CN101821414B - 铁路车轮的处理 - Google Patents

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Abstract

一种处理钢制铁路车轮以在轮缘形成所需残余压应力分布的方法。概括来说对车轮从辐板到轮缘进行加热和淬火。首先加热车轮以在整个辐板和轮缘部分形成奥氏体。接着冷却车轮以在辐板部分形成贝氏体/马氏体。车轮被冷却以在轮缘的内部形成贝氏体/马氏体。将车轮冷却以在轮缘的外部冷却形成贝氏体/马氏体。

Description

铁路车轮的处理
技术领域
本发明涉及一种钢制铁路车轮的热处理，尤其是但不限于涉及使用马氏体相变产生所需的车轮残余应力分布的处理方法。
背景技术
铁路车轮的运转表面(车轮轮面)当支撑巨大的轮轴载荷时受到由于与铁轨接触而产生的接触应力和摩擦力而导致的恶劣环境的影响。在很多情况下，铁路车轮轮面通过刹车蹄也用作火车的刹车鼓，刹车蹄直接作用在车轮轮面上，因而使得车轮轮面受到剧烈的温度变化和热应力的影响。
所有这些因素导致了车轮轮面的退化，该退化的形式包括车轮轮面以及位于轮面下面的材料的不同程度的磨损、滚动接触疲劳和热疲劳。由于这种车轮轮面的退化，通常通过由表面加工材料以暴露出新的没有破坏的材料，并恢复所需的车轮轮面的轮廓来对车轮轮面定期更新。因此，车轮的外部，车轮轮面为最外表面的轮廓制造的足够厚，用以保证具有足够的结构支撑和用于通过加工来进行更新的额外的材料。
由于车轮轮面因疲劳而产生裂缝，车轮必须具有阻止这种裂缝传播的固有阻力，在大多数的铁路车轮中，该固有阻力通过在最容易开裂的区域具有足够刚性和残余压应力分布(材料的内力)的材料的组合物提供。特别是，为了抵抗在车轮轮面处和接近车轮轮面处产生的裂缝，轮缘外部的周向残余应力应该是可压缩的。例如经常采用涉及车轮轮面淬火工艺的一种热处理方式来达到上述分布，如US5899516所述。
在钢制车轮中产生残余压应力的传统方法适合于具有珠光体微结构而不是贝氏体、马氏体或者贝氏体-马氏体混合微结构的车轮。铁路车轮的热处理的传统方法在应用于具有马氏体微结构的车轮时，通常在轮缘的外部产生剧烈的、不想要的残余拉伸应力。这是因为从奥氏体温度(＞～700-950℃，取决于钢的成分)冷却的时候，珠光体钢和贝氏体/马氏体钢具有十分不同的特性。
本文中的术语“贝氏体/马氏体”指的是具有贝氏体、马氏体或贝体-马氏体混合微结构的钢。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的铁路车轮的热处理方法，或至少是一种已有方法的替换。
本发明的一个方面可以概括为一种钢制铁路车轮的处理方法，包括：(a)加热车轮，以在整个辐板和轮缘上都形成奥氏体，(b)冷却，以在外辐板部形成贝氏体/马氏体，(c)冷却，以在轮缘内部形成贝氏体/马氏体，(d)冷却，以在轮缘外部形成贝氏体/马氏体。
依次实施步骤(a)到(d)以在外轮缘部产生残余压应力。优选的外辐板部淬火冷却2到15分钟之间，更优选的在5到10分钟之间。优选的内轮缘部淬火冷却在2到15分钟之间，更优选的在5到10分钟之间。优选的轮缘外部冷却到室温或者可选择回火1到4小时。
本发明的另一个方面为一种钢制铁路车轮的处理方法，包括：(a)加热车轮到奥氏体相变温度之上，(b)将车轮的外辐板部冷却到低于马氏体起始温度，(c)将轮缘内部冷却到低于马氏体起始温度，(d)将轮缘外部冷却到低于马氏体起始温度。
本发明的再一个方面为已经经过根据前述任一权利要求所述的方法处理过的钢制铁路车轮。该车轮优选的包括具有贝氏体、马氏体或者贝氏体-马氏体混合微结构的轮缘部分，在轮缘的外部具有显著的周向压应力。
该钢铁优选的组份范围是：0.05-0.3％C，3.00-5.00％Mn，0.45-1.85％Si，(都是重量比，没有超过0.05％wt的其他合金添加剂)。其他成份的范围也适于根据这些方法处理过的车轮。
本发明也包括本说明书中指出的特征组合的替换。所有这些等效特征被视为包括其中。
附图说明
本发明的优选实施例将通过附图被描述，其中：
图1所示为典型的铁路车轮的横截面，
图2所示为钢材的简单相温度图，
图3所示为铁路车轮中合适的应力分布图，
图4所示为该分布如何从车轮轮面开始随着深度变化，
图5所示为车轮的辐板部分的冷却，
图6所示为车轮辐板和轮缘部分的冷却，以及
图7所示为典型的淬火设备。
具体实施方式
参考附图，可以理解，本发明可以在不同车轮上以不同的方式实施。此处给出的实施例仅为示例。
图1所示为钢制铁路车轮的主要部分。轮毂10支撑轮轴，而车轮轮面11提供与铁轨的接触，凸缘12防止在铁轨上的横向移动。轮缘13支撑车轮轮面和凸缘，而辐板14连接轮毂和轮缘。在世界上的铁路工业界内，这种通用形式的形状具有一些不同的变化，但大体上是标准的。
图2示意性的示出了在将钢从奥氏体温度冷却到珠光体微结构的过程中的主要原理，即为热收缩。正是钢材的这个收缩允许通过在车轮轮面喷水淬火而使用车轮淬火的传统工艺从而在轮缘外部形成残余压应力。该应力通常表示为“圆周的”，其表示轮缘圆周周围的压应力的主要分布。
然而，当钢材经从奥氏体温度冷却到贝氏体/马氏体的时候，钢材的热收缩伴随着大的相位改变，即马氏体相变。这是由于从奥氏体的面心立方体金属晶体结构到马氏体的体心四方结构的原子结构的相位变化而引起的。因此已知的对由马氏体/贝氏体钢制成的车轮进行淬火的过程趋向于在车轮轮面上产生拉伸应力。马氏体相变一般发生在300到500℃之间，起始(更高的)温度一般是300到450℃，取决于钢材成分。
图3和图4示意性的示出了钢制铁路车轮的所需的应力分布。该分布在轮缘的外部主要是压应力，而在整个内部主要为拉伸应力。这些部分之间的边缘区域的特性和分布是相似的，并取决于特定的车轮。
图5和图6示出了如何通过对具有贝氏体/马氏体微结构的车轮进行热处理以获得例如图3和图4中的分布。有限元电脑建模示出了，与传统的车轮轮面淬火工艺相比通过使用对车轮的不同部分进行的一系列的淬火工艺，有可能在车轮的外部产生所需的残余压应力分布。
对车轮实方施如下处理工艺：
1.车轮在炉子中加热到超过奥氏体温度(＞～700-950℃，取决于钢的成分)并在此温度下保持足以使整个钢材达到奥氏体结构的一段时间。
2.然后车轮从炉子中转移到淬火设备中。这种设备可以有多种形式，通常使车轮保持垂直或水平方向，并使车轮和设备相对旋转。
3.使用盐水、水、油、空气或者其池合适的介质对车轮辐板外部的一侧或两侧淬火，如图5所示。这个阶段持续2到15分钟，通常是5到10分钟，取决于车轮的尺寸和几何形状。
4.使用盐水、水、油、空气或者其他合适的介质对车轮轮缘内部的一侧或两侧淬火，如图6所示。优选的车轮辐板外部的一侧或两侧也被淬火。这个阶段持续2到15分钟，通常是5到10分钟，取决于车轮的尺寸和几何形状。
5.车轮从淬火装置中取出，冷却到室温，或进行1到4小时的回火/应力释放热处理。
6.车轮加工到最终尺寸，准备用于通常方法的装配。
图7示出了通常的淬火装置的细节。所示的车轮相对于具有一排喷雾嘴的淬火装置沿水平方向放置在操作台上。喷嘴按上述的顺序被操作，同时操作台使车轮相对于喷雾嘴旋转。电脑处理器按照储存在电子存储器内的程序操作喷嘴。本设备的结构，例如喷雾嘴的布置和操作可以有多种不同形式。
此处所述的过程适合于一定范围的贝氏体、马氏体或者混合的贝氏体-马氏体钢材，然而其通常准备用于如下组份的钢材：0.05-0.3％C，3.00-5.00％Mn，0.45-1.85％Si，(都是重量比，没有超过0.05％wt的其他合金添加物)。其他的组份，例如用Cr或者Mo代替Mn也是适用的。
这样的钢材能够产生贝氏体-马氏体微结构，其具有有用的机械性能，并能够提供更耐久、需要更少的维护并具有提高的安全性的铁路车轮。这种钢材的典型的机械性能如下所示。
车轮钢材的机械性能
Figure GSB00000998741000051

