CN115386714B - 一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法 - Google Patents

Abstract

一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，属于轨道交通用车轮制备技术领域，该热处理方法，包括先将轧制、缓冷后的车轮机加工后在车轮踏面上加工多个环形槽，再将车轮整体加热后保温一段时间，车轮周向均布的多个组合喷嘴的水柱以压力递增的方式向车轮踏面喷射，得到珠光体和铁素体组织，最后将车轮放入回火炉回火后出炉空冷，本发明的有益效果是，本发明利用改变车轮轮辋踏面型面及按规律控水、控冷的方法提高轮辋踏面名义滚动圆处及轮辋内部冷速，优化组织及性能状态，进一步改善车轮断面硬度分布状态，为改善车轮轮辋质量及使用性能创造有利条件。

Description

一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法

技术领域

本发明涉及轨道交通用车轮制备技术领域，尤其涉及一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法。

背景技术

车轮是铁路车辆的核心部件，承受复杂的机械、热负荷，可能产生多种疲劳损伤，如异常磨损、车轮失圆、接触疲劳、剥离等普发性损伤，容易引起的车辆的振动等，可能使列车零部件发生早期失效，对列车运行安全性、可靠性产生直接影响，因而，须提高车轮轮辋性能及其分布，进而提高车轮的服役性能，降低早期车轮损伤的发生。

轮轨接触的核心部位主要是车轮轮辋部分，而车轮热处理工艺是决定车轮轮辋性能的关键环节。目前，铁路车轮通常采用整体加热+踏面表面连续喷水强冷+空冷+整体回火的热处理方式，采用此工艺的车轮轮辋性能可调节性差，容易出现车轮轮辋组织分布不均匀、车轮轮辋径向硬度差较大、车轮轮辋断面硬度呈“V”型或“L”型分布，在使用过程中，尤其是后期服役过程中，轮轨接触最频繁的名义滚动圆部位硬度偏低，容易出现严重磨损、剥离、失圆等损伤，严重影响车轮的服役使用性能。

为解决现有技术的不足，提高车轮服役性能，尤其是车轮中后期服役表现，提供一种可改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法尤为必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，利用改变车轮轮辋踏面型面及按规律控水、控冷的方法提高轮辋踏面名义滚动圆处及轮辋内部冷速，优化组织及性能状态，进一步改善车轮断面硬度分布状态，为改善车轮轮辋质量及使用性能创造有利条件。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：车轮加工：将轧制、缓冷后的车轮机加工后在车轮踏面上加工多个环形槽；

步骤2：加热：将车轮整体加热后保温一段时间；

步骤3：淬火冷却：车轮周向均布的多个组合喷嘴的水柱以压力递增的方式向车轮踏面喷射，得到珠光体和铁素体组织；

步骤4：回火：将车轮放入回火炉回火后出炉空冷。

在所述步骤1中，对机加工后的车轮轮辋相对于成品车轮轮辋踏面单边余量为10～13mm。

在所述步骤1中，多个环形槽以车轮踏面的名义滚动圆为中线等间隔布置，所述环形槽的截面设置为三角形或梯形，所述环形槽的深度为5～8mm，槽口宽度为5～7mm，多个环形槽的布置高度为30～50mm。

所述步骤2的加热方法为，将车轮放入850～900℃的加热炉内保温2.5～3.5h。

所述组合喷嘴喷射的水柱与车轮踏面之间的夹角为30°～45°，所述组合喷嘴与车轮踏面之间的距离为60～150mm。

所述组合喷嘴包括由上而下竖直布置的喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ，所述喷嘴模块Ⅱ与车轮踏面中部相对，所述喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ分别与车轮踏面的两侧相对，所述喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ上均布有多个喷孔，所述喷孔的孔径为3～5mm。

所述喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ分别由独立的水流控制系统控制，所述喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ的水压按照P＝0.1+0.001T的方式控制，所述喷嘴模块Ⅱ的水压按照P＝0.1+0.0015T的方式控制，其中P为压力，MPa，T为喷淬时间，s。

所述喷淬时间T为240～400s，当T≤300s时，P随着T的增大而增大，当T＝300s，P达到最大值，当T>300s时，P保持不变。

所述步骤4的回火方法为，将淬火冷却的车轮静置一段时间后放入炉温为480～520℃的回火炉内进行回火处理，回火时间不小于4h，再出炉空冷。

所述火车车轮的化学成分的重量百分比为C0.48～0.77％，Si0.20～1.00％，Mn0.50～1.00％，Cr0.03～0.30％，V≤0.15％，P≤0.015％，S≤0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的有益效果是：

