车轮整体式热处理的试验研究及应用

车轮整体式热处理的试验研究及应用中原工学院机械系 张振国摘 要：根据 UIC812 和 ISO1005 的 E 级车轮热处理要求，研究了温度、时间、冷却介质、车轮形状等对动车车轮整体机械性能的影响通过系统的工艺试验，确定了车轮 E 级热处理工艺规程，本规程可以满足 UIC812和 ISO1005 的 E 级车轮热处理要求，达到所需要的机械性能，为新型的整体式热处理奠定了基础关键词：车轮； E 级热处理； UIC812； ISO1005；机械性能Abstract： Influence of factors such as temperature， time， cool media and wheel shape on wheel mechanical performance isdiscussed considering E grade wheel heat treatment requirements specified if UIC812 and ISO1005. Tests are performed to estab-lish the wheel E grade heat treatment technological regulations， which conforms to UIC812 and ISO1005.Keywords： wheel； E grade heat treatment； UIC812； ISO1005； mechanical performance车轮是铁道运输车辆的主要工作部件，在工作过程中受交变载荷作用。

车轮辐板需要较好的韧性、抗断裂性能和抗热裂性能，而踏面（轮辋）因与钢轨接触发生摩擦而发热，易剥落、辗堆，需要较高的硬度、强度和耐磨性，因此要求车轮具有良好的 综 合 机 械 性 能，达 到 高 安 全 性 和 高 经 济性［ 1～ 2］热处理是达到这些性能的主要手段目前国内按照 GB8601 和 TB2708 标准规定以及专业车轮生产厂家的技术能力，只能进行 N 级即正火处理和 T 级即轮辋激冷淬火处理 2 种热处理［ 3～ 5］国际铁路联盟标准 UIC812 和国际标准 ISO1005 除 N、 T级热处理方式外，还有一种先进的热处理方式———E 级热处理，即采用整体浸入式淬火及 500℃以上的回火（整体车轮浸入淬火工艺）［ 3～ 4， 6］ E 级热处理由于车轮形状复杂等诸多原因，工艺实施十分困难但较之 N、 T 级而言，采用 E 级热处理工艺可以使车轮性能最佳［ 3～ 4， 6］国内某厂生产的出口动车组按合同规定，动车车轮须按英国标准 BS5892— 1992 中的 R9E 要求进行生产和检验，而 BS5892— 1992 标准又贯彻了国际铁路联盟标准 UIC812 和国际标准 ISO1005，即车轮生产按 UIC812 和 ISO1005 中的 E 级条件生产和检验。

目前，只有法国采用此种方式生产车轮［ 3］在我国，这种车轮的生产尚属首次［ 3～ 4］经过对车轮结构、材质及其性能要求等进行分析和对主要工艺问题进行重点攻关，完成了试制任务，并已批量生产1 试验材料与方法试验材料为合同中规定的动车车轮，其成分如表 1 所示，结构如图 1 所示，由图 1 可知，横截面形状比较复杂机械性能要求及试样取样位置见表2由表 1 可知，材质相当于我国的 60 钢硬度的测定分为现场和试验室测定值 2 种现场测定是回火结束后，在留有粗加工余量 2.5 ～ 3mm 情况下测定的值，选择 4 点检测，供生产现场图 1 动车车轮结构示意图表 1 动车车轮材质化学成分（质量分数） %C Mn Si P、 S Cr、 Ni、 Mo Cr+ Ni+ Mo Cu V Fe0.55～ 0.60 0.70～ 0.80 0.35～ 0.40≤0.03≤0.30≤0.60≤0.03≤0.05 其余—57—《起重运输机械》 2005（ 3）表 2 车轮机械性能要求及取样位置σb/MPaδs/ %Ak/（ J· cm-2）硬度/HB硬度均匀性（硬度值差） /HB晶粒度/级860～1050≥12三者均值≥10，允许其中之一≥7255～ 311≤20（ 30*）≥5取样位置拉伸式样的取样位置位于轮辋中间距轮面 18 mm 处。

