新型整體鑄鋼車(chē)輪熱處理工藝研究和試制

張杰勇

（中國(guó)北車(chē)集團(tuán)大同電力機(jī)車(chē)有限責(zé)任公司，山西大同 037000）

整體鑄鋼車(chē)輪制造工藝，是美國(guó)Griffin和Abex兩大公司，在60年代分別研究出來(lái)的。是對(duì)鐵路車(chē)輪輪型設(shè)計(jì)優(yōu)化和制造技術(shù)改進(jìn)的結(jié)晶，采用先進(jìn)的石墨型鑄造技術(shù)，得到了致密的金屬組織，車(chē)輪深盆型輻板和磨耗型踏面的設(shè)計(jì)，以及合理的輪輞淬火工藝，明顯地提高了車(chē)輪的使用壽命。經(jīng)過(guò)30多年實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，確認(rèn)新型整體鋼輪在任何條件下使用，都是安全可靠的，然而隨著鐵路運(yùn)輸高速重載的發(fā)展，對(duì)車(chē)輪提出了愈來(lái)愈高的要求，改進(jìn)和提高車(chē)輪熱處理淬火工藝水平，仍然是一個(gè)很重要的課題，我公司在新型整體鑄鋼車(chē)輪的研制過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)車(chē)輪進(jìn)行了車(chē)輪踏面，輪輞外側(cè)面兩面淬火和車(chē)輪踏面輪輞內(nèi)、外側(cè)面三面強(qiáng)化淬火工藝試驗(yàn)。車(chē)輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)均獲得了明顯的改善，綜合機(jī)械性能得到了提高，取得了良好的效果。

1 鐵路車(chē)輪的使用要求和質(zhì)量要求

車(chē)輪是機(jī)車(chē)車(chē)輛的重要零件，在運(yùn)行中支承著整個(gè)車(chē)廂的重量，運(yùn)行線路復(fù)雜，輪軌之間經(jīng)受著無(wú)數(shù)次摩擦和制動(dòng)，其環(huán)境溫度變化大等工況。因此，對(duì)車(chē)輪在制造過(guò)程中熱處理方面的質(zhì)量提出了很高的要求：

1）車(chē)輪輪輞部分具有良好的綜合機(jī)械性能，即高的強(qiáng)度和高的韌性。實(shí)踐證明，對(duì)強(qiáng)度、輪輞硬度的均勻性要求更為迫切。

2）車(chē)輪的踏面有較高的耐磨性、輪輞外側(cè)面有較強(qiáng)的抗輾堆和抗掉塊能力。輪緣部分的實(shí)際硬度值，被認(rèn)為是至關(guān)重要的。

3）要求輪輞部分存在有一定的殘余壓應(yīng)力。

4）輪轂與輻板及輪輞的過(guò)度區(qū)應(yīng)具有良好的性能。

2 車(chē)輪輪輞強(qiáng)化淬火裝置

我公司從研制新型整體鑄鋼車(chē)輪以來(lái)，設(shè)計(jì)了車(chē)輪輪輞強(qiáng)化淬火試驗(yàn)裝置。該裝置可對(duì)車(chē)輪踏面、輪輞外側(cè)面兩面淬火或車(chē)輪踏面、輪輞內(nèi)、外側(cè)面三面強(qiáng)化淬火。采用這種熱處理工藝試制后的車(chē)輪，進(jìn)行各種性能試驗(yàn)取得了良好的效果。

新型整體鑄鋼車(chē)輪淬火機(jī)構(gòu)，是根據(jù)車(chē)輪輪輞淬火工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。淬火時(shí)將車(chē)輪水平放置，且輪輞內(nèi)側(cè)面朝上（見(jiàn)圖1）。車(chē)輪的踏面、輪輞外側(cè)面和輪輞內(nèi)側(cè)面，可以同時(shí)接受?chē)娝慊稹?/p>

圖1 輪輞淬火[1]