本发明在对车轮进行淬火冷却的过程中，车轮轮辋踏面从表面到内部温度呈阶梯状分布，组织转变由表及里逐渐发生，但内里的冷速较慢，本发明中采用按一定规律控制水压，即随着淬火的进行，水压逐渐增大，水流量增大，水淬能力增强，使得轮辋内部保持较高的冷速；同时轮辋踏面增加一定数量的环形槽，改善水淬接触方式和接触面积，进一步提高了轮辋内部冷速和踏面名义滚动圆处的冷速，使得整个轮辋断面冷速都保持在较高的水平，使获得的铁素体和珠光体组织更加均匀细小，提高了车轮轮辋断面的硬度，可有效提高车轮的耐磨性能。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明中车轮淬火冷却的结构示意图；

图2为本发明中组合喷嘴中喷孔的布置图；

图3为实施例1、对比例1踏面下5mm、踏面下35mm处温度-时间变化图；

图4为实施例1、对比例1车轮轮辋硬度分布图，(a)为实施例1，(b)为对比例1；

图5为实施例1、对比例1车轮轮辋踏面下5mm、踏面下35mm处硬度分布规律；

图6为实施例1、对比例1车轮轮辋踏面下5mm处金相组织图，(a)为实施例1，(b)为对比例1；

图7为实施例1、对比例1车轮轮辋踏面下35mm处金相扫描电镜图，(a)为实施例1，(b)为对比例1；

图8为实施例1、对比例1车轮轮辋踏面下5mm、踏面下35mm处珠光体片层间距；

图9为实施例2、对比例2车轮轮辋硬度分布图，(a)为实施例2，(b)为对比例2；

图10为实施例2、对比例2车轮轮辋踏面下5mm、踏面下35mm处硬度分布规律；

图11为实施例3、对比例3车轮轮辋硬度分布图，(a)为实施例3，(b)为对比例3，(a)为实施例3，(b)为对比例3；

图12为实施例3、对比例3车轮轮辋踏面下5mm、踏面下35mm处硬度分布规律；

上述图中的标记均为：1.车轮，2.环形槽，3.组合喷嘴，31.喷嘴模块Ⅰ，32.喷嘴模块Ⅱ，33.喷嘴模块Ⅲ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明具体的实施方案为：本发明涉及的火车车轮的化学成分重量百分比为C0.48～0.77％，Si0.20～1.00％，Mn0.50～1.00％，Cr0.03～0.30％，V≤0.15％，P≤0.015％，S≤0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明为了改善车轮轮辋断面硬度及组织的均匀性，提供了对上述火车车轮进行热处理的方法，包括以下步骤：

步骤1：车轮加工：首先，将轧制、缓冷后的车轮机加工，使机加工后的车轮轮辋相对于成品车轮轮辋踏面单边余量为10～13mm；然后，以车轮踏面的名义滚动圆(与轮轨接触的部位)为中线，在车轮踏面上等间隔加工多个环形槽，环形槽的截面设置为三角形或梯形，环形槽的深度为5～8mm，槽口宽度为5～7mm，多个环形槽的布置高度为30～50mm。

步骤2：加热：将车轮放入850～900℃的加热炉内保温2.5～3.5h。

步骤3：淬火冷却：车轮周向均布的多个组合喷嘴中的水柱以压力递增的方式向车轮踏面喷射，组合喷嘴喷射的水柱与车轮踏面之间的夹角为30°～45°，且组合喷嘴与车轮踏面之间的距离为60～150mm，保证了水淬的效果；其中的组合喷嘴包括由上而下竖直布置的喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ，喷嘴模块Ⅱ与车轮踏面中部相对，喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ分别与车轮踏面的两侧相对，喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ上均布有多个喷孔，喷孔的孔径为3～5mm；喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ分别由独立的水流控制系统控制，喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ的水压按照P＝0.1+0.001T的方式控制，喷嘴模块Ⅱ的水压按照P＝0.1+0.0015T的方式控制，其中P为压力，MPa，T为喷淬时间，s；喷淬时间T为240～400s，当T≤300s时，P随着T的增大而增大，当T＝300s，P达到最大值，当T>300s时，P保持不变，具体的喷淬时间根据轮辋的厚度而定，轮辋厚度越大，喷淬的时间越长，轮辋厚度越小，喷淬的时间越短。

