專利名稱：：鐵路車輪的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鋼制鐵路車輪的熱處理，尤其是但不限于涉及使用馬氏體相變產(chǎn)生所需的車輪殘余應(yīng)力分布的處理方法。
背景技術(shù)：
：鐵路車輪的運轉(zhuǎn)表面(車輪輪面)當(dāng)支撐巨大的輪軸載荷時受到由于與鐵軌接觸而產(chǎn)生的接觸應(yīng)力和摩擦力而導(dǎo)致的惡劣環(huán)境的影響。在很多情況下，鐵路車輪輪面通過剎車蹄也用作火車的剎車鼓，剎車蹄直接作用在車輪輪面上，因而使得車輪輪面受到劇烈的溫度變化和熱應(yīng)力的影響。所有這些因素導(dǎo)致了車輪輪面的退化，該退化的形式包括車輪輪面以及位于輪面下面的材料的不同程度的磨損、滾動接觸疲勞和熱疲勞。由于這種車輪輪面的退化，通常通過由表面加工材料以暴露出新的沒有破壞的材料，并恢復(fù)所需的車輪輪面的輪廓來對車輪輪面定期更新。因此，車輪的外部，車輪輪面為最外表面的輪廓制造的足夠厚，用以保證具有足夠的結(jié)構(gòu)支撐和用于通過加工來進行更新的額外的材料。由于車輪輪面因疲勞而產(chǎn)生裂縫，車輪必須具有阻止這種裂縫傳播的固有阻力，在大多數(shù)的鐵路車輪中，該固有阻力通過在最容易開裂的區(qū)域具有足夠剛性和殘余壓應(yīng)力分布(材料的內(nèi)力)的材料的組合物提供。特別是，為了抵抗在車輪輪面處和接近車輪輪面處產(chǎn)生的裂縫，輪緣外部的周向殘余應(yīng)力應(yīng)該是可壓縮的。例如經(jīng)常采用涉及車輪輪面淬火工藝的一種熱處理方式來達到上述分布，如US5899516所述。在鋼制車輪中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的傳統(tǒng)方法適合于具有珠光體微結(jié)構(gòu)而不是貝氏體、馬氏體或者貝氏體_馬氏體混合微結(jié)構(gòu)的車輪。鐵路車輪的熱處理的傳統(tǒng)方法在應(yīng)用于具有馬氏體微結(jié)構(gòu)的車輪時，通常在輪緣的外部產(chǎn)生劇烈的、不想要的殘余拉伸應(yīng)力。這是因為從奧氏體溫度(>700-950°C，取決于鋼的成分)冷卻的時候，珠光體鋼和貝氏體/馬氏體鋼具有十分不同的特性。本文中的術(shù)語“貝氏體/馬氏體”指的是具有貝氏體、馬氏體或貝氏體-馬氏體混合微結(jié)構(gòu)的鋼。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進的鐵路車輪的熱處理方法，或至少是一種已有方法的替換。本發(fā)明的一個方面可以概括為一種鋼制鐵路車輪的處理方法，包括(a)加熱車輪，以在整個輻板和輪緣上都形成奧氏體，(b)冷卻，以在外輻板部形成貝氏體/馬氏體，(c)冷卻，以在輪緣內(nèi)部形成貝氏體/馬氏體，(d)冷卻，以在輪緣外部形成貝氏體/馬氏體。依次實施步驟(a)到(d)以在外輪緣部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。優(yōu)選的外輻板部淬火冷卻2到15分鐘之間，更優(yōu)選的在5到10分鐘之間。優(yōu)選的內(nèi)輪緣部淬火冷卻在2到15分鐘之間，更優(yōu)選的在5到10分鐘之間。優(yōu)選的輪緣外部冷卻到室溫或者可選擇回火1到4小時。本發(fā)明的另一個方面為一種鋼制鐵路車輪的處理方法，包括(a)加熱車輪到奧氏體相變溫度之上，(b)將車輪的外輻板部冷卻到低于馬氏體起始溫度，(c)將輪緣內(nèi)部冷卻到低于馬氏體起始溫度，(d)將輪緣外部冷卻到低于馬氏體起始溫度。本發(fā)明的再一個方面為已經(jīng)經(jīng)過根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法處理過的鋼制鐵路車輪。該車輪優(yōu)選的包括具有貝氏體、馬氏體或者貝氏體-馬氏體混合微結(jié)構(gòu)的輪緣部分，在輪緣的外部具有顯著的周向壓應(yīng)力。