CN107586938B - 一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，包括将轧制、缓冷后的铁路车轮840～860℃淬火加热、出炉喷水冷却、500±10℃回火、890～910℃工频感应加热、压缩空气冷却工序，其目的是使车轮在保持原有力学性能的基础上，显著降低踏面近表层异常组织区深度，或完全消除异常组织层，以改善车轮的使用性能，降低切削加工成本。
Description
技术领域
本发明属于轨道车辆车轮热处理技术领域，涉及一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，尤其涉及一种对踏面下异常组织层深度有苛刻要求、运行时速≥250km、单根轴重16～17t动车组用车轮的热处理方法。
背景技术
目前，国内外铁路用辗钢整体车轮的热处理多采用整体加热、踏面喷射淬火工艺，以提高车轮轮辋的耐磨性，改善车轮轮辋的应力分布，获得必要的强韧性匹配，从而延长车轮的使用寿命。其中，踏面喷射淬火工艺基本上采用高水压、大水量的连续强制性冷却工艺，对已奥氏体化车轮轮辋踏面进行淬火冷却，冷却水水温15～32℃。在这种条件下，踏面近表层金属冷却速度极大，明显高于轮辋心部金属，达到10℃/s以上，超过钢的下临界冷却速度(完全珠光体转变温度)，必然导致踏面近表层区域内(踏面下10mm以内)异常组织的形成。
踏面下异常组织层由索氏体、贝氏体等组成，是一种混合组织层，较正常的细珠光体+铁素体组织硬而脆，在轮轨接触应力的作用下极易发生剥离、脱落，破坏车轮踏面的光洁度和完整性，需要通过镟修后才能继续使用，这就缩短了车轮的使用寿命。由于该异常组织层硬而脆的特点，使车轮在使用初期踏面难以发生适当的小变形，难以较快获得比较理想的轮轨接触几何匹配关系，导致车轮轮辋内部产生较大的剪切应力，增加发生早期接触疲劳损伤的几率。另外，为了消除或减少该异常组织层的不利影响，车轮制造后期需要进行较多的切削加工，这就增大了刀模具的损耗，使生产成本增大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，包括将轧制、缓冷后的铁路车轮淬火加热、出炉喷水冷却、回火、工频感应加热、压缩空气冷却工序，其目的是使车轮在保持原有力学性能的基础上，显著降低踏面近表层异常组织区深度，或完全消除异常组织层，以改善车轮的使用性能，降低切削加工成本。
本发明采取的技术方案为：
一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：
(1)将轧制、缓冷后的车轮于840～860℃加热；
(2)喷水冷却；
(3)将喷水冷却后的车轮经500±10℃回火处理，空冷至200℃以下；
(4)将步骤(3)所得车轮于890～910℃进行感应加热处理；
(5)停止感应加热，用压缩空气均匀吹扫车轮踏面至550℃以下，取出车轮，完成车轮热处理过程。
所述步骤(1)中的加热时间为2.5～3.0h。
所述步骤(2)中，水压为0.3～0.4MPa，流量为30～40L/min，喷水冷却时间为300s。常规淬火冷却工艺采用高压力、大流量的冷却水喷射车轮踏面进行连续强制性淬火冷却，由于淬火过程中踏面下10mm以内的近表层金属冷却速度极大，明显高于轮辋心部金属，达到10℃/s以上，超过钢的下临界冷却速度，即完全珠光体转变冷却速度，必然会导致踏面近表层区域异常组织的形成。
所述步骤(3)中，回火的保温时间为4h±10min。回火时间低于此范围则导致回火不充分，踏面近表层残留马氏体；回火时间高于此范围，则导致硬度的下降。
所述步骤(4)中进一步包括以下步骤：将步骤(3)所得车轮送入淬火加热感应器内，装夹到位使得待加热车轮距淬火感应器15～30mm，同时开启淬火机床带动车轮绕其轮毂孔中心轴线旋转，旋转速度为20～25r/min；接通电源，进行工频感应加热至890～910℃，电流透入深度为8～10mm，加热时间7～10min。此工艺下的感应加热良好，车轮受热均匀。
所述步骤(5)中，压缩空气的压强为0.7～0.9MPa，流量为30～50m3/min。喷嘴的流量随压强的增大而显著增大，压强偏低则导致冷却强度不够，车轮表面硬度低；压强过大，能显著提高冷却速度甚至使冷却速度达到钢的下临界冷却速度，但是会导致贝氏体组织产生，同时也增加了空压站设备的压力和能耗。
步骤(4)和步骤(5)中采用感应表面加热+压缩空气冷却工艺，将前三个步骤中形成的异常组织层快速重新加热至奥氏体化，然后采用冷却速度不及循环冷却水的压缩空气吹扫车轮踏面，此时踏面近表层金属的冷却速度略低于钢的下临界冷却速度，发生完全微细珠光体转变，达到“连续欠速软淬”的冷却效果。同时，感应加热受热层以外的轮辋内部金属处于“冷态”，踏面近表层金属的散热不仅受到压缩空气的影响，还受到轮辋内部“冷态”金属的热传导作用，两种冷却作用相互叠加，导致踏面近表层的冷却速度梯度减小，整个踏面近表层金属的冷却较为均匀。
“连续欠速软淬”的冷却效果不仅可以保证发生完全微细珠光体转变，还使车轮踏面的残余应力降低，有利于实际运行中轮轨间的接触匹配，改善车轮踏面抗接触疲劳性能，降低“早期剥离”发生几率。