在淬火冷却处理的过程中，车轮轮辋踏面从表面到内部温度呈阶梯状分布，组织转变由表及里逐渐发生，但内里的冷速较慢，本发明中采用按线性递增规律控制水压，即随着淬火的进行，水压逐渐增大，水流量增大，水淬能力增强，且靠近轮辋踏面中部的水压大于两侧的水压，使得轮辋内部保持较高的冷速；同时轮辋踏面增加一定数量的截面为三角形或梯形的环形槽，改善水淬接触方式和接触面积，进一步提高了轮辋内部冷速和踏面名义滚动圆处的冷速，使得整个轮辋断面冷速都保持在较高的水平，获得均匀的且较细小的珠光体组织和铁素体组织，使得车轮轮辋断面硬度及组织更均匀。

步骤4：回火：将车轮放入回火炉回火后出炉空冷，即将淬火冷却的车轮静置一段时间后放入炉温为480～520℃的回火炉内进行回火处理，回火时间不小于4h，再出炉空冷。

下面结合附图及实施例对本发明做详细地说明。

实施例1

本实施例采用表1中的车轮1进行处理，车轮外径为840mm，轮辋厚度为73mm，车轮经过轧制成型缓冷至室温，加工后的车轮轮辋相对于成品车轮保证车轮轮辋踏面单面余量10mm，在车轮踏面以名义滚动圆为中线，等长度加工6个深6mm、宽6mm的截面为三角形的环形槽，如图1所示。然后车轮进入860℃加热炉内保温2.5h后出炉进行淬火处理，采用沿车轮周向均布的6个块状组合喷嘴进行踏面淬火冷却，组合喷嘴由喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ三个模块组成，喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ的出水面板上均匀分布着直径为3mm的喷孔，淬火时淬火水柱与踏面切线呈30°夹角，淬火过程中喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ的水压按P＝0.1+0.001T控制，喷嘴模块Ⅱ的水压按P＝0.1+0.0015T控制，淬火时间为240s，淬火结束后车轮放入炉温为500℃的回火炉进行回火处理，回火时间≥4h，出炉空冷后加工至成品尺寸。

本实施例中随着淬火的进行，水压逐渐增大，水流量增大，水淬能力逐渐增强，使得轮辋内部保持较高的冷速，同时轮辋踏面增加一定数量的截面为三角形的环形槽，改善了水淬接触方式和接触面积，进一步提高轮辋内部冷速和踏面名义滚动圆处的冷速，使得整个轮辋断面冷速都保持在较高的水平，获得均匀的且较细小的珠光体组织，使得车轮轮辋断面硬度及组织更均匀。在车轮轮辋相对于对应成品车轮踏面下5mm处、踏面下35mm处钻孔，孔深70mm，埋植热电偶，进行温度测量。

对比例1

本对比例采用的车轮与实施例1同炉号、同规格。车轮经过轧制成型缓冷至室温，然后车轮进入860℃加热炉内保温2.5h后出炉进行淬火处理，出炉后在卧式淬火台进行淬火处理，淬火台沿周向均布12个块状小流量喷嘴进行踏面淬火冷却，淬火水柱与踏面切线呈30°夹角，淬火过程中每个喷嘴出水流量均等，喷嘴水压为0.30±0.01MPa，踏面淬火喷水时间为240s。淬火结束后，将车轮直接放入炉温为500℃的环形回火炉进行回火处理，回火时间≥5.0h，出炉空冷后加工至成品尺寸。

如图3所示为实施例1和对比例1踏面下5mm、踏面下35mm处温度-时间变化图，实施例1相对于对比例1，实施例1的整个轮辋断面冷速都较高。按照BS EN 13262《铁路应用—轮对和转向架—车轮—产品要求》要求对实施例1、对比例1热处理后的车轮进行硬度、组织分析，按照GB/T231.1《金属布氏硬度试验第1部分：试验方法》进行硬度测量，按照GB/T 13298《金属显微组织检验方法》进行金相组织检测。如图4(a)为实施例1的车轮轮辋硬度分布图，如图4(b)为对比例1的车轮轮辋硬度分布图，图5为实施例1、对比例1的车轮轮辋踏面下5mm、踏面下35mm处的硬度分布规律，由图4和图5可以看出，实施例1的车轮轮辋心部的硬度要高于对比例1。

