CN113088667B - 一种改善车轮残余应力的热处理方法及车轮 - Google Patents

一种改善车轮残余应力的热处理方法及车轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善车轮残余应力的热处理方法及车轮，所述热处理方法包括：在淬火过程中对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷；然后进行回火；本发明公开的改善车轮残余应力的热处理方法，可将车轮的残余应力控制在EN13262标准要求的范围内，使新制车轮和磨耗车轮的热力学特性评价一次性认证通过；并通过本发明摸索出车轮热处理之后车轮内部应力变化和变形规律，来指导车轮生产工艺的制定，改善车轮轮辋的周向残余应力，进一步提高车轮的行驶过程的安全性，更好地适应铁路系统提速、重载的发展需求。

Description

一种改善车轮残余应力的热处理方法及车轮
技术领域
本发明属于铁路车轮生产技术领域，具体涉及一种改善车轮残余应力的热处理方法及车轮。
背景技术
辗钢车轮经过压轧成形后需进行一系列的热处理工序。作为车轮生产工艺过程中重要工序之一的热处理过程，对车轮组织及产品内部的应力产生及分布具有重要作用，直接影响车轮的使用性能。特别是产品内部的残余应力状态对车轮运行过程中可能出现的车轮踏面裂纹形成、扩展及金属剥落有着重要的影响。
车轮产品的残余应力在轮型结构固定的情况下，主要是在车轮压轧成形后的淬火及回火热处理过程中形成的。热处理过程是一个温度、组织转变、应力三方面相互作用的复杂过程，导致车轮局部会发生塑性变形。当热处理过程结束后，车轮的内部应力所受到的温度场的作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在车轮内，形成车轮的残余应力。
EN13262标准对欧洲货车车轮产品内部的残余应力有着明确的规定，规定了车轮踏面下的周向残余压应力的大小及分布，把残余应力作为衡量车轮质量的重要标准之一，该标准中规定成品车轮运转表面上的周向残余压缩应力值σcrs需满足-200MPa≤σcrs≤-80MPa，在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善车轮残余应力的热处理方法经该热处理方法热处理的车轮，可满足EN13262标准的规定。
本发明的另一目的在于提供一种车轮，该车轮经本发明中所述的热处理方法热处理得到，该车轮具有优异的力学性能，且车轮运转表面上的周向残余应力压缩值可控制在-155MPa～-80MPa，在车轮磨损极限和磨损极限以下15mm(踏面下35mm-50mm)之间的区域轮辋的压缩应力值为零。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种改善车轮残余应力的热处理方法，所述热处理方法包括：在淬火过程中对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷；然后进行回火。
所述热处理方法具体包括：将车轮开始淬火前温度控制在820-880℃，在淬火过程中以0.3-0.8℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位，以1-2℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；然后经480-500℃回火。
所述车轮辐板终冷温度为400-600℃。
所述车轮轮辋终冷温度为200-300℃。
本发明提供的一种车轮，采用所述的热处理方法对所述车轮进行热处理，所述车轮包括以下重量百分比的化学成分C:0.52-0.60％、Si：0.15-0.40％、Mn：0.50-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr:0.15-0.40％，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述车轮运转表面上的周向残余应力压缩值为-155MPa～-80MPa，在车轮磨损极限和车轮踏面以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零。
所述车轮的热轧工艺中，钢坯送环形加热炉中加热并保温，加热温度1250-1300℃，保温时间200-360分钟，经车轮轧机轧制成车轮，开轧温度1080-1150℃，终轧温度850-950℃，经缓冷450～500分钟后，对车轮进行在线热处理。
所述车轮的热轧工艺中，钢坯送环形加热炉中加热并保温，加热温度优选为1280℃，保温时间优选为360分钟，经车轮轧机轧制成车轮，开轧温度优选为1120℃，终轧温度优选为900℃，经缓冷480分钟后，对车轮进行在线热处理。
所述车轮的力学性能为：Rm：940～1000MPa、A≥19.5％、踏面下35mm处硬度：280～310HB、常温冲击功≥18J、-20℃冲击功≥14J。
所述车轮的辐板的进行组织为铁素体+珠光体，其中铁素体的含量为19～35％；所述车轮的轮辋金相组织为铁素体+珠光体，其中铁素体的含量为2.5～4.0％。
本发明公开的改善车轮残余应力的热处理方法中，需在开始淬火前将车轮温度控制在820-880℃，当开冷温度高于880℃时，车轮轮辋表层受到冷却水的激冷，温度迅速降低；过快的冷速将使车轮表层及表层下方一定深度内产生贝氏体、马氏体等异常组织，需加大设计余量予以消除；当低于820℃时，车轮的内部仍可能保留轧态组织，此组织晶粒粗大，导致废品产生。
