大型冶金机械车轮的热处理与质量

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300～380 HB,表面以下15 mm(踏面直径≤400mm 时)或20 mm(踏面直径>400 mm 时)处的硬度≥260 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，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，300～380 HB是个较宽的标准，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

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。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，其硬化层深度利表面以下一定深度内硬度梯度是否合理，是直接影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“粹硬层”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，300～380 HB 远低于常用的65Mn、CL60、ZG340-640、35CrMnSi、42CrMo 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42CrMo 钢车轮踏面经火焰淬火后,硬度达60 HRC 左右，即使550℃回火也仅降至40HRC左右。因此，对车轮采用表面硬化处理是值得商榷的。

（2）断裂 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。

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，中信重工火车轮的生产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 mm;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 mm 的42CrMo 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HL-80型里氏硬度计检测试样的硬度，整体淬火、回火后的42CrMo钢车轮轮辋从表面至25 mm 深度处具有平缓的硬度梯度，且深25 mm处的硬度达260 HB。

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间的，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,轮毂中心孔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，因此，车轮选择中等淬透性的42CrMo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

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碾钢坯不同，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，以防因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起重机车轮的最终热处理提供良好的组织，防止混品、带状组织等缺陷遗传到最终热处理组织中实际上，合理的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。

结束语

选用中等淬透性的42CrMo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。