一种利用淬火余热回火的车轮生产方法、一种车轮与流程

1.本发明属于合金领域，涉及轨道交通用车轮及其制备方法技术领域，更具体地说，涉及一种利用淬火余热回火的车轮生产方法、一种车轮，是一种改善车轮轮辋性能、提高生产效率、降低能耗的热处理方法。


背景技术：

2.车轮是铁路车辆的核心走行部件，承受复杂的机械、热负荷，运用过程中可能产生多种磨损、疲劳等损伤，而磨损、疲劳损伤多与车轮轮辋性能及残余应力存在着紧密联系，适当提高车轮轮辋强硬度、轮辋残余压应力能缓解车轮磨耗、疲劳等损伤的发生，而车轮热处理工艺是决定车轮轮辋性能的关键环节。
3.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，热处理工艺复杂、能耗高、耗时，而且采用此工艺的车轮轮辋性能可调节性差，容易出现车轮轮辋珠光体粗大、车轮轮辋周向残余压应力较小等问题，影响车轮的服役使用性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种利用淬火余热回火的车轮生产方法、一种车轮，基于大水量在短时间内对车轮踏面喷水冷却使得车轮轮辋近踏面组织迅速转变为细珠光体+铁素体组织，然后利用远踏面轮辋和部分辐板余热对近踏面的组织进行回温自回火处理，调整车轮轮辋组织、性能及残余应力等，大大缩短热处理时间、降低能耗。
5.本发明具体技术方案如下：
6.一种利用淬火余热回火的车轮生产方法，包括以下步骤：
7.s1：车轮加热；
8.s2：将步骤s1所得车轮，采用踏面连续喷水的方式进行淬火冷却；
9.s3：淬火结束后，将车轮放置在冷床上，车轮轮辋利用车轮淬火余热进行自回火；
10.s4：再将车轮进行回火处理。
11.步骤s1中，所述加热具体为：850～900℃加热保温2.5～3.5h；
12.步骤s2中，将步骤s1所得车轮放置于卧式淬火台，采用踏面连续喷水的方式进行淬火冷却，淬火过程中为防止翻水影响淬火效果，车轮沿顺时针方向旋转。
13.步骤s2优选的，采用沿车轮周向均布的12～16个块状喷嘴进行踏面淬火冷却，淬火水柱与踏面切线呈30-45
°
夹角，每个喷嘴出水流量均等，喷嘴水压为0.30
±
0.01mpa，喷嘴总水流量为1500～2400l/min；踏面淬火喷水时间为150～200s，具体喷淬时间根据车轮轮辋厚度情况确定，一般情况下，车轮轮辋厚度45-85mm之间，轮辋厚度每增加10mm，淬火时间增加10-20s。
14.步骤s2淬火结束时，踏面下13mm处(对应成品车轮踏面下5mm处)温度280-360℃，踏面下43mm处(对应成品车轮踏面下35mm处)温度580～660℃。
15.步骤s3中，放置时间为5～8min，踏面下13mm处(对应成品车轮踏面下5mm处)温度回温至480～550℃，踏面下43mm处(对应成品车轮踏面下35mm处)温度500～570℃。
16.步骤s4中，回火温度530-550℃，回火时间为1.5～2.5h。
17.生产的车轮成品踏面下5mm珠光体片层间距100-125μm；踏面下35mm珠光体片层间距125-150μm。
18.生产的车轮成品踏面下5mm周向残余压应力为200-250n/mm2；踏面下35mm周向残余压应力为100-150n/mm2。
19.本发明的车轮，采用上述方法生产得到，所述车轮是碳含量0.50-0.65％的中碳钢车轮。
20.细珠光体+铁素体是天然的耐磨材料，一般情况下珠光体片层越细小，硬度越高，耐磨性能越好。利用此原理，本发明采用大水量在较短的时间内对车轮轮辋踏面进行喷水冷却，提高车轮轮辋冷却速度，使得车轮轮辋近踏面组织迅速转变为马氏体及细小的珠光体+铁素体组织，马氏体组织从表面到里部逐渐降低，在踏面下6～8mm处完全消失，然后利用远踏面轮辋和部分辐板余热对近踏面的组织进行回温自回火处理，配合外供热源使得马氏体转变为回火索氏体，降低轮辋踏面表面硬度，为车轮加工提供有利条件。轮辋近踏面自回火的过程中进一步调整近踏面铁素体+珠光体组织状态、强硬度水平以及轮辋内部残余应力，满足车轮性能要求。
21.本发明优先适用于车轮轮辋磨耗到限深度≤35mm深度的车轮。本发明采用大水量淬火，喷嘴总水流量由原来的800l/min提高至1500～2400l/min，在水-车轮轮辋热量交换过程中，大水量会带走更多的热量，使得轮辋近踏面快速冷却完成组织转变，喷水结束后利用车轮远淬火面轮辋、辐板余热对车轮近踏面轮辋进行高温回火处理，由于大水量快冷速可以使减小珠光体片层间距、提高轮辋强硬度水平和轮辋残余压应力水平，利用车轮远淬火面轮辋、辐板余热对车轮轮辋近踏面进行回火，可大大缩短了后续回火热处理工序，大大节约了后序工序能耗。与现有技术相比，本发明不仅改善车轮轮辋组织、性能及残余应力的同时可缩短回火热处理时间35％以上，而且工艺简单易行，便于工业化生产。