在該淬火機(jī)構(gòu)上可分別實(shí)現(xiàn)幾種輪輞淬火工藝過(guò)程：

1）車(chē)輪踏面淬火。

2）車(chē)輪踏面、輪輞外側(cè)面兩面淬火。

3）車(chē)輪踏面、輪輞內(nèi)、外側(cè)三面強(qiáng)化淬火。

3 車(chē)輪強(qiáng)化淬火的工藝過(guò)程

首先將經(jīng)850℃正火后的車(chē)輪，在90 kW井式電爐中加熱到奧氏體溫度，保溫透燒后用專(zhuān)用中心吊具吊到淬火裝置，穩(wěn)穩(wěn)地放在托架上退出吊具，將踏面噴水環(huán)及外側(cè)面噴水環(huán)上升到位，內(nèi)側(cè)面噴水環(huán)下降，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)啟動(dòng)水泵，下、側(cè)兩面或上、下、側(cè)三面同時(shí)噴水。使車(chē)輪輪輞接受兩面或三面強(qiáng)化淬火。此時(shí)開(kāi)始用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，直到達(dá)到工藝要求淬火時(shí)間為止，關(guān)閉啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，使操作過(guò)程按鈕相反程序進(jìn)行，完成一個(gè)車(chē)輪的強(qiáng)化淬火操作循環(huán)，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化淬火后的車(chē)輪，在回火爐中進(jìn)行500℃以下回火。

在淬火裝置上車(chē)輪淬火技術(shù)的關(guān)鍵：

1）選用在噴嘴口裝有多孔蓋，控制噴水壓力，如果淬火介質(zhì)冷卻強(qiáng)度太大，會(huì)使車(chē)輪產(chǎn)生淬火裂紋和掉塊現(xiàn)象[2]。

2）在車(chē)輪輻板加蓋防護(hù)罩，防止淬火過(guò)程中冷卻介質(zhì)流入盆腔[3]。

3）用接觸式熱電偶測(cè)量車(chē)輪表面溫度，準(zhǔn)確控制淬火溫度在（840±10）℃.

4）用溫度計(jì)測(cè)量淬火介質(zhì)恰當(dāng)?shù)乜刂评鋮s水溫在(20±5）℃.

5）在輪輞淬火的同時(shí)，輻板得到良好的正火處理。

6）按不同的化學(xué)成分碳當(dāng)量，控制回火溫度為（480±10）℃，確保輪輞的硬度符合AAR標(biāo)準(zhǔn)。

在研制過(guò)程中，進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)及輪輞物理性能試驗(yàn)的車(chē)輪，一個(gè)采用車(chē)輪踏面、輪輞外側(cè)面兩面淬火工藝，車(chē)輪號(hào)為0015.另一個(gè)0017號(hào)車(chē)輪采用車(chē)輪踏面、輪輞內(nèi)、外側(cè)面三面同時(shí)噴火淬火（該工藝方法僅為工藝試驗(yàn)）。其代表車(chē)輪輻板性能的基爾試樣，經(jīng)正火加回火后的7個(gè)整體鑄鋼車(chē)輪的化學(xué)成分，力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2.

表1 7個(gè)整體鑄鋼車(chē)輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 7個(gè)車(chē)輪輻板性能的基爾試樣機(jī)械性能

車(chē)輪踏面及輪輞外側(cè)面兩面淬火加回火的0015號(hào)車(chē)輪和車(chē)輪踏面、輪輞內(nèi)、外側(cè)面三面淬火加回火的0017號(hào)工藝試驗(yàn)車(chē)輪，金相組織如圖2.高倍試樣取樣部位見(jiàn)圖3.

圖2 金相組織

圖3 試塊取樣位置[4]

從圖2金相組織可以看出，車(chē)輪踏面和輪輞外側(cè)面兩面淬火和車(chē)輪踏面、輪輞內(nèi)、外側(cè)面三面淬火后回火的產(chǎn)物均為回火索氏體或珠光體為主的組織，整個(gè)輪輞部分具有良好的綜合機(jī)械性能。為避免輻板進(jìn)水，在隨后的全部試驗(yàn)車(chē)輪均采用踏面和輪輞外側(cè)面淬火后回火的熱處理工藝。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，所有車(chē)輪都按美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。車(chē)輪的硬度測(cè)量：即在輪輞外側(cè)面上測(cè)量，壓痕邊緣與連接輪輞和踏面的圓弧之間的距離應(yīng)不小于3/16吋的布氏硬度為HB277～341。所有車(chē)輪的硬度檢驗(yàn)結(jié)果都符合美國(guó)ARR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。進(jìn)行各種性能試驗(yàn)和裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)的鑄鋼車(chē)輪的實(shí)際硬度值如表3所示。

表3 鑄鋼車(chē)輪的實(shí)際硬度值

兩個(gè)進(jìn)行工藝試驗(yàn)的車(chē)輪，按規(guī)定取樣部位進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，達(dá)到了GB8601-88對(duì)整體輾鋼A級(jí)輪的要求A級(jí)輪的要求見(jiàn)表4.

