專利名稱：一種改善車削加工性能的火車車輪熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案屬于鐵路用輾鋼整體車輪熱處理這一技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著鐵路運(yùn)輸向高速、重載方向發(fā)展以及高強(qiáng)度鋼軌的廣泛應(yīng)用，全加工車輪的需求量不斷增加，同時(shí)為了提高車輪的接觸疲勞強(qiáng)度、耐磨性，對(duì)車輪的硬度要求也進(jìn)一步提高。目前國(guó)內(nèi)外提高火車車輪的硬度技術(shù)手段一般都是火車車輪奧氏體化加熱后，直接對(duì)踏面或踏面及其外側(cè)面進(jìn)行連續(xù)噴水冷卻，所得材料的特點(diǎn)是車輪輪輞表面硬度最高；由踏面至內(nèi)部硬度梯度較陡；表面易產(chǎn)生非珠光體組織。而表面的高硬度及非珠光組織均使車輪的車削性能變差；車削難度增大，刀具消耗增多，機(jī)械加工的勞動(dòng)生產(chǎn)率降低。另外，由于機(jī)械加工去除了車輪工作部位的部分硬化層，車輪初期工作部位硬度較低，因而使用壽命明顯降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是改善車輪的車削加工性能，同時(shí)能夠提高車輪的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，延長(zhǎng)車輪中、后期使用壽命。
本發(fā)明技術(shù)方案是制備一個(gè)保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，在自然環(huán)境溫度下采用噴水冷卻的方式，使車輪踏面表面溫度冷至550-600℃，停止噴水，此段噴水冷卻時(shí)間在20-25秒之內(nèi)為宜，此時(shí)在車輪的踏面表層形成一層厚度為5-8mm較粗的，硬度在270HB以下的珠光體組織，同時(shí)踏面下5-8mm以內(nèi)即亞表面的金屬溫度的范圍在650-700℃，靜置車輪至表面溫度回升到650-720℃之間時(shí)，此時(shí)輪輞內(nèi)部溫度較高尚未發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，再對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻使車輪踏面表面溫度在240秒之內(nèi)冷卻到350℃以下，將使輪輞內(nèi)部金屬冷卻至550℃以下，也即輪輞內(nèi)部金屬的冷卻速率在2-15℃/s之間，噴水結(jié)束后輪輞表面最高回升溫度不高于470℃，從而使輪輞內(nèi)部金屬形成組織較細(xì)、硬度在270HB以上的珠光體組織。并且可以避免車輪踏面表面出現(xiàn)貝氏體或馬氏體等異常組織。
本發(fā)明的另一個(gè)等效方式是在自然環(huán)境溫度下采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式，可使車輪踏面表面溫度冷卻至650-720℃時(shí)，停止風(fēng)冷，風(fēng)冷的時(shí)間在350-370秒之間為宜，由于風(fēng)冷速度較慢，此時(shí)在車輪的踏面表層形成一層厚度為5-8mm的較粗的，硬度在270HB以下的珠光體組織，此時(shí)輪輞的內(nèi)層溫度較高尚未發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，再對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻使車輪踏面表面溫度在240s之內(nèi)冷卻到350℃以下，噴水結(jié)束后輪輞表面最高回升溫度不高于470℃。
本發(fā)明利用一種對(duì)火車車輪新的熱處理方法解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的車削加工與材料硬度之間的矛盾，因此具有以下積極效果其一，本發(fā)明的特點(diǎn)是先在車輪踏面表層形成一層硬度不太高的珠光體組織，改善車輪的車削性能，提高機(jī)械加工工效，減少刀具損耗。其二，本發(fā)明所提供的熱處理方法，利用車輪在鋼軌和踏面接觸初期踏面表層硬度較低的特點(diǎn)，使踏面產(chǎn)生小量變形以盡早獲得理想的輪軌匹配幾何關(guān)系，減少踏面承受的最大接觸應(yīng)力，車輪適合于與輪軌匹配。其三，本發(fā)明提供的車輪熱處理方法，可以在車輪踏面次表面，即車輪承受最大接觸應(yīng)力的區(qū)域獲得較高的硬度，從而提高車輪的抗接觸疲勞性能，延長(zhǎng)車輪中、后期的使用壽命。其四，本發(fā)明提供的車輪熱處理方法，可使輪輞內(nèi)部金屬在冷卻過程中快速通過Ar3-Ar1溫度區(qū)間，既可提高強(qiáng)化效果，又可減少噴水時(shí)間，降低車輪熱處理的成本。其五，本發(fā)明提供的車輪熱處理方法，在對(duì)踏面表面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻前，由于先在踏面表層形成了一層珠光體組織，在強(qiáng)制冷卻過程中車輪踏面表層不會(huì)出現(xiàn)貝氏體、馬氏體等異常組織，得到完全的珠光體組織。


