CN109266972B - 一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械制造领域，具体涉及一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法。技术方案如下：步骤1)选用钢材，钢材的化学成分质量百分比为:C 0.15～0.20，Si 0.7～1.17，Mn 1.2～2.2，Al 0.02～0.06，P 0.015～0.02，余量为Fe和不可避免的杂质；步骤2)利用所选钢材采用常规生产工艺制做尺寸合格的车轮轮辐和车轮轮辋；采用常规生产工艺将所述车轮轮辐和车轮轮辋合成为尺寸合格的车轮；步骤3)对所述车轮进行热处理，热处理工序为：首先将所述车轮加热到890‑910℃，出炉，在空气中冷却至780‑786℃时，入盐浴冷却淬火至175‑185℃，淬火后空冷至100℃以下热水洗。本发明制得的车轮外形尺寸符合标准要求，整体物理性能得到优化。

Description

一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体涉及一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法。

背景技术

制做钢制车轮时，车轮轮辐常规生产工艺包括：落料、冲中心孔及螺栓孔、旋压、冲风孔、扩螺栓孔、车削加工；车轮轮辋常规生产工艺包括：卷圆、闪光对焊、滚压、端切、复圆、扩口、滚型、扩涨整形、冲气门孔；车轮轮辐与车轮轮辋通过合成焊工序制成车轮。

目前钢制车轮传统制造工艺所使用的高强材料，普遍采用抗拉强度400MPa左右的材料，个别最高的也只有700MPa左右。主要原因：一是设备加工能力不足，二是高强材料焊接性能不好。

热处理是一种提高材料综合机械性能的方法，如果先进行车轮常规生产，再热处理，可解决设备加工能力不足、焊接性能不好、冷加工应力集中等问题，但整体车轮热处理变形控制难度大，适合热处理的材料成本高，专门为车轮生产所设计的热处理工艺尚属空白，因而该方法没有被车轮生产厂家所采用。

众所周之，钢在淬火过程中所发生的尺寸、形状变化是热处理工作面临的最困难的问题之一。与普通车轮相比，轻量化车轮的壁厚较薄，抗变形能力相对较弱。相变应力是热处理变形的主要原因，而合理利用淬火时内外层冷速差产生的热应力，可以最大限度的抵消相变应力造成的变形，这就需要我们找到一组淬火温度、冷却速度、降温幅度等工艺参数的最佳组合。此外，解决加热和冷却不均问题、选择适合的冷却介质、改进常规车轮生产工艺都是车轮热处理生产工艺中的全新课题。

发明内容

本发明提供一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法，制得的车轮外形尺寸符合标准要求，整体物理性能得到优化，抗拉强度为1300-1500MPa，屈服强度为800-900MPa，延伸率为12-15％，屈强比为60％，强塑积为19500MPa·％。

本发明的技术方案如下：

一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)选用钢材，钢材的化学成分质量百分比为:C 0.15～0.20，Si 0.7～1.17，Mn 1.2～2.2，Al 0.02～0.06，P 0.015～0.02，余量为Fe和不可避免的杂质；

步骤2)利用所选钢材采用常规生产工艺制做尺寸合格的车轮轮辐和车轮轮辋；采用常规生产工艺将所述车轮轮辐和车轮轮辋合成为尺寸合格的车轮；

步骤3)对所述车轮进行热处理，热处理工序为：首先将所述车轮加热到890-910℃，出炉，在空气中冷却至780-786℃时，入盐浴冷却淬火至175-185℃，淬火后空冷至100℃以下热水洗。

所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其优选方案为，所述步骤2)中，所述车轮轮辐的风孔处壁厚比同规格的普通车轮风孔处壁厚增加0.5-1.0mm。

所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其优选方案为，所述步骤2)中，车轮轮辋在闪光对焊工序后对焊缝进行退火处理。

所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其优选方案为，所述步骤2)中，扩涨整形工序的扩涨量不低于下料尺寸的1.4％。

所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其优选方案为，所述步骤2)中，在合成焊工序中，所用焊丝成分包括：C 0.15～0.20，Si 0.7～1.17，Mn 1.2～2.2。