采用 5 mm 深的 U形缺口试样，取样位置分别位于轮辋中间距轮面 18 mm处（ 1 个）和位于距侧面 14 mm 与距轮面 58 mm（处 2 个）在过车轮轴线的截面内规定的 6 点（见图 2）检测在轮缘对侧的轮辋平面上进行，压痕位于半径约 25 mm的圆周上，此半径小于 滚 动 圆 半 径，检测 3 点，见图 2在拉伸式样未发生变形的端部检测为不同炉次间的车轮硬度所允许的最大值图 2 布氏硬度的检测点1. 硬度 HB 均匀性 2. 滚动圆参考用试验室测定是按照表 2 要求的进行各种性能测定的试样上进行加热用Φ1.23 m× 1.35 m 的井式炉硬度测定用时代 THl60 型里氏硬度计用 Neophot - 21 型光学显微镜观察显微组织车轮轮辋拉伸试验在 MTS型试验机上进行，试样尺寸为Φ7.5 mm × 226 mm在 JB- 300B 型试验机上进行冲击试验，试样尺寸为 10 mm× 10 mm × 55 mm， U 形缺口， U 形槽半径为 1 mm2 试验结果及分析车轮成分接近于国产优质碳素结构钢 60 钢60 钢的淬透性较差，同时轮辋部位的截面积较大，因此合适的淬火冷却工艺，成为获得理想的强度—塑性—韧性综合性能的关键。

车轮形状复杂，轮辋与辐板截面之间尺寸的差异较大，具有复杂的应力分布，辐板需要较好的韧性而轮辋需要较高的硬度使尺寸不同的部位获得合适的机械性能，是试验的另一个关键所在2.1 淬、回火温度的确定由于必须在 500℃ 以上的温度回火，淬火温度、时间的选择主要根据车轮成分（主要是含碳量）、最大截面轮辋的尺寸、 Fe - C 合金相图上的临界温度等因素进行确定，同时尽量减少热处理后车轮轴向翘曲量，从而尽可能减小热处理前的工艺留量，以提高轮辋心部的性能、减少加工工序根据以上原则，确定淬火加热温度为 810 ± 10 ℃，时间 3 ～ 3.5 h车轮轴向翘曲量在车床上通过对刀切削找正的办法测出回火温度必须在保证轮辋性能的前提下，尽量提高，从而有效降低车轮表面硬度，减少机加工难度将在质量分数为 10%NaCl 水溶液中淬火后的动车轮的剩余部分，切割扇形轮辋试块各 4 块，分别按照 530℃、 540℃、 550℃、 560℃进行 3.5 ～ 4 h的回火处理试验结果见表 3表 3 不同回火温度机械性能试验结果回火温度σb/MPaδs/ %Ak/（ J· cm-2）实验室测定值/HB现场测定硬度均匀性 /HB检测值 值差530℃ 975 17 17、 20、 20 275～ 285 343、 334、 330、 326 17540℃ 960 17 18、 22、 15 269～ 278 323、 319、 324、 312 12550℃ 930 19 22、 22、 19 255～ 272 310、 314、 308、 306 8560℃ 900 19 19、 20、 19 255～ 266 301、 305、 295、 298 10—67— 《起重运输机械》 2005（ 3）由表 3 可看出，随回火温度升高，车轮表面硬度均有所下降。

