基础制动装置用杠杆销轴热处理工艺优化

张洪波 岳亮亮 冯宝林

（1、常州先进制造技术研究所，江苏 常州 213164 2、中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031）

1 问题的提出

基础制动装置是制动系统的执行机构，主要由制动缸、吊座、闸片托、杠杆、吊杆等部件组成，如图1 所示。基础制动装置通过杠杆将制动缸模块的运动转化为闸片托的夹紧运动，从而实现对制动盘制动功能。根据基础制动装置的原理可知销轴为制动杠杆传递制动力的的支撑点，现车运用过程中还需要承受振动冲击，因此，销轴是基础制动装置的关键受力件，但对入厂的销轴进行抽样和冲击试验发现销轴的冲击功偏低，不合格，使用时存在严重的安全隐患。若使用过程中销轴断裂，则整套基础制动装置失效，且有零部件脱落的风险。

图1 基础制动装置示意

2 原因分析

2.1 销轴的组织成分和力学性能

销轴的材料成分为1Cr17Ni2 钢，1Cr17Ni2 钢是一种用途广泛的马氏体不锈钢，它是在Cr17 型不锈钢的基础上添加1.5%-2.5%Ni 而发展起来的。其特点是在保留铁素体不锈钢耐腐蚀性的同时，又具有马氏体不锈钢的高强度，该钢是大型水轮发电机组和船用特种电机的轴、销、螺栓等部件的专用材料[1-2]。1Cr17Ni2 钢的熔点温度为1430℃-1510℃，Ac1 约810℃，Ar1约 780℃ ，Ms 约 357℃ ，Mf 约 140℃ 。 根 据 GB/T 1220-2007，1Cr17Ni2 钢化学成分如表1 所示。

表1 1Cr17Ni2 钢化学成分

经热处理的马氏体型不锈钢钢棒或试样的力学性能如表2所示。

表2 1Cr17Ni2 钢热处理后的钢棒或试样力学性能

2.2 销轴的热处理工艺分析

对于马氏体不锈钢，一般在淬火后还要进行回火处理，进行回火后马氏体型不行刚的拉伸性能得到提高，同时可以获得较高的屈服比与持久强度。回火后再马氏体型不锈钢的基体中过饱和固溶的碳元素以碳化物的形式析出，随时间逐渐形成稳定相[3]。

目前销轴的热处理工艺为980℃油淬火，保温2 小时后油冷，然后550℃回火，保温3 小时后油冷。经查阅资料发现1Cr17Ni2 不锈钢推荐的淬火加热温度为950℃-980℃，淬火后的组织为马氏体、少量的残留奥氏体和铁素体。若淬火温度超过1000℃，奥氏体中会大量溶解合金元素，γ 相区稳定元素的增多会使马氏体相变点降低，残留奥氏体和铁素体明显增多，进而导致硬度、冲击韧性和抗晶间腐蚀能力下降,如果淬火温度态度太低，则会使材料不能充分均匀的奥氏体化，从而降低1Cr17Ni2 不锈钢的耐腐蚀性，故目前销轴的淬火温度还是很合理的。

但是回火可选择高温回火、中温回火和低温回火，温度范围较宽，因此分别选取了300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃以及650℃共15 个回火温度进行对比试验，以求找出保证材料力学能性能的最佳回火温度。将热处理后的试样加工成GB/T2975-1998 标准规定的拉伸试样和梅氏冲击试样分别进行试验，试验后对多组试样取平均值的结果如表3 所示。

表3 不同回火温度下1Cr17Ni2 钢试样的力学性能

对表3 的数据分析可发现：

（1）随回火温度的提升，试样的延伸率逐步提高，抗拉强度在前期温度提高过程中基本稳定，在600℃后逐步下降，冲击吸收功随温度提高呈现先升高然后下降再升高的趋势。

（2）在475℃-550℃回火温度区间，1Cr17Ni2 不锈钢材料存在脆性区，冲击吸收功较低。

（3）回火温度在350℃左右时，冲击吸收功出现波峰，此时对应的抗拉强度和延伸率都较高，因此，相比较而言，350℃的回火温度较为合理。

基于此可得当前销轴的热处理工艺确实存在问题，淬火温度在合理范围内，但是回火温度较高直接导致了销轴的力学性能在材料脆性区，从而导致了冲击吸收功不合格。

3 销轴热处理工艺优化及验证

在了解了销轴的冲击功低下的原因之后，对销轴的淬火和回火热处理工艺进行优化，根据试验结果350℃时销轴材料的抗拉强度和延伸率都较高，冲击吸收功又处于波峰阶段，因此销轴优化后的热处理工艺为980℃油淬火，保温2 小时后油冷，回火温度为350℃，保温3 小时后油冷，将热处理后的样件加工成标准试样后进行拉伸试验和冲击试验。销轴热处理工艺优化前后的试验数据如表4 所示。

表4 销轴热处理优化前后后的钢棒或试样力学性能

销轴的热处理工艺优化后，抗拉强度和断后伸长率都在标准要求的合格范围内，冲击吸收功较之前有了显著提高，优化后的热处理工艺切实可行。

4 结论

基于销轴化学成分和力学性能，对销轴的热处理工艺过程进行分析，研究了不同回火温度下对销轴抗拉强度、延伸率和冲击吸收功的影响，发现了高温回火是导致销轴冲击吸收功低下的根本原因。通过对回火温度的调整，销轴的冲击吸收功得到了有效的改善，解决了销轴冲击吸收功不合格的质量问题，提高了整体效率和经济效益。