大型冶金機械車輪的熱處理與質(zhì)量

車輪是攔焦車、推焦車、焦罐臺車和大型起重機等冶金機械中的關(guān)鍵重載部件,除自重及外加載荷外，還承受在導軌上來回運行時與導軌接觸而產(chǎn)生的接觸應力。車輪的質(zhì)量直接關(guān)系到整套設備的安全、穩(wěn)定運行。本文從金機械車輪的制作和質(zhì)量控制等方面探討了如何提高車輪的質(zhì)量水平,以確保其使用壽命能滿足要求。

1 車輪的熱處理技術(shù)要求及常見失效形式

1.1 熱處理技術(shù)要求

車輪熱處理技術(shù)要求：踏面和輪緣內(nèi)側(cè)面硬度300～380 HB,表面以下15 mm(踏面直徑≤400mm 時)或20 mm(踏面直徑>400 mm 時)處的硬度≥260 HB。

除了踏面和輪緣內(nèi)側(cè)之外,車輪其他部位沒有具體的熱處理技術(shù)要求，其原因是在實際生產(chǎn)中，車輪熱處理工藝路線是多樣化的，車輪其他部位的熱處理狀況必須有利于機械加工和滿足車輪整體的力學性能要求需要指出的是,對于車輪踏面硬度，從滿足實際質(zhì)量控制要求而言，300～380 HB是個較寬的標準，因此，在車輪設計時，設計人員應根據(jù)機車的自重及載荷情況,根據(jù)接觸應力理論的相關(guān)公式,確定車輪表面的最大應力,從而提出更具指導意義的踏面硬度范圍。

1.2常見失效形式

（1）踏面深層剝落

踏面剝落是車輪常見的失效形式,其原因在于車輪踏面在運行時承受接觸應力,在長時間運行之后產(chǎn)生疲勞裂紋而導致的深層剝落的力學分析。深層剝落也是表面硬化車輪最為常見的失效形式 。采用表面硬化的車輪，其硬化層深度利表面以下一定深度內(nèi)硬度梯度是否合理，是直接影響深層剝落發(fā)生的重要因素。實際上,由于受起重機車輪熱處理技術(shù)要求“粹硬層”這個術(shù)語的影響，對車輪采用表面淬火(硬化)處理成了常用的熱處理方法。不過，單就表面硬度要求而言，300～380 HB 遠低于常用的65Mn、CL60、ZG340-640、35CrMnSi、42CrMo 等車輪用鋼的普通淬火硬度，并且，表面淬火硬化層組織抗回火性能很好，譬如42CrMo 鋼車輪踏面經(jīng)火焰淬火后,硬度達60 HRC 左右，即使550℃回火也僅降至40HRC左右。因此，對車輪采用表面硬化處理是值得商榷的。

（2）斷裂 車輪在裝配過程中發(fā)生的斷裂。其原因是車輪熱處理不當形成微裂紋，并在車輪內(nèi)部形成了較大應力，然后在外力作用下裂紋擴展而開裂。斷裂是一種極其嚴重的失效形式，是實際生產(chǎn)中應避免出現(xiàn)的。此外,車輪選材不當或未經(jīng)熱處理也會導致其在運行過程中斷裂。

2 車輪熱處理工藝及選材和質(zhì)量控制

2.1 熱處理工藝

火車輪經(jīng)典的熱處理工藝是整體加熱后踏面噴淋淬火、回火，中信重工火車輪的生產(chǎn)在這方面具有成熟的設備和技術(shù)。與專業(yè)化、大批量、自動化生產(chǎn)的火車輪相比，冶金機車車輪的生產(chǎn)具有不同的特點。與火車的運行條件相比，冶金機車的運行速度慢，環(huán)境也不同，因此，不可能照搬火車輪的生產(chǎn)方式。不過，同樣是車輪，火車輪和冶金機車輪的技術(shù)要求特別是產(chǎn)品最終的熱處理技術(shù)狀態(tài)應相似，這樣才能使冶金機車輪達到安全、穩(wěn)定和較長壽命的要求。車輪的熱處理工藝與選材、設備技術(shù)條件等因素密切相關(guān)。

根據(jù)車輪的熱處理技術(shù)要求，在沒有成熟的踏面噴淋淬火工裝的情況下，我們先后采取了調(diào)質(zhì)+火焰淬火、調(diào)質(zhì)+感應淬火、兩側(cè)加蓋板保護淬火回火及整體淬火回火等工藝。由于一批車輪在火焰淬火之后踏面發(fā)生了開裂,而部分車輪經(jīng)感應淬火之后上線運行很短時間內(nèi)發(fā)生了踏面剝落，剝落層厚約2 mm;此外采用加蓋板保護淬火回火的部分車輪在上線運行不久后輪輞和輪緣發(fā)生了塑性變形，使我們必須對已采用的車輪熱處理工藝重新進行審視。對比各種工藝路線可知，在合理選材的基礎(chǔ)上，采用整體淬火回火處理，是比較合理、可行的工藝方法。

為了驗證整體淬火回火車輪的技術(shù)效果，對踏面直徑為500 mm 的42CrMo 鋼單緣車輪進行了整體淬火回火處理，然后用線切割從車輪上切取剖面試樣，并用HL-80型里氏硬度計檢測試樣的硬度，整體淬火、回火后的42CrMo鋼車輪輪輞從表面至25 mm 深度處具有平緩的硬度梯度，且深25 mm處的硬度達260 HB。