表4 整體輾鋼A級(jí)輪的要求

輪輞兩面淬火和輪輞三面強(qiáng)化淬火后回火的車(chē)輪實(shí)物解剖后，輪輞截面HB數(shù)值的分布情況見(jiàn)圖4，硬度梯度分布情況見(jiàn)圖5.

圖4 輪輞截面布氏硬度HB數(shù)值的分布情況[5]

從以上車(chē)輪輪輞解剖后的實(shí)際硬度值分布情況，以及輪輞的硬度梯度分析，整個(gè)輪輞的硬度較均勻，具有較合適的硬度梯度。這樣就明顯地提高了車(chē)輪的耐磨性和抗輾堆的能力。

車(chē)輪的疲勞破壞是由裂紋萌生開(kāi)始的，車(chē)輪輪輞經(jīng)淬火處理后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，是一種希望的應(yīng)力情況，這種周向的殘余應(yīng)力可以延緩或抑制熱裂紋的產(chǎn)生，一旦由于劇烈的制動(dòng)引起熱裂紋產(chǎn)生之后，輪輞部分的殘余壓應(yīng)力將限制橫向裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。一般沿經(jīng)向方向疲勞擴(kuò)展很慢，可能在繼續(xù)使用中逐漸磨耗掉，不會(huì)造成崩輪事故。這種現(xiàn)象已引起各國(guó)車(chē)輪設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和運(yùn)用部門(mén)的重視，國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC812-3《機(jī)車(chē)車(chē)輛用非合金整體輾鋼車(chē)輪供貨技術(shù)條件》，輪輞殘余壓應(yīng)力的檢驗(yàn)方法，是在車(chē)輪輪輞外側(cè)面厚度的中間處，沿圓周方向沖兩個(gè)相距100 mm的小孔，然后在兩沖孔的中間沿半徑方向從輪緣到輪轂孔進(jìn)行徑向切割（用火焰或機(jī)加工方法切割），切開(kāi)寬度應(yīng)不小于2 mm，當(dāng)車(chē)輪冷卻后測(cè)定兩沖點(diǎn)間的收縮量應(yīng)不小于1 mm.研制的鑄鋼輪都進(jìn)行輪輞淬火和輻板拋丸強(qiáng)化處理，進(jìn)行過(guò)4個(gè)車(chē)輪割缺口試驗(yàn)，回彈值均超過(guò)了1 mm.見(jiàn)表5.

圖5 硬度梯度分布情況

以上對(duì)新型整體鑄鋼車(chē)輪輪輞殘余應(yīng)力檢驗(yàn)結(jié)果表明，其輪輞沖點(diǎn)間的縮小量值已滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求。經(jīng)過(guò)靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度、輻板疲勞強(qiáng)度，制動(dòng)熱負(fù)荷等項(xiàng)目試驗(yàn)后，將力學(xué)性能符合AAR標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輪，在平頂山礦務(wù)局進(jìn)行裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)，其結(jié)果新型整體鑄鋼車(chē)輪與輾鋼車(chē)輪相比，踏面磨耗量較小，輪輞無(wú)輾邊和剝離現(xiàn)象。

本次工藝試驗(yàn)車(chē)輪與國(guó)內(nèi)、外輾鋼輪、國(guó)際A級(jí)、B級(jí)輾鋼輪的比較見(jiàn)表6.

表5 回彈均值

表6 車(chē)輪技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 論

1）新型整體鑄鋼車(chē)輪，采用車(chē)輪踏面、輪輞外側(cè)面兩面淬火后回火工藝是合理的。車(chē)輪輪輞硬度分布情況，力學(xué)性能符合AAR-M-208B級(jí)鑄鋼車(chē)輪標(biāo)準(zhǔn)要求。并達(dá)到國(guó)內(nèi)外輾鋼輪和鑄鋼輪的水平。

2）車(chē)輪輪輞有較合適的硬度梯度，在距踏面30mm內(nèi)的布氏硬度差值為25 HB.車(chē)輪輪輞的綜合機(jī)械性能較好，可以延長(zhǎng)車(chē)輪的使用壽命。

3）車(chē)輪輪輞的殘余應(yīng)力和斷裂力學(xué)性能良好，達(dá)到了輾鋼車(chē)輪的技術(shù)要求。

4）車(chē)輪淬火裝置設(shè)計(jì)方案是正確的，主要參數(shù)能夠滿足車(chē)輪熱處理工藝要求。

5）相同條件下使用新型整體鑄鋼車(chē)輪，可以大大節(jié)省能源，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和明顯的社會(huì)效益。

［1］戚正風(fēng).金屬熱處理原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］胡賡祥，錢(qián)苗根.金屬學(xué)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010.