高硬度車輪在熱處理中關(guān)鍵元素的控制

王 翔，國新春，寧 珅，朱 明

（寶武集團(tuán)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(yīng)用，從改善和提高車輪使用性能的角度出發(fā)，國外用戶提出了硬度范圍≥360 HB高等級(jí)車輪。按照生產(chǎn)工序，車輪在熱處理后要先進(jìn)行硬度抽檢，如抽檢不合格，將導(dǎo)致整批的車輪熱處理后不能正常轉(zhuǎn)入下道工序，車輪將被迫進(jìn)行二次熱處理，使寶武集團(tuán)馬鋼交材科技有限公司（全文簡稱馬鋼）生產(chǎn)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(huán)節(jié)進(jìn)行分析，形成可靠的高硬度車輪熱處理工藝，達(dá)到客戶的期望值，同時(shí)也降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。

1 材質(zhì)要求

車輪的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輪的剖面圖

高強(qiáng)硬度車輪的材質(zhì)通常為AAR M107/M208標(biāo)準(zhǔn)中的C級(jí)，但客戶對車輪強(qiáng)硬度指標(biāo)有更高的要求，完全依靠碳的強(qiáng)化作用已難有所作為，必須采用適當(dāng)?shù)暮辖穑鶕?jù)相關(guān)研究結(jié)果表明適當(dāng)提高Si、Cr、V合金含量，對材料塑性指標(biāo)影響較小，但材料強(qiáng)硬度會(huì)有一定提高[1-2]。所以，提高Si-Cr-V含量來實(shí)現(xiàn)客戶對高硬度車輪硬度指標(biāo)的要求。

2 熱處理過程中關(guān)鍵控制

2.1 車輪熱處理過程描述

車輪熱處理工序是實(shí)現(xiàn)車輪性能指標(biāo)的關(guān)鍵工序。要達(dá)到客戶要求的高硬度指標(biāo)，必須對熱處理嚴(yán)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(shí)間的控制

一般情況下，淬火加熱溫度及保溫時(shí)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(zhuǎn)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(dá)不到要求；加熱溫度過高，則奧氏體晶粒會(huì)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(dāng)提高釩含量，可阻止奧氏體晶粒長大，同時(shí)為了充分發(fā)揮釩元素彌散作用，根據(jù)含釩車輪研究結(jié)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(dòng)、開關(guān)爐門的熱量散失，適當(dāng)?shù)匮娱L加熱時(shí)間。

2.3 淬火時(shí)間和淬火介質(zhì)溫度的控制

車輪淬火過程是車輪在熱處理臺(tái)架上高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對車輪踏面進(jìn)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(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的溫度超過車輪正常回火溫度，將導(dǎo)致淬火后輪輞硬度的損失。這種現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是車輪未淬火后的部位傳動(dòng)的結(jié)果。為了減少“自回火”的影響，故有延長淬火時(shí)間，增加淬透深度，使淬透的質(zhì)量與未淬透質(zhì)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(yīng)控制在24℃以下。

圖3 車輪淬火圖

2.4 回火溫度及時(shí)間的控制

通過回火來改變淬火組織，以調(diào)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(shí)間關(guān)系較小。為保證回火充分、組織均勻、高硬度性能指標(biāo)要求，在回火工藝制定方面進(jìn)行了4輪回火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱處理試驗(yàn)結(jié)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(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著極其細(xì)小球狀碳化物或滲碳體的復(fù)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(nèi)部組織

3 結(jié)語

通過鋼坯微合金的調(diào)整和固化的熱處理工藝，不僅硬度可達(dá)到期望的性能指標(biāo)，同時(shí)金相組織也得到了很好的控制，可以實(shí)現(xiàn)高硬度車輪批量生產(chǎn)。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(jīng)濟(jì)效益。