邱永紅，姜宇飛，李烊，劉科鑫

株洲九方裝備股份有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

車(chē)軸作為轉(zhuǎn)向架重要構(gòu)成部分，是列車(chē)行車(chē)安全的重要保障。車(chē)軸噴鉬作為車(chē)軸質(zhì)量保證的重要特殊工序，其作用是增加車(chē)軸輪座部位表面強(qiáng)度，防止表面磨損帶來(lái)的車(chē)軸裂損問(wèn)題。另外，噴涂可靠性是確保產(chǎn)品質(zhì)量，保證行車(chē)安全的重要條件。

2 線材火焰噴涂基本原理

線材火焰噴涂是采用氧乙炔燃燒火焰作為熱源，噴涂材料為鉬絲線材的熱噴涂方法。對(duì)鉬絲的加熱和霧化是借助火焰噴槍進(jìn)行的，如圖1、圖2所示[1，2]。噴槍通過(guò)虹吸頭分別引入乙炔、氧氣和壓縮空氣，乙炔和氧氣混合后在噴嘴出口處產(chǎn)生火焰，溫度可達(dá)3100℃。送絲輪帶動(dòng)鉬絲連續(xù)地通過(guò)噴嘴中心送入火焰，在火焰中受熱熔化，壓縮空氣經(jīng)空氣帽形成的高速氣流，焰流速度為150～250m/s（與噴嘴結(jié)構(gòu)、氣流參數(shù)等因素有關(guān)），熔化的鉬滴在焰流中可被加速到100～130m/s。熔化的鉬絲霧化成細(xì)微的顆粒，在火焰和高速氣流的推動(dòng)下，熔融顆粒噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的車(chē)軸輪座表面形成鉬涂層。

圖1 線材火焰噴涂原理

圖2 線材火焰噴涂現(xiàn)場(chǎng)

3 前期調(diào)研

我公司于2008年開(kāi)始引進(jìn)德國(guó)火焰絲材軌道交通車(chē)軸輪座噴鉬加工技術(shù)。由于目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有鐵路車(chē)軸輪座部位的噴鉬處理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以主要參照德國(guó)BN 918 260《車(chē)軸輪座部位的噴鉬處理》鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，其主要技術(shù)指標(biāo)有：為防止裂紋，要求噴涂厚度不允許超過(guò)0.5mm，加工后成品鉬層厚度要求在0.15～0.35mm內(nèi)；黏附剪切強(qiáng)度在與車(chē)軸等同條件下噴制3個(gè)試棒、9個(gè)剪切環(huán)，其黏附剪切強(qiáng)度平均值必須≥40MPa，且不允許任何一個(gè)值低于30MPa；鉬層加工后表面粗糙度值（Ra）最大為3.2μm。

經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)積累，我公司噴鉬技術(shù)已日益成熟，試棒黏附剪切強(qiáng)度平均值達(dá)到了60～90MPa，9個(gè)剪切環(huán)中的最低黏附剪切強(qiáng)度≥40MPa，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，年噴鉬車(chē)軸達(dá)7000余件。但我公司僅負(fù)責(zé)噴鉬單工序加工，噴鉬前與噴鉬后均由不同供應(yīng)商、用戶負(fù)責(zé)，而噴鉬車(chē)軸最終成品加工合格率與前、后工序均有關(guān)聯(lián)，因此在最終用戶輪座磨削加工后合格率一直穩(wěn)定在96%～97%。鉬層不合格車(chē)軸原因，主要是車(chē)軸產(chǎn)品在加工過(guò)程中出現(xiàn)鉬層脫落、鉬層缺陷后的返工現(xiàn)象。其中輪座部位兩頭鉬層脫落占主要部分，尤其是城軌類(lèi)機(jī)車(chē)車(chē)軸。本文主要針對(duì)城軌類(lèi)機(jī)車(chē)車(chē)軸輪座部位噴鉬后加工過(guò)程中出現(xiàn)的兩頭鉬層脫落問(wèn)題，與前工序供應(yīng)商及后工序中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司技術(shù)人員一起進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

