車軸連續(xù)式熱處理爐熱處理曲線測定與分析

王 皓，吳 昊

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

車軸作為鐵路貨車的關(guān)鍵走行部件，其制造質(zhì)量直接影響鐵路貨車運(yùn)行安全可靠性。隨著鐵路貨車載重量的增加，對車軸的制造質(zhì)量提出了越來越高的要求。車軸的制造質(zhì)量除了與原材料質(zhì)量相關(guān)外，與車軸的熱處理質(zhì)量也密切相關(guān)，而熱處理過程的溫度一致性是保證車軸制造質(zhì)量一致性的重要因素[1-4]。

目前，為提高鐵路貨車車軸的性能一致性和制造效率，行業(yè)已普遍采用電加熱連續(xù)式熱處理進(jìn)行車軸熱處理[5-6]。通過車軸真實(shí)熱處理曲線的測定及相應(yīng)車軸的性能來評價和分析車軸制造質(zhì)量，車軸熱處理過程中真實(shí)熱處理曲線的測定是熱處理工藝制定的重要保障。

1 車軸連續(xù)式熱處理裝備

由于連續(xù)式熱處理爐具有爐膛截面積小，爐溫控制精度高，加熱均勻性高、能耗低；節(jié)拍化連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，制造成本低；少量產(chǎn)品分批冷卻，冷卻均勻、產(chǎn)品性能高、質(zhì)量一致性好；自動化程度高，勞動強(qiáng)度低，作業(yè)環(huán)境較好等優(yōu)點(diǎn)，因此，鐵路貨車行業(yè)的車軸熱處理已普遍采用懸掛鏈?zhǔn)诫娂訜徇B續(xù)式熱處理爐。我國長期使用的鐵路貨車車軸材料為LZ50鋼和AAR M101F級車軸鋼，兩種車軸材質(zhì)的熱處理工藝均為兩次正火+一次回火，兩次正火后均為風(fēng)冷。因此，該連續(xù)式熱處理爐按車軸的熱處理工藝和車軸的走行順序，將連續(xù)爐分為一次正火爐(8個加熱區(qū))+風(fēng)冷室+二次正火爐(6個區(qū))+風(fēng)冷室+回火爐(6個區(qū))+風(fēng)冷室的結(jié)構(gòu)，將爐體的截面分為上、中、下三個控溫和加熱區(qū)，以保證爐膛截面的溫度均勻性，見圖1。

圖1 車軸電加熱連續(xù)式熱處理爐Fig.1 Electric heating continuous heat treatment furnace for axle

2 熱處理曲線測定

為更好地評估車軸的性能一致性，本文將車軸劃分為五個部分，分別為上下軸頸、上下軸座和軸身。為實(shí)現(xiàn)車軸相應(yīng)部位力學(xué)性能和實(shí)際熱處理溫度的對應(yīng)，本文利用加裝熱電偶和外部測溫裝置的方式來測量車軸的實(shí)際溫度。為更好地測量車軸的實(shí)際溫度，在車軸相應(yīng)部位鉆孔，孔深直達(dá)車軸心部，在孔中預(yù)埋熱電偶，然后將孔口用玻璃纖維塞住，以此方式進(jìn)行托偶試驗(yàn)來獲得車軸相應(yīng)部位的溫度數(shù)據(jù)，并將電偶進(jìn)行相應(yīng)的編號，托偶軸見圖2。

圖2 托偶軸圖Fig.2 Axle with couple

2.1 初始測定

應(yīng)用對應(yīng)軟件分析初始測定的數(shù)據(jù)，如圖3、4、5分別為一次正火爐曲線、二次正火爐曲線和回火爐曲線，均為熱處理爐后四區(qū)保溫段曲線。從圖3可以看出，一次正火爐7區(qū)溫度呈鋸齒狀波動，爐膛上側(cè)溫度在5～7區(qū)均較低，僅在8區(qū)勉強(qiáng)達(dá)到設(shè)定溫度。因此，車軸上部的實(shí)際溫度很難達(dá)到工藝要求。

