提高鐵路車軸疲勞性能的表面強化處理

吳文兵 高文衛 劉向東

摘要：鐵路車軸是機車車輛轉向架的關鍵承載部件。由于運行時的工況惡劣、應力復雜，特別是近年來隨著鐵路的重載化和高速化，其運行時的惡劣工況加劇，而存在有產生疲勞斷裂（冷切）的可能性，從而給列車的行車安全帶來了較大的隱患。因此，為了確保列車的行車安全，如何進一步提高車軸的使用壽命或者疲勞強度就成了國內外機車車輛制造企業亟待解決問題中的重中之重。基于此，本文主要對如何提高鐵路車軸疲勞性能的表面強化處理進行分析探討。

關鍵詞：鐵路車軸;疲勞性能;表面強化處理

1、提高車軸抗疲勞性能的表面強化處理方法

1.1滾壓強化處理

滾壓強化作為簡單有效的強化方法，使得目前美國、歐洲和我國的鐵路企業普遍應用它來強化鐵路車軸上較為薄弱的部分——卸荷槽、圓弧過渡處以及三座（軸承、車輪和齒輪座）等部位的表面，來提高其表面光潔度、硬度、耐蝕性以及在表層保留有殘余壓應力，而使其疲勞壽命提高，并確保列車的行車安全。研究了LZ50車軸鋼經滾壓強化處理后的疲勞短裂紋行為后發現，LZ50車軸鋼經滾壓強化處理后，由于其表面硬度提高了10%，軸向和周向的殘余壓應力也分別提高了170MPa和101MPa，因而能有效地抑制微裂紋的萌生與擴展，同時也將使裂紋的擴展速率減緩。但是，在滾壓強化處理時，操作與控制大部分是通過手工來完成的。由于手工操作后的車軸表面質量將受到操作人員的素質、能力、情緒、工作強度等多種因素的影響，從而有可能使得車軸經滾壓強化處理后在其表面存有一些微小的滾壓臺階、劃痕以及漏滾等表面缺陷，影響車軸的疲勞壽命。

1.2噴丸強化處理

噴丸強化處理是利用壓縮空氣將堅硬的小彈丸高速噴打向車軸表面，使之產生塑性變形，而在其表面得到一層高硬度和殘余有壓應力的變形層，從而使車軸疲勞極限得到提高。研究了不同噴丸強化工藝參數對車軸鋼表面噴丸強化處理后的效果后發現，其強化效果與彈丸的直徑、氣壓強度以及噴丸強度有關，其表面最大的殘余壓應力可達-890MPa，疲勞極限可以提高1倍多。但由于經噴丸強化處理后，其表面的粗糙度值增加，將使車軸的其它性能降低，因此在車軸的實際生產現場中很少采用。

1.3表面感應加熱淬火處理

采用表面感應加熱淬火是提高碳素鋼車軸疲勞壽命最為經濟有效的方法。日本早在1948年就開始了相關研究，將S38C碳素鋼等材料經調質處理后，再沿車軸縱向進行車軸全長度的表面感應加熱淬火處理，使其表層具有高硬度馬氏體組織的開發，并成功地應用于新干線。隨后，法國的高速鐵路車軸也由過去采用30CrNi3合金鋼調質并滾壓強化處理的方法，改為現在的XC30碳素鋼調質后再進行表面感應加熱淬火處理的方法。碳素鋼表面感應淬火后，可以在表面淬硬層內獲得非常細的馬氏體組織，使其表面硬度顯著增加，高的表面硬度有益于提高輪軸壓裝部位的抗微動磨蝕疲勞性能;淬硬層越深，疲勞極限越高;另外，淬火車軸表面形成了殘余的壓應力，有益于進一步提高疲勞強度和延長疲勞壽命。調質處理的S38C鋼車軸經過表面感應淬火之后，其淬硬層深度達到4mm，表面硬度高于500HV，表面殘余壓應力區深度為10～15mm，殘余應力值可以達到-588～-980MPa，個別點的殘余壓應力可高達-980MPa，疲勞性能將提高30%以上。我國科學研究院也通過大量的試驗開發，最終使40鋼車軸表面經感應淬火處理后的表面硬度和表面殘余壓應力分別達到500～600HV和-538～-1085MPa;而經高頻感應淬火處理后的模擬車軸試樣的旋轉彎曲疲勞極限比未經處理的提高145%，其性能指標達到了日本和法國碳素鋼車軸表面淬火的性能指標，完全可以滿足我國重載、快速及高速鐵路運輸對車軸的要求。但由于國內車軸外形結構的階梯加多、且階梯尺寸差較大，而使得感應加熱淬火處理時的工藝控制較為復雜，性能也不易保證，因而，感應加熱淬火處理方法在國內現有的車軸結構條件下是較難得到推廣應用的。

1.4熱噴涂處理

目前，針對大多數車軸裂紋的形成是由于車軸配合面間的微動磨損所致，各國鐵路企業均開始采取了在其配合面間噴涂一層高性能材料的方法來減輕或消除其微動磨損，以防止鐵路車軸的早期失效。德國的E120機車及ICE動力車和我國的30CrMoA鋼和EA4T鋼車軸采用的是在車軸輪座的表面噴涂一種能與基體牢固結合的鉬和氧化鉬層（稱為噴鉬處理）的方法。該方法充分利用了噴鉬層所具有的優異的粘結特性和抗粘附磨損特性，一方面可以用來防止輪對壓裝時的車軸拉傷，另一方面，可以用來完全消除微動磨損，因而將可以大大地提高車軸的疲勞極限。調質處理的30CrMoA鋼車軸噴鉬后，其涂層的顯微硬度一般要超過700HV，有時最高可達1300HV，與鋼基體的結合強度在20N/mm2以上。文獻研究了采用熱噴涂方法在車軸表面噴涂一層成分配比為Fe2.181%，Cu90.222%，Ni2.346%，Al4.988%的涂層后的疲勞性能的變化規律。其結果顯示，在噴涂0.1mm厚時，在加載載荷為120MPa條件下，實物車軸的旋轉次數均超過了107次。而這種成分配比的涂層既能用于修復，又能防止微動磨損。研究者采用含0.44%C的車軸鋼，在模擬試驗車軸上噴涂了含有Fe、Ni、Cr和Al等合金的粉末后進行了微動損傷試驗。其試驗結果顯示，在170MPa載荷下，經1.6×107次循環后，其模擬車軸表面都沒有發現裂紋，表面完好無損;而無涂層的模擬車軸在120MPa載荷下，經1.2×107次循環就出現了疲勞裂紋。由上可見，熱噴涂處理均可以提高車軸的疲勞性能。但熱噴涂處理普遍存在著操作工序繁瑣、且涂層較易脫落等問題，而使其在鐵路車軸上的應用受到了一些限制。

2、結語

鐵路車軸具體采用何種表面強化處理方法來提高車軸的疲勞壽命以確保鐵路的安全運行，則必須根據各國鐵路企業的實際情況以及鐵路車軸所設計的結構，并在綜合考慮性能和成本等因素之后來進行選擇，這樣才有可能獲得較為滿意的效果。

參考文獻：

[1]山本勝太.影響車軸輪座發生咬傷的因素及表面處理方法的研究[J].王光明，譯.國外鐵道車輛，2011，48（3）：36-39.

[2]趙云生.日本新干線車軸淬火技術應用綜述[J].國外鐵道車輛，2011，48（5）：9-12.