新型高硬度工業(yè)用車輪的熱處理

張曉峰　李樹林　李秋蘭　魏華成　賈托勝

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司研發(fā)中心，山西030032)

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新型高硬度工業(yè)用車輪的熱處理

張曉峰李樹林李秋蘭魏華成賈托勝

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司研發(fā)中心，山西030032)

選擇42CrMo和60鋼作為試驗(yàn)材料，采用整體加熱、踏面噴淬的方式成功試制出了高性能工業(yè)車輪。對于高硬度工業(yè)用車輪，42CrMo材質(zhì)的工藝性及使用性優(yōu)于60鋼。

車輪；高硬度；熱處理工藝

工業(yè)用車輪主要用于起重機(jī)械、港口機(jī)械、水電等大型設(shè)備的走行部件，是以上設(shè)備的關(guān)鍵零部件之一，也是易損件之一。車輪工作時(shí)，車輪踏面(與軌道接觸面)、輪緣內(nèi)側(cè)面(導(dǎo)向用)與鋼軌滾動(dòng)接觸，在較大的接觸應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生疲勞剝落及快速磨損，因此，疲勞剝落及快速磨損是行車輪的主要失效形式。產(chǎn)生疲勞剝落的原因通常是車輪踏面有效硬化層深度薄[1]，導(dǎo)致硬化層與車輪基體過度區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致裂紋的萌生并擴(kuò)展，最終形成剝落。而車輪快速磨耗主要與車輪和軌道接觸面硬度偏低有關(guān)。

為了提高行車輪的使用壽命，節(jié)約成本，用戶對行車輪的要求越來越苛刻，技術(shù)含量越來越高。現(xiàn)在國外及一些國內(nèi)外資企業(yè)所用的行車輪踏面硬度(包括內(nèi)側(cè)輪緣)高達(dá)50HRC以上，要求淬硬層深度大于4mm，淬硬層需分布均勻，淬硬層與基體間硬度應(yīng)平緩過度。本文針對踏面硬度50～55HRC的高硬度行車輪的選材及熱處理工藝方面進(jìn)行了研究。

1　材料選擇及制備

工業(yè)用車輪常用的材料主要有42CrMo、65Mn、60鋼及70鋼等，踏面硬度通常為300～380HBW。踏面硬度大于50HRC以上的車輪，淬火時(shí)需更大的淬火強(qiáng)度，同時(shí)大幅度增加了車輪的淬火應(yīng)力。選材時(shí)，在保證材料有足夠淬硬性的前提下，應(yīng)選用C含量較低的材料。對于碳素鋼，為了獲得足夠的淬硬層深度，應(yīng)適當(dāng)增加鋼中可提高淬透性的Cr等殘余元素含量。選用42CrMo和60鋼進(jìn)行試驗(yàn)，原材料采用電爐冶煉，模鑄錠經(jīng)過真空脫氣處理，化學(xué)成分見表1。鋼錠經(jīng)鍛造成形后進(jìn)行后續(xù)熱處理。

表1　車輪材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition of wheel(mass fraction, %)

2　熱處理方式及工藝參數(shù)確定

目前工業(yè)車輪所用的熱處理方式通常有表面淬火(火焰加熱、感應(yīng)加熱等)、整體加熱淬火、快速加熱淬火等[2]，其共同特點(diǎn)是加熱后車輪完全浸入淬火介質(zhì)進(jìn)行冷卻。火焰加熱與感應(yīng)加熱淬火同屬表面淬火，其共同點(diǎn)是淬硬層淺，且與基體硬度差異大，容易產(chǎn)生裂紋。此外，火焰加熱的不同淬火區(qū)域硬度均勻性差，而感應(yīng)淬火加熱時(shí)輪緣根部產(chǎn)生的渦流比其它區(qū)域大，溫升快，溫度高，易導(dǎo)致輪緣開裂。對于常規(guī)整體加熱淬火，即使在采用一定保護(hù)措施下，也會(huì)使車輪除踏面區(qū)域外的其它部位(輻板、輪轂)不同程度產(chǎn)生硬化，從而降低車輪的綜合使用性能。快速加熱淬火的溫度控制完全靠目測，偶然性大，容易淬裂且一致性差[1]。可見，普通的熱處理方式很難達(dá)到上述要求。

2.1熱處理方式及步驟

為了克服現(xiàn)有行車輪熱處理方式存在的踏面硬度低、淬硬層深度淺的不足，采用車輪整體加熱、局部淬火的方式對車輪踏面進(jìn)行噴淬，可有效降低車輪的淬火應(yīng)力及開裂傾向，同時(shí)提高淬火介質(zhì)的淬火烈度，有助于提高車輪的踏面表面硬度及淬硬層深度。淬火所用工裝及淬火示意圖如圖1、圖2所示。熱處理步驟如下：

1—噴嘴　2—環(huán)形水管　3—進(jìn)水口圖1　淬火用工裝Figure 1　The tooling used for quenching process

1—成品　2—輪緣頂部倒角　3—輪緣內(nèi)側(cè)面 4—踏面　5—水流　6—噴嘴　7—粗加工毛坯圖2　淬火示意圖Figure 2　The diagram of quenching process

(1)預(yù)備熱處理：車輪鍛造后在緩冷坑或退火爐中堆垛冷卻，然后進(jìn)行正火處理，使成分及組織均勻化，細(xì)化晶粒，優(yōu)化基體性能，同時(shí)減小后續(xù)熱處理變形量。

(2)熱處理前預(yù)加工：正火后的車輪進(jìn)行最終熱處理前預(yù)加工，踏面及輪緣內(nèi)側(cè)單邊留取1.5mm加工余量，其余表面均單邊留取3mm加工余量，輪緣頂部尖角處應(yīng)以圓弧過渡，圓弧半徑不得小于10mm，防止淬火時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂。

