軌道交通用拐臂復合氣體滲氮處理工藝

郜志文，孫力，崔效炎，孫國進

1.河南精誠汽車零部件有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

2.河南工學院材料科學與工程學院 河南新鄉(xiāng) 453003

1 序言

隨著我國城市化進程的加快，城市人口數(shù)量也急劇增加，為緩解市內(nèi)交通擁堵壓力，減少城市污染，輕軌和地鐵的建設里程快速增加。以北京為例，截至2021年，路網(wǎng)里程超過780km，車站數(shù)量達到450余座。隨著地鐵里程的增加和運行速度的加快，如何保證軌道交通車輛的安全運行，尤其是在彎道處的安全運行，成為眼下人們關注的焦點。轉(zhuǎn)向架是保證軌道交通車輛安全運行的重要結(jié)構(gòu)，也是輕軌或地鐵列車能夠高速平穩(wěn)運行的核心結(jié) 構(gòu)[1-4]。而拐臂又是轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中的關鍵零件，其作用：一是當車輛以一定速度開始進入曲線運行時，前輪對應外輪輪緣與外軌的內(nèi)側(cè)面接觸，兩者互相擠壓產(chǎn)生導向力，并由導向力引起導向力矩，使轉(zhuǎn)向架相對線路產(chǎn)生轉(zhuǎn)動；二是剎車和調(diào)節(jié)車輛行駛速度。圖1所示為轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，其中箭頭所指處是拐臂零件所處的位置。

圖1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及拐臂位置

從上述分析可以看出，軌道交通車輛在行駛過程中，拐臂承受著復雜的交互力的作用，這就要求拐臂不但具有良好的綜合力學性能[5]，同時還要具有優(yōu)良的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。本文針對拐臂的技術要求，在滲氮工藝的基礎上，往滲氮氣氛中添加微量的NO氣體，對拐臂進行復合氣體滲氮處理，分析了拐臂熱處理后的微觀組織，統(tǒng)計了拐臂復合氣體滲氮處理后的變形情況。

2 拐臂技術要求及熱處理工藝分析

本研究拐臂選用的材質(zhì)為QT500，這是因為球墨鑄鐵具有優(yōu)良的減振性能和潤滑性能[6]，最終熱處理工藝為滲氮處理[7-9]。拐臂零件形狀及尺寸要求如圖2所示。其中，拐臂下端的外圓直徑尺寸和上端的內(nèi)孔直徑尺寸為裝配尺寸，精度要求極高，滲氮處理后的白亮層厚度≥8μm。

圖2 拐臂結(jié)構(gòu)及實物

生產(chǎn)過程統(tǒng)計顯示，采用常規(guī)滲氮工藝處理的拐臂主要存在以下缺點：一是滲氮層厚度偏小，滲氮層厚度是保證拐臂耐磨性的關鍵，而常規(guī)滲氮處理的拐臂滲氮層厚度僅能達到技術要求的下限值，約8μm；二是滲氮層不連續(xù)，這是由于QT500基體中均勻分布著大量球狀石墨，割裂了基體的連續(xù)性，從而影響了拐臂滲氮層的連續(xù)性，統(tǒng)計結(jié)果顯示，滲氮層連續(xù)度低于60%，這嚴重降低了拐臂的耐磨性能；三是滲氮周期長，常規(guī)的滲氮處理為了達到滲氮層厚度技術要求，滲氮處理生產(chǎn)周期在36h以上。滲氮處理周期的增加對于拐臂尺寸精度控制是十分不利的，且會造成供貨周期延長、生產(chǎn)成本升高等附帶不良后果。

綜上所述，常規(guī)滲氮處理的拐臂存在尺寸精度超標、白亮層厚度小、白亮層連續(xù)性不足等缺陷。為改善拐臂常規(guī)滲氮處理的上述缺點，本文在普通滲氮的基礎上，往滲氮氣氛中添加了微量的NO氣體，對拐臂進行復合氣體滲氮處理，并統(tǒng)計了復合氣體滲氮處理后拐臂零件的變形情況，分析了復合氣體滲氮處理后拐臂的微觀組織形貌。在復合氣體滲氮條件下，拐臂的滲氮生產(chǎn)周期可縮短到28h以內(nèi)。

