车轴是机车车辆承受动载荷的关键零件，受力状态复杂，它主要承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，并可能受到一定冲击。所以，轴在工作中可因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。因此，对车轴钢材而言，主要是保证其良好的强度，特别是弯扭复合疲劳强度及韧性。为了防止其轴颈部位的迅速磨损，还应具备一定的表面硬度。

    车轴的强度、韧性等性能要求须通过车轴钢材成分和热处理两方面来保证，与此同时，对钢材的冶金质量、淬透性要求等还须提出附加要求。以下仅就高速铁路用车轴材质的优化选择加以论述。

车轴钢材成分

    车轴钢材成分对性能的保证包括两方面涵义，一方面指合金化问题，另方面指含碳量高低的选择。

车轴钢材的含碳量

    “碳”是钢中必不可少的元素，也是影响钢材性能的重要元素。然而加碳虽然强化作用很高，但却显著降低韧性。轴类零件一般选择中碳钢。为了提高铁路行车安全性，应降低车轴钢的含碳量，在降碳的同时，可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。

     40～45钢车轴使用历史悠久，是国际上使用较多的钢种。由于其强度偏低，耐磨性差，疲劳裂纹萌生门槛值较低，使用寿命较短。但40～45钢韧脆转变温度低，加工性能好，成本低，如果能采用先进的冶炼、锻造技术和热处理工艺，在保持韧性前提下提高强度，其裂纹率很可能有所下降，使用寿命将会相对延长。

    长期以来，我国的机车车辆均采用优质碳素钢车轴，国外由于各国的国情不同，技术观点不同，选用的车轴材料不尽相同。依据各国车轴标准不同，车轴材料一般分为两大类，即碳素钢车轴及合金钢车轴。但都属于低碳钢范畴。碳素钢车轴钢材的含碳量一般选择0.30～0.45%，加入合金元素，可适当降碳。

车轴钢材的合金元素

    依据车轴钢材的使用性能，要求车轴钢具有较高的强度和韧性，即良好的综合性能。因此，车轴钢合金化的目的就是添加合金元素达到强韧化目的。

    钢材的韧化，意味着不发生脆化。依据一般的强化机构，除细晶强化外，一般均会发生脆化，即脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。对于大截面钢件，Mo是使其晶粒细化，提高综合性能的首选元素。Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀的组织。Ni是提高钢材韧性最有效的合金元素。它韧化的机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，从而提高韧性。所以，不论对何种组织，加入Ni均可提高韧性。多种合金元素的复合加入，反映在性能上，则由单一性能到优良的综合机械性能，从而可以满足车轴在不同受荷状态的需要。因此，Cr、Ni、Mo等合金元素是车轴钢合金化的主要元素。

    选材时还必须考虑经济性，包括材料成本的高低，供应是否充分，加工工艺过程是否复杂。由于Ni、Mo的价格昂贵，使材料的成本增加。

    综合性能、资源和成本等多种因素，车轴钢成分设计中，在满足设计要求的组织和性能前提下，应控制Ni、Mo的含量。

车轴钢的冶金质量

    车轴要求钢材具有良好的疲劳强度，钢材中的宏观和微观缺陷将造成应力集中，而且本身常常就是裂纹源，因而，车轴钢材的冶金质量就显得十分重要。为此，国外已开始较普遍地采用钢包脱气、真空冶炼等精炼方法生产车轴用钢。精炼钢的疲劳强度和冲击性能都得到大大提高。

    车轴钢要求良好的强韧性配合，必须严格控制钢中硫、磷等杂质元素。硫在钢中一般以MnS夹杂物形式存在，压力加工后沿轧制方向呈条状分布，使材料的各项异性增大。磷对钢的韧性，尤其是低温韧性影响较大，金属断裂是一个裂纹萌生和扩展的过程。根据裂纹形核与扩展机理，夹杂物往往是钢在受力后的裂纹源与扩展路径。研究表明，钢中夹杂物或其产生的孔洞相当于微小缺口，在交变载荷作用下会产生应力集中，使材料在较低的应力水平下也会引起交变滑移和微裂纹形核，成为疲劳裂纹萌生的裂纹源，从而降低疲劳强度。除疲劳性能外，断裂韧性，冷脆倾向等同样受钢中夹杂物含量的影响。因而，提高钢的冶金质量，严格控制钢中硫、磷等杂质元素，可显著改善与冶金质量敏感的力学性能指标。

