新型高硬度工業用車輪的熱處理

張曉峰　李樹林　李秋蘭　魏華成　賈托勝

(太原重工軌道交通設備有限公司研發中心，山西030032)

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新型高硬度工業用車輪的熱處理

張曉峰李樹林李秋蘭魏華成賈托勝

(太原重工軌道交通設備有限公司研發中心，山西030032)

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

車輪；高硬度；熱處理工藝

工業用車輪主要用于起重機械、港口機械、水電等大型設備的走行部件，是以上設備的關鍵零部件之一，也是易損件之一。車輪工作時，車輪踏面(與軌道接觸面)、輪緣內側面(導向用)與鋼軌滾動接觸，在較大的接觸應力與循環應力作用下容易產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]，導致硬化層與車輪基體過度區域產生塑性變形，導致裂紋的萌生并擴展，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。

為了提高行車輪的使用壽命，節約成本，用戶對行車輪的要求越來越苛刻，技術含量越來越高。現在國外及一些國內外資企業所用的行車輪踏面硬度(包括內側輪緣)高達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行了研究。

1　材料選擇及制備

工業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，淬火時需更大的淬火強度，同時大幅度增加了車輪的淬火應力。選材時，在保證材料有足夠淬硬性的前提下，應選用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，應適當增加鋼中可提高淬透性的Cr等殘余元素含量。選用42CrMo和60鋼進行試驗，原材料采用電爐冶煉，模鑄錠經過真空脫氣處理，化學成分見表1。鋼錠經鍛造成形后進行后續熱處理。

表1　車輪材料化學成分(質量分數，%)Table 1　Chemical composition of wheel(mass fraction, %)

2　熱處理方式及工藝參數確定

目前工業車輪所用的熱處理方式通常有表面淬火(火焰加熱、感應加熱等)、整體加熱淬火、快速加熱淬火等[2]，其共同特點是加熱后車輪完全浸入淬火介質進行冷卻。火焰加熱與感應加熱淬火同屬表面淬火，其共同點是淬硬層淺，且與基體硬度差異大，容易產生裂紋。此外，火焰加熱的不同淬火區域硬度均勻性差，而感應淬火加熱時輪緣根部產生的渦流比其它區域大，溫升快，溫度高，易導致輪緣開裂。對于常規整體加熱淬火，即使在采用一定保護措施下，也會使車輪除踏面區域外的其它部位(輻板、輪轂)不同程度產生硬化，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到上述要求。

2.1熱處理方式及步驟

為了克服現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行噴淬，可有效降低車輪的淬火應力及開裂傾向，同時提高淬火介質的淬火烈度，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—環形水管　3—進水口圖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—輪緣內側面 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，然后進行正火處理，使成分及組織均勻化，細化晶粒，優化基體性能，同時減小后續熱處理變形量。

(2)熱處理前預加工：正火后的車輪進行最終熱處理前預加工，踏面及輪緣內側單邊留取1.5mm加工余量，其余表面均單邊留取3mm加工余量，輪緣頂部尖角處應以圓弧過渡，圓弧半徑不得小于10mm，防止淬火時產生應力集中導致開裂。

(3)車輪整體加熱：預加工后的車輪在加熱爐內進行整體加熱，保溫足夠時間(根據輪型及裝爐量確定保溫時間)后出爐在淬火臺上進行淬火。

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

(5)回火：為防止車輪開裂，淬火后的車輪應立即入回火爐進行回火(目的是去除應力，并適當降低硬度)。根據不同輪型及硬度要求可對回火溫度及回火時間進行調整。

2.2熱處理工藝參數確定

將表1中兩爐試驗料鍛造成?710mm的車輪后，經正火、粗加工、淬火前加熱、踏面及輪緣噴淬、回火對車輪進行熱處理。正火溫度參照材料熱處理手冊確定，淬火加熱溫度根據兩種材質的相變點及實際設備特點確定，關鍵熱處理工藝參數見表2。

表2　關鍵熱處理工藝參數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對車輪踏面及輪緣表面硬度進行檢測。沿車輪徑向切取一截面試樣，利用3%硝酸酒精溶液進行酸浸試驗。按標準GB5617—2005《鋼的感應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行檢驗。表面硬度及淬硬層深度檢驗結果見表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

材質部位檢驗結果表面硬度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Figure 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到了50HRC以上，各部位淬硬層深度均≥4mm，且其酸浸試片上未發現淬火裂紋，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產生干涉，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鋼兩種材質的車輪采用整體加熱、踏面噴淬的方法均達到了既定技術要求，但總體而言，42CrMo材質在獲得高硬度的同時，可獲得較深的淬硬層，且整個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勢。

4　結論

(1)生產高硬度工業車輪時，如材料為碳素鋼，應適當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于60鋼。

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

[1]牛玉溫.起重機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.淺談起重機車輪的熱處理[J].太重技術導報，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