所述的中碳低合金钢铁路车轮以质量百分比计包含下述组分：C 0.50～0.55；Si0.25～0.40；Mn 0.65～0.80；Cr 0.20～0.30；Cu≤0.15；Mo≤0.05；Ni≤0.15；V 0.010～0.025；S≤0.007；P≤0.007；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
优选为，C 0.52～0.53；Si 0.31～0.36；Mn 0.71～0.76；Cr 0.23～0.28；Cu≤0.10；Mo≤0.03；Ni≤0.10；V 0.016～0.022；S≤0.005；P≤0.005；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
以上C元素含量范围的设置主要兼顾硬度和异常组织深度；Si、Mn等合金元素能够保证车轮具有较强的抗损伤性能和强化效果。
本发明还提供了根据所述的热处理方法得到的中碳低合金钢铁路车轮，所述中碳低合金钢铁路车轮的踏面下10mm以内的组织为细珠光体+铁素体，铁素体含量为5.0～6.0％，其实际晶粒度细于8.5级。
与常规热处理工艺相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明在使车轮在保持原有力学性能的基础上，显著降低踏面近表层异常组织区深度，或完全消除异常组织层，以改善车轮的使用性能；
2)本发明公开的热处理方法使异常组织层得以减少或消除，因此减少了切削加工余量，降低了刀具的损耗，降低了投料重，提高了成材率。
附图说明
图1为实施例1中的中碳低合金钢铁路车轮踏面下2～3mm处珠光体+少量铁素体组织；
图2为对比例1中的中碳低合金钢铁路车轮踏面下2～3mm处索氏体组织(异常组织)；
图3为实施例2中的中碳低合金钢铁路车轮踏面下5～6mm处珠光体+少量铁素体组织；
图4为对比例2中的中碳低合金钢铁路车轮踏面下5～6mm处贝氏体组织(异常组织)；
图5为实施例1、实施例2与对比例1、对比例2车轮踏面近表层硬度变化趋势；
图6为实施例1、实施例2与对比例1、对比例2车轮磨耗失重对比。
具体实施方式
下面结合附图1-6、实施例1～2及对比例1～2对本发明作详细的说明。
实施例1
一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，中碳低合金钢铁路车轮的化学组分及重量百分比如表1中的实施例1所示，所述热处理方法包括以下步骤：
(1)将轧制、缓冷后的车轮送入淬火炉中，随炉升温至845℃，加热时间为2.5h；
(2)出炉送至卧式淬火台，喷水冷却300s，水压为0.35MPa，流量为35L/min；
(3)淬火结束后，将喷水冷却后的车轮送入回火炉中，随炉升温至500±10℃，保温4h，出炉自然空冷至200℃以下；
(4)回火结束后，将步骤(3)所得车轮送入淬火加热感应器内，装夹到位使得待加热车轮距淬火感应器25mm，同时开启淬火机床带动车轮绕其轮毂孔中心轴线旋转，旋转速度为20r/min；接通电源，进行工频感应加热至900℃，电流透入深度为8～10mm，加热时间9min，
(5)停止感应加热，用压强为0.85MPa、流量为45m3/min的压缩空气均匀吹扫车轮踏面至550℃以下，取出车轮，完成车轮热处理过程。
对比例1
一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，中碳低合金钢铁路车轮的化学组分及重量百分比如表1中的对比例1所示，所述热处理方法其他同实施例1，只是不进行感应加热及压缩空气冷却，即相对于实施例1省去了步骤(4)和步骤(5)。
车轮热处理结束后，对实施例1及对比例1车轮轮辋的力学性能、滚动接触磨损性能和踏面近表层金相组织进行检验，其中滚动接触磨损试验力为1000N、转速为800转/min、滑差率为0.75％，结果见表2、图1-图2和图5-图6。
由表2可以看出，实施例1车轮轮辋的力学性能与对比例1车轮保持相当的水平。按实施例1方法，可使车轮踏面下10mm以内的组织控制为细珠光体+铁素体，铁素体含量为5.1％，实际晶粒度细于8.5级，未见明显的贝氏体或其它异常组织，如图1所示。而对比例1车轮踏面近表层发现有异常组织层，深度7.6mm，如图2所示。
如图5所示，实施例1车轮自踏面向下硬度分布均匀，而对比例1车轮硬度分布趋势呈明显的“V”型特征，说明压缩空气起到了均匀组织的效果，且不降低踏面近表层的硬度水平。按实施例1获得的车轮在力学性能保持同等水平的前提下，提高了抗接触磨损性能，尤其是在轮轨接触磨合期完成后，车轮轮辋内部的耐磨性提高，具备更优良的综合使用性能，实施例1与对比例1车轮的磨耗失重对比如图6所示。
表1 各实施例及对比例的车轮的化学成分(质量百分比，wt％)
实施例2
一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，中碳低合金钢铁路车轮的化学组分及重量百分比如表1中的实施例2所示，所述热处理方法包括以下步骤：
(1)将轧制、缓冷后的车轮送入淬火炉中，随炉升温至855℃，加热时间为2.5h；
(2)出炉送至卧式淬火台，喷水冷却300s，水压为0.37MPa，流量为40L/min；