金相分析表明，车轮淬火后，轮辋表层组织为约 3 ～ 5 mm 深的马氏体组织，这种组织对回火温度较为敏感，因此，可通过调整回火温度改善车轮加工工艺性在满足表 2 机械性能的前提下，尽量提高回火温度因此，动车车轮的回火温度定为（ 540 ± 10） ℃较为适宜2.2 冷却介质的确定取 3 个车轮，按热处理工艺 810℃ × 3 h 处理后，分别在 PVA 水溶液（质量分数 0.5%）、 NaCl水溶液（质量分数 5%）和 NaCl 水溶液（质量分数10%）淬火，然后进行 530℃ × 3.5 h 的回火处理，在 3 个车轮上分别切下试块进行各项性能的检测，详见表 4从表 4 中可以看出，在质量分数为 10%的 Na-Cl水溶液中淬火后，车轮的综合机械性能最佳，尤其是强度指标优异表 4 不同淬火介质的试验过程及结果淬火介质质量分数/100介质温度/ ℃冷却时间/sσb/MPaδs/100Ak/J· cm-2实验室测定硬度/HB晶粒度/级PVA 水溶液 0.5 27 7 830 14 9 230、 235 6～ 7NaCl 水溶液 5 23 5 905 16 7 252、 255 7NaCl 水溶液 10 25 5 960 18 10、 8、 14285、 292、 295、2926～ 7金相分析表明，在 10%NaCl 水溶液淬火试验中，拉伸试样断口面的组织主要是细片状珠光体（类似回火索氏体） + 断续铁素体网，细片状珠光体组织即能保证车轮的摩擦磨损性能，又能保证良好的力学性能，是车轮较理想的一种显微组织，见图 3。

即 E 级热处理车轮的强化机理是细片状珠光体强化，而珠光体强度的提高主要依靠珠光体片间距的减小要在淬火冷却过程中获得足够细小的珠光体，轮辋部位在高温区域的冷速要快，即相变的过冷度越大，珠光体形成温度越低，其组织才能越细小相比较而言，质量分数 10%NaCl 水溶液的冷却特性较好地满足了车轮在高温区快冷的要求，应作为车轮 E 级处理的首选冷却介质同时，最大限度地改善车轮冷却条件是提高车轮综合机械性能最为重要的途径图 3 车轮轮辋金相组织2.3 车轮辐板的防护试验车轮辐板最薄处仅约 20 mm，在质量分数为10%的 NaCl 水溶液中淬火接近 60 钢的临界淬透尺寸，因而在淬火时由于组织应力造成的变形，开裂的危险性很大，必须对辐板采取必要的防护措施但是，辐板防护势必影响车轮整体淬火的冷却速度，对轮辋的各项性能造成影响鉴于此，对车轮辐板采用石棉一仿形钢板复合防护方式（如图 4 所示）的同时，用高压风来剧烈搅拌 NaCl 水溶液在淬火水槽的 2 侧离地面约 1/3水槽高度处对称地接入 2 根 3.175 mm 口径的高压风管，以实现淬火介质的剧烈搅拌，从而加大冷却速度表 5 为在车轮辐板防护方式下，通风与未通风情况的机械性能。

图 4 车轮幅板防护图1. 石棉 2. 仿形钢板采取辐板防护的车轮，辐板硬度比现场测定的轮辋的表面硬度低约 100（ HB），防护效果显著，证明该防护方案是可行的在未通风情况下，与表 2 相比，轮辋部位的综合机械性能，尤其是强度和硬度指标明显偏低在辐板防护、通入高压风搅拌的情况下，极大地增强淬火介质的冷却能力，使轮辋的机械性能显著改善，基本与不加防护板的车轮在不通风条件下—77—《起重运输机械》 2005（ 3）机 械 性 能 一 致 ， 同 时 ， 辐 板 防 护 效 果 依 然 良 好 ， 基本 上 不 因 通 风 而 改 变 因 此 ， 通 风 促 进 介 质 的 流动 ， 对 于 辐 板 防 护 状 态 下 E 级 热 处 理 车 轮 是 必 不可 缺 的 2.4 批 量 生 产 工 艺 验 证 及 效 果车 轮 工 艺 规 程 确 定 后 ， 在 正 式 生 产 中 ， 对 45个 动 车 轮 性 能 试 验 结 果 进 行 跟 踪 、 验 证 ， 表 明 车 轮各 项 性 能 稳 定 ， 一 次 交 检 合 格 率 超 过 了 97% 其性 能 检 测 结 果 见 表 6。

表 5 辐 板 防 护 下 车 轮 的 机 械 性 能σb/MPaδs%Ak/（ J· cm-2）现 场 测 定 硬 度 均 匀 性 /HB检 测 值 值 差实 验 室 测 定硬 度 /HB辐 板 硬 度/HB晶 粒 度/级辐 板 防 护未 通 风895 20 30、 28、 28333、 339、 33。