軌道交通車(chē)軸輪座噴鉬加工基本工藝路線：車(chē)軸半精車(chē)（供應(yīng)商加工）→噴鉬（我公司加工）→輪座兩頭圓弧車(chē)削（用戶加工）→輪座兩頭圓弧滾壓（用戶加工）→輪座鉬層外圓磨削（用戶加工）。經(jīng)反饋，鉬層脫落基本發(fā)生在輪座端部鉬層外圓磨削過(guò)程中，脫落情況如圖3所示。

圖3 輪座端部鉬層脫落

經(jīng)過(guò)對(duì)磨削工序過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤和分析未發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，而對(duì)車(chē)削鉬層圓弧與滾壓圓弧兩道工序的跟蹤分析，認(rèn)為主要存在以下3方面問(wèn)題：①?lài)娿f過(guò)程中車(chē)軸輪座兩頭圓弧部位因防護(hù)不當(dāng)，兩頭圓弧均噴涂了鉬層，因此在后續(xù)圓弧去除鉬層的車(chē)削過(guò)程容易將輪座兩端鉬層連帶起來(lái)。②噴鉬前由于車(chē)軸輪座兩頭因外形突變，故造成噴鉬結(jié)合力差。③車(chē)削后的車(chē)軸輪座兩頭圓弧在滾壓加工過(guò)程中，如果滾輪滾壓到鉬層則容易將兩頭鉬層帶起。

4 技術(shù)攻關(guān)

針對(duì)上述問(wèn)題，我們從以下幾方面進(jìn)行攻關(guān)并改進(jìn)。

4.1 更改車(chē)軸輪座兩端圓弧倒角

城軌車(chē)軸成品輪座兩頭部位的設(shè)計(jì)要求是R1m m圓弧倒角過(guò)渡，以往均在噴鉬前車(chē)軸輪座兩頭半精車(chē)時(shí)也是按R1m m圓弧過(guò)渡，如圖4所示。但圓弧過(guò)渡尺寸較小，會(huì)導(dǎo)致以下3個(gè)問(wèn)題：①?lài)娚皶r(shí)角度處表面噴砂質(zhì)量無(wú)法保證。②噴鉬方向與車(chē)軸表面的突變降低了鉬層結(jié)合力。③后續(xù)圓弧車(chē)削時(shí)容易將端部鉬層帶起。

圖4 噴鉬前的原車(chē)軸

端部脫鉬問(wèn)題在個(gè)別新車(chē)型輪座兩端尺寸變化大的車(chē)軸上表現(xiàn)得特別突出，當(dāng)時(shí)該車(chē)型將近20%的產(chǎn)品出現(xiàn)了端部脫鉬現(xiàn)象。后續(xù)經(jīng)過(guò)工藝調(diào)整，將噴鉬前半精車(chē)R1mm圓弧過(guò)渡更改成R2mm圓弧過(guò)渡（見(jiàn)圖5），在后續(xù)車(chē)削時(shí)再將R2mm圓弧過(guò)渡車(chē)削成R1mm圓弧過(guò)渡。同時(shí)，對(duì)同類(lèi)型車(chē)軸也進(jìn)行了相同的工藝優(yōu)化。

圖5 噴鉬前優(yōu)化后的車(chē)軸

4.2 優(yōu)化噴砂工藝

（1）車(chē)軸噴砂表面粗糙度 因?yàn)椴僮髡叩膫鹘y(tǒng)觀念認(rèn)為表面粗糙度值越高，涂層結(jié)合強(qiáng)度也越高，所以車(chē)軸噴砂表面粗糙度值都超過(guò)了12.5μm，甚至達(dá)到了25μm以上。此外，操作過(guò)程也一直采用目測(cè)法判別噴砂后表面粗糙度，且操作者對(duì)于表面粗糙度理解也各有差別，導(dǎo)致這一工藝參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)與判斷，因此我公司就該情況展開(kāi)了相關(guān)技術(shù)攻關(guān)。