該鋼鐵優(yōu)選的組份范圍是0.05-0.3%C,3.00-5.00%Μη,0.45-1.85%Si,(都是重量比，沒有超過0.05%wt的其他合金添加劑)。其他成份的范圍也適于根據(jù)這些方法處理過的車輪。本發(fā)明也包括本說明書中指出的特征組合的替換。所有這些等效特征被視為包括其中。本發(fā)明的優(yōu)選實旋例將通過附圖被描述，其中圖1所示為典型的鐵路車輪的橫截面，圖2所示為鋼材的簡單目溫度圖，圖3所示為鐵路車輪中合適的應(yīng)力分布圖，圖4所示為該分布如何從車輪輪面開始隨著深度變化，圖5所示為車輪的輻板部分的冷卻，圖6所示為車輪輻板和輪緣部分的冷卻，以及圖7所示為典型的淬火設(shè)備。具體實施例方式參考附圖，可以理解，本發(fā)明可以在不同車輪上以不同的方式實施。此處給出的實施例僅為示例。圖1所示為鋼制鐵路車輪的主要部分。輪轂10支撐輪軸，而車輪輪面11提供與鐵軌的接觸，凸緣12防止在鐵軌上的橫向移動。輪緣13支撐車輪輪面和凸緣，而輻板14連接輪轂和輪緣。在世界上的鐵路工業(yè)界內(nèi)，這種通用形式的形狀具有一些不同的變化，但大體上是標(biāo)準(zhǔn)的。圖2示意性的示出了在將鋼從奧氏體溫度冷卻卻到珠光體微結(jié)構(gòu)的過程中的主要原理，即為熱收縮。正是鋼材的這個收縮允許通過在車輪輪面噴水淬火而使用車輪淬火的傳統(tǒng)工藝從而在輪緣外部形成殘余壓應(yīng)力。該應(yīng)力通常表示為“圓周的”，其表示輪緣圓周周圍的壓應(yīng)力的主要分布。然而，當(dāng)鋼材經(jīng)從奧氏體溫度冷卻到貝氏體/馬氏體的時候，鋼材的熱收縮伴隨著大的相位改變，即馬氏體相變。這是由于從奧氏體的面心立方體金屬晶體結(jié)構(gòu)到馬氏體的體心四方結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)的相位變化而引起的。因此已知的對由馬氏體/貝氏體鋼制成的車輪進行淬火的過程趨向于在車輪輪面上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。馬氏體相變一般發(fā)生在300到500°C之間，起始(更高的)溫度一般是300到450°C，取決于鋼材成分。圖3和圖4示意性的示出了鋼制鐵路車輪的所需的應(yīng)力分布。該分布在輪緣的外部主要是壓應(yīng)力，而在整個內(nèi)部主要為拉伸應(yīng)力。這些部分之間的邊緣區(qū)域的特性和分布是相似的，并取決于特定的車輪。圖5和圖6示出了如何通過對具有貝氏體/馬氏體微結(jié)構(gòu)的車輪進行熱處理以獲得例如圖3和圖4中的分布。有限元電腦建模示出了，與傳統(tǒng)的車輪輪面淬火工藝相比通過使用對車輪的不同部分進行的一系列的淬火工藝，有可能在車輪的外部產(chǎn)生所需的殘余壓應(yīng)力分布。對車輪實施如下處理工藝1.車輪在爐子中加熱到超過奧氏體溫度(>700-950°C，取決于鋼的成分)并在此溫度下保持足以使整個鋼材達到奧氏體結(jié)構(gòu)的一段時間。2.然后車輪從爐子中轉(zhuǎn)移到淬火沒備中。這種設(shè)備可以有多種形式，通常使車輪保持垂直或水平方向，并使車輪和設(shè)備相對旋轉(zhuǎn)。3.使用鹽水、水、油、空氣或者其他合適的介質(zhì)對車輪輻板外部的一側(cè)或兩側(cè)淬火，如圖5所示。這個階段持續(xù)2到15分鐘，通常是5到10分鐘，取決于車輪的尺寸和幾何形狀。4.使用鹽水、水、油、空氣或者其他合適的介質(zhì)對車輪輪緣內(nèi)部的一側(cè)或兩側(cè)淬火，如圖6所示。優(yōu)選的車輪輻板外部的一側(cè)或兩側(cè)也被淬火。這個階段持續(xù)2到15分鐘，通常是5到10分鐘，取決于車輪的尺寸和幾何形狀。5.車輪從淬火裝置中取出，冷卻到室溫，或進行1到4小時的回火/應(yīng)力釋放熱處理。6.車輪加工到最終尺寸，準(zhǔn)備用于通常方法的裝配。圖7示出了通常的淬火裝置的細節(jié)。所示的車輪相對于具有一排噴霧嘴的淬火裝置沿水平方向放置在操作臺上。