大型冶金机械车轮的热处理与质量管理

；0 ： ： 工 艺 大型冶金机械车轮的热处理与质量管理 尚贺军 ，赵丽关 (1山东钢铁济钢集团重工机械有限公司，山东济南 250101；2济南市历城福顺热处理厂，山东济南 250101) 摘要：大型冶金机械车轮属重栽件，主要因表面剥落或断裂而失效。车轮的踏面和轮缘内侧面要求硬度 为300380 面以下15 B。车轮采用42行 整体淬火和回火处理，并进行有效的质量管理，结果达到了上述硬度要求。 关键词：车轮；热处理；硬度；质量管理 中图分类号： 文献标识码：B 文章编号：10081690(2011)04005604 ei1o&S o，o，50101，250101，of or he of 00 80 HB，at a 5 mm 0mm is or 60 he 2 as a 轮是拦焦车、推焦车、焦罐台车和大型起重机 等冶金机械中的关键重载部件，除自重及外加载荷 外，还承受在导轨上来回运行时与导轨接触而产生 的接触应力。车轮的质量直接关系到整套设备的安 全、稳定运行。本文从冶金机械车轮的制作和质量 控制等方面探讨了如何提高车轮的质量水平，以确 保其使用寿命能满足要求。 1 车轮的热处理技术要求及常见失效 形式 11 热处理技术要求 车轮热处理技术要求：踏面和轮缘内侧面硬 度300380 面以下15 面直径4400 20 面直径400 的硬度 260 除了踏面和轮缘内侧之外，车轮其他部位没有 具体的热处理技术要求，其原因是在实际生产中，车 轮热处理工艺路线是多样化的E 2车轮其他部位 的热处理状况必须有利于机械加工和满足车轮整体 的力学性能要求。需要指出的是，对于车轮踏面硬 度，从满足实际质量控制要求而言，300380 个较宽的标准，因此，在车轮设计时，设计人员应 根据机车的自重及载荷情况，根据接触应力理论的 相关公式，确定车轮表面的最大应力，从而提出更具 指导意义的踏面硬度范围。 12常见失效形式 (1)踏面深层剥落，如图1所示。 踏面剥落是车轮常见的失效形式，其原因在于 车轮踏面在运行时承受接触应力，在长时间运行之 后产生疲劳裂纹而导致的。深层剥落的力学分析如 图2所示。深层剥落也是表面硬化车轮最为常见的 失效形式。采用表面硬化的车轮，其硬化层深度和 表面以下一定深度内硬度梯度是否合理，是直接影 收稿日期：20109 作者简介：尚贺军(1980一)，男，河北谷城人，助理工程师，主要从事热处理技术与失效分析等工作，已发表论 文6篇。联系电话：0531888668906356 热处理 201 1年第26卷第4期 响深层剥落发生的重要因素。实际上，由于受起重 机车轮热处理技术要求 71(如表1)中“淬硬层”这 个术语的影响，对车轮采用表面淬火(硬化)处理成 了常用的热处理方法。不过，单就表面硬度要求而 言，300380 640、352并且，表面淬火硬化层组织抗回火性能很好，譬如 42度达60 ，即使550 此，对 车轮采用表面硬化处理是值得商榷的。 图1 车轮踏面深层剥落宏观形貌 of 表面距离 图2深层剥落力学分析图 of 表1 起重机车轮热处理技术要求 2)断裂图3所示是车轮在装配过程中发生 的断裂。其原因是车轮热处理不当形成微裂纹，并 在车轮内部形成了较大应力，然后在外力作用下裂 纹扩展而开裂。断裂是一种极其严重的失效形式， 是实际生产中应避免出现的。此外，车轮选材不当 或未经热处理也会导致其在运行过程中断裂 。 图3车轮断裂 车轮热处理工艺及选材和质量控制 21热处理工艺 火车轮经典的热处理工艺是整体加热后踏面喷 淋淬火、回火，国内火车轮生产的龙头企业马钢在这 方面具有成熟的设备和技术 。 。与专业化、大批 量、自动化生产的火车轮相比，冶金机车车轮的生产 具有不同的特点。