(3)淬火结束后，将喷水冷却后的车轮送入回火炉中，随炉升温至500±10℃，保温4h，出炉自然空冷至200℃以下；
(4)回火结束后，将步骤(3)所得车轮送入淬火加热感应器内，装夹到位使得待加热车轮距淬火感应器20mm，同时开启淬火机床带动车轮绕其轮毂孔中心轴线旋转，旋转速度为25r/min；接通电源，进行工频感应加热至910℃，电流透入深度为8～10mm，加热时间8min；
(5)停止感应加热，用压强为0.80MPa、流量为39m3/min的压缩空气均匀吹扫车轮踏面至550℃以下，取出车轮，完成车轮热处理过程。
对比例2
一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，中碳低合金钢铁路车轮的化学组分及重量百分比如表1中的对比例2所示，所述热处理方法其他同实施例2，只是不进行感应加热及压缩空气冷却，即相对于实施例2省去了步骤(4)和步骤(5)。
车轮热处理结束后，对实施例2及对比例2车轮轮辋的力学性能、滚动接触磨损性能和踏面近表层金相组织进行检验，其中滚动接触磨损试验力为1000N、转速为800转/min、滑差率为0.75％，结果见表2、图3-图6。
由表2可以看出，实施例2车轮轮辋的力学性能与对比例2车轮保持相当的水平。按实施例2方法，可使车轮踏面下10mm以内的组织控制为细珠光体+铁素体，铁素体含量为5.7％，实际晶粒度细于8.5级，未见明显的贝氏体或其它异常组织，如图3所示。而对比例2车轮踏面近表层发现有异常组织层，深度8.3mm，如图4所示。
如图5所示，实施例2车轮自踏面向下硬度分布均匀，而对比例2车轮硬度分布趋势呈明显的“V”型特征，说明压缩空气起到了均匀组织的效果，且不降低踏面近表层的硬度水平。按实施例2获得的车轮在力学性能保持同等水平的前提下，提高了抗接触磨损性能，尤其是在轮轨接触磨合期完成后，车轮轮辋内部的耐磨性提高，具备更优良的综合使用性能，实施例2与对比例2车轮的磨耗失重对比如图6所示。
表2 各实施例及对比例车轮轮辋力学性能及踏面近表层异常组织层深度
上述参照实施例对中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种中碳低合金钢铁路车轮的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：
（1）将轧制、缓冷后的车轮于840~860℃加热；
（2）喷水冷却；
（3）将喷水冷却后的车轮经500±10℃回火处理，空冷至200℃以下；
（4）将步骤（3）所得车轮于890~910℃进行感应加热处理；所述感应加热指的是工频感应加热，电流透入深度为8~10mm，加热时间7~10min；
（5）停止感应加热，用压缩空气均匀吹扫车轮踏面至550℃以下，取出车轮，完成车轮热处理过程；所述压缩空气的压强为0.7~0.9MPa ，流量为30~50m3/min。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中的加热时间为2.5~3.0h。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤（2）中，水压为0.3~0.4MPa，流量为30~40L/min，喷水冷却时间为300s。
4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤（3）中，回火的保温时间为4h±10min。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤（4）中进一步包括以下步骤：将步骤（3）所得车轮送入淬火加热感应器内，装夹到位使得待加热车轮距淬火感应器15~30mm，同时开启淬火机床带动车轮绕其轮毂孔中心轴线旋转，旋转速度为20~25r/min；接通电源，进行工频感应加热至890~910℃，电流透入深度为8~10mm，加热时间7~10min。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的热处理方法，其特征在于，所述的中碳低合金钢铁路车轮以质量百分比计包含下述组分：C 0.50~0.55；Si 0.25~0.40；Mn 0.65~0.80；Cr0.20~0.30；Cu ≤0.15；Mo ≤0.05；Ni ≤0.15；V 0.010~0.025；S ≤0.007；P ≤0.007；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的热处理方法，其特征在于，所述的中碳低合金钢铁路车轮以质量百分比计包含下述组分：C 0.52~0.53；Si 0.31~0.36；Mn 0.71~0.76；Cr0.23~0.28；Cu ≤0.10；Mo ≤0.03；Ni ≤0.10；V 0.016~0.022；S ≤0.005；P ≤0.005；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的热处理方法得到的中碳低合金钢铁路车轮，其特征在于，所述中碳低合金钢铁路车轮的踏面下10mm以内的组织为细珠光体+铁素体。
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