高速EA4T車軸鋼低溫性能研究

薛振峰，鄭 毅，趙興龍，張 斌，王艷芳，崔永亮

(太原重工軌道交通設備有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

隨著國家“一帶一路”戰略的提出，“中歐班列”的開通與普及，我國與歐洲業務往來也越發頻繁與緊密。歐洲是高速鐵路(又稱“高鐵”)體系完備且擁有高鐵較早的區域，歐洲高鐵車軸需求巨大，且有意向從我國進口。和諧號動車是國內保有量最多的車型，其EA4T鋼車軸的使用率占95%以上，基本上為進口。為適應高鐵在寒冷地區運行，高速EA4T鋼車軸在EN13261標準的基礎上又增加了-40 ℃低溫性能要求。為開發歐洲高鐵車軸市場和保障國內高鐵車軸供應可持續性，研究EA4T車軸鋼低溫性能具有較大意義。

1 高速EA4T鋼車軸材料基礎深化研究

EA4T材料脆轉變溫度大約為-27 ℃，當沖擊在-40 ℃溫度下進行試驗時，沖擊斷裂時出現脆性斷裂比例增大，從而導致沖擊性能的不穩定。

1.1 材料成分合金化設計

通過加入一定量的Nb、V，在晶界形成Nb/V的碳/氮化合物二次析出相來提升鋼的性能。表1為三種不同Nb含量的高速車軸鋼化學成分，其熱處理后低溫沖擊性能見圖1,電鏡分析聚積物含量見圖2。

表1 三種不同Nb含量車軸鋼化學成分(質量分數) %

從圖1中可以看出：加入Nb可以保證低溫下的沖擊韌性，但當Nb的質量分數超出了0.04%，鋼中的Nb化物反而對低溫沖擊韌性有負面影響；加入0.02%的Nb，其強韌性能最佳。

圖1 高速EA4T鋼在不同溫度下的沖擊韌性

圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)中顯示均有Nb化物的析出，而且隨著Nb含量的增加析出物也增加。這種析出并不是均勻彌散分布在晶界處，而是局部的聚積，當這種聚積超過一定的尺寸范圍后，Nb的化合物析出就不能起到“釘軋”位錯、提高強韌性的作用了，而是鋼種的“夾雜物”，隔裂了基體的連續性。

圖2 電鏡分析

通過對Nb、V微合金化研究表明，在V質量分數控制在0.04%條件下，再加入質量分數約為0.02%Nb對低溫韌性有顯著提升。

1.2 材料有害元素控制

微合金元素鈦是形成TiN夾雜的元素，TiN夾雜本身具有尖利棱角和不變形性，且尺寸較大，對鋼材的低溫沖擊性能危害巨大，有無TiN夾雜的沖擊試驗結果見表2，TiN夾雜能譜分析見圖3。由表2和圖3可以看出，TiN夾雜導致低溫沖擊斷口全部為脆性斷裂。經過多次試驗研究發現，當Ti的質量分數≤0.000 5%時，不易形成影響低溫沖擊性能的TiN夾雜。

圖3 TiN夾雜能譜分析

表2 TiN夾雜對低溫沖擊性能的影響

1.3 材料冶煉控制技術研究

經電渣重熔(Electro-slag Remelting，簡稱ESR)的鋼，純度高，含硫量低，非金屬夾雜物少，鋼錠表面光滑，結晶均勻致密，金相組織和化學成分均勻。

1.3.1 化學成分偏析

電渣重熔后成分偏析分析結果如表3所示。由表3可以看出，全截面成分偏析很小，特別是性能影響較大的碳元素，其極差為0。

表3 化學成分偏差分析(質量分數最大值-質量分數最小值) %

1.3.2 軸坯非金屬夾雜物

經電渣重熔后的鋼非常純凈，視場只可見有球狀的D類夾雜和Ds類夾雜。電渣重熔和非電渣重熔夾雜物尺寸分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 夾雜物形態

電渣重熔后鋼中的非金屬夾雜物幾乎全部球化，在非金屬夾雜物的周邊無尖銳的邊界存在。電渣工藝非金屬夾雜物能譜分析和非電渣工藝非金屬夾雜物能譜分析分別如圖5和圖6所示。從能譜分析結果來看，無論是電渣工藝還是非電渣工藝，其非金屬夾雜物的組分是一致的，均是以Al2O3為主，復合有CaO、MgO夾雜物。電渣重熔后鋼中夾雜物尺寸變小了，形狀也得到了球化處理，改善了鋼質的疲勞強度，降低了鋼材疲勞開裂的風險。

圖5 電渣工藝非金屬夾雜物能譜分析

圖6 非電渣工藝非金屬夾雜物能譜分析

2 高速EA4T鋼車軸基礎性能研究

2.1 微觀組織對低溫韌性的影響

圖7給出了不同組織不同溫度下的沖擊韌性[1]。由圖7可知，回火馬氏體組織不同溫度下的沖擊吸收功顯著高于貝氏體組織和貝氏體+回火馬氏體組織，回火馬氏體組織韌脆轉變溫度[2]達到-80 ℃，顯著低于貝氏體組織、貝氏體+回火馬氏體混合組織試樣的-63 ℃、-55 ℃。回火馬氏體低溫沖擊韌性明顯優于貝氏體或貝氏體+回火馬氏體混合組織。

圖7 微觀組織對低溫沖擊韌性的影響

2.2 拉伸的低溫性能變化

在同種狀態下的EA4T鋼車軸相同位置取樣，分別在+20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃保溫后進行拉伸試驗，試驗結果見圖8。由圖8可知，隨著試驗溫度的降低，屈服強度向抗拉強度靠近，且抗拉強度也有提升，低溫狀態下的疲勞極限也有提升。

圖8 不同溫度下的屈服強度σs和抗拉強度σb

2.3 淬火工藝對低溫韌性的影響

參考文獻[3]設定了3條工藝路線對EA4T鋼車軸進行熱處理，具體淬火工藝[4]見表4，不同工藝下的-40 ℃低溫沖擊結果見圖9，車軸組織結果見圖10。

表4 淬火工藝路線

根據圖9和圖10中結果可知：在沖擊結果方面，工藝二和工藝三對低溫沖擊結果有了較好的改善，然而工藝三的低溫沖擊結果差值較大；在組織方面，由于工藝一淬火后仍然存在鐵素體，導致沖擊性能出現不滿足標準的情況，所以工藝二較為合理。

圖9 不同工藝下的-40 ℃低溫沖擊結果(U型2 mm缺口)

圖10 不同工藝下的車軸組織結果

3 總結

(1) 通過加入0.04%的V和0.02%的Nb，嚴控Ti含量不超過0.000 5%，可提升EA4T材料的低溫性能。

(2) 經電渣重熔使得非金屬夾雜物球化和細小化，降低了非金屬夾雜物對低溫性能的影響。

(3) EA4T鋼車軸熱處理時，選擇先水后油的淬火方式，可獲得低溫性能穩定的組織，有效提升車軸低溫沖擊性能均勻性。

(4) 通過對不同溫度下拉伸性能研究，在球化和細小化非金屬夾雜物且夾雜物含量極少的情況下，以及全部為良好的低溫性能組織時，車軸的疲勞極限會隨著溫度的降低而升高，完全能夠滿足在現有的低溫條件下使用。