提高铁路车轴疲劳性能的表面强化处理.docx

    提高铁路车轴疲劳性能的表面强化处理    吴文兵 高文卫 刘向东Summary：铁路车轴是机车车辆转向架的关键承载部件由于运行时的工况恶劣、应力复杂，特别是近年来随着铁路的重载化和高速化，其运行时的恶劣工况加剧，而存在有产生疲劳断裂（冷切）的可能性，从而给列车的行车安全带来了较大的隐患因此，为了确保列车的行车安全，如何进一步提高车轴的使用寿命或者疲劳强度就成了国内外机车车辆制造企业亟待解决问题中的重中之重基于此，本文主要对如何提高铁路车轴疲劳性能的表面强化处理进行分析探讨Key：铁路车轴;疲劳性能;表面强化处理1、提高车轴抗疲劳性能的表面强化处理方法1.1滚压强化处理滚压强化作为简单有效的强化方法，使得目前美国、欧洲和我国的铁路企业普遍应用它来强化铁路车轴上较为薄弱的部分——卸荷槽、圆弧过渡处以及三座（轴承、车轮和齿轮座）等部位的表面，來提高其表面光洁度、硬度、耐蚀性以及在表层保留有残余压应力，而使其疲劳寿命提高，并确保列车的行车安全研究了LZ50车轴钢经滚压强化处理后的疲劳短裂纹行为后发现，LZ50车轴钢经滚压强化处理后，由于其表面硬度提高了10%，轴向和周向的残余压应力也分别提高了170MPa和101MPa，因而能有效地抑制微裂纹的萌生与扩展，同时也将使裂纹的扩展速率减缓。

但是，在滚压强化处理时，操作与控制大部分是通过手工来完成的由于手工操作后的车轴表面质量将受到操作人员的素质、能力、情绪、工作强度等多种因素的影响，从而有可能使得车轴经滚压强化处理后在其表面存有一些微小的滚压台阶、划痕以及漏滚等表面缺陷，影响车轴的疲劳寿命1.2喷丸强化处理喷丸强化处理是利用压缩空气将坚硬的小弹丸高速喷打向车轴表面，使之产生塑性变形，而在其表面得到一层高硬度和残余有压应力的变形层，从而使车轴疲劳极限得到提高研究了不同喷丸强化工艺参数对车轴钢表面喷丸强化处理后的效果后发现，其强化效果与弹丸的直径、气压强度以及喷丸强度有关，其表面最大的残余压应力可达-890MPa，疲劳极限可以提高1倍多但由于经喷丸强化处理后，其表面的粗糙度值增加，将使车轴的其它性能降低，因此在车轴的实际生产现场中很少采用1.3表面感应加热淬火处理采用表面感应加热淬火是提高碳素钢车轴疲劳寿命最为经济有效的方法日本早在1948年就开始了相关研究，将S38C碳素钢等材料经调质处理后，再沿车轴纵向进行车轴全长度的表面感应加热淬火处理，使其表层具有高硬度马氏体组织的开发，并成功地应用于新干线随后，法国的高速铁路车轴也由过去采用30CrNi3合金钢调质并滚压强化处理的方法，改为现在的XC30碳素钢调质后再进行表面感应加热淬火处理的方法。

碳素钢表面感应淬火后，可以在表面淬硬层内获得非常细的马氏体组织，使其表面硬度显著增加，高的表面硬度有益于提高轮轴压装部位的抗微动磨蚀疲劳性能;淬硬层越深，疲劳极限越高;另外，淬火车轴表面形成了残余的压应力，有益于进一步提高疲劳强度和延长疲劳寿命调质处理的S38C钢车轴经过表面感应淬火之后，其淬硬层深度达到4mm，表面硬度高于500HV，表面残余压应力区深度为10～15mm，残余应力值可以达到-588～-980MPa，个别点的残余压应力可高达-980MPa，疲劳性能将提高30%以上我国科学研究院也通过大量的试验开发，最终使40钢车轴表面经感应淬火处理后的表面硬度和表面残余压应力分别达到500～600HV和-538～-1085MPa;而经高频感应淬火处理后的模拟车轴试样的旋转弯曲疲劳极限比未经处理的提高145%，其性能指标达到了日本和法国碳素钢车轴表面淬火的性能指标，完全可以满足我国重载、快速及高速铁路运输对车轴的要求但由于国内车轴外形结构的阶梯加多、且阶梯尺寸差较大，而使得感应加热淬火处理时的工艺控制较为复杂，性能也不易保证，因而，感应加热淬火处理方法在国内现有的车轴结构条件下是较难得到推广应用的。

1.4热喷涂处理目前，针对大多数车轴裂纹的形成是由于车轴配合面间的微动磨损所致，各国铁路企业均开始采取了在其配合面间喷涂一层高性能材料的方法来减轻或消除其微动磨损，以防止铁路车轴的早期失效德国的E120机车及ICE动力车和我国的30CrMoA钢和EA4T钢车轴采用的是在车轴轮座的表面喷涂一种能与基体牢固结合的钼和氧化钼层（称为喷钼处理）的方法该方法充分利用了喷钼层所具有的优异的粘结特性和抗粘附磨损特性，一方面可以用来防止轮对压装时的车轴拉伤，另一方面，可以用来完全消除微动磨损，因而将可以大大地提高车轴的疲劳极限调质处理的30CrMoA钢车轴喷钼后，其涂层的显微硬度一般要超过700HV，有时最高可达1300HV，与钢基体的结合强度在20N/mm2以上文献研究了采用热喷涂方法在车轴表面喷涂一层成分配比为Fe2.181%，Cu90.222%，Ni2.346%，Al4.988%的涂层后的疲劳性能的变化规律其结果显示，在喷涂0.1mm厚时，在加载载荷为120MPa条件下，实物车轴的旋转次数均超过了107次而这种成分配比的涂层既能用于修复，又能防止微动磨损研究者采用含0.44%C的车轴钢，在模拟试验车轴上喷涂了含有Fe、Ni、Cr和Al等合金的粉末后进行了微动损伤试验。

其试验结果显示，在170MPa载荷下，经1.6×107次循环后，其模拟车轴表面都没有发现裂纹，表面完好无损;而无涂层的模拟车轴在120MPa载荷下，经1.2×107次循环就出现了疲劳裂纹由上可见，热喷涂处理均可以提高车轴的疲劳性能但热喷涂处理普遍存在着操作工序繁琐、且涂层较易脱落等问题，而使其在铁路车轴上的应用受到了一些限制2、结语铁路车轴具体采用何种表面强化处理方法来提高车轴的疲劳寿命以确保铁路的安全运行，则必须根据各国铁路企业的实际情况以及铁路车轴所设计的结构，并在综合考虑性能和成本等因素之后来进行选择，这样才有可能获得较为满意的效果Reference：[1]山本勝太.影响车轴轮座发生咬伤的因素及表面处理方法的研究[J].王光明，译.国外铁道车辆，2011，48（3）：36-39.[2]赵云生.日本新干线车轴淬火技术应用综述[J].国外铁道车辆，2011，48（5）：9-12.科技研究2021年18期科技研究的其它文章简析现代教育技术在高校数学教学中的运用一种单片机控制的坐姿矫正系统基于ZigBee技术的楼道灯协调节能系统关于秸秆沼气工程化对环境的影响及对策试析高校历史课堂引入地方史资源的教学设计基于煤矿开采与安全管理有效融合问题研究  -全文完-。