与火车的运行条件相比，冶金机 车的运行速度慢，环境也不同，因此，不可能照搬火 车轮的生产方式。不过，同样是车轮，火车轮和冶金 机车轮的技术要求特别是产品最终的热处理技术状 态应相似，这样才能使冶金机车轮达到安全、稳定和 较长寿命的要求。车轮的热处理工艺与选材、设备 技术条件等因素密切相关。 根据车轮的热处理技术要求，在没有成熟的踏 面喷淋淬火工装的情况下，我们先后采取了调质+ 火焰淬火、调质+感应淬火、两侧加盖板保护淬火回 火及整体淬火回火等工艺。由于一批车轮在火焰淬 火之后踏面发生了开裂 ，而部分车轮经感应淬火 之后上线运行很短时间内发生了踏面剥落，剥落层 厚约2 外采用加盖板保护淬火回火的部分车 轮在上线运行不久后轮辋和轮缘发生了塑性变形， 使我们必须对已采用的车轮热处理工艺重新进行审 视。对比各种工艺路线(见表2)可知，在合理选材 的基础上，采用整体淬火回火处理，是比较合理、可 行的工艺方法。 为了验证整体淬火回火车轮的技术效果，对踏 面直径为500 淬火回火处理，然后用线切割从车轮上切取剖面 试样，并用0型里氏硬度计检测试样的硬度， 其结果如图4所示。从图4可知，整体淬火、回火后 的42缓的硬度梯度，且深25 B。 热处理 201 1年第26卷第4期 表2 车轮常用的热处理工艺及特点 ：焰淬火；2调质+感应淬火；3加盖板保护淬火回火；4整体淬火、回火 0 5 l0 0 25 30 踏商以4整体淬火、回火42 in of 22材料选择及质量控制措施 221 材料 世界各国普遍选用优质碳素钢制作火车轮 ， 这与火车轮需求量巨大有密切关系，也与火车轮成 熟的踏面喷淋淬火回火自动化生产相适应。从长远 看，选择优质碳素钢制作冶金机车车轮是必然的。 因为专业化车轮生产企业介入相对封闭的冶金机车 行业是需要一定时问的，同时，为需求量少，规格各 异的冶金机车配套生产也难以做到。在这种条件 下，选择合适的材质对车轮进行整体淬火回火处理 应是比较合理的。 考虑到车轮的整体性能要求，除了踏面需具有 较高硬度，并在踏面以下一定深度内形成平缓的硬 度梯度之外，车轮辐板应具有足够的强度和韧性，以 满足在冲击载荷作用下车轮不致失效的要求。同 时，轮毂中 t,应力，并在以内部缺陷为源头形成放射状的纵向 裂纹导致车轮开裂，如图5所示。因此，车轮选择中 等淬透性的42方面通过淬火后选择合 理的回火温度，使车轮踏面获得较高硬度，表面以下 一定深度内则通过淬火回火自然形成平缓的硬度梯 度，同时使辐板处的韧性得到保障。 222质量控制措施 图5 35 5 保证车轮最终的热处理质量，需要从以下几 方面加强质量控制。 (1)合理选择毛坯类型，严格控制毛坯的表面 及内部缺陷。与火车轮选用轧制或辗钢坯不同，冶 金机车生产中常用的车轮毛坯类型有铸坯和锻坯两 种。需要指出的是，由于锻压机械设备的限制，目前 所用的车轮锻坯并非真正意义上的锻造车轮坯，而 是普通的圆饼坯，应该说这种锻坯与轧制或辗钢坯 有本质的区别。此外，不论何种毛坯，车轮踏面及轮 缘处都不应有砂眼、气孔或重皮、锻造不足等缺陷， 整个轮辋内的非金属夹杂物、氧化物等冶金缺陷也 要按相应标准进行控制，因为这些缺陷的存在都将 导致车轮踏面的过早失效(产生麻点、剥落等)。轮 毂和辐板处的内部缺陷应设定标准进行控制，以防 其在淬火过程中开裂。 (2)加强热处理过程的监控，以防凶热处理不 当造成车轮寿命降低。热处理是使车轮整体力学性 能得以实现的必要手段，热处理不当将导致车轮非 正常失效。因此，要特别注意不同毛坯预备热处理 工序的设置、热处理工艺参数的合理选定、热处理过 程的标准化及其监控等。 对于锻造毛坯，锻后热处理对于提高锻坯的最 终性能有重要意义。合理的锻后热处理可以为车轮 的最终热处理提供良好的组织，防止混晶、带状组织 等缺陷遗传到最终热处理组织中。实际上，合理的 58。 