圖3 一次正火爐托偶曲線Fig.3 Couple curve of primary normalizing furnace

從圖4可以看出，二次正火爐后四區(qū)保溫段的溫差較大，在4區(qū)和5區(qū)的爐膛上側(cè)與中部溫度相差30 ℃，6區(qū)溫差為12 ℃。

圖4 二次正火爐托偶曲線Fig.4 Couple curve of secondary normalizing furnace

從圖5可以看出，回火爐也存在較大的溫差，爐膛上下溫差已達(dá)30 ℃，爐膛上側(cè)溫度較低。

圖5 回火爐托偶曲線Fig.5 Couple curve of tempering furnace

2.2 爐溫調(diào)整后的測定

根據(jù)初始測定的結(jié)果，進(jìn)行了爐溫調(diào)整后，再次進(jìn)行熱處理溫度測定，結(jié)果見圖6、7、8。經(jīng)過爐溫調(diào)整，一次正火爐、二次正火和回火爐的保溫段溫度都滿足了±10 ℃的工藝要求。

圖6 調(diào)整后一次正火爐托偶曲線Fig.6 Couple curve of primary normalizing furnace after adjustment

圖7 調(diào)整后二次正火爐托偶曲線Fig.7 Couple curve of secondary normalizing furnace after adjustment

圖8 調(diào)整后回火爐托偶曲線Fig.8 Couple curve of tempering furnace after adjustment

2.3 風(fēng)冷速率測定

風(fēng)冷速率是影響正火工件強(qiáng)度的重要因素，利用托偶試驗(yàn)實(shí)測車軸在一次風(fēng)冷室和二次風(fēng)冷室的冷卻曲線。一次風(fēng)冷室為一個區(qū)，冷卻時間為一個生產(chǎn)節(jié)拍，一次風(fēng)冷室冷卻曲線如圖9所示。一次風(fēng)冷車軸的冷卻過程明顯分為三個階段，高溫段冷速較高，中溫段冷速平緩，低溫段冷速加快。高溫段和中溫段冷速最快的部位均為下軸頸，冷速最慢的部位為上軸座；低溫段各部位冷速基本一致，下軸座處略低，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

圖9 一次風(fēng)冷室冷卻曲線Fig.9 Cooling curve of primary air cooling chamber

二次風(fēng)冷室為兩個區(qū)，冷卻時間為兩個生產(chǎn)節(jié)拍，二次風(fēng)冷室冷卻曲線如圖10所示。二次風(fēng)冷車軸的冷卻過程分為三個階段，冷卻規(guī)律與一次風(fēng)冷室大體一致。高溫段和中溫段冷速最快的部位均為下軸頸，冷速最慢的部位為上軸座，低溫段各部位冷速基本一致，上軸座處略高，下軸座處略低，見表2。

表2 二次風(fēng)冷數(shù)據(jù)表Table 2 Secondary air cooling data

圖10 二次風(fēng)冷室冷卻曲線Fig.10 Cooling curve of secondary air cooling chamber

3 車軸實(shí)物分析

為評估爐溫調(diào)整對車軸性能的影響，分別選取爐溫調(diào)整前后的車軸各一根，按照電偶的固定位置，對兩根車軸相應(yīng)部位的力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，性能對比結(jié)果見表3。爐溫調(diào)整前的車軸下軸座部位屈服強(qiáng)度不合格，爐溫調(diào)整后車軸各部位性能均合格，且有一定提升。

表3 車軸力學(xué)性能數(shù)據(jù)Table 3 Mechanical property data of Axle

4 結(jié)論

1)在實(shí)物車軸相應(yīng)部位鉆孔，預(yù)埋熱電偶的溫度測定方法能夠較好地反映出車軸實(shí)際的熱處理溫度，尤其是對連續(xù)式熱處理爐，對熱處理工藝的評估具有重要的意義。

2)經(jīng)過爐溫調(diào)整，使連續(xù)式熱處理爐的爐溫更好地滿足了工藝要求，提升了車軸產(chǎn)品的質(zhì)量一致性。

3)測得的風(fēng)冷曲線表明了車軸的實(shí)際冷卻曲線，較好地體現(xiàn)了車軸的冷卻過程，對于熱處理工藝改進(jìn)和產(chǎn)品性能提升具有較好的指導(dǎo)意義。

4)爐溫的均勻性對車軸的制造質(zhì)量至關(guān)重要，延長體的性能并不能完全代表車軸各部位的性能。