圖1是實(shí)施優(yōu)選方式1時(shí)的車輪的冷卻曲線，圖2是實(shí)施優(yōu)選方式2時(shí)的車輪的冷卻曲線。圖1和圖2中實(shí)線所示的是踏面20mm處的冷卻曲線，虛線所示的是5mm處的冷卻曲線。
圖3是實(shí)施優(yōu)選方式1的車輪輪輞斷面硬度測(cè)試分布曲線。圖4是實(shí)施優(yōu)選方式2的車輪輪輞斷面硬度測(cè)試分布曲線。圖5是利用現(xiàn)有技術(shù)熱處理后車輪輪輞斷面硬度測(cè)試分布曲線。
圖3、4、5中標(biāo)號(hào)為1的曲線是指輪緣硬度曲線，從距車輪輪輞內(nèi)側(cè)面16mm處的輪緣上選定測(cè)量位置，向車輪圓心方向測(cè)量；標(biāo)號(hào)為2的曲線是指踏面硬度曲線，從距車輪輪輞內(nèi)側(cè)面70mm的踏面處選定測(cè)量位置向車輪圓心方向測(cè)量，標(biāo)號(hào)為3的曲線是指外側(cè)面硬度曲線，從距踏面32mm的外側(cè)面處沿軸向向輪輞內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量圖5測(cè)試樣品為馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)銷售的HDS規(guī)格的火車車輪各圖中的數(shù)據(jù)均采用10件測(cè)試樣的算術(shù)平均值。
具體實(shí)施例方式
以下各個(gè)優(yōu)選方式和對(duì)比樣品所用的車輪成分為C0.62，Si0.29，Mn0.74，P0.018，S0.003，其余微量。
優(yōu)選方式1將保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的火車車輪，置于臥式淬火臺(tái)中。車輪旋轉(zhuǎn)過程中，對(duì)踏面進(jìn)行噴水冷卻，冷卻時(shí)間20-25秒，用預(yù)埋于踏面下5mm處的熱電偶測(cè)得溫度冷到該鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以下一定溫度范圍，確切的講為595-610℃，停止噴水，此時(shí)踏面表面溫度為550-565℃之間，在車輪踏面表層先形成一層5-8mm厚的珠光體組織。停止噴水后，車輪靜置60-70秒利用輪輞內(nèi)部的高溫區(qū)的熱傳導(dǎo)使表層溫度回升，對(duì)已形成的珠光體組織起軟化作用，用測(cè)溫儀檢測(cè)車輪踏面的表面溫度回升至650-720℃時(shí)，此時(shí)車輪輪輞內(nèi)部溫度仍較高，尚未發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。接著使車輪旋轉(zhuǎn)，用配置在車輪踏面周圍的一組噴頭，將水噴向車輪踏面，冷卻時(shí)間為200s，使輪輞內(nèi)部金屬加速冷卻到550℃以下，冷卻曲線如圖1所示，從而在車輪踏面的亞表層以下形成組織較細(xì)、硬度較高的珠光體組織。冷卻后車輪踏面表面溫度小于300℃，最高回升溫度為390-400℃之間。熱處理后車輪輪輞橫斷面的硬度分布如圖3所示。
機(jī)械性能如下表所示，數(shù)據(jù)采用10件測(cè)試樣的算術(shù)平均值。

優(yōu)選方式2熱處理方法步驟是，將保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，置于臥式淬火臺(tái)上。車輪旋轉(zhuǎn)過程中，對(duì)踏面進(jìn)行風(fēng)冷，用測(cè)溫儀檢測(cè)車輪踏面的表面溫度使其冷至該鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以下一定溫度范圍，確切的講是利用了350-370秒的時(shí)間踏面表面溫度降低到655-670℃，在車輪踏面表層先形成一層厚度在5-8mm的珠光體組織，由于風(fēng)冷速度較慢，所形成的珠光體組織稍粗，硬度較低。此時(shí)車輪輪輞內(nèi)部溫度仍較高，還未發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。接著使車輪旋轉(zhuǎn)，用配置在車輪踏面周圍的一組噴頭，將水噴向車輪踏面，冷卻時(shí)間為200秒，使輪輞內(nèi)部金屬以2-15℃/s的冷卻速度加速冷卻到550℃以下，冷卻曲線如圖2所示，從而在車輪踏面的亞表層以下形成組織較細(xì)、硬度較高的珠光體組織。冷卻后車輪踏面表面溫度在300-320℃之間，最高回升溫度為460-470℃時(shí)，熱處理后車輪輪輞橫斷面的硬度分布如圖4所示。