在进行淬火时，以0.3-0.8℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位，以1-2℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；当辐板冷却速度＜0.3℃/s时，在冷却初期，车轮辐板表层温度明显降低，持续一定时间后，由于轮辋、轮毂热量的补充，未达到加速冷却的目的，残余应力归零点的位置外移；当冷却速度＞0.8℃/s时，辐板表层及表层下方一定深度内冷速过快，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织。当踏面冷却速度＜1℃/s时，因轮辋热量的补充，未达到加速冷却的目的，强硬度指标难以满足要求；当冷却速度＞2℃/s时，踏面贝氏体、马氏体等异常组织很深，影响成材率和后续加工效率。当外辋面冷却速度＜0.5℃/s时，因轮辋热量的补充，未达到加速冷却的目的，车轮表面硬度难以满足要求；当冷却速度＞1.5℃/s时，外辋面贝氏体、马氏体等异常组织很深，影响成材率。
考虑到车轮辐板金属量远少于轮辋，辐板的热容量也低于轮辋，车轮淬火结束后，将车轮辐板终冷温度控制在400-600℃，车轮轮辋终冷温度控制在200-300℃，辐板和轮辋的终冷温度保持一定的温度差能够有效降低所得车轮的残余应力，可将残余应力零点位置控制成与车轮磨耗到限位置相一致；并且能够有效控制车轮变形，稳定车轮工艺余量设计。
本发明公开的改善车轮残余应力的热处理方法，可将车轮的残余应力控制在EN13262标准要求的范围内，使新制车轮和磨耗车轮的热力学特性评价一次性认证通过。并通过本发明摸索出车轮热处理之后车轮内部应力变化和变形规律，来指导车轮生产工艺的制定，改善车轮轮辋的周向残余应力，进一步提高车轮的行驶过程的安全性，更好地适应铁路系统提速、重载的发展需求。
附图说明
图1为实施例1中成品车轮残余应力测试结果；
图2为实施例2中成品车轮残余应力测试结果；
图3为实施例3中成品车轮残余应力测试结果；
图4为对比例1中成品车轮残余应力测试结果；
图5为对比例2中成品车轮残余应力测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。
本发明中改善车轮残余应力的热处理方法所处理的车轮包括以下重量百分比的化学成分：C 0.52-0.60％、Si 0.15-0.40％、Mn 0.50-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr0.15-0.40％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明主要包括将车轮开始淬火前温度控制在820-880℃，在淬火过程中对车轮辐板进行风冷，冷却速度0.3-0.8℃/s，同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷，踏面冷却速率1-2℃/s，外辋面的冷却速率在0.5-1.5℃/s，车轮辐板终冷温度在400-600℃，车轮轮辋终冷温度200-300℃。由于车轮辐板金属量远少于轮辋，辐板的热容量也低于轮辋，车轮淬火结束后，温度保持一定的温度差能够有效改善所得车轮的残余应力，可将残余应力零点位置控制成与车轮磨耗到限位置相一致；并且能够有效控制车轮变形，稳定车轮工艺余量设计。
本发明公开的改善车轮残余应力的热处理方法中，需在开始淬火前将车轮温度控制在820-880℃，当开冷温度高于880℃时，车轮轮辋表层受到冷却水的激冷，温度迅速降低；过快的冷速将使车轮表层及表层下方一定深度内产生贝氏体、马氏体等异常组织，需加大设计余量予以消除；当低于820℃时，车轮的内部仍可能保留轧态组织，此组织晶粒粗大，导致废品产生。
在进行淬火时，以0.3-0.8℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位，以1-2℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；当辐板冷却速度＜0.3℃/s时，在冷却初期，车轮辐板表层温度明显降低，持续一定时间后，由于轮辋、轮毂热量的补充，未达到加速冷却的目的，残余应力归零点的位置外移；当冷却速度＞0.8℃/s时，辐板表层及表层下方一定深度内冷速过快，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织。
各实施例和对比例的化学成分如表1所示：
表1
Figure BDA0003024869520000061
各实施例及对比例中的车轮的热轧及热处理工艺如下：
实施例1
钢坯送环形加热炉中加热并保温，加热温度1280℃，保温时间360分钟，经车轮轧机轧制成车轮，开轧温度1120℃，终轧温度900℃，经缓冷480分钟后，对车轮进行在线热处理，车轮开始淬火前温度控制在820℃，对车轮辐板进行风冷，车轮辐板的冷却速度为0.3℃/s，同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷，轮辋部分踏面的冷却速度为1.2℃/s，外辋面的冷却速率0.6℃/s，待辐板温度降至405℃；轮辋温度降至207℃，再经过490℃回火。
实施例2
其他同实施例1，不同的是，对车轮进行在线热处理，车轮开始淬火前温度控制在850℃，对车轮辐板进行风冷，车轮辐板的冷却速度为0.5℃/s，同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷，轮辋部分踏面的冷却速度为1.6℃/s，外辋面的冷却速率1.1℃/s，待辐板温度降至500℃；轮辋温度降至250℃，再经过490℃回火。
实施例3
其他同实施例1，不同的是，对车轮进行在线热处理，车轮开始淬火前温度控制在880℃，对车轮辐板进行风冷，车轮辐板的冷却速度为0.8℃/s，同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷，轮辋部分踏面的冷却速度为2℃/s，外辋面的冷却速率1.5℃/s，待辐板温度降至600℃；轮辋温度降至300℃，再经过490℃回火。
对比例1
其他同实施例1，不同的是，辐板空冷，冷却速率0.1℃/s，辐板温度降至600℃，轮辋部分踏面进行水冷其冷却速度为1.6℃/s，外辋面空冷，轮辋温度降至400℃。
对比例2
其他同实施例1，不同的是，辐板水冷，冷却速率1.2℃/s，辐板温度降至400℃，轮辋部分踏面进行水冷其冷却速度为1.6℃/s，外辋面空冷，轮辋温度降至500℃。