热处理 201 1年第26卷第4期 预备热处理不仅有利于提高最终热处理的质量，同 时对于提高车轮机械加工效率也大有裨益。 在热处理过程标准化、流程化、自动化操作水平 依然低下的情况，加强热处理工艺细化工作，明确各 项热处理参数的控制标准，有利于防止人为原因造 成的热处理质量分散。淬火加热速度、淬火温度、保 温时间、转移时间、淬火介质的浓度及循环状况等都 会对淬火效果造成影响。 (3)明确热处理验收项目及标准，确保验收数 据全面反映车轮实际热处理质量状况。在实际生产 中，不可能对每件车轮进行破坏性试验来检验其内 部的硬度梯度、显微组织、缺陷等内在质量，应该明 确，在工艺条件发生变化时，必须进行热处理效果的 确认。比如，毛坯类型、车轮材质、淬火条件等因素 发生变化时，就需要对实际效果进行检测。除此之 外，在日常的验收中，车轮踏面表面硬度(测量部 位、检测点数量、控制范围等)、热处理过程控制记 录(预备热处理及性能热处理过程的温度时间记 录、淬火介质参数记录等)、车轮表面及内部探伤报 告等资料应成为必不可少的依据。 3 结束语 选用中等淬透性的42过 整体淬火回火处理，完全能达到车轮热处理技术要 求。车轮踏面硬度及轮辋硬度梯度都能满足使用要 求；通过控制回火温度，可使车轮辐板处的韧性满足 机车承受冲击载荷的要求。 参考文献 1尚贺军，管延科，李彬，等大型冶金机车车轮质量检验J 金属热处理，2009，34(10)：5055 2李萍，刘鑫42J大型铸锻件，2008，(4)：63王庆禄改进热处理要求提高零件寿命J铸锻热热处 理实践，1995，(3)：44翁江翔，杨坚，陈景成重载桥式起重机走轮热处理新工艺 J机械工人(热加工)，2004，(3)：535李文学，闫俊萍，王玉峰，等热处理对35的影响J包头钢铁学院学报，1999，(3)：4244 6束德林金属力学性能M北京：机械工业出版社，2001：187一 763922条件s 8张旭升鞍钢第一炼钢厂钢水渡车车轮断裂失效分析J鞍 钢技术，2001，(4)：229张智火车轮淬火方式的改进J华东冶金学院学报， 2000，(1)：8082 1O孙邦明1098 钢铁研究，2001， (4)：2831 11钟斌，肖 峰，程德利，等车轮淬火系统参数设置的优化 J江苏冶金，2005，(8)：3133 12崔银会，肖 峰高速试验列车车轮的工业试制J轧钢， 2005，(6)：1 813苏世怀，江波马钢高质量车轮生产技术开发J材料工 程，2008，(2)：3214尚贺军，赵丽美，郭洪涛，等车轮踏面火焰表面淬火开裂原因 初探J热加工工艺，2009，29(10)：187189 15范鼎东马钢车轮钢与国际车轮用钢标准的比较研究J中 国冶金，2001，(1)：23渗氮罐的防渗措施搪瓷 在制造业，气体渗氮(包括氮碳共渗)工艺的应用非常广泛。长期以来，渗氮罐大多采用体耐热钢制作。但这种材质的渗氮罐通常经过几十炉次的渗氮处理就开始“老化”，即罐内壁对氨分解产生“触媒”作 用而使氨分解率不断升高，使氨气流量增大，不仅影响渗氮(氮碳共渗)质量，也增加了生产成本。据有关单位统计，耐热 钢炉罐的使用寿命仅约100炉次，用于不锈钢渗氮时其使用寿命更短。 防止渗氮罐“老化”的措施有涂料法、镀层法等，但最可靠的方法是搪瓷。搪瓷是一种金属材料与无机材料的复合材 料，具有二者的双重特性。我们研制的915特种瓷釉专用于渗氮罐等耐热搪瓷用品，其使用效果举例如下。 (1)使用寿命上海某大型企业用于不锈钢渗氮的耐热钢炉罐，因罐内加入罐寿命仅500750 h；采用搪 瓷罐，在同样的工艺条件下，其使用寿命延长了1倍以上。 (2)生产成本 与耐热钢炉罐相比，搪瓷罐的氨气消耗量可节省约30。 (3)渗氮质量搪瓷罐因不易“老化”，在渗氮过程中氨分解率稳定，工件渗氮质量稳定，且易于实施可控渗氮新工 艺