图6(a)为实施例1的车轮轮辋踏面下5mm处金相组织图，图6(b)为对比例1的车轮轮辋踏面下5mm处金相组织图；图7(a)为实施例1的车轮轮辋踏面下35mm处金相扫描电镜图，图7(b)为对比例1的车轮轮辋踏面下35mm处金相扫描电镜图；图8为实施例1、对比例1的车轮轮辋踏面下5mm、踏面下35mm处珠光体片层间距。由图6～图8可以看出，实施例1的车轮轮辋的组织为珠光体和铁素体，且实施例1的珠光体片层间距小于对比例1的珠光体片层间距，可获得均匀且细小的珠光体组织。

因此，采用本发明的技术方案能明显改善车轮轮辋部位组织硬度分布，明显提升车轮轮辋性能，尤其是车轮轮辋心部的性能。

实施例2

本实施例采用表1中的车轮2进行处理，车轮外径为1250mm，轮辋厚度为90mm。车轮经过轧制成型缓冷至室温，加工后的车轮轮辋相对于成品车轮保证车轮轮辋踏面单面余量13mm，在车轮踏面以名义滚动圆为中线，等距离加工8个深7mm、宽6mm的截面为三角形的环形槽，如图1所示。然后，车轮进入880℃加热炉内保温2.5h后出炉进行淬火处理，采用沿车轮周向均布的6个块状组合喷嘴进行踏面淬火冷却，组合喷嘴由喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ三个模块组成，喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ的出水面板上均匀分布着直径为5mm的喷孔，如图2所示，淬火时淬火水柱与踏面切线呈30°夹角，淬火过程中喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ的水压按P＝0.1+0.001T控制，喷嘴模块Ⅱ的水压按P＝0.1+0.0015T控制，水淬到达300s时达到最大，水淬总时间为480s，淬火结束后车轮放入炉温为520℃的回火炉进行回火处理，回火时间≥5h，出炉空冷后加工至成品尺寸。

对比例2

本对比例采用的车轮与实施例2同炉号、同规格。车轮经过轧制成型缓冷至室温，然后车轮进入880℃加热炉内保温2.5h后出炉进行淬火处理，出炉后在卧式淬火台进行淬火处理，淬火台沿周向均布12个块状小流量喷嘴进行踏面淬火冷却，淬火水柱与踏面切线呈30°夹角，淬火过程中每个喷嘴出水流量均等，喷嘴水压为0.30±0.01MPa，踏面淬火喷水时间为480s。淬火结束后，将车轮直接放入炉温为520℃的环形回火炉进行回火处理，回火时间≥5.0h，出炉空冷后加工至成品尺寸。

按照BS EN 13262《铁路应用—轮对和转向架—车轮—产品要求》要求对实施例2、对比例2进行硬度、组织分析，按照GB/T231.1《金属布氏硬度试验第1部分：试验方法》进行硬度测量，按照GB/T 13298《金属显微组织检验方法》进行金相组织检测。实施例2与对比例2的车轮轮辋的硬度分布如图9、10所示，可以看出实施例2的车轮轮辋心部的硬度要高于对比例2；实施例2的车轮轮辋组织及珠光体片层间距规律同实施例1和对比例1，可见，采用本发明方案能明显改善车轮轮辋部位组织硬度分布。

实施例3

本实施例采用表1中的车轮3进行处理，车轮外径为970mm，轮辋厚度为78mm。车轮经过轧制成型缓冷至室温，加工后的车轮轮辋相对于成品车轮保证车轮轮辋踏面单面余量13mm，在车轮踏面以名义滚动圆为中线，等距离加工6个深6mm、宽6mm的截面为梯形的环形槽，如图1所示。然后车轮进入900℃加热炉内保温2.5h后出炉进行淬火处理，采用沿车轮周向均布的6个块状组合喷嘴进行踏面淬火冷却，组合喷嘴由喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ三个模块组成，喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ出水面板上均匀分布着直径为5mm的喷孔，如图2所示，淬火时淬火水柱与踏面切线呈30°夹角，淬火过程中喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ的水压按P＝0.1+0.001T控制，喷嘴模块Ⅱ的水压按P＝0.1+0.0015T控制，水淬到达300s时达到最大，水淬总时间为400s，淬火结束后车轮放入炉温为520℃的回火炉进行回火处理，回火时间≥5h，出炉空冷后加工至成品尺寸。