附图说明
22.图1为实施例、对比例车轮测温示意图；
23.图2为实施例1、对比例1踏面下13mm、踏面下43mm处温度-时间变化图；
24.图3为实施例1、对比例1成品车轮轮辋周向残余应力水平，踏面下5mm周向残余压应力为200-250n/mm2；踏面下35mm周向残余压应力为100-150n/mm2；
25.图4为实施例1车轮踏面下13mm(对应成品踏面下5mm)处珠光体片层图；
26.图5为对比例1车轮踏面下13mm(对应成品踏面下5mm)处珠光体片层图；
27.图6为实施例1、对比例1车轮轮辋珠光体片层间距对比。
具体实施方式
28.本发明提供的一种利用淬火余热回火的车轮生产方法，包括以下步骤：
29.s1：车轮经过轧制成型缓冷至室温后进入850～900℃加热炉内保温2.5～3.5h后出炉进行淬火处理；
30.s2：将s1所得车轮放置于卧式淬火台，采用踏面连续喷水的方式进行淬火冷却，淬火过程中车轮以一定速度沿顺时针方向旋转。采用沿车轮周向均布的12～16个块状喷嘴进行踏面淬火冷却，淬火水柱与踏面切线呈30-45
°
夹角，每个喷嘴出水流量均等，喷嘴水压为0.30
±
0.01mpa，喷嘴总水流量为1500～2400l/min；踏面淬火喷水时间为150～200s，具体喷淬时间根据车轮轮辋厚度情况确定，一般情况下，厚轮辋喷水时间长，薄轮辋喷水时间短。淬火结束时，踏面下13mm处(对应成品车轮踏面下5mm处)温度280-360℃，踏面下43mm处(对应成品车轮踏面下35mm处)温度580～660℃。
31.s3：淬火结束后，将车轮放置在冷床上，车轮轮辋利用车轮淬火余热进行自回火，放置时间为5～8min，踏面下13mm处(对应成品车轮踏面下5mm处)温度回温至480～550℃，踏面下43mm处(对应成品车轮踏面下35mm处)温度500～570℃。
32.s4：将按s3处理后的车轮放入炉温为530-550℃的回火炉进行回火处理，回火时间为1.5～2.5h。
33.本发明通过以下优选的实施例和对比例对本发明进一步说明。
34.实施例1
35.一种利用淬火余热回火的车轮生产方法，具体为：
36.采用大水量对车轮踏面喷水冷却使得车轮轮辋近踏面组织迅速转变为马氏体及细小的珠光体+铁素体组织，然后利用远踏面轮辋和部分辐板余热对近踏面的组织进行回温自回火处理，配合外供热源使得马氏体转变为回火索氏体，降低轮辋踏面表面硬度，为车轮加工提供有利条件。轮辋近踏面自回火的过程中进一步调整近踏面铁素体+珠光体组织状态、强硬度水平以及轮辋内部残余应力，满足车轮性能要求。
37.本实施例采用表1成分的车轮1进行热处理，车轮外径为860mm，轮辋厚度为68mm，如图1所示，车轮经过轧制成型缓冷至室温后进行热处理，热处理前在车轮轮辋踏面下13mm处(对应成品车轮踏面下5mm处)、踏面下43mm处(对应成品车轮踏面下35mm处)钻孔，孔深70mm，埋植热电偶，与加热炉在线测温系统连接，并将具有数据无线传输功能的加热炉在线测温系统固定在车轮毛坯上方，一起进入加热炉进行热处理，由此可连续记录热处理过程温度变化，数据记录频率为0.2s/次。具体的生产方法为：车轮加热炉温度为860℃，保温2.5h，出炉后在卧式淬火台进行淬火处理，淬火台沿车轮周向均布12个块状大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，12个喷嘴出水总量为1580l/min，踏面淬火喷水时间为150s。淬火结束后，直接将车轮放置在冷床上，车轮轮辋利用车轮淬火余热进行自回火，放置时间为6min，然后将车轮直接放入炉温为540℃的回火炉进行回火处理，回火时间为1.5h。
38.对比例1
39.本对比例采用的车轮与实施例1同炉号、同规格、同批生产。采用与实施例1一样的方式，对热处理过程温度变化进行连续测量，车轮加热炉温度为860℃，需保温2.5h，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，12个喷嘴出水量为800l/min，踏面淬火喷水时间为240s。淬火结束后，将车轮放置在冷床上空冷30min，然后将车轮直接放入炉温为540℃的环形回火炉进行回火处理，回火时间5.0h。
40.图2为实施例1、对比例1车轮轮辋温度-时间变化图，很明显，实施例在淬火阶段的冷却速度稍大，在回温阶段车轮轮辋最高温度可达到540℃以上，明显高于对比例。相应的，实施例车轮轮辋珠光体片层间距较小，如图4、图5、图6所示。
