车轴材料技术与故障.pdf

车 轴 材 料 技 术 与 故 障一、前言二、车轴材料基础三、车轴材料疲劳性能四、车轴故障分析五、车轴技术展望1、车轴的定义：连接轮对中两车轮，并与车轮一起沿钢轨旋转的部件2、车轴材料技术的关键词：车轴；金属材料；交变载荷；疲劳损伤；安全3、车轴主要承受的载荷类型5、车轴承受的应力分布旋转弯曲载荷是车轴在运行中承受的主要载荷形式车体的重量通过轴承施加在车轴两端轴颈上， 力的方向朝下； 而通过车轮施加在车轴轮座的支撑力方向向上，这样， 在轴身、 轮座、防尘挡板座和轴颈处均形成弯曲载荷应力分布为沿轴向的拉压应力在轴表面， 上部最高点为最大拉应力，沿圆周向下逐步衰减到零，再变成压应力， 逐步增加， 直到下部最低点为最大压应力沿径向深度方向，表面应力最大，中心为零由于车轴在运行时不断旋转，轴表面确定位置上发生周期性的拉、压应力，即是一种交变载荷扭转载荷在车轴中是第二位的主要是在过弯道时(特别是小半径曲线上)产生相同的转角，内股道上的车轮走的距离短，而外股道上的车轮走的距离长，因而， 在车轴上就产生了扭转力矩，形成扭转载荷此外，机车动轴在启动时承受较大的扭转载荷扭转载荷产生的最大剪切应力有两个方向：圆周方向和车轴纵向。

同样，在轴表面应力最大，沿径向深度方向递减，到轴中心则衰减为零但轴表面各处的应力的绝对值是一样的扭转载荷的主应力作用的平面与轴向成45°由此可见，铁路机车车辆车轴用钢必需具备的条件：（1）车轴材质需保证车轴具有足够的强度和良好的韧性，即具有良好的综合机械性能；（2）车轴材质需保证车轴具有足够的疲劳强度，保证在所规定的使用条件下的安全性、可靠性和使用寿命二、车轴材料基础车轴钢是指专用于生产铁道机车、车辆车轴的钢种按用途可分为货车轴用钢和客车轴用钢；按化学成分可分为碳素钢和合金钢车轴，其中货车和普通客车以碳钢为主，高速列车以合金钢为主按我国钢种分类标准，目前世界上所采用的货车车轴钢的碳含量均在0.35％～ 0.57％之间变动，属于中碳优质碳素钢类，高速列车采用低碳合金钢近年来，随着铁路车辆高速化的发展，合金钢空心车轴发展迅速我国铁路货车车辆车轴的材质一直是采用碳素结构钢从五十年代的普通碳素结构钢发展到八十年代的车轴专用优质碳素结构钢优质碳素结构钢是碳素钢中磷、硫及其他有害杂质含量较低、纯洁度和化学成分均匀性交高，除含有铁、碳、硅、锰和限量以内的磷、硫等杂质元素及残余元素外，不含其他作为合金元素有意加入的元素；在生产过程中既要保证化学成分，又要保证力学性能。

碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低铁路车辆用车轴钢的品种从LZ40 车轴钢发展到现在使用的 LZ50 车轴钢2.1 车轴生产工艺简介车轴钢坯工艺过程简述为：电炉或转炉冶炼→炉外精炼→真空脱气→铸锭→钢锭红送初轧→钢锭均热，轧制→钢坯缓冷→钢坯精整→取样检验→钢坯判定交库车轴钢生产工艺流程的主要特点：（1）LF 钢包炉冶炼过程主要是在还原气氛下进行，整个冶炼过程采用氩气搅拌，以均匀成份和温度，降低钢中气体和硫含量，减少钢中夹杂物含量通过对钢水成份和温度的调整，可实现车轴钢成份的窄化控制2）转炉或电炉铁水热装，可降低钢中铅、锡、砷、锑、铋“五害”元素含量，保证钢质纯净，钢坯机械性能、锻造性能良好；又可控制钢中氮含量中（50－70PPｍ） ，保证钢坯晶粒细小3）采取真空脱气处理，可保证钢中较低的[H] 含量，避免“白点”产生4）采用大钢锭轧制，我国从模铸钢锭到车轴钢坯的压延比不小于6，以保证钢坯组织致密、性能轧制良好5）车轴钢坯要求园角半径较大，为边长的0.1— 0.2 倍，可避免锻造折叠产生并能保证轴坯锻造成轴后的尺寸车轴坯加热→锻造→空冷→热处理（碳钢：正火+回火；合金钢：淬火+ 回火）→力学性能、晶粒度抽检→逐根进行超声波探伤检查→冷加工。