(3)車輪整體加熱：預(yù)加工后的車輪在加熱爐內(nèi)進(jìn)行整體加熱，保溫足夠時(shí)間(根據(jù)輪型及裝爐量確定保溫時(shí)間)后出爐在淬火臺(tái)上進(jìn)行淬火。

(4)踏面局部淬火：淬火時(shí)，車輪以30r/min的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與車輪所在同一圓心的環(huán)形水管上均勻分布著的若干噴嘴(見圖1)同時(shí)向車輪踏面及輪緣內(nèi)側(cè)面(見圖2)噴射水流，使踏面迅速冷卻，根據(jù)不同輪型及淬硬深度調(diào)整噴水壓力及噴水時(shí)間。

(5)回火：為防止車輪開裂，淬火后的車輪應(yīng)立即入回火爐進(jìn)行回火(目的是去除應(yīng)力，并適當(dāng)降低硬度)。根據(jù)不同輪型及硬度要求可對回火溫度及回火時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

2.2熱處理工藝參數(shù)確定

將表1中兩爐試驗(yàn)料鍛造成?710mm的車輪后，經(jīng)正火、粗加工、淬火前加熱、踏面及輪緣噴淬、回火對車輪進(jìn)行熱處理。正火溫度參照材料熱處理手冊確定，淬火加熱溫度根據(jù)兩種材質(zhì)的相變點(diǎn)及實(shí)際設(shè)備特點(diǎn)確定，關(guān)鍵熱處理工藝參數(shù)見表2。

表2　關(guān)鍵熱處理工藝參數(shù)Table 2　The parameters of key heat treatment process

3　分析與討論

熱處理后的車輪采用里氏硬度計(jì)對車輪踏面及輪緣表面硬度進(jìn)行檢測。沿車輪徑向切取一截面試樣，利用3%硝酸酒精溶液進(jìn)行酸浸試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)GB5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》對圖3所示部位的淬硬層深度進(jìn)行檢驗(yàn)。表面硬度及淬硬層深度檢驗(yàn)結(jié)果見表3。酸浸形貌見圖4。

圖3　淬硬層深度測試部位Figure 3　The testing positionof hardening layer depth表3　表面硬度及淬硬層深度Table 3　The surface hardness andthe depth of hardening layer

材質(zhì)部位檢驗(yàn)結(jié)果表面硬度HRC淬硬層深度/mm42CrMo位置1(輪緣)位置2(輪緣根部)位置3(踏面)位置4(輪緣根部)位置5(輪緣)545153525312.57.013.78.611.260位置1(輪緣)位置2(輪緣根部)位置3(踏面)位置4(輪緣根部)位置5(輪緣)55535551546.14.26.74.87.5

圖4　酸浸低倍試片F(xiàn)igure 4　The acid pickled macroscopic test piece

可以看出，兩鋼種輪緣及踏面表面硬度均達(dá)到了50HRC以上，各部位淬硬層深度均≥4mm，且其酸浸試片上未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋，淬硬層分布均勻，特別是輪緣部位淬硬層厚度約為輪緣厚度的一半，保證輪緣具有足夠耐磨性和強(qiáng)韌性。42CrMo與60鋼相比，由于C含量低，表面硬度略低，但其淬透性優(yōu)于60鋼，熱處理后獲得了更厚的淬硬層。淬火過程中水流呈一定角度噴射到輪緣根部會(huì)產(chǎn)生干涉，降低了該部位的冷卻效果，使輪緣根部的表面硬度偏低，淬硬層深度較淺。

雖然42CrMo與60鋼兩種材質(zhì)的車輪采用整體加熱、踏面噴淬的方法均達(dá)到了既定技術(shù)要求，但總體而言，42CrMo材質(zhì)在獲得高硬度的同時(shí)，可獲得較深的淬硬層，且整個(gè)淬硬層與基體間硬度平緩過渡，對于提高車輪抗疲勞剝落、耐磨性和延長使用壽命方面有更大優(yōu)勢。

4　結(jié)論

(1)生產(chǎn)高硬度工業(yè)車輪時(shí)，如材料為碳素鋼，應(yīng)適當(dāng)增加鋼中可提高淬透性的Cr等殘余元素含量，以獲得較深的淬硬層。

(2)對于高硬度車輪，42CrMo材質(zhì)擁有更深的淬硬層，且淬硬層與基體過渡平緩，其工藝性及使用性優(yōu)于60鋼。

(3)采用整體加熱、踏面噴淬的方式解決了工業(yè)車輪常規(guī)淬火方式存在的不足，成功試制出踏面表面硬度50～55HRC的高性能工業(yè)車輪。

[1]牛玉溫.起重機(jī)用高硬度行車輪的熱處理[J].金屬加工(熱加工)，2011(15)：23-24.

[2]楊國維.淺談起重機(jī)車輪的熱處理[J].太重技術(shù)導(dǎo)報(bào)，1991(1):36-39.

編輯陳秀娟

HeatTreatmentProcessofHighHardnessNewIndustrialWheel

ZhangXiaofeng,LiShuilin,LiQiulan,WeiHuacheng,JiaTuosheng

Taking42CrMoand60steelasthetestmaterial,thehighperformanceindustrialwheelhasbeentrialmanufacturedsuccessfullybymeansoftheintegralheatingandthesprayquenchingonwheeltread.Forthehighhardnessindustrialwheel,theprocessingpropertyandtheoperationalperformanceof42CrMoarebetterthan60steel.

wheel;highhardness;heattreatmentprocess

2016—03—23

張曉峰(1988—)，男，助理工程師，從事火車輪軸材料與熱處理工藝研究工作。

TG162.7B