41.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进行拉伸、冲击、硬度分析和轮辋残余应用测量，按照gb/t 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，按照gb/t 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行常温和-20℃摆锤冲击试验，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。实施例1与对比例1车轮轮辋的性能见表2、3，可见，采用本发明方案能适当提高车轮轮辋部位的性能，明显提高轮辋断面硬度及踏面下10-35mm区间的残余压应力，对改善车轮抗接触疲劳及磨损性能非常有利。表4是实施例、对比例车轮热处理所需时间，很明显，实施例1所需热处理时间更少，大大的提高了热处理效率。
42.实施例2
43.一种利用淬火余热回火的车轮生产方法，具体为：
44.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85mm。如图1所示，车轮经过轧制成型缓冷至室温后进行热处理，热处理前在车轮轮辋踏面下13mm处(对应成品车轮踏面下5mm处)、踏面下43mm处(对应成品车轮踏面下35mm处)钻孔，孔深70mm，埋植热电偶，与加热炉在线测温系统连接，并将具有数据无线传输功能的加热炉在线测温系统固定在车轮毛坯上方，一起进入加热炉进行热处理，由此可连续记录热处理过程温度变化，数据记录频率为0.2s/次，车轮加热炉温度为900℃，保温3.5h，出炉后在卧式淬火台进行淬火处理，淬火台沿周向均布16个块状大流量喷嘴进行踏面淬火冷却，淬火水柱与踏面切线呈45
°
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，16个喷嘴出水量约为2350l/min，踏面淬火喷水时间为200s。淬火结束后，将车轮放置在冷床上，车轮轮辋利用车轮淬火余热进行自回火，放置时间为8min，踏面下5mm处及35mm处温度均≥500℃以上，然后将车轮直接放入炉温为540℃的回火炉进行回火处理，回火时间为2.5h。
45.对比例2
46.本对比例采用的车轮与实施例2同炉号、同规格、同批生产。采用与实施例2一样的方式，对热处理过程温度变化进行连续测量，车轮加热炉温度为900℃，需保温3.5h，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，12个喷嘴出水量为800l/min，踏面淬火喷水时间为480s。淬火结束后，将车轮放置在冷床上空冷30min，然后将车轮直接放入炉温为540℃的环形回火炉进行回火处理，回火时间6.0h。
47.实施例2、对比例2车轮轮辋温度-时间变化图及轮辋珠光体片层规律同实施例1、对比例1。
48.按照bs en 13262《铁路应用—轮对和转向架—车轮—产品要求》要求进行拉伸、冲击、硬度分析和轮辋残余应力测量，按照gb/t 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，按照gb/t 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行常温和-20℃摆锤冲击试验，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。实施
例2与对比例2车轮轮辋的性能见表2、3，可见，其规律与实施例1、对比例1结果一致，即，采用本发明方案能适当提高车轮轮辋部位的性能，明显提高轮辋断面硬度及踏面下10-35mm区间的残余压应力，对改善车轮抗接触疲劳及磨损性能非常有利。表4是实施例、对比例车轮热处理所需时间，很明显，实施例和对比例所需热处理时间更少，大大的提高了热处理效率。
49.表1实施例、对比例车轮主要化学成分
[0050][0051][0052]
注，表1没有显示的余量为fe和不可避免的杂质。
[0053]
表2实施例与对比例车轮轮辋部位的力学性能
[0054][0055]
表3实施例与对比例车轮轮辋部位的力学性能
[0056][0057]
表4实施例与对比例车轮热处理工艺参数对比
[0058] 淬火加热时间/h淬火时间/s冷却时间/h回火时间/h总时间/h实施例12.51500.101.54.14对比例12.52400.558.07实施例23.52000.132.56.16对比例23.54800.5610.13
[0059]
本发明针对现有车轮热处理过程中存在热处理时间长、能耗大、车轮轮辋性能可调控性差的问题，自回火过程中调整轮辋组织、性能及残余应力，大幅度缩短车轮热处理时间，尤其是回火时间，生产效率明显提高、成本明显降低，同时为改善车轮轮辋质量创造有利条件。