所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其优选方案为，所述步骤3)中，加热炉为无氧步进式加热炉，车轮与车轮、车轮与炉壁间距≥200mm，加热保温时间为20-30min。

所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其优选方案为，所述步骤3)中，所述车轮送至175-185℃盐浴淬火机上方，距淬火液面20～30mm，辐底向下，水平放置，等待车轮轮辋轮缘在空气中温度降至780～786℃时，开启淬火盐液泵，使淬火盐液面上升，上升速度30mm/s，所述车轮完全没入淬火盐，至液面下100mm处，所述车轮绕其中心轴线旋转，旋转速度为10～15r/min，淬火并保温20-30min。

本发明的热处理工艺包括淬火阶段、配分阶段和终冷阶段，在奥氏体化之后淬火冷却到淬火温度(Ms和Mf之间)，部分转变为马氏体；然后加热到配分温度，通过配分，C原子从过饱和马氏体扩散到未转变奥氏体，降低了其马氏体转变温度Ms点，使得其冷却到室温后成为残余奥氏体；通过淬火配分工艺，钢组织中包括一定的残余奥氏体，使得钢在拉伸过程中既能保持较高的抗拉强度，又能保持较高的延伸率。

本发明的有益效果为：

1、本发明所选材料，不同于第二代高强材料，无稀有合金成份添加，成本低廉，尤其适用于QP工艺。

2、本发明的钢材中Si 0.07-1.17,Al 0.02-0.06,P 0.015-0.02，Al元素可以抑制渗碳体的析出，改善残余奥氏体的稳定性，有利于力学性能的改善，Al作为一种固溶强化元素，可以提高钢的强度；Si、P元素的固溶强化效果能够提高钢的强度。

3、解剖整轮进行全面检测，各部位物理性能一致，组织均匀，残留奥氏体含量为6-10％，改善了常规工艺焊接影响区的性能、解决了加工硬化造成的局部性能不佳问题，抗拉强度为1300-1500MPa，屈服强度为800-900MPa，延伸率为12-15％，屈强比为60％，薄弱点的强塑积由5700MPa·％提升至19500MPa·％。

4、本发明制造出的车轮，单轮重量降低了30-50％，节约了材料消耗和能源消耗，同时提升了运载量；通过疲劳检测，该车轮在采用规定参数150％的试验条件下，寿命也能达到国家标准的150％以上。

5、本发明中的热处理工序：车轮加热至奥氏体化温度后出炉，车轮轮辋轮缘在空气中缓慢冷却至780-786℃后，车轮内部组织均匀化，晶粒细化，再入盐浴进行淬火，由于淬火过程中温差减小，沿车轮圆周均匀形成板条状马氏体，不会引起零件变形，从而保证零件最终尺寸合格。780-786℃这个温度范围必须保证，高于786℃时，马氏体组织生成的过于剧烈，会引起零件变形，造成零件最终尺寸超差；780℃以下时，马氏体组织生成的过少，零件强度不达标，同时由于在空气中滞留时间过长，造成轮辋与轮辐温差增大，氧化加剧，淬火均匀性变差，导致变形加剧。

6、所述车轮轮辐的风孔处壁厚比同规格的普通车轮风孔处壁厚增加0.5-1.0mm，保证车轮整体支撑能力，增强车轮刚度，能够防止热处理时产生变形；扩涨整形工序的扩涨量不低于下料尺寸的1.4％，能够减小材料弹性变形系数，强化材料内部组织结构，减小车轮热处理的变形。

7、相变应力是热处理变形的主要原因，而合理利用淬火时内外层冷速差产生的热应力，可以最大限度的抵消相变应力造成的变形。本发明通过淬火温度、冷却速度、降温幅度等工艺参数的最佳组合，选择适合的冷却介质，解决加热和冷却不均问题，满足车轮热处理工艺的要求。

