悬挂式调质正火热处理生产线在铁路车轴生产中的应用.doc

悬挂式调质/正火热处理生产线在铁路车轴生产中的应用摘要：分析了国内外铁路车轴的主要热处理方式，结合悬挂式车轴生产线的特点，设计了车轴悬挂式调质/正火热处理生产线，将正火、淬火、回火等车轴热处理方式集中在一条生产线上；重点设计了车轴正火冷却系统、多工位淬火系统，实现车轴正火、淬火冷却过程冷速的可控可调；设计了车轴热处理物料跟踪系统，实现了车轴热处理过程可视化管理和质量数据自动采集归档；对生产线热处理的车轴进行了性能分析，结果显示该生产线处理的车轴性能优异，完全满足高速、重载等车轴的性能要求。关键字：铁路车轴 ；悬挂式热处理；多工位淬火；正火控冷车轴作为铁路车辆的关键零部件其性能优劣直接关系到车辆运行安全，车轴加工过程中热处理工序是保证车轴性能最重要工序。随着铁路车辆向高速、重载方向发展，对车轴的综合性能提出了更高的要求，需要车轴的热处理质量得到进一步提高。车轴的最常见热处理设备有台车炉、井式炉、步进炉和悬挂炉。台车炉和井式炉属于周期式炉，不利于控制批量生产车轴的性能一致性，步进式热处理炉处理车轴时，采用水平加热和冷却方式，由于重力或加热冷却不均匀等原因，车轴易产生热处理变形，特别是车轴淬火冷却过程中变形会较为严重。悬挂炉由于控温精度高、热处理变形小是目前最先进的车轴热处理装备，常应用在车轴正火热处理中。太原重工轨道交通设备有限公司分析了国内外车轴的主要热处理方式，结合悬挂式热处理设备的特点，与天津市鼎元工业炉新技术开发有限公司合作设计了悬挂式调质/正火热处理生产线，将车轴正火、淬火、回火等热处理功能集成在一条生产线上，实现了车轴悬挂式在线正火、淬火、回火功能，设计了封闭式可控车轴正火冷却系统和多工位淬火冷却系统，实现了车轴正火冷却的可控可调和淬火介质的多样化选择。结合信息化、自动化控制手段的运用，按不同制造标准进行了工艺验证，验证结果显示该生产线处理的车轴性能优异，完全满足高速、重载车轴的性能要求。1. 工艺分析目前铁路车轴是根据用途和材质来选择热处理方式的，主要有正火或调质两种方式，其中也包含量二次正火+回火、正火+调质等较为复杂的热处理工艺，结合表1-1 所列车轴主要标准和热处理方式，提炼出本生产线需完成主要热处理工艺，包括：1、正火；2、两次正火+回火；3、淬火+回火；4、正火+淬火+回火。表 1-1 车轴主要材质及热处理方式标准材料热处理方式TB/T2945LZ50N+N+TAAR M-101Grade FN+N+TGrade GQ+TGrade HN+Q+TEN 13261EA1NNEA4TQ+TEA1TQ+TUNI-678730CrNiMoV12N+Q+TJISE4502SFA60NSFA65Q+TSFAQAQ+T472845NN=正火、Q=淬火、T=回火2. 方案设计及实施2.1 主体结构设计 该生产线主体结构由悬挂式输送机系统、一次正火加热炉、一次正火风冷室、淬火加热炉（二次正火加热炉）、淬火系统、二次正火冷却室、回火加热炉、回火风冷室、装卸料小车、程序控制系统、温度控制系统、上位机监控系统、炉机动作视频监视系统及配套设备等十几个单元组成。热处理生产线布置见图2-1：图2-1 热处理生产线布置图 2.2 加热炉设计由于电阻式加热炉具备高效、环保、安全、控温精度高等特点，本热处理生产线选择了电加热方式。加热炉的主要结构包括：炉壳钢结构、砌砖体及保温层、加热装置、炉体密封系统、炉门及传动系统以及必要的管线防护等。炉膛有效容积高3.4m，宽0.8m，结构简图见图2-2， 可满足300*3000mm以下的所有车轴热处理加热需求。图2-2 加热炉结构简图2.3 正火冷却设计车轴正火冷却速度直接关系到车轴性能，传统的正火冷却是指工件在敞开的空气中自然冷却或吹风冷却，但由于不同季节气候环境影响，尤其冬天与夏天车轴冷却速度会差异很大，会导致车轴性能出现较大差异。通过设计闭式正火风冷室，采用离心风机定量供风模式，实现冷却室内风速可控可调，达到不同季节车轴正火冷速一致的目标。图2-3 为正火冷却室J结构简图。图2-3正火冷却室结构简图 2.4 淬火冷却系统设计铁路车轴属于细长杆件，卧式淬火容易造成车轴变形，本生产线通过设计淬火升降机构，车轴出炉后通过淬火升降机，将车轴垂直送入淬火槽内实现车轴立式淬火，槽内设计了淬火搅拌系统和淬火液内外循环系统，搅拌力度和循环力度采用变频控制，实现了淬火过程中淬火液温的可控可调，同时为了满足不同材质的车轴淬火需求设计了多工位淬火系统，满足不同淬火介质的的选择需求。整个淬火过程采用自动控制，可精确控制淬火时间保证车轴淬火质量。图2-4 为车轴淬火机构简图。 