查閱相關(guān)資料表明，噴砂預(yù)處理表面粗糙度值與結(jié)合強(qiáng)度更接近于拋物線函數(shù)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，結(jié)合強(qiáng)度隨著表面粗糙度值變大而提升，然而達(dá)到峰值后結(jié)合強(qiáng)度反而隨著表面粗糙度值變大而下降。線材火焰噴涂中，噴砂表面粗糙度值與涂層結(jié)合強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)如圖6所示[3，4]。

由圖6可知，結(jié)合強(qiáng)度在表面粗糙度值約為10μm時(shí)達(dá)到最大，因此決定從改善噴砂表面粗糙度這一方向開(kāi)始進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新修訂，規(guī)定車(chē)軸噴砂表面粗糙度值為6.3～12.5μm。

圖6 噴砂表面粗糙度值與涂層結(jié)合強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)

表面噴砂規(guī)定用白口鑄鐵砂，幾年前采用的是G16型鑄鐵砂，噴砂后表面粗糙度值嚴(yán)重超標(biāo)，脫鉬現(xiàn)象也更嚴(yán)重。后來(lái)采用G18型鑄鐵砂，但在噴砂后僅用樣板檢測(cè)方式進(jìn)行過(guò)抽樣比對(duì)（見(jiàn)圖7）。本次我們通過(guò)粗糙度儀檢測(cè)（見(jiàn)圖8）后發(fā)現(xiàn)用G18型鑄鐵砂噴砂后表面粗糙度值約為25μm，因此本次在工藝上鑄鐵砂選用由原先G18型改成了G25型，同時(shí)對(duì)噴砂用氣壓及噴砂次數(shù)都進(jìn)行了規(guī)定，基本保障了車(chē)軸噴砂表面粗糙度值為6.3～12.5μm。

圖7 表面粗糙度樣板檢測(cè)

圖8 表面粗糙度儀檢測(cè)

（2）車(chē)軸噴砂角度 通過(guò)查閱相關(guān)資料和工藝驗(yàn)證，噴砂角度同樣會(huì)對(duì)表面粗糙度有直接影響。查看不同噴涂角度金相組織發(fā)現(xiàn)，噴砂角度為50°～70°時(shí)，車(chē)軸基材表面出現(xiàn)了“錨狀”結(jié)構(gòu)；噴砂角度為90°時(shí)，車(chē)軸基材表面的凹坑較陡峭，并且表現(xiàn)出“對(duì)稱(chēng)”的特征（見(jiàn)圖9）[5]。而表面“錨狀”結(jié)構(gòu)更有利于增加車(chē)軸鉬層結(jié)合力。

圖9 不同噴砂角度的基體截面形貌

針對(duì)上述情況，決定將噴砂工藝角度從原有90°垂直噴砂改為兩頭45°～65°，中間變換方向（見(jiàn)圖10），且噴射速度需慢速均勻。

圖10 噴砂方向示意

通過(guò)改變噴砂角度的方法，使得車(chē)軸輪座表面在噴砂后形成“錨狀”結(jié)構(gòu)[6]，且車(chē)軸兩頭噴砂方向與圓弧切削方向相同，改善了因切削圓弧鉬層時(shí)將軸身鉬層連帶起來(lái)的情況，尤其是與車(chē)輪壓入方向一致，更有利于防止車(chē)輪壓裝時(shí)鉬層脫落。同時(shí)經(jīng)噴鉬試棒驗(yàn)證，在其他同等條件下，當(dāng)噴砂角度與剪壓方向一致時(shí)，剪切強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高，這樣可重點(diǎn)保證兩頭端部鉬層的結(jié)合力。

