CN1420030A - 一种改善车削加工性能的火车车轮热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁路用辗钢整体车轮热处理的方法。制备一个保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，在自然环境温度下采用喷水冷却的方式，使车轮踏面表面温度冷至550－600℃，停止喷水，静置车轮至表面温度回升到650－720℃之间时，或者采用强制风冷的方式，使车轮踏面表面温度冷却至650－720℃时，再对踏面进行强制喷水冷却。本发明能显著改善车轮的车削加工性能，同时克服了现有技术制造的车轮的接触疲劳强度和耐磨性差，车轮中、后期使用寿命短的缺陷。
Description
技术领域
本发明所要保护的技术方案属于铁路用辗钢整体车轮热处理这一技术领域。
背景技术
随着铁路运输向高速、重载方向发展以及高强度钢轨的广泛应用，全加工车轮的需求量不断增加，同时为了提高车轮的接触疲劳强度、耐磨性，对车轮的硬度要求也进一步提高。目前国内外提高火车车轮的硬度技术手段一般都是：火车车轮奥氏体化加热后，直接对踏面或踏面及其外侧面进行连续喷水冷却，所得材料的特点是：车轮轮辋表面硬度最高；由踏面至内部硬度梯度较陡；表面易产生非珠光体组织。而表面的高硬度及非珠光组织均使车轮的车削性能变差；车削难度增大，刀具消耗增多，机械加工的劳动生产率降低。另外，由于机械加工去除了车轮工作部位的部分硬化层，车轮初期工作部位硬度较低，因而使用寿命明显降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是改善车轮的车削加工性能，同时能够提高车轮的接触疲劳强度和耐磨性，延长车轮中、后期使用寿命。
本发明技术方案是：制备一个保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，在自然环境温度下采用喷水冷却的方式，使车轮踏面表面温度冷至550-600℃，停止喷水，此段喷水冷却时间在20-25秒之内为宜，此时在车轮的踏面表层形成一层厚度为5-8mm较粗的，硬度在270HB以下的珠光体组织，同时踏面下5-8mm以内即亚表面的金属温度的范围在650-700℃，静置车轮至表面温度回升到650-720℃之间时，此时轮辋内部温度较高尚未发生珠光体转变，再对踏面进行强制喷水冷却使车轮踏面表面温度在240秒之内冷却到350℃以下，将使轮辋内部金属冷却至550℃以下，也即轮辋内部金属的冷却速率在2-15℃/s之间，喷水结束后轮辋表面最高回升温度不高于470℃，从而使轮辋内部金属形成组织较细、硬度在270HB以上的珠光体组织。并且可以避免车轮踏面表面出现贝氏体或马氏体等异常组织。
本发明的另一个等效方式是：在自然环境温度下采用强制风冷的方式，可使车轮踏面表面温度冷却至650-720℃时，停止风冷，风冷的时间在350-370秒之间为宜，由于风冷速度较慢，此时在车轮的踏面表层形成一层厚度为5-8mm的较粗的，硬度在270HB以下的珠光体组织，此时轮辋的内层温度较高尚未发生珠光体转变，再对踏面进行强制喷水冷却使车轮踏面表面温度在240s之内冷却到350℃以下，喷水结束后轮辋表面最高回升温度不高于470℃。
本发明利用一种对火车车轮新的热处理方法解决了现有技术所存在的车削加工与材料硬度之间的矛盾，因此具有以下积极效果：其一，本发明的特点是先在车轮踏面表层形成一层硬度不太高的珠光体组织，改善车轮的车削性能，提高机械加工工效，减少刀具损耗。其二，本发明所提供的热处理方法，利用车轮在钢轨和踏面接触初期踏面表层硬度较低的特点，使踏面产生小量变形以尽早获得理想的轮轨匹配几何关系，减少踏面承受的最大接触应力，车轮适合于与轮轨匹配。其三，本发明提供的车轮热处理方法，可以在车轮踏面次表面，即车轮承受最大接触应力的区域获得较高的硬度，从而提高车轮的抗接触疲劳性能，延长车轮中、后期的使用寿命。其四，本发明提供的车轮热处理方法，可使轮辋内部金属在冷却过程中快速通过Ar3-Ar1温度区间，既可提高强化效果，又可减少喷水时间，降低车轮热处理的成本。其五，本发明提供的车轮热处理方法，在对踏面表面进行强制喷水冷却前，由于先在踏面表层形成了一层珠光体组织，在强制冷却过程中车轮踏面表层不会出现贝氏体、马氏体等异常组织，得到完全的珠光体组织。
附图说明
图1是实施优选方式1时的车轮的冷却曲线，图2是实施优选方式2时的车轮的冷却曲线。图1和图2中实线所示的是踏面20mm处的冷却曲线，虚线所示的是5mm处的冷却曲线。
图3是实施优选方式1的车轮轮辋断面硬度测试分布曲线。图4是实施优选方式2的车轮轮辋断面硬度测试分布曲线。图5是利用现有技术热处理后车轮轮辋断面硬度测试分布曲线。
图3、4、5中标号为1的曲线是指轮缘硬度曲线，从距车轮轮辋内侧面16mm处的轮缘上选定测量位置，向车轮圆心方向测量；标号为2的曲线是指踏面硬度曲线，从距车轮轮辋内侧面70mm的踏面处选定测量位置向车轮圆心方向测量，标号为3的曲线是指外侧面硬度曲线，从距踏面32mm的外侧面处沿轴向向轮辋内部进行测量
图5测试样品为马鞍山钢铁股份有限公司生产销售的HDS规格的火车车轮
各图中的数据均采用10件测试样的算术平均值。
具体实施方式
以下各个优选方式和对比样品所用的车轮成分为：C：0.62，Si：0.29，Mn：0.74，P：0.018，S：0.003，其余：微量。