图2-4淬火机构简图2.5物料跟踪及质量数据采集系统物料跟踪的目的就是要清楚地反映热处理线上车轴的实际位置和数量，优化热处理过程控制、实现热处理质量数据实时自动记录和归档。具体方案是根据实际热处理线上工位设计wcc可视化模拟工位，将模拟工位与设备运动信号绑定，车轴上线前录入物料信息，生成独立数据包，随着车轴在线上移动，将物料信息实时转移到相应模拟工位中，实现车轴的在线跟踪，上位机也会定时将车轴状态信息和质量信息填入数据包内，实现生产过程的质量数据自动收集。图2-5 车轴悬挂式调质/正火热处理生产线物料跟踪系统界面3. 实施效果 为了验证热处理生产线的正火功能，分别试制了TB/T 2945中LZ50车轴、EN 13261 中EA1N材质车轴，AAR M-101标准 F级材质车轴，JISE4502 标准 SAF60 材质车轴，试制结果显示，在本条热处理生产线上处理的车轴性能可完全满足上述相关标准的要求。同时将本生产线批量处理的AAR M-101标准F级车轴与前期采用其他热处理方式处理的车轴进行拉伸性能对比分析，对比结果显示采用本生产线处理的车轴抗拉强度和屈服强度均高于其他热处理方式处理的车轴，延伸率和端面收缩率与其他热处理方式相当，稳定性明显优于旧生产线步进式热处理方式，见图3-73-8。 图 3-7 屈服强度对比分析 图3-8 抗拉强度对比分析 图 3-9 车轴延伸率对比分析 图 3-10 端收缩率对比分析为了验证本生产线的调质热处理功能，试制了EN13261中适用于时速200公里以上的EA4T材质车轴，热处理工艺为正火+淬火+回火，热处理完成后按照标准在轮座位置测试了车轴的力学性能，试验结果显示车轴力学性能完全满足标准要求，见表3-1。分析了车轴晶粒度级别及组织，各部位晶粒度均为7级，满足标准要求，从外表面到内表面金相组织均为马氏体+贝氏体，未见铁素体存在，解决了常规热处理方式心部铁素体残留问题见图。表 3-1 EA4T车轴性能结果 Rm (MPa)ReH (MPa)A%KU纵向 (J)KU 横向 (J)晶粒度标准6508004201850256A77864221101100989598847B77262920.58990897573827C75160220.09087936978817A:外表面 B:内外表面1/2R处C:内表面 图3-11空心车轴外表面典型组织 500X 图3-12车轴内外表面1/2R处典型组织 500X 图3-13 车轴内孔表面典型组织 500X为了验证本生产线处理重载车轴的能力，按照国内重载车轴试制技术条件，试制了LZ45CrV材质车轴，热处理工艺为二次正火+回火，热处理完成后，解剖分析了车轴的各项性能，包括拉伸性能、冲击性能、金相组织、晶粒度尺寸等，试验结果见表3-2，从试验结果可看出车轴性能优良，满足技术条件要求。表 3-2 LZ45CrV材质车轴性能结果 Rm（MPa）Rel（MPa）A 5（%）Z（%）KU 纵向(J)KU 横向 (J)Grain size标准67037520375040616904152446.56262705653488269041024.555.5827068646060836754152555.57886867275808 图3-14 LZ45CrV典型晶粒度 图3-15 LZ45CrV典型金相组织4. 总结 1、根据国内外铁路车轴的主要热处理方式，设计了一条可满足车轴正火、淬火、回火等绝大多数车轴热处理工艺的连续式热处理生产线。通过选用悬挂式输送机构和淬火升降机实现了车轴在线立式淬火，提高了车轴热处理均匀性，减少了车轴热处理变形。2、设计了正火闭式冷却室和风速变频控制系统，实现车轴正火冷却的可控可调，解决了由于环境温度变化造成正火车轴性能不稳定问题。3、设计了双液淬火系统和淬火液温闭环控制系统，实现了在线调质车轴淬火介质的灵活选择和淬火液温度精确控制，提高了调质车轴产品质量。4、设计了热处理过程物料跟踪系统，实现了车轴在线可视化监控和产品质量数据自动归档的功能，提高了车轴热处理过程的可追溯性，为高品质车轴的生产提供了质量保证。5、通过对不同制造标准要求的正火车轴和调质车轴进行生产验证研究，结果显示生产车轴质量良好，性能稳定。参考文献：1 AAR M-101：2015，AAR Manual of Standards and Recommended Practices Wheel and Axles，AXLES,CARBON STEEL ,HEAT-TREATED2 TJ/CL446:2016 ,铁路货车LZ45CrV钢车轴暂行技术条件。3 BS EN 13261:2011, Railway applications-wheelsets and bogies -Axles-Product requirments.4 Liu Chun-hu，“The app