（3）車(chē)軸噴砂后表面清理 噴砂后的車(chē)軸基體表面已是預(yù)處理完畢的表面，按照熱噴涂技術(shù)要求，其表面應(yīng)保持干凈整潔，保證噴涂時(shí)熔融顆粒與基體表面微觀凹坑擁有足夠的結(jié)合強(qiáng)度。而仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，已噴砂車(chē)軸表面沾有細(xì)小顆粒和灰塵。

經(jīng)分析研究，細(xì)小顆粒和灰塵的成分是與白口鑄鐵砂一致的馬氏體組織及車(chē)軸噴熔物（見(jiàn)圖11），是由細(xì)小鑄鐵砂經(jīng)高壓打擊后部分鐵砂碎裂成更加細(xì)小的顆粒與粉塵。由于噴砂后表面微觀顯示由細(xì)小凹坑組成，所以造成碎裂后細(xì)小的顆粒和粉塵鑲嵌在噴砂后車(chē)軸表面凹坑內(nèi)而形成。經(jīng)工藝驗(yàn)證，操作者在噴砂完畢后，先使用細(xì)小鋼絲刷將車(chē)軸表面大顆粒殘留物清理干凈，然后使用壓縮空氣，仔細(xì)緩慢地清理車(chē)軸噴砂表面，基本能清除干凈車(chē)軸表面沾有的細(xì)小顆粒和灰塵，滿足車(chē)軸表面噴鉬對(duì)清潔度的要求。

圖11 已噴砂車(chē)軸表面實(shí)物金相組織

（4）車(chē)軸噴鉬后保溫處理 車(chē)軸噴鉬完成后，因輪座表面經(jīng)過(guò)火焰噴涂后溫度遠(yuǎn)高于室溫，故需對(duì)噴鉬部位進(jìn)行保溫棉包裹保溫處理。但兩頭因軸徑尺寸變化大，輪座端部及圓弧處與保溫棉形成空隙，導(dǎo)致車(chē)軸輪座端部降溫過(guò)程中存在較大溫差，故易使輪座端部及相連的鉬層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及微裂紋，降低了輪座端部及相連鉬層的結(jié)合力，在后續(xù)車(chē)削加工和滾壓過(guò)程中容易導(dǎo)致鉬層起裂及脫落風(fēng)險(xiǎn)。

因此，合理的保溫處理，能夠減緩車(chē)軸的降溫速度和溫差，防止內(nèi)應(yīng)力影響涂層結(jié)合強(qiáng)度。為解決該問(wèn)題，待車(chē)軸噴鉬完成后，馬上使用保溫棉對(duì)車(chē)軸輪座部位進(jìn)行保溫，并使用扎帶扎緊兩頭，從而保證保溫效果（見(jiàn)圖12）。

圖12 車(chē)軸輪座噴鉬后保溫

（5）車(chē)軸鉬層過(guò)渡圓弧的車(chē)削、滾壓 車(chē)軸輪座部位噴鉬后，對(duì)輪座兩頭圓弧進(jìn)行的車(chē)削、滾壓加工過(guò)程是引起端部脫鉬的直接原因。原車(chē)削方式從輪座兩端未噴鉬處分層車(chē)削，將圓弧處鉬層車(chē)掉后在端部按成品圖加工R1mm倒角，導(dǎo)致車(chē)削力方向與輪座端部表面鉬層夾角大，存在端部鉬層起裂、脫落風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)因端部鉬層較厚，車(chē)削后在過(guò)渡圓弧處滾壓拋光時(shí)，也存在引起鉬層崩裂、脫落的風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖13）。