2.2材料選擇及質(zhì)量控制措施

2.2.1 材料

世界各國普遍選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制作火車輪，這與火車輪需求量巨大有密切關(guān)系，也與火車輪成熟的踏面噴淋淬火回火自動化生產(chǎn)相適應。從長遠看，選擇優(yōu)質(zhì)碳素鋼制作冶金機車車輪是必然的。因為專業(yè)化車輪生產(chǎn)企業(yè)介入相對封閉的冶金機車行業(yè)是需要一定時間的，同時，為需求量少，規(guī)格各異的冶金機車配套生產(chǎn)也難以做到。在這種條件下，選擇合適的材質(zhì)對車輪進行整體淬火回火處理應是比較合理的。

考慮到車輪的整體性能要求，除了踏面需具有較高硬度,并在踏面以下一定深度內(nèi)形成平緩的硬度梯度之外,車輪輻板應具有足夠的強度和韌性,以滿足在沖擊載荷作用下車輪不致失效的要求。同時,輪轂中心孔處不應在淬火過程中形成過大的組織應力，并在以內(nèi)部缺陷為源頭形成放射狀的縱向裂紋導致車輪開裂，因此，車輪選擇中等淬透性的42CrMo鋼，一方面通過淬火后選擇合理的回火溫度，使車輪踏面獲得較高硬度，表面以下一定深度內(nèi)則通過淬火回火自然形成平緩的硬度梯度，同時使輻板處的韌性得到保障。

2.2.2 質(zhì)量控制措施

為保證車輪最終的熱處理質(zhì)量，需要從以下幾方面加強質(zhì)量控制。

（1）合理選擇毛坯類型，嚴格控制毛坯的表面及內(nèi)部缺陷。與火車輪選用軋制或碾鋼坯不同，冶金機車生產(chǎn)中常用的車輪毛坯類型有鑄坯和鍛坯兩種。需要指出的是，由于鍛壓機械設備的限制，目前所用的車輪鍛坯并非真正意義上的鍛造車輪坯，而是普通的圓餅坯，應該說這種鍛坯與軋制或輾鋼坯有本質(zhì)的區(qū)別。此外,不論何種毛坯,車輪踏面及輪緣處都不應有砂眼、氣孔或重皮、鍛造不足等缺陷。整個輪輞內(nèi)的非金屬夾雜物、氧化物等冶金缺陷也要按相應標準進行控制,因為這些缺陷的存在都將導致車輪踏面的過早失效(產(chǎn)生麻點、剝落等)。輪轂和輻板處的內(nèi)部缺陷應設定標準進行控制,以防其在淬火過程中開裂。

（2）加強熱處理過程的監(jiān)控，以防因熱處理不當造成車輪壽命降低。熱處理是使車輪整體力學性能得以實現(xiàn)的必要手段，熱處理不當將導致車輪非正常失效。因此，要特別注意不同毛坯預備熱處理工序的設置、熱處理工藝參數(shù)的合理選定、熱處理過程的標準化及其監(jiān)控等。

對于鍛造毛坯,鍛后熱處理對于提高鍛坯的最終性能有重要意義。合理的鍛后熱處理可以為起重機車輪的最終熱處理提供良好的組織，防止混品、帶狀組織等缺陷遺傳到最終熱處理組織中實際上，合理的預備熱處理不僅有利于提高最終熱處理的質(zhì)量，同時對于提高車輪機械加工效率也大有裨益。

在熱處理過程標準化、流程化、自動化操作水平依然低下的情況，加強熱處理工藝細化工作，明確各項熱處理參數(shù)的控制標準,有利于防止人為原因造成的熱處理質(zhì)量分散。淬火加熱速度、淬火溫度、保溫時間、轉(zhuǎn)移時間、淬火介質(zhì)的濃度及循環(huán)狀況等都會對淬火效果造成影響。

（3）明確熱處理驗收項目及標準,確保驗收數(shù)據(jù)全面反映車輪實際熱處理質(zhì)量狀況。在實際生產(chǎn)中,不可能對每件車輪進行破壞性試驗來檢驗其內(nèi)部的硬度梯度、顯微組織、缺陷等內(nèi)在質(zhì)量,應該明確，在工藝條件發(fā)生變化時，必須進行熱處理效果的確認。比如，毛坯類型、車輪材質(zhì)、淬火條件等因素發(fā)生變化時，就需要對實際效果進行檢測。除此之外，在日常的驗收中，車輪踏面表面硬度(測量部位、檢測點數(shù)量、控制范圍等)、熱處理過程控制記錄(預備熱處理及性能熱處理過程的溫度時間記錄、淬火介質(zhì)參數(shù)記錄等）、車輪表面及內(nèi)部探傷報告等資料應成為必不可少的依據(jù)。

結(jié)束語

選用中等淬透性的42CrMo鋼制作車輪，通過整體淬火回火處理，完全能達到車輪熱處理技術(shù)要求。車輪踏面硬度及輪輞硬度梯度都能滿足使用要求；通過控制回火溫度，可使車輪輻板處的韌性滿足機車承受沖擊載荷的要求。