新型整體鑄鋼車輪熱處理工藝研究和試制

張杰勇

（中國北車集團大同電力機車有限責任公司，山西大同 037000）

整體鑄鋼車輪制造工藝，是美國Griffin和Abex兩大公司，在60年代分別研究出來的。是對鐵路車輪輪型設計優化和制造技術改進的結晶，采用先進的石墨型鑄造技術，得到了致密的金屬組織，車輪深盆型輻板和磨耗型踏面的設計，以及合理的輪輞淬火工藝，明顯地提高了車輪的使用壽命。經過30多年實際運行驗證，確認新型整體鋼輪在任何條件下使用，都是安全可靠的，然而隨著鐵路運輸高速重載的發展，對車輪提出了愈來愈高的要求，改進和提高車輪熱處理淬火工藝水平，仍然是一個很重要的課題，我公司在新型整體鑄鋼車輪的研制過程中，對試驗車輪進行了車輪踏面，輪輞外側面兩面淬火和車輪踏面輪輞內、外側面三面強化淬火工藝試驗。車輪的各項性能指標均獲得了明顯的改善，綜合機械性能得到了提高，取得了良好的效果。

1 鐵路車輪的使用要求和質量要求

車輪是機車車輛的重要零件，在運行中支承著整個車廂的重量，運行線路復雜，輪軌之間經受著無數次摩擦和制動，其環境溫度變化大等工況。因此，對車輪在制造過程中熱處理方面的質量提出了很高的要求：

1）車輪輪輞部分具有良好的綜合機械性能，即高的強度和高的韌性。實踐證明，對強度、輪輞硬度的均勻性要求更為迫切。

2）車輪的踏面有較高的耐磨性、輪輞外側面有較強的抗輾堆和抗掉塊能力。輪緣部分的實際硬度值，被認為是至關重要的。

3）要求輪輞部分存在有一定的殘余壓應力。

4）輪轂與輻板及輪輞的過度區應具有良好的性能。

2 車輪輪輞強化淬火裝置

我公司從研制新型整體鑄鋼車輪以來，設計了車輪輪輞強化淬火試驗裝置。該裝置可對車輪踏面、輪輞外側面兩面淬火或車輪踏面、輪輞內、外側面三面強化淬火。采用這種熱處理工藝試制后的車輪，進行各種性能試驗取得了良好的效果。

新型整體鑄鋼車輪淬火機構，是根據車輪輪輞淬火工藝要求進行設計的。淬火時將車輪水平放置，且輪輞內側面朝上（見圖1）。車輪的踏面、輪輞外側面和輪輞內側面，可以同時接受噴水淬火。

圖1 輪輞淬火[1]

在該淬火機構上可分別實現幾種輪輞淬火工藝過程：

1）車輪踏面淬火。

2）車輪踏面、輪輞外側面兩面淬火。

3）車輪踏面、輪輞內、外側三面強化淬火。

3 車輪強化淬火的工藝過程

首先將經850℃正火后的車輪，在90 kW井式電爐中加熱到奧氏體溫度，保溫透燒后用專用中心吊具吊到淬火裝置，穩穩地放在托架上退出吊具，將踏面噴水環及外側面噴水環上升到位，內側面噴水環下降，車輪旋轉的同時啟動水泵，下、側兩面或上、下、側三面同時噴水。使車輪輪輞接受兩面或三面強化淬火。此時開始用計時器計時，直到達到工藝要求淬火時間為止，關閉啟動開關，使操作過程按鈕相反程序進行，完成一個車輪的強化淬火操作循環，經過強化淬火后的車輪，在回火爐中進行500℃以下回火。

在淬火裝置上車輪淬火技術的關鍵：

1）選用在噴嘴口裝有多孔蓋，控制噴水壓力，如果淬火介質冷卻強度太大，會使車輪產生淬火裂紋和掉塊現象[2]。

2）在車輪輻板加蓋防護罩，防止淬火過程中冷卻介質流入盆腔[3]。

3）用接觸式熱電偶測量車輪表面溫度，準確控制淬火溫度在（840±10）℃.

4）用溫度計測量淬火介質恰當地控制冷卻水溫在(20±5）℃.

5）在輪輞淬火的同時，輻板得到良好的正火處理。

6）按不同的化學成分碳當量，控制回火溫度為（480±10）℃，確保輪輞的硬度符合AAR標準。

在研制過程中，進行熱處理工藝試驗及輪輞物理性能試驗的車輪，一個采用車輪踏面、輪輞外側面兩面淬火工藝，車輪號為0015.另一個0017號車輪采用車輪踏面、輪輞內、外側面三面同時噴火淬火（該工藝方法僅為工藝試驗）。其代表車輪輻板性能的基爾試樣，經正火加回火后的7個整體鑄鋼車輪的化學成分，力學性能見表1、表2.