    此外，成份偏析是钢，特别是较大截面钢件中普遍存在的现象。钢的偏析包括化学成分和非金属夹杂物的不均匀分布。钢中硫、磷等元素含量偏高，均导致成分不均匀分布倾向增大。通常，非金属夹杂物含量越少，钢的淬透性越高。

    车轴钢冶炼时必须充分脱气，防止形成层化，即氢引起的裂缝。

    因此，车轴钢的冶炼质量至关重要。钢的纯度、非金属夹杂物的形态和分布、氢含量均须严格控制。

车轴钢强化技术

车轴用碳素钢强化技术

    采用低碳钢车轴表面感应淬火是提高其疲劳寿命最为经济而有效的方法。日本对此进行了详细的试验研究，并成功地运用在高速铁路上。为提高车轴疲劳强度，高速铁路车轴采用S38C碳素钢经调质处理后，再沿车轴纵向进行表面感应加热淬火。在淬硬层内获得非常细的马氏体组织，使表面强度显著提高，同时产生压缩残余应力。表层的硬化就可以提高车轴的耐磨性和抗冲击性；通过产生的压缩残余应力，更能提高车轴的疲劳强度。试验结果表面，淬硬层越深，疲劳强度愈大。

    高频淬火是利用钢铁材料等磁性体涡流的集肤效应进行淬火的方法。在要进行高频淬火的工件上缠绕线圈，一旦接通高频交流电流，工件就会产生感应电流（涡流），这个涡流只流过工件的表面层，通过线圈的交流电频率越高，就越能在工件的表层集中。表层的涡流由于工件的热阻而发热，一般工件可加热到900℃左右。然后向加热部分喷水冷却。这样的高频淬火工艺有两个特征：1）可以只加热零件的表层再进行淬火；2）可以在限定的零件局部进行淬火。

    车轴高频淬火方式可有两种。一种是边移动线圈边加热车轴的所谓移动淬火部分，一种是固定线圈，只按固定状态进行加热的固定淬火部分。假如要对车轴全长淬火，就必须进行移动淬火。那么从轮座外轮毂端直到轴颈部的车轴直径变化较大的部分，移动淬火就会比较困难，可采用固定淬火。

    淬火指的是使金属组织实施50%以上的马氏体相变，车轴的表层100%变成马氏体组织。在高频淬火后，为了使金属组织稳定，并具有韧性，需要进行回火。一般回火温度越高，则韧性越好，但同时硬度降低，残余应力也会降低。高频淬火车轴一般重视由压缩残余应力所决定的疲劳强度，通常进行低温回火。

    日本的车轴高频淬火技术已日益成熟，其频率选择在10KHz左右，回火温度选择200℃～230℃，淬硬层可达10mm。表层可得到致密的马氏体组织，使硬度升高到600HV。距表层10mm的位置组织为铁素体+珠光体，硬度达200HV。

    车轴高频淬火强化技术在我国尚未使用，还有待进一步试验、研究。

车轴用合金钢强化技术

    依据欧洲标准，高速铁路采用合金钢车轴，常选用25CrMo4、30CrNi3、30CrMoA等材质。其强化技术采用车轴调质处理后，轮座部位喷钼，其余部位采用滚压表面强化。由于喷涂层与基体结合强度较小，滚压强化层较浅，对车轴的材质、喷涂及滚压工艺要求较高，成本亦较高。

    国内的车轴通常采用调质处理（或正火处理）后滚压强化处理。但其强化层较浅，硬度较低，对疲劳强度和耐磨性的改善十分有限。

车轴钢材的优化选择及其强化技术的展望

    ①通过试验，提供我国高速铁路用车轴钢材的弯曲疲劳和接触疲劳极限数据，以更好地指导车轴钢材的优化选择。

    ②为了提高铁路行车安全性，应降低车轴钢的含碳量，在降碳的同时，可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。

    ③综合考虑性能、资源和成本等多种因素，车轴钢成分设计中，在满足设计要求的组织和性能前提下，应控制Ni、Mo等合金元素的含量。

    ④车轴钢材的冶金质量十分重要。车轴钢冶炼时钢的纯度、非金属夹杂物的形态和分布、氢含量均须严格控制

    ⑤选择高速铁路用车轴钢材时，除了需要保证原材料具有良好的性能外，还要选择合适的热处理工艺，以确保车轴的机械强度性能和小的热处理变形。

    ⑥进一步研究高速铁路用车轴的强化技术，确保车轴良好的强度和韧性综合性能，这是提高我国高速铁路用车轴的承载能力和疲劳寿命的技术方向。  ■

（作者：晋西机器工业集团有限责任公司）