影响因素冶炼工艺——化学成分、气体含量、非金属夹杂物；铸、轧工艺——低倍组织的状态；锻造——进一步改善低倍组织；热处理——金相组织、力学性能力学性能常规力学性能：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、冲击功；疲劳性能：疲劳强度；锯 切 轴加热锻热打标记铣端面超声波探伤（轴向透声性能和内部缺陷）力学性能、晶粒度检测二次正火回 火不合格合格重新热处理（次数不得超过三次）一次正火冷加工钢坯检验断裂性能：断裂韧性、裂纹扩展速率2.2 钢中的化学元素及其作用碳：碳是钢中最主要和最基本的合金元素，它对机械性能和工艺性能有非常明显的影响一般说来， 亚共析碳素钢随着含碳量的增加，基体组织 （珠光体和铁素体）中的珠光体含量增多，钢的强度（屈服强度、抗拉强度、硬度）提高，塑韧性降低当碳含量达到钢的共析成分（约 0.77%）时，钢的基体组织为全珠光体；当碳含量超过钢的共析成分时，钢中开始出现渗碳体组织此时钢的钢的强度不再有明显增加，但塑韧性将显著变坏，因此， 各国车轴钢的碳含量一般控制在共析点以下，就是为了保证钢有较高综合力学性能硅硅是钢中常见的元素之一硅能固溶于铁素体而强化铁素体基体，提高钢的强度和硬度，还能提高屈强比（屈服强度/抗拉强度）及疲劳强度与抗拉强度的比值，但当其含量超过3%时，又会降低钢的塑性和韧性。

硅含量不是很高时，对钢的延展性和韧性影响不大根据在钢中的含量不同，硅可以是以夹杂物形式残存于钢中，也可以是以合金元素的作用而存在于钢中 在钢的冶炼过程中硅铁随脱氧剂而进入钢中或者由生铁中残存下来，这时的硅是作为一种杂质元素形式而存在，一般在钢中的含量小于0.40%由于硅是一种与氧亲合力很强的元素，所以炼钢时将其作为脱氧剂——硅铁而加入钢中，在钢中形成SiO2 并以非金属夹杂物的形式残存在钢中， 这种氧化物硬而脆， 在严重聚集的情况下往往是疲劳伤损的核心所在，这就必然影响着钢的质量锰：锰是碳化物的形成元素，能代替部分铁原子形成（Fe· Mn ）3C 型碳化物，这种碳化物加热时易溶于奥氏体，回火时易析出和聚集同时，锰又是良好的脱氧剂和脱S 剂，能固定钢中硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS 或（Fe· Mn）S，减少或抑制FeS 的生成，可以提高其性能和洁净度，因此在工业用钢中一般都含有一定数量的锰，它能消除或减弱因硫引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能锰也能溶于铁素体而强化铁素体基体，提高钢的强度、 硬度和淬透性， 但会使钢的延展性和韧性略有降低另外锰还会使钢的耐锈蚀性能降低因此，要适当控制钢中锰含量，使钢的综合性能达到最佳。

铬、镍、铜：在碳素车轴钢中，铬、镍、铜是作为残余元素加以控制的车轴钢相关技术条件中规定，其残余元素铬、镍的含量应分别不大于0.30%，铜的含量应分别不大于0.25%铬和铁形成连续固溶体， 与碳形成多种碳化物，能显著改善钢的抗氧化作用、提高钢的耐腐蚀抗力，同时可提高钢的淬透性和强韧性镍和碳不形成化合物，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素镍能细化钢的晶粒度，改善钢的低温性能的韧性铬和镍已广泛用于轴承钢、不锈钢、耐热钢等等重要用途的产品，作为碳素钢的一种合金元素，应该只在不能用其它元素来获得所需要的性能时，才考虑使用它 铜在低合金钢中的突出作用是改善抗大气腐蚀能力铜在铁中的溶解度不大，不和碳形成碳化物含铜超过0.6%的钢， 有时甚至是含铜0.2～0.3%的钢，在强氧化气氛中高温加热时，由于选择性氧化的结果，会在表面富集一薄层熔点低于1100℃的富铜合金，此层合金在约1100℃时熔化并浸蚀钢表面层的晶界，使钢在热轧加工时开裂 此外， 钢中的铜不能在冶炼过程中去除，用含铜废钢重复冶炼时，其中的残余含铜量势必越集越多基于以上原因， 在车轴钢技术条件中分别规定了残余元素铬、镍、铜的含量限度铝：铝是钢中常用的脱氧剂。