对比例3

本对比例采用的车轮与实施例3同炉号、同规格。车轮经过轧制成型缓冷至室温，然后车轮进入900℃加热炉内保温2.5h后出炉进行淬火处理，出炉后在卧式淬火台进行淬火处理，淬火台沿周向均布12个块状小流量喷嘴进行踏面淬火冷却，淬火水柱与踏面切线呈30°夹角，淬火过程中每个喷嘴出水流量均等，喷嘴水压为0.30±0.01MPa，踏面淬火喷水时间为400s。淬火结束后，将车轮直接放入炉温为520℃的环形回火炉进行回火处理，回火时间≥5.0h，出炉空冷后加工至成品尺寸。

按照BS EN 13262《铁路应用—轮对和转向架—车轮—产品要求》要求对实施例3、对比例3进行硬度、组织分析，按照GB/T231.1《金属布氏硬度试验第1部分：试验方法》进行硬度测量，按照GB/T 13298《金属显微组织检验方法》进行金相组织检测。实施例3与对比例3车轮轮辋的硬度分布如图11、12所示，可以看出实施例3的车轮轮辋心部的硬度要高于对比例3，车轮轮辋组织及珠光体片层间距规律同实施例1和对比例1，可见，采用本发明方案能明显改善车轮轮辋部位组织硬度分布。

表1实施例、对比例车轮主要化学成分

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (5)

1.一种改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：车轮加工：将轧制、缓冷后的车轮机加工后在车轮踏面上加工多个环形槽；

步骤2：加热：将车轮整体加热后保温一段时间；

步骤3：淬火冷却：车轮周向均布的多个组合喷嘴的水柱以压力递增的方式向车轮踏面喷射，得到珠光体和铁素体组织；

步骤4：回火：将车轮放入回火炉回火后出炉空冷；

在所述步骤1中，多个环形槽以车轮踏面的名义滚动圆为中线等间隔布置，所述环形槽的截面设置为三角形或梯形，所述环形槽的深度为5~8mm，槽口宽度为5~7mm，多个环形槽的布置高度为30~50mm；

所述组合喷嘴喷射的水柱与车轮踏面之间的夹角为30°~45°，所述组合喷嘴与车轮踏面之间的距离为60~150mm；

所述组合喷嘴包括由上而下竖直布置的喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ，所述喷嘴模块Ⅱ与车轮踏面中部相对，所述喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ分别与车轮踏面的两侧相对，所述喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ上均布有多个喷孔，所述喷孔的孔径为3~5mm；

所述喷嘴模块Ⅰ、喷嘴模块Ⅱ和喷嘴模块Ⅲ分别由独立的水流控制系统控制，所述喷嘴模块Ⅰ和喷嘴模块Ⅲ的水压按照P=0.1+0.001T的方式控制，所述喷嘴模块Ⅱ的水压按照P=0.1+0.0015T的方式控制，其中P为压力，MPa，T为喷淬时间，s；

所述喷淬时间T为240~400s，当T≤300s时，P随着T的增大而增大，当T=300s，P达到最大值，当T>300s时，P保持不变。

2.根据权利要求1所述的改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，其特征在于：在所述步骤1中，对机加工后的车轮轮辋相对于成品车轮轮辋踏面单边余量为10~13mm。

3.根据权利要求1所述的改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，其特征在于：所述步骤2的加热方法为，将车轮放入850~900℃的加热炉内保温2.5~3.5h。

4.根据权利要求1所述的改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，其特征在于：所述步骤4的回火方法为，将淬火冷却的车轮静置一段时间后放入炉温为480~520℃的回火炉内进行回火处理，回火时间不小于4h，再出炉空冷。

5.根据权利要求1所述的改善火车车轮轮辋性能的车轮热处理方法，其特征在于：所述火车车轮的化学成分的重量百分比为C0.48~0.77%，Si0.20~1.00%，Mn0.50~1.00%，Cr0.03~0.30%，V≤0.15%，P≤0.015%，S≤0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。

Images