Claims (8)

1.一种处理钢制铁路车轮的方法，所述方法用于在车轮的轮缘部分的外部中产生压应力，所述方法包括依次进行如下步骤：
(a)加热车轮，从而在整个辐板部分和轮缘部分形成奥氏体，
(b)对辐板部分淬火，从而在辐板部分形成贝氏体/马氏体，
(c)对轮缘部分的内部淬火，从而在轮缘部分的内部中形成贝氏体/马氏体，以及
(d)对轮缘部分的外部淬火，从而在轮缘部分的外部中形成贝氏体/马氏体。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过淬火2到15分钟来冷却所述辐板部分的外部。
3.如权利要求2所述的方法，其中淬火进行5到10分钟。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过淬火2到15分钟来冷却所述轮缘部分的内部。
5.如权利要求4所述的方法，其中淬火进行5到10分钟。
6.如权利要求1所述的方法，其中将轮缘部分的外部冷却到室温或者可选择地回火1到4小时。
7.如权利要求1所述的方法，其中钢材具有如下范围的组份：0.05-0.3％重量百分比的C，3.00-5.00％重量百分比的Mn，0.45-1.85％重量百分比的Si，没有超过0.05％重量百分比的其他合金添加物。
8.一种处理钢制铁路车轮的方法，所述方法用于在车轮的轮缘的外部中产生压应力，所述方法包括依次进行如下步骤：
(a)将车轮加热到奥氏体相变温度以上，
(b)将车轮的辐板部分淬火到低于马氏体起始温度，
(c)将轮缘的内部淬火到低于马氏体起始温度，以及
(d)将轮缘的外部淬火到低于马氏体起始温度。
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