铁路货车重载车轴热处理工艺开发
【摘要】重载轴LZ45CrV为我公司新材质车轴，通过对铁路货车重载车轴的相关标准要求分析，进行多次试验确定其热处理工艺为：一次正火温度880±10℃，二次正火温度850±10℃，回火温度510±10℃，正火、回火保温时间均为3.5～4小时，空冷。

【关键词】重载车轴晶粒度热处理力学性能
1 前言
铁路货车重载车轴的材质是LZ45CrV，是27t轴重铁路货车车轴采用的新材质，属低合金钢。

钢坯标准符合《大轴重铁路货车用LZ45CrV车轴钢坯试制技术条件》。

由于在碳素钢的基础上添加Cr、V、Ni、Mo等合金元素，并对杂质和有害元素进行控制，所以具有优良的综合性能。

由于是新材质，目前没有成熟热处理工艺方案借鉴，制定和摸索出合理的热处理工艺方案就成为新材质重载轴工艺开发的关键。

2 LZ45CrV车轴技术标准要求
车轴标准符合《大轴重铁路货车用LZ45CrV车轴试制技术条件》规定。

车轴的热处理工艺为两次正火加一次回火，车轴正火前的温度应低于500℃，回火前的温度应低于250℃。

2.1 化学成分
钢的化学成分（熔炼分析）应符合表1的规定。

对成品钢坯化学成分进行验证分析时，C、Mn、Si元素与表1规定的成分范围的允许偏差符合表2的规定，其余元素与表1规定的成分范围的允许偏差应符合GB/T222规定。

2.2 力学性能和显微特性
经热处理后车轴的拉伸特性和冲击试验特性分别符合表3和表4的指标。

车轴的晶粒度试样应显示为均匀的细晶粒组织，试样在金相显微镜下放大100倍观察。

检验及评定按GB/T6394的规定执行，晶粒度不低于6级。

3 热处理工艺方案初步制定
试验采用太钢生产的车轴钢坯，规格260mm×260mm，炉号D1105163，共锻造车轴34根，图1为RE2C型重载轴锻造毛坯图，最大外径尺寸为230mm，长度2400mm，重量680Kg。

针对LZ45CrV钢的基本情况与国内已有比较成熟热处理工艺的40Cr和LZ50钢进行对比分析。

化学成分对比见表5，LZ45CrV 钢坯元素控制范围非常严格，并且还添加V、Mo等合金元素，故在确定热处理
参数时，需要在参考热处理手册中推荐的参数同时具体分析确定。

3.1 加热温度
正火是将钢加热到AC3点以上30℃～50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。

正火是将钢加热到完全奥氏体状态，钢中的原始组织缺陷基本消失，然后再控制适当的冷却速度。

热处理手册推荐40Cr的正火温度为850℃～870℃；LZ50钢推荐的一次正火温度为860℃～880℃，二次正火温度为800℃～820℃，回火温度530℃。

重载轴初步拟定一次正火温度860℃，二次正火温度810℃，回火温度530℃。

3.2 加热速度
按照加热速度控制一般原则，形状简单的碳素结构钢或低合金钢可以随炉升温，不控制加热速度。

但形状复杂或中、高合金钢则应控制加热速度，中、高合金钢因合金元素含量高、导热性差，所以升温不易过快，其加热速度一般控制80℃～100℃/h。

LZ45CrV钢属低合金钢可采用经过预热段后直接控制到工艺设定温度。

3.3 保温时间
保温时间是指钢件烧透并完成奥氏体均匀化所需时间。

保温时间受钢件成分、形状、尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等影响。

按照车轴毛坯有效直径大小经验确定保温时间，一次正火、二次正火保温时间均初步拟定为3～3.5小时，回火保温时间为3～3.5小时。

3.4 冷却速度
冷却速度过慢，会造成工件过软；冷却速度过快，会造成硬度偏高，对于一般件可在空气中冷却，大件可用吹风冷却或喷雾冷却。

由于LZ45CrV钢属新材质正火后采用空冷方式。

综合化学成分及热处理关键参数分析初步确定热处理工艺为：一次正火温度860±10℃，二次正火温度810±10℃，回火温度530±10℃，正火、回火保温时间均为3.5～4小时，空冷。

设备采用现有成熟工艺的LZ50钢车轴热处理生产线，热处理后对车轴轴颈、轮座、轴身1/2半径处分别取样，送计量理化中心进行拉伸试验、冲击试验和晶粒度检测。

检验结果见表6。

从表中数据可知，目前存在的主要问题是抗拉强度和屈服强度不合格，冲击值较高，晶粒度指标虽然不是很理想，但在标准要求合格范围内。

4 热处理工艺方案改进
针对按初步方案进行热处理试验的车轴试样强度不合格问题，进行了深入分析讨论，认为冲击值较高、塑性较好的情况下，强度不够主要原因应该是二次正
火温度低及回火温度稍高造成。

初步方案拟定二次正火温度810℃，因为LZ45CrV钢中添加了V、Mo等合金元素，V的热敏感性非常强，正火时V的析出量主要与正火温度有关，随着正火温度的提高，V的析出量增加，钢材完全奥氏体化后，V会阻碍奥氏体晶粒的长大，从而提高正火后强度。

如果正火温度偏低，合金元素由于温度不够高分布不均匀造成强度不足，正火后的回火主要是消除残余应力，回火温度高也可能造成强度下降。

按照提高二次正火温度、适当降低回火温度的改进原则，确定改进后的热处理方案为，一次正火温度880±10℃，二次正火温度850±10℃，回火温度510±10℃，正火、回火保温时间均为3.5～4小时，空冷。

按照改进后的热处理工艺方案进行热处理试验，并进行理化检验，检验结果见表7，检测项目全部达到《铁道车辆用LZ45CrV车轴技术条件》要求。

强度、冲击值数据指标分布基本合理，且平均晶粒度达到7级以上。

5 结论
通过多次热处理工艺试验，LZ45CrV新材质重载轴的热处理工艺为：一次正火温度880±10℃，二次正火温度850±10℃，回火温度510±10℃，正火、回火保温时间均为3.5～4小时，空冷。

为重载轴批量生产做好了技术准备，同时也为相关材质车轴产品开发奠定了基础。