车轴钢对非金属夹杂物的要求非常高，需尽可能地脱除钢中的氧，铝作为脱氧剂可以达到理想的效果另外，钢中加入少量的铝还可细化晶粒根据Iener 理论要得细小的奥氏体晶粒, 首要条件是使钢中有足够的弥散细小的第二相粒子析出钢中加入铝可与钢中N 形成细小、弥散的AlN 第二相阻止奥氏体晶粒长大铝过低，形成的 AlN 少,奥氏体晶粒容易长大但当钢中铝过高时，一方面，由于固溶铝高, 促进晶粒长大：另一方面由于其浓度梯度大，扩散较快，析出的AlN 颗粒较大，从而导致铝细化晶粒的作用降低有文献报导，细化奥氏体晶粒的Al 含量一般为0.02-0.05%, 对不含其它细化晶粒的低、中碳合金钢适宜AlS 含量为 0.02-0.045%, 对碳素钢， AlS 含量超过0.05%，晶粒粗化温度反而下降, 晶粒容易长大铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力铝：铝是钢中常用的脱氧剂车轴钢对非金属夹杂物的要求非常高，需尽可能地脱除钢中的氧，铝作为脱氧剂可以达到理想的效果另外，钢中加入少量的铝还可细化晶粒根据Iener 理论要得细小的奥氏体晶粒, 首要条件是使钢中有足够的弥散细小的第二相粒子析出。

钢中加入铝可与钢中N 形成细小、弥散的AlN 第二相阻止奥氏体晶粒长大铝过低，形成的 AlN 少,奥氏体晶粒容易长大但当钢中铝过高时，一方面，由于固溶铝高, 促进晶粒长大：另一方面由于其浓度梯度大，扩散较快，析出的AlN 颗粒较大，从而导致铝细化晶粒的作用降低有文献报导，细化奥氏体晶粒的Al 含量一般为0.02-0.05%, 对不含其它细化晶粒的低、中碳合金钢适宜AlS 含量为 0.02-0.045%, 对碳素钢， AlS 含量超过0.05%，晶粒粗化温度反而下降, 晶粒容易长大铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力硫：硫在通常情况下是有害元素硫使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹硫对钢的热脆性影响主要是因为硫及其生成的FeS 熔点都很低，钢坯在1000℃进行热加工时，分布在晶界的FeS 将熔化，并以液态膜形式破坏晶粒间的结合，轻微锻造就会引进开裂下图为FeS在 45 钢中晶界的分布硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%在车轴钢中要求硫含量小于 0.030%。

为了避免硫引起热脆现象，通常在钢中加入一定量的锰元素，使硫与锰生成高熔点的MnS压力加工后MnS 沿轧制方向呈条状分布，使材料的各向异性增加因此应尽可能地降低车轴钢中的硫含量，以保证其性能磷：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些在车轴钢中要求磷小于0.030% 磷对钢的低温韧性不利，随着钢中磷含量的增加，韧脆转变温度升高，同温度下的冲击韧性降低 磷的这种脆化作用主要是因磷易偏析于晶界，从而降低晶界的表面能，其次磷还可能在晶界上形成磷共晶型非金属夹杂，造成晶界脆化 另外， 研究表明磷的这种有害作用还与钢中的碳元素有关，随着钢中的碳含量增加，磷的有害作用增大，这是因为钢中的碳促进磷偏析所致右图列出磷对含碳为0.35%的钢在不同温度下的冲击韧性的影响从图可看出磷对冲击韧性的影响非常大氧：氧也是在钢的冶炼过程中不可能完全去掉的残存元素，其在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物形式存在，如FeO， Fe2O3，Fe3O4，SiO2， MnO， Al2O3 ，CaO， MgO 等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐。

这些非金属夹杂物的存在，会使钢的性能下降，其影响程度与夹杂物的大小、数量和分布有关氢：钢中的氢一般是冶炼过程中由锈蚀含水的炉料带入或从含有水蒸气的炉气中吸入，钢中氢含量一般甚微，对组织看不出有什么影响，但对钢的危害却是很大的因此一般作为有害元素而加以清除氢在固态钢中的溶解度很小，并能在钢中引起“ 氢脆 ” ， 使钢的塑性下降，脆性增大，引起在钢件内部产生细微裂纹缺陷（即“ 白点 ”。