3 拐臂復合氣體滲氮處理

3.1 復合氣體滲氮處理工藝的制定

常規(guī)滲氮工藝采用的是NH3作為滲氮物質(zhì)，本文的復合氣體滲氮工藝，是在原有NH3基礎上添加了CO2和微量NO。本研究所制定的復合氣體滲氮處理工藝如圖3所示。

圖3 復合氣體滲氮工藝曲線示意

復合氣體滲氮工藝，主要包括預氧化、滲氮、預冷和出爐，其中預氧化時爐膛內(nèi)部通過通風孔與大氣連通。

滲氮過程中NH3的流量為6000mm3/h，預冷階段NH3流量為2000mm3/h。滲氮過程中在NH3中混入1%～6%的CO2和微量NO（所占比例＜1%），以達到復合氣體滲氮的目的。CO2和NO可以提高滲氮過程中N原子的吸附性和活性，從而提高滲氮層的厚度和連續(xù)性，降低滲氮周期。

3.2 復合氣體滲氮處理白亮層分析

由于拐臂受力過程復雜，因此滲氮處理前進行調(diào)質(zhì)預處理，以改善拐臂微觀組織，保證綜合力學性能。對比了相同滲氮時間下（28h），常規(guī)滲氮處理和復合氣體滲氮處理后拐臂的白亮層形貌，如圖4所示。

從圖4可看出，常規(guī)滲氮處理工藝下，拐臂白亮層明顯偏薄，并且在球狀石墨位置處未能形成連續(xù)的白亮層，復合氣體滲氮處理后表面白亮層連續(xù)分布，厚度也明顯增加。白亮層厚度測量結(jié)果顯示，復合氣體滲氮處理后，除個別石墨位置附近外，白亮層厚度在10～12μm，常規(guī)滲氮處理所得到的白亮層厚度為3～5μm，如圖5所示。

圖4 不同滲氮處理白亮層對比

圖5 不同滲氮工藝下白亮層厚度統(tǒng)計

與常規(guī)滲氮相比，本研究所采用的復合氣體滲氮處理，可明顯改善白亮層的均勻性，縮短滲氮生產(chǎn)周期。分析原因認為，CO2和微量NO的加入，可以減小活性N原子結(jié)合生成N2趨勢，增加活性N原子在工件表面的吸附效率，另外，CO2氣體分解產(chǎn)生的活性碳原子可以沉積在石墨球表面促進白亮層的形成，從而改善白亮層的連續(xù)性。因此，拐臂零件復合氣體滲氮工藝處理后的白亮層厚度和連續(xù)性，與常規(guī)滲氮處理相比均得到了明顯的改善。

3.3 復合氣體滲氮處理變形量分析

為保證拐臂的裝配性能和使用性能，外圓直徑的尺寸必須控制在52.804～52.850mm，內(nèi)孔直徑尺寸必須控制28.20～28.252mm。分析了復合氣體滲氮處理前后拐臂兩端部位置的外圓直徑和內(nèi)孔直徑的尺寸波動，結(jié)果如圖6所示。

圖6 拐臂復合氣體滲氮處理后尺寸測量結(jié)果及實物

從圖6a、b可看出，拐臂經(jīng)過復合氣體滲氮處理后的外圓直徑尺寸主要分布于52.815～52.830mm，拐臂內(nèi)孔直徑尺寸主要分布于28.20～28.23mm。復合氣體滲氮處理后，拐臂外圓直徑和內(nèi)孔直徑尺寸控制精度非常高，完全達到了技術要求。

4 結(jié)束語

拐臂是轉(zhuǎn)向架的關鍵零件，在保障地鐵列車、輕軌等安全運行發(fā)揮著重要作用。本文采用復合氣體滲氮工藝對拐臂進行滲氮處理，分析了復合氣體滲氮處理工藝對拐臂白亮層和尺寸精度的影響。具體結(jié)論如下。

1）復合氣體滲氮處理后，拐臂白亮層厚度穩(wěn)定在10～12μm，白亮層的連續(xù)性得到改善，完全達到使用技術要求。

2）復合氣體滲氮處理后，拐臂端部位置外圓直徑和內(nèi)孔直徑尺寸變形小，具有良好的尺寸精度。