表2各实施例及对比例中的车轮轮辋机械性能
Figure BDA0003024869520000071
Figure BDA0003024869520000081
对上述各实施例及对比例中的车轮毛坯参照EN13262标准中的超声波探伤法进行残余应力测试；参照EN13262标准中的超声波探伤法对成品车轮的样品进行残余应力测试，测试结果如图1～5所示。
从图1中可以看出实施例1中的成品车轮的残余应力压缩值为-147MPa，符合EN13262标准中的-200MPa≤σcrs≤-80MPa的规定；在车轮磨损极限(踏面下35mm)以下2mm(即37mm)区域轮辋的压缩应力值为零，符合EN13262标准中规定的在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零的规定。
从图2中可以看出实施例2中的成品车轮的残余应力压缩值为-155MPa，符合EN13262标准中的-200MPa≤σcrs≤-80MPa的规定；在车轮磨损极限(踏面下35mm)以下7mm(即42mm)区域轮辋的压缩应力值为零，符合EN13262标准中规定的在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零的规定。
从图3中可以看出实施例3中的成品车轮的残余应力压缩值为-140MPa，符合EN13262标准中的-200MPa≤σcrs≤-80MPa的规定；在车轮磨损极限(踏面下35mm)以下6mm(即41mm)区域轮辋的压缩应力值为零，符合EN13262标准中规定的在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零的规定。
从图4中可以看出对比例1中的成品车轮的残余应力压缩值为-140MPa，符合EN13262标准中的-200MPa≤σcrs≤-80MPa的规定；在车轮磨损极限(踏面下35mm)以上5mm(即30mm)区域轮辋的压缩应力值为零，不符合EN13262标准中规定的在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零的规定。
从图5中可以看出对比例2中的成品车轮的残余应力压缩值为-120MPa，符合EN13262标准中的-200MPa≤σcrs≤-80MPa的规定；在车轮磨损极限(踏面下35mm)以下16mm(即51mm)区域轮辋的压缩应力值为零，不符合EN13262标准中规定的在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零的规定。
对比图1～图5，可以看出实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2可符合EN13262标准-200MPa≤σcrs≤-80MPa的规定，且实施例1、实施例2、实施例3均可控在-155MPa≤σcrs≤-80MPa较好的范围之内，但对比例1、对比例2不符合在磨损极限和磨损极限以下15mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零的规定。
上述参照实施例对一种改善车轮残余应力的热处理方法及车轮进行的详细描述，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 (6)

1.一种改善车轮残余应力的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括：在淬火过程中对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位同时对踏面和外辋面进行水冷；然后进行回火；
所述热处理方法包括：将车轮开始淬火前温度控制在820-880℃，在淬火过程中以0.3-0.8℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位，以1-2℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；然后经480-500℃回火；
所述车轮辐板终冷温度为400-600℃；
所述车轮轮辋终冷温度为200-300℃；
所述车轮包括以下重量百分比的化学成分C:0.52-0.60%、Si：0.15-0.40%、Mn： 0.50-0.80%、P≤0.015%、S≤0.015%、Cr:0.15-0.40%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种车轮，其特征在于，采用权利要求1所述的热处理方法对所述车轮进行热处理，所述车轮运转表面上的周向残余应力压缩值为-155MPa~-80MPa，在车轮磨损极限和磨损极限以下15 mm之间的区域轮辋的压缩应力值为零。
3.根据权利要求2所述的车轮，其特征在于：所述车轮的热轧工艺中，钢坯送环形加热炉中加热并保温，加热温度1250-1300℃，保温时间200-360分钟，经车轮轧机轧制成车轮，开轧温度1080-1150℃，终轧温度850-950℃，经缓冷450~500分钟后，对车轮进行在线热处理。
4.根据权利要求2或3所述的车轮，其特征在于：所述车轮的热轧工艺中，钢坯送环形加热炉中加热并保温，加热温度1280℃，保温时间360分钟，经车轮轧机轧制成车轮，开轧温度1120℃，终轧温度900℃，经缓冷480分钟后，对车轮进行在线热处理。
5.根据权利要求2所述的车轮，其特征在于：所述车轮的力学性能为Rm：940~1000MPa、A≥ 19.5%、踏面下35mm处硬度：280~310HB、常温冲击功≥18J、-20℃冲击功≥14J。
6.根据权利要求2所述的车轮，其特征在于：所述车轮的辐板的进行组织为铁素体+珠光体，其中铁素体的含量为19~35%；所述车轮的轮辋金相组织为铁素体+珠光体，其中铁素体的含量为2.5~4.0%。
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