高硬度車輪在熱處理中關鍵元素的控制

王 翔，國新春，寧 珅，朱 明

（寶武集團馬鋼交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

近年來隨著重載礦車普遍應用，從改善和提高車輪使用性能的角度出發，國外用戶提出了硬度范圍≥360 HB高等級車輪。按照生產工序，車輪在熱處理后要先進行硬度抽檢，如抽檢不合格，將導致整批的車輪熱處理后不能正常轉入下道工序，車輪將被迫進行二次熱處理，使寶武集團馬鋼交材科技有限公司（全文簡稱馬鋼）生產成本大幅增加。

本文對在熱處理過程中可能影響車輪硬度環節進行分析，形成可靠的高硬度車輪熱處理工藝，達到客戶的期望值，同時也降低生產成本，提高生產率。

1 材質要求

車輪的剖面結構如圖1所示。

圖1 車輪的剖面圖

高強硬度車輪的材質通常為AAR M107/M208標準中的C級，但客戶對車輪強硬度指標有更高的要求，完全依靠碳的強化作用已難有所作為，必須采用適當的合金，根據相關研究結果表明適當提高Si、Cr、V合金含量，對材料塑性指標影響較小，但材料強硬度會有一定提高[1-2]。所以，提高Si-Cr-V含量來實現客戶對高硬度車輪硬度指標的要求。

2 熱處理過程中關鍵控制

2.1 車輪熱處理過程描述

車輪熱處理工序是實現車輪性能指標的關鍵工序。要達到客戶要求的高硬度指標，必須對熱處理嚴格控制。車輪熱處理過程包括淬火前加熱、淬火和回火。其熱處理工藝示意圖如圖2所示。

圖2 熱處理工藝示意圖

2.2 淬火加熱溫度及加熱時間的控制

一般情況下，淬火加熱溫度及保溫時間對車輪熱處理后的性能有著極大的影響。加熱溫度過低，則材料尚未完全奧氏體化，存在部分未轉變的鐵素體，淬火后鐵素體仍保留在淬火組織中，而鐵素體的硬度較低，從而使淬火后的硬度達不到要求；加熱溫度過高，則奧氏體晶粒會顯著粗大，淬火后組織晶粒也較粗大，造成硬度值降低。但在合金中適當提高釩含量，可阻止奧氏體晶粒長大，同時為了充分發揮釩元素彌散作用，根據含釩車輪研究結果，最佳加熱溫度880℃左右[3]。

為了提高車輪加熱的均勻性，避免因煤氣熱值波動、開關爐門的熱量散失，適當地延長加熱時間。

2.3 淬火時間和淬火介質溫度的控制

車輪淬火過程是車輪在熱處理臺架上高速旋轉，同時對車輪踏面進行噴水冷卻，如下頁圖3所示。車輪在淬火后，若未淬火的部分與淬火后的輪輞達到熱平衡狀態時的溫度超過車輪正常回火溫度，將導致淬火后輪輞硬度的損失。這種現象實質是車輪未淬火后的部位傳動的結果。為了減少“自回火”的影響，故有延長淬火時間，增加淬透深度，使淬透的質量與未淬透質量相近。為獲得車輪高硬度，車輪需快速冷卻，因此，淬火水溫要求應控制在24℃以下。

圖3 車輪淬火圖

2.4 回火溫度及時間的控制

通過回火來改變淬火組織，以調整和改善車輪的性能。一般來說，車輪的硬度大小取決于回火后的溫度，與回火時間關系較小。為保證回火充分、組織均勻、高硬度性能指標要求，在回火工藝制定方面進行了4輪回火試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 熱處理試驗結果

回火后的金相組織由表及里依次為：回火屈氏體（馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著極其細小球狀碳化物或滲碳體的復相組織）、貝氏體、珠光體+鐵素體，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 表層組織

圖6 5 mm處組織

圖7 內部組織

3 結語

通過鋼坯微合金的調整和固化的熱處理工藝，不僅硬度可達到期望的性能指標，同時金相組織也得到了很好的控制，可以實現高硬度車輪批量生產。隨著重載軸重不斷增加，高硬度車輪市場將占很重要的比例，將取得一定的經濟效益。