噴嘴按上述的順序被操作，同時操作臺使車輪相對于噴霧嘴旋轉(zhuǎn)。電腦處理器按照儲存在電子存儲器內(nèi)的程序操作噴嘴。本設(shè)備的結(jié)構(gòu)，例如噴霧嘴的布置和操作可以有多種不同形式。此處所述的過程適合于貝氏體、馬氏體或者混合的貝氏體_馬氏體鋼材，然而其通常準(zhǔn)備用于如下組份的鋼材0.05-0.3%C,3.00-5.00%Μη,0.45-1.85%Si,(都是重量比，沒有超過0.05%wt的其他合金添加物)。其他的組份，例如用Cr或者Mo代替Mn也是適用的。這樣的鋼材能夠產(chǎn)生貝氏體-馬氏體微結(jié)構(gòu)，其具有有用的機械性能，并能夠提供更耐久、需要更少的維護并具有提高的安全性的鐵路車輪。這種鋼材的典型的機械性能如下所示。車輪鋼材的機械性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種處理鋼制鐵路車輪的方法，其包括(a)加熱車輪，從而在整個輻板和輪緣部分形成奧氏體，(b)冷卻，從而在輻板部分形成貝氏體/馬氏體，(c)冷卻，從而在輪緣內(nèi)部中形成貝氏體/馬氏體，以及(d)冷卻，從而在輪緣外部中形成貝氏體/馬氏體。2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過淬火2到15分鐘、優(yōu)選地淬火5到10分鐘來冷卻所述輻板部分的外部。3.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過淬火2到15分鐘、優(yōu)選地淬火5到10分鐘來冷卻所述內(nèi)輪緣部分。4.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中將外輪緣部分冷卻到室溫或者可選擇地回火1到4小時。5.一種如權(quán)利要求所述的方法，其中依次實施步驟(a)到(b)以在外輪緣部分中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。6.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中鋼材的組份具有如下范圍0.05-0.3%C，3.00-5.00%Μη,Ο.45-1.85%Si，(％是重量比，沒有超過`0.05%wt的其他合金添加物)。7.—種處理鋼制鐵路車輪的方法，其包括(a)將車輪加熱到奧氏體相變溫度以上，(b)將車輪的輻板部分冷卻到低于馬氏體起始溫度，(c)將輪緣的內(nèi)部冷卻到低于馬氏體起始溫度，以及(d)將輪緣的外部冷卻到低于馬氏體起始溫度。8.一種實施如權(quán)利要求1至7任一所述的方法的鋼制鐵路車輪的淬火設(shè)備。9.一種如權(quán)利要求1至7任一所述的方法處理過的鋼制鐵路車輪。10.一種鐵路車輪，其具有由貝氏體/馬氏體鋼材形成的輪緣，其中該輪緣的外部具有周向壓應(yīng)力。11.一種如權(quán)利要求10所述的車輪，其具有由貝氏體/馬氏體鋼制成的輻板。全文摘要一種處理鋼制鐵路車輪以在輪緣形成所需殘余壓應(yīng)力分布的方法。概括來說對車輪從輻板到輪緣進行加熱和淬火。首先加熱車輪以在整個輻板和輪緣部分形成奧氏體。接著冷卻車輪以在輻板部分形成貝氏體/馬氏體。車輪被冷卻以在輪緣的內(nèi)部形成貝氏體/馬氏體。將車輪冷卻以在輪緣的外部冷卻形成貝氏體/馬氏體。文檔編號C21D9/34GK101821414SQ200880020685公開日2010年9月1日申請日期2008年6月19日優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日發(fā)明者B·舍恩,H·N·卡,T·R·康斯特布爾申請人:昆士蘭鐵路有限公司;澳大利亞鐵路軌道有限公司;太平洋國立(維多利亞)有限公司;阿斯西亞諾服務(wù)股份有限公司;Tmg鐵路技術(shù)股份有限公司;新南威爾士鐵路公司;昆士蘭中部大學(xué);伍倫貢大學(xué);莫納什大學(xué);南澳大利亞大學(xué);昆士蘭技術(shù)大學(xué);昆士蘭大學(xué)