機(jī)械性能如下表所示。數(shù)據(jù)采用10件測(cè)試樣的算術(shù)平均值。

綜合以上實(shí)施例對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明得到的車輪鋼的踏面表層為鐵素體-珠光體組織，硬度較低，踏面5-8mm以下的部位硬度最高，往心部又逐漸降低，最后恢復(fù)到熱軋態(tài)硬度水平。這種組織是一種非常適于車輪的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閺能囕喤c輪軌接觸的力學(xué)角度分析，車輪受到的最大接觸應(yīng)力并不在車輪表面，而是在踏面下約5mm?，F(xiàn)有技術(shù)的車輪踏面車削加工后，初期使用時(shí)，接觸應(yīng)力最大的部位處于硬度較低的區(qū)域，使車輪容易產(chǎn)生早期疲勞損傷。而本發(fā)明的結(jié)構(gòu)卻使得車輪的表層容易車削加工，而車削加工后可以使車輪承受最大應(yīng)力的區(qū)域獲得最高硬度。
權(quán)利要求
1.一種改善車削加工性能的火車車輪熱處理方法，其特征在于制備一個(gè)保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，在自然環(huán)境溫度下采用噴水冷卻的方式，使車輪踏面表面溫度冷至550-600℃，停止噴水，靜置車輪至表面溫度回升到650-720℃之間時(shí)，再對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火車車輪熱處理方法，其特征在于靜置車輪至表面溫度回升到650-720℃之間時(shí)，再對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻，使車輪踏面表面溫度在240秒之內(nèi)冷卻到350℃以下，最高回升溫度不高于470℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火車車輪熱處理方法，其特征在于制備一個(gè)保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，在自然環(huán)境溫度下噴水冷卻20-25秒后，停止噴水。
4.一種改善車削加工性能的火車車輪熱處理方法，其特征在于制備一個(gè)保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，在自然環(huán)境溫度下采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式，使車輪踏面表面溫度冷卻在650-720℃時(shí)，停止風(fēng)冷，再對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的火車車輪熱處理方法，其特征在于對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻，使輪輞車輪踏面表面溫度在240秒之內(nèi)冷卻到350℃以下，最高回升溫度不高于470℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的火車車輪熱處理方法，其特征在于制備一個(gè)保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，在自然環(huán)境溫度下風(fēng)冷350-370秒的時(shí)間后停止風(fēng)冷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵路用輾鋼整體車輪熱處理的方法。制備一個(gè)保持在奧氏體區(qū)域的高溫狀態(tài)的車輪，在自然環(huán)境溫度下采用噴水冷卻的方式，使車輪踏面表面溫度冷至550－600℃，停止噴水，靜置車輪至表面溫度回升到650－720℃之間時(shí)，或者采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式，使車輪踏面表面溫度冷卻至650－720℃時(shí)，再對(duì)踏面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻。本發(fā)明能顯著改善車輪的車削加工性能，同時(shí)克服了現(xiàn)有技術(shù)制造的車輪的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性差，車輪中、后期使用壽命短的缺陷。
文檔編號(hào)C21D9/34GK1420030SQ0211318
公開日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月18日
發(fā)明者蘇世懷, 張建平, 江波, 陳剛, 孔慶鋼 申請(qǐng)人:馬鞍山鋼鐵股份有限公司