附图说明

图1为车轮轮辋截面视图；

图2为车轮轮辐主视图；

图3为车轮轮辐侧视图；

图4为车轮结构图；

图5为实施例中产品的金相组织显微图；

图6为实施例中产品的金相组织扫描电镜图；

图7为实施例中产品的精细结构图。

具体实施方式

一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)选用钢材，钢的化学成分质量百分含量为:C 0.19,Si 1.13,Mn1.76,Al0.04,P 0.018，余量为Fe和不可避免的杂质；所述钢材的抗拉强度为670MPa，屈服强度为450MPa；

步骤2)如图1-4所示，利用钢材采用常规生产工艺制做尺寸合格的车轮轮辐3，轮辐板料厚度9mm，加工后风孔4处厚度5.5mm，利用钢材采用常规生产工艺制做尺寸合格的车轮轮辋1，在闪光对焊工序后对焊缝进行退火，扩涨工序扩涨量25mm；车轮轮辐3与车轮轮辋1，采用合成焊工艺制做尺寸合格的车轮，焊丝成分为：C 0.18，Si1.14，Mn 1.74；

步骤3)对所述车轮进行热处理，将车轮于无氧步进式加热炉900℃加热；保温20分钟；将车轮送至180℃盐浴淬火机上方，车轮装夹到位使得待淬火车轮距淬火液面20mm，辐底向下，水平放置，等待车轮轮辋轮缘2在空气中温度降至783℃，同时开启淬火盐液泵，使液面上升，上升速度30mm/s，车轮完全没入淬火盐，至液面下100mm处，装夹装置带动车轮绕其中心轴线旋转，旋转速度为10r/min，淬火并保温25min；淬火后空冷至90℃，热水清洗。

制得的车轮抗拉强度达到1410MPa，屈服强度达845MPa，实测动平衡和关键部位尺寸完全符合技术要求，圆周跳动比热处理前有所改善；其内部组织如图5-7所示，为马氏体和残余奥氏体，残余奥氏体含量为8％；板条状马氏体和薄膜状奥氏体组织保证了钢的高强度与高韧性；通过解剖整轮，全面检验，各部位物理性能一致，无焊接热影响区，无加工硬化造成的延伸率过低等问题；通过疲劳检测，该车轮在采用规定参数150％的试验条件下，寿命仍达到国家标准的150％以上，但重量只相当于同规格普通车轮的55％。

Claims (3)

1.一种1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）选用钢材，钢材的化学成分质量百分比为: C 0.15~0.20；Si 0.7~1.17；Mn 1.2~2.2；Al 0.02~0.06；P 0.015~0.02，余量为Fe和不可避免的杂质；

步骤2）利用所选钢材采用常规生产工艺制做尺寸合格的车轮轮辐和车轮轮辋；采用常规生产工艺将所述车轮轮辐和车轮轮辋合成为尺寸合格的车轮；所述车轮轮辐的风孔处壁厚比同规格的普通车轮风孔处壁厚增加0.5-1.0mm；扩涨整形工序的扩涨量不低于下料尺寸的1.4%；

步骤3）对所述车轮进行热处理，热处理工序为：首先将所述车轮加热到890-910℃，出炉，在空气中冷却至780-786℃时，入盐浴冷却淬火至175-185℃，淬火后空冷至100℃以下热水洗；加热炉为无氧步进式加热炉，车轮与车轮、车轮与炉壁间距≥200mm，加热保温时间为20-30min；所述车轮送至175-185℃盐浴淬火机上方，距淬火液面20~30mm，辐底向下，水平放置，等待车轮轮辋轮缘在空气中温度降至780-786℃时，开启淬火盐液泵，使淬火盐液面上升，上升速度30mm/s，所述车轮完全没入淬火盐，至液面下100mm处，所述车轮绕其中心轴线旋转，旋转速度为10~15r/min，淬火并保温20-30min。

2.根据权利要求1所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，车轮轮辋在闪光对焊工序后对焊缝进行退火处理。

3.根据权利要求1所述的1400MPa级别热处理车轮的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，在合成焊工序中，所用焊丝成分包括：C 0.15~0.20，Si 0.7~1.17，Mn 1.2~2.2。

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