优选方式1：将保持在奥氏体区域的高温状态的火车车轮，置于卧式淬火台中。车轮旋转过程中，对踏面进行喷水冷却，冷却时间20-25秒，用预埋于踏面下5mm处的热电偶测得温度冷到该钢的奥氏体转变温度以下一定温度范围，确切的讲为595-610℃，停止喷水，此时踏面表面温度为550-565℃之间，在车轮踏面表层先形成一层5-8mm厚的珠光体组织。停止喷水后，车轮静置60-70秒利用轮辋内部的高温区的热传导使表层温度回升，对已形成的珠光体组织起软化作用，用测温仪检测车轮踏面的表面温度回升至650-720℃时，此时车轮轮辋内部温度仍较高，尚未发生珠光体转变。接着使车轮旋转，用配置在车轮踏面周围的一组喷头，将水喷向车轮踏面，冷却时间为200s，使轮辋内部金属加速冷却到550℃以下，冷却曲线如图1所示，从而在车轮踏面的亚表层以下形成组织较细、硬度较高的珠光体组织。冷却后车轮踏面表面温度小于300℃，最高回升温度为390-400℃之间。热处理后车轮轮辋横断面的硬度分布如图3所示。
机械性能如下表所示，数据采用10件测试样的算术平均值。
| 屈服强度，Mpa | 抗拉强度，Mpa | 延伸率，％ | 面缩率，％ |
| 710 | 1060 | 14 | 30 |
优选方式2：热处理方法步骤是，将保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，置于卧式淬火台上。车轮旋转过程中，对踏面进行风冷，用测温仪检测车轮踏面的表面温度使其冷至该钢的奥氏体转变温度以下一定温度范围，确切的讲是利用了350-370秒的时间踏面表面温度降低到655-670℃，在车轮踏面表层先形成一层厚度在5-8mm的珠光体组织，由于风冷速度较慢，所形成的珠光体组织稍粗，硬度较低。此时车轮轮辋内部温度仍较高，还未发生珠光体转变。接着使车轮旋转，用配置在车轮踏面周围的一组喷头，将水喷向车轮踏面，冷却时间为200秒，使轮辋内部金属以2-15℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，冷却曲线如图2所示，从而在车轮踏面的亚表层以下形成组织较细、硬度较高的珠光体组织。冷却后车轮踏面表面温度在300-320℃之间，最高回升温度为460-470℃时，热处理后车轮轮辋横断面的硬度分布如图4所示。
机械性能如下表所示。数据采用10件测试样的算术平均值。
| 屈服强度，Mpa | 抗拉强度，Mpa | 延伸率，％ | 面缩率，％ |
| 695 | 1040 | 16 | 33 |
综合以上实施例对比图5可以发现，利用本发明得到的车轮钢的踏面表层为铁素体-珠光体组织，硬度较低，踏面5-8mm以下的部位硬度最高，往心部又逐渐降低，最后恢复到热轧态硬度水平。这种组织是一种非常适于车轮的结构，因为从车轮与轮轨接触的力学角度分析，车轮受到的最大接触应力并不在车轮表面，而是在踏面下约5mm。现有技术的车轮踏面车削加工后，初期使用时，接触应力最大的部位处于硬度较低的区域，使车轮容易产生早期疲劳损伤。而本发明的结构却使得车轮的表层容易车削加工，而车削加工后可以使车轮承受最大应力的区域获得最高硬度。
Claims (6)
1、一种改善车削加工性能的火车车轮热处理方法，其特征在于：制备一个保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，在自然环境温度下采用喷水冷却的方式，使车轮踏面表面温度冷至550-600℃，停止喷水，静置车轮至表面温度回升到650-720℃之间时，再对踏面进行强制喷水冷却。
2、根据权利要求1所述的火车车轮热处理方法，其特征在于：静置车轮至表面温度回升到650-720℃之间时，再对踏面进行强制喷水冷却，使车轮踏面表面温度在240秒之内冷却到350℃以下，最高回升温度不高于470℃。
3、根据权利要求1所述的火车车轮热处理方法，其特征在于：制备一个保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，在自然环境温度下喷水冷却20-25秒后，停止喷水。
4、一种改善车削加工性能的火车车轮热处理方法，其特征在于：制备一个保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，在自然环境温度下采用强制风冷的方式，使车轮踏面表面温度冷却在650-720℃时，停止风冷，再对踏面进行强制喷水冷却。
5、根据权利要求4所述的火车车轮热处理方法，其特征在于：对踏面进行强制喷水冷却，使轮辋车轮踏面表面温度在240秒之内冷却到350℃以下，最高回升温度不高于470℃。
6、根据权利要求4所述的火车车轮热处理方法，其特征在于：制备一个保持在奥氏体区域的高温状态的车轮，在自然环境温度下风冷350-370秒的时间后停止风冷。
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Cited By (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN101270408B (zh) * | 2008-03-04 | 2010-06-02 | 马鞍山钢铁股份有限公司 | 高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法及热处理装置 |
| CN101818235A (zh) * | 2010-03-22 | 2010-09-01 | 马鞍山钢铁股份有限公司 | 铁路机车用粗制轮箍制造方法 |
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| CN102994719A (zh) * | 2012-10-31 | 2013-03-27 | 高金菊 | 一种火车轮的热处理方法 |
| CN113403466A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-09-17 | 包头钢铁（集团）有限责任公司 | 一种消除钢轨脱碳层组织异常的生产方法 |
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