大型冶金机械车轮的热处理与质量管理.pdf

； ＼ 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 2 5 0 1 0 1 ； 2 ． 济南市历城福顺热处理厂， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 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 3 0 0～ 3 8 0 HB ， 表 面以下 1 5 m m或 2 0 m m 处要 求硬度 92 6 0 H B。车轮采用4 2 C r Mo 钢制作 ， 进行 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 T G 1 6 2 ． 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 ． 1 6 9 0 2 0 1 1 0 4 0 0 5 6 ． 0 4 He a t T r e a t me n t a n d Qu a l i t y Co n t r o l o f L a r g e - s c a l e Wh e e l f 0 r M e t a l l ur g i c a l M a c hi n e r y S HANG He i u n ．Z HA0 L i ． me l 1 ． He a v y Ma c h i n e r y C o ．L t d o f J i n a n I S G r o u p C o ． ，S h a n S t e e l C o ． ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ，S h a n d o n g C h i n a ； 2 ． F u s h u n H e a t T r e a t m e n t F a c t o r y o f L i c h e n g C o u n t y ，J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， S h a n d o n g C h i n a Abs t r a c tL a r g e s c a l e wh e e l f o r me t a l l u r g i c a l ma c h i n e r y f a i l e d ma i n l y be c a u s e o f s urfa c e s p a l l i n g o r f r a c t u r e．T he r e q u i r e d h a r d n e s s o f t he wo r k i n g f a c e a n d i n ne r e d g e s i d e i s 3 0 0 t o 3 8 0 HB，a n d t h e r e q u i r e d h a r d ne s s a t a d e p t h o f 1 5 mm o r 2 0mm be l o w t he s u r f a c e i s e q ua l o r a b o v e 2 6 0 HB．Th e wh e e l wa s ma d e o f 42 Cr Mo s t e e l a n d wh o l l y q u e n c h e d a n d t e mpe r e d， a s a r e s u l t ， t h e a b o v e h a r d ne s s r e q ui r e me n t s we r e a t t a i n e d t hr o u g h e ffi c i e n t qu a l i t y c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds wh e e l ；h e a t t r e a t me n t ；h a r d n e s s ；q u a l i t y c o n t r o l 车轮是拦焦车、 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 1 ． 1 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 3 0 0～ 3 8 0 H B， 表面以下 1 5 m m 踏面直径 44 0 0 m m时 或 2 0 m m 踏面直径 4 0 0 mm时 处的硬度 ≥2 6 0 HB。 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 - 5 ] ， 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， 3 0 0～ 3 8 0 HB是 一 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。 1 ． 2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 2 0 1 0 - 0 7 2 9 作者简介 尚贺军 1 9 8 0 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 0 5 3 1 8 8 8 6 6 8 9 0 1 3 7 9 3 1 2 2 7 1 9．E ma i l s h j p e a c h 1 6 3 ． c o n l 5 6‘ 热处理 2 0 1 1年第 2 6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 7 1 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 ， 3 0 0～ 3 8 0 H B远低于常用 的6 5 Mn 、 C L 6 0 、 Z G 3 4 0 6 4 0 、 3 5 C r Mn S i 、 4 2 C r M o等车轮用钢的普通淬火硬度 ， 并且 ， 表面淬火 硬化层组织抗 回火性能很 好， 譬如 4 2 C r Mo钢车轮踏面经火焰淬火后 ， 硬度达 6 0 H R C左 右 ， 即使 5 5 0 o C回火也仅降至 4 0 H R C左右。因此 ， 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 Fi g 1 De e p p e e l i n g o f whe e l wo r ki n g f a c e 至表面距离 图 2 深层 剥落力学分析图 F i g 2 Me c h a n i c a l a n a l y s i s o f t h e d e e p p e e l i n g [ 表 1 起重机车轮热处理 技术要求 Ta b l e 1 He a t t r e a t i n g r e q u ie men t s f o r t h e c r an e wh e e 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 Fi g 3 Fr a c t ur e d whe e l 2 车轮热处理工艺及选材和质量控制 2 ． 1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 m m； 此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 5 0 0 mm的 4 2 C r Mo钢单缘车轮进行 了整 体淬火 回火处理 ， 然后用线切割从车轮上切取剖 面 试样 ， 并用 H L ． 8 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4 2 C r M o钢车轮轮辋从表面至 2 5 m m深度处具有 平缓的硬度梯度 ， 且深 2 5 mm处的硬度达 2 6 0 H B。 热处理 2 0 1 1年第 2 6卷第 4期 表 2 车轮常用的热处 理工艺及 特点 T a b 2 Co mmo n l y a d o p t e d h e a t t r e a t me n t p r o c e s s e s f or wh e e l a n d t h e i r f e a t u r e s 注 l 调质 火焰淬火 ； 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 l 0 l 5 2 0 25 3 0 踏商以 F深度 ／ mm 图 4 整体淬火 、 回火 4 2 Cr Mo钢车轮踏 面表层的硬度梯度 Fi g． 4 Ha r dn e s s g r a d i a nt i n c a s e o f whe e l o f 4 2Cr Mo s t e e l q u e nc he d a n d t e mp e r e d 2 ． 2 材料选择及质量控制措施 2 ． 2 ． 1 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 , - f L 处不应在淬火过程 中形成过大 的组 织应力 ， 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 4 2 C r Mo钢 ， 一方 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。 2 ． 2 ． 2 质量控制措施 图 5 3 5 C r Mn S i 车轮轮毂开裂 Fi g． 5 Cr a ck i n 3 5 Cr Mn S i whe e l h ub 为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 5 8。 热处理 2 0 1 1年第 2 6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 4 2 C r Mo钢制作 车轮 ， 通过 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 ， 2 0 0 9， 3 4 1 0 5 0 5 5 ． [ 2]李萍 ， 刘鑫．4 2 C r Mo天车 车轮锻件 夹板热 处理组 织与性 能 [ J ] ． 大型铸锻件 ， 2 0 0 8 ， 4 6 - 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5 9 9 6 1 7 4 4 联系人 余忠祥 1 8 9 1 8 2 5 5 1 9 2 ； 刘士樾 1 3 6 4 1 7 8 0 0 6 2 热处理 2 0 1 1年第 2 6卷第 4期 ’ 5 9‘