張曉峰　李樹(shù)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(chē)輪的熱處理

張曉峰李樹(shù)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(chē)輪。對(duì)于高硬度工業(yè)用車(chē)輪，42CrMo材質(zhì)的工藝性及使用性?xún)?yōu)于60鋼。

車(chē)輪；高硬度；熱處理工藝

工業(yè)用車(chē)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(chē)輪工作時(shí)，車(chē)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(chē)輪的主要失效形式。產(chǎn)生疲勞剝落的原因通常是車(chē)輪踏面有效硬化層深度薄[1]，導(dǎo)致硬化層與車(chē)輪基體過(guò)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(chē)輪快速磨耗主要與車(chē)輪和軌道接觸面硬度偏低有關(guān)。

為了提高行車(chē)輪的使用壽命，節(jié)約成本，用戶(hù)對(duì)行車(chē)輪的要求越來(lái)越苛刻，技術(shù)含量越來(lái)越高。現(xiàn)在國(guó)外及一些國(guó)內(nèi)外資企業(yè)所用的行車(chē)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(guò)度。本文針對(duì)踏面硬度50～55HRC的高硬度行車(chē)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(chē)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(chē)輪，淬火時(shí)需更大的淬火強(qiáng)度，同時(shí)大幅度增加了車(chē)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(duì)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(guò)真空脫氣處理，化學(xué)成分見(jiàn)表1。鋼錠經(jīng)鍛造成形后進(jìn)行后續(xù)熱處理。

表1　車(chē)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(chē)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(chē)輪完全浸入淬火介質(zhì)進(jìn)行冷卻?；鹧婕訜崤c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(kāi)裂。對(duì)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(chē)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(chē)輪的綜合使用性能。快速加熱淬火的溫度控制完全靠目測(cè)，偶然性大，容易淬裂且一致性差[1]?？梢?jiàn)，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(chē)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(chē)輪整體加熱、局部淬火的方式對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行噴淬，可有效降低車(chē)輪的淬火應(yīng)力及開(kāi)裂傾向，同時(shí)提高淬火介質(zhì)的淬火烈度，有助于提高車(chē)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(chē)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(chē)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(guò)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(kāi)裂。

(3)車(chē)輪整體加熱：預(yù)加工后的車(chē)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(chē)輪以30r/min的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與車(chē)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(jiàn)圖1)同時(shí)向車(chē)輪踏面及輪緣內(nèi)側(cè)面(見(jiàn)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(chē)輪開(kāi)裂，淬火后的車(chē)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(duì)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(chē)輪后，經(jīng)正火、粗加工、淬火前加熱、踏面及輪緣噴淬、回火對(duì)車(chē)輪進(jìn)行熱處理。正火溫度參照材料熱處理手冊(cè)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(jiàn)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(chē)輪采用里氏硬度計(jì)對(duì)車(chē)輪踏面及輪緣表面硬度進(jìn)行檢測(cè)。沿車(chē)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(cè)定》對(duì)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(jiàn)表3。酸浸形貌見(jiàn)圖4。

圖3　淬硬層深度測(cè)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?xún)?yōu)于60鋼，熱處理后獲得了更厚的淬硬層。淬火過(guò)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(chē)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(guò)渡，對(duì)于提高車(chē)輪抗疲勞剝落、耐磨性和延長(zhǎng)使用壽命方面有更大優(yōu)勢(shì)。

4　結(jié)論

(1)生產(chǎn)高硬度工業(yè)車(chē)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(duì)于高硬度車(chē)輪，42CrMo材質(zhì)擁有更深的淬硬層，且淬硬層與基體過(guò)渡平緩，其工藝性及使用性?xún)?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(chē)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(chē)輪。

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

[2]楊國(guó)維.淺談起重機(jī)車(chē)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(chē)輪軸材料與熱處理工藝研究工作。

TG162.7B