàn)波峰，此時對應(yīng)的抗拉強度和延伸率都較高，因此，相比較而言，350℃的回火溫度較為合理。

基于此可得當前銷軸的熱處理工藝確實存在問題，淬火溫度在合理范圍內(nèi)，但是回火溫度較高直接導(dǎo)致了銷軸的力學性能在材料脆性區(qū)，從而導(dǎo)致了沖擊吸收功不合格。

3 銷軸熱處理工藝優(yōu)化及驗證

在了解了銷軸的沖擊功低下的原因之后，對銷軸的淬火和回火熱處理工藝進行優(yōu)化，根據(jù)試驗結(jié)果350℃時銷軸材料的抗拉強度和延伸率都較高，沖擊吸收功又處于波峰階段，因此銷軸優(yōu)化后的熱處理工藝為980℃油淬火，保溫2 小時后油冷，回火溫度為350℃，保溫3 小時后油冷，將熱處理后的樣件加工成標準試樣后進行拉伸試驗和沖擊試驗。銷軸熱處理工藝優(yōu)化前后的試驗數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 銷軸熱處理優(yōu)化前后后的鋼棒或試樣力學性能

銷軸的熱處理工藝優(yōu)化后，抗拉強度和斷后伸長率都在標準要求的合格范圍內(nèi)，沖擊吸收功較之前有了顯著提高，優(yōu)化后的熱處理工藝切實可行。

4 結(jié)論

基于銷軸化學成分和力學性能，對銷軸的熱處理工藝過程進行分析，研究了不同回火溫度下對銷軸抗拉強度、延伸率和沖擊吸收功的影響，發(fā)現(xiàn)了高溫回火是導(dǎo)致銷軸沖擊吸收功低下的根本原因。通過對回火溫度的調(diào)整，銷軸的沖擊吸收功得到了有效的改善，解決了銷軸沖擊吸收功不合格的質(zhì)量問題，提高了整體效率和經(jīng)濟效益。