圖13 車(chē)削、滾壓后出現(xiàn)鉬層崩裂

針對(duì)上述問(wèn)題，采取了車(chē)軸輪座端部增大倒角并車(chē)削端部外徑鉬層導(dǎo)向角的方式處理，具體措施：①根據(jù)車(chē)軸磨削最終尺寸確定R1mm倒角起始位置，但按大于R1mm倒角圓弧進(jìn)行車(chē)削，確保車(chē)軸磨削完成后倒角長(zhǎng)度符合R1mm長(zhǎng)度要求。②倒角車(chē)削到位后繼續(xù)按6°車(chē)削倒角。通過(guò)該方式處理后，減少了車(chē)削方向與端部鉬層的夾角，同時(shí)也減薄了端部鉬層厚度，有效地改善了切削與滾壓加工導(dǎo)致的端部脫鉬問(wèn)題。經(jīng)計(jì)算和驗(yàn)證，目前我公司采取按R2mm車(chē)削倒圓角接6°倒角方式，基本能滿足要求，車(chē)削后效果如圖14所示。采用該方式效果是否明顯的關(guān)鍵點(diǎn)在于R2mm倒角的起始點(diǎn)控制，最直接的判定結(jié)果是需確保R2mm倒角有≥0.3mm長(zhǎng)的光軸長(zhǎng)度，防止?jié)L壓圓弧時(shí)滾壓到鉬層將鉬層壓裂。

圖14 改進(jìn)后的車(chē)削效果

5 結(jié)束語(yǔ)

1）將噴鉬前車(chē)軸輪座兩端與圓弧半徑R1mm增大為R2mm，使倒角處鉬層黏附變得較平緩，增加鉬層結(jié)合力。

2）改用G25白口鑄鐵砂后保障噴砂表面粗糙度值為8～12μm；改變輪座兩端部噴砂角度，形成有利于后續(xù)車(chē)削鉬層的“錨狀”噴砂表面；噴砂后用鋼絲刷清理，增加高壓純凈空氣以去除殘留在噴砂表面凹坑內(nèi)的細(xì)小砂粒，從而增加輪座部位端部的鉬層結(jié)合力。

3）車(chē)軸噴鉬后及時(shí)進(jìn)行保溫處理，通過(guò)扎緊兩頭保溫棉，防止輪座端部鉬層與本體因通風(fēng)冷卻不均勻和過(guò)快導(dǎo)致鉬層與本體間形成內(nèi)應(yīng)力，甚至微裂紋，從而影響后續(xù)鉬層加工。

4）通過(guò)增大圓弧半徑并接6°倒角后延長(zhǎng)車(chē)削長(zhǎng)度，減少了車(chē)削鉬層垂直分力，使鉬層不容易被帶起，同時(shí)防止后續(xù)滾壓時(shí)滾輪壓到厚鉬層時(shí)將鉬層壓裂。

通過(guò)我公司、供應(yīng)商及用戶三方技術(shù)人員共同努力，在上述改進(jìn)措施落實(shí)后，經(jīng)過(guò)近一年車(chē)軸噴鉬加工統(tǒng)計(jì)，基本解決了車(chē)軸噴鉬輪座部位兩頭脫鉬現(xiàn)象。在同等條件下對(duì)試棒進(jìn)行多次噴鉬驗(yàn)證，鉬層黏附剪切強(qiáng)度均完全滿足技術(shù)要求，有效地提高了車(chē)軸噴鉬質(zhì)量和穩(wěn)定性。目前，改進(jìn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各型車(chē)軸輪座噴鉬加工，該項(xiàng)目也獲得了2020年度公司科技創(chuàng)新二等獎(jiǎng)，同時(shí)也編制了公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“軌道交通車(chē)軸輪座噴鉬技術(shù)條件”。

車(chē)軸噴鉬屬于特殊工序，加工工序復(fù)雜，影響車(chē)軸噴鉬質(zhì)量除上述因素外，還有噴鉬用空氣質(zhì)量和壓力、氧氣和乙炔流量、流量比、壓力大小、鉬絲粗細(xì)、送絲速度、車(chē)軸轉(zhuǎn)速及噴鉬移動(dòng)速度等眾多因素。這里僅對(duì)當(dāng)前有重大改進(jìn)的部分項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，經(jīng)過(guò)這次的技術(shù)攻關(guān)，為今后技術(shù)提升、工藝分析積累了豐富和寶貴的經(jīng)驗(yàn)。