表1 7個整體鑄鋼車輪的化學成分（質量分數，%）

表2 7個車輪輻板性能的基爾試樣機械性能

車輪踏面及輪輞外側面兩面淬火加回火的0015號車輪和車輪踏面、輪輞內、外側面三面淬火加回火的0017號工藝試驗車輪，金相組織如圖2.高倍試樣取樣部位見圖3.

圖2 金相組織

圖3 試塊取樣位置[4]

從圖2金相組織可以看出，車輪踏面和輪輞外側面兩面淬火和車輪踏面、輪輞內、外側面三面淬火后回火的產物均為回火索氏體或珠光體為主的組織，整個輪輞部分具有良好的綜合機械性能。為避免輻板進水，在隨后的全部試驗車輪均采用踏面和輪輞外側面淬火后回火的熱處理工藝。

在整個試驗過程中，所有車輪都按美國AAR標準進行。車輪的硬度測量：即在輪輞外側面上測量，壓痕邊緣與連接輪輞和踏面的圓弧之間的距離應不小于3/16吋的布氏硬度為HB277～341。所有車輪的硬度檢驗結果都符合美國ARR標準規定的要求。進行各種性能試驗和裝車運行試驗的鑄鋼車輪的實際硬度值如表3所示。

表3 鑄鋼車輪的實際硬度值

兩個進行工藝試驗的車輪，按規定取樣部位進行力學性能試驗，達到了GB8601-88對整體輾鋼A級輪的要求A級輪的要求見表4.

表4 整體輾鋼A級輪的要求

輪輞兩面淬火和輪輞三面強化淬火后回火的車輪實物解剖后，輪輞截面HB數值的分布情況見圖4，硬度梯度分布情況見圖5.

圖4 輪輞截面布氏硬度HB數值的分布情況[5]

從以上車輪輪輞解剖后的實際硬度值分布情況，以及輪輞的硬度梯度分析，整個輪輞的硬度較均勻，具有較合適的硬度梯度。這樣就明顯地提高了車輪的耐磨性和抗輾堆的能力。

車輪的疲勞破壞是由裂紋萌生開始的，車輪輪輞經淬火處理后產生的殘余應力，是一種希望的應力情況，這種周向的殘余應力可以延緩或抑制熱裂紋的產生，一旦由于劇烈的制動引起熱裂紋產生之后，輪輞部分的殘余壓應力將限制橫向裂紋的進一步擴展。一般沿經向方向疲勞擴展很慢，可能在繼續使用中逐漸磨耗掉，不會造成崩輪事故。這種現象已引起各國車輪設計，生產和運用部門的重視，國際鐵路聯盟UIC812-3《機車車輛用非合金整體輾鋼車輪供貨技術條件》，輪輞殘余壓應力的檢驗方法，是在車輪輪輞外側面厚度的中間處，沿圓周方向沖兩個相距100 mm的小孔，然后在兩沖孔的中間沿半徑方向從輪緣到輪轂孔進行徑向切割（用火焰或機加工方法切割），切開寬度應不小于2 mm，當車輪冷卻后測定兩沖點間的收縮量應不小于1 mm.研制的鑄鋼輪都進行輪輞淬火和輻板拋丸強化處理，進行過4個車輪割缺口試驗，回彈值均超過了1 mm.見表5.

圖5 硬度梯度分布情況

以上對新型整體鑄鋼車輪輪輞殘余應力檢驗結果表明，其輪輞沖點間的縮小量值已滿足有關標準規定的技術要求。經過靜強度、動強度、輻板疲勞強度，制動熱負荷等項目試驗后，將力學性能符合AAR標準的車輪，在平頂山礦務局進行裝車運行試驗，其結果新型整體鑄鋼車輪與輾鋼車輪相比，踏面磨耗量較小，輪輞無輾邊和剝離現象。

本次工藝試驗車輪與國內、外輾鋼輪、國際A級、B級輾鋼輪的比較見表6.

表5 回彈均值

表6 車輪技術指標

4 結 論

1）新型整體鑄鋼車輪，采用車輪踏面、輪輞外側面兩面淬火后回火工藝是合理的。車輪輪輞硬度分布情況，力學性能符合AAR-M-208B級鑄鋼車輪標準要求。并達到國內外輾鋼輪和鑄鋼輪的水平。

2）車輪輪輞有較合適的硬度梯度，在距踏面30mm內的布氏硬度差值為25 HB.車輪輪輞的綜合機械性能較好，可以延長車輪的使用壽命。

3）車輪輪輞的殘余應力和斷裂力學性能良好，達到了輾鋼車輪的技術要求。

4）車輪淬火裝置設計方案是正確的，主要參數能夠滿足車輪熱處理工藝要求。

5）相同條件下使用新型整體鑄鋼車輪，可以大大節省能源，有很好的經濟效益和明顯的社會效益。

［1］戚正風.金屬熱處理原理［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］胡賡祥，錢苗根.金屬學［M］.上海：上?？茖W技術出版社，2010.