[发明专利]高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法及热处理装置

说明书

技术领域

本发明属于金属材料热处理的技术领域，涉及铁路用辗钢整体车轮热处理技术，更具体地说，本发明涉及一种高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法。另外，本发明还涉及应用上述方法的相应热处理装置。

背景技术

长期以来，国内货车车轮均采用材质为C≤0.65％的C-Mn碳素钢，经热处理后的车轮轮辋组织状态为铁素体-珠光体。随着中国铁路货运向重载方向发展，货车车轮异常磨耗、辗堆问题日益突出，究其原因，主要同现有货车车轮钢材质的接触疲劳强度、耐磨性较差有关。

有效解决上述问题的方法是车轮采用高碳钢材料。

碳含量提高后，经常规热处理，车轮轮辋踏面表层即踏面下10mm以内会产生由珠光体、贝氏体组成的异常组织，这是由常规热处理冷却方法所决定的。目前，国内外所采用的车轮热处理冷却方法基本相同，均是将车轮奥氏体化加热后，直接对车轮轮辋踏面或踏面及外侧面进行大流量连续强制性喷水冷却，踏面表层内的金属冷却速度极大，达到10℃/s以上，超过钢的下临界冷却速度，必然会导致异常组织的产生。

在本说明书附图中的图5为上述现有技术所采用的热处理冷却方法获得的车轮轮辋踏面表层金相组织状态图。该图即为车轮轮辋踏面表层过硬过脆的异常组织的显微结构。

热处理冷却过程中产生的异常组织比正常的铁素体-珠光体组织更硬且更脆，在轮轨接触应力的作用下极易发生剥离脱落，破坏车轮踏面的光洁度和完整性，需要进行镟修后才能继续使用，直接降低了车轮的使用寿命；同时，异常组织的存在使踏面表层硬度明显升高，新车轮使用初期踏面很难产生适当变形以尽快获得较理想的轮轨几何匹配关系，导致车轮轮辋承受过大的接触应力，容易产生早期接触疲劳损伤，更严重地影响车轮使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的第一个问题是提供一种高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法，其目的是防止高碳钢火车车轮踏面表层产生异常组织，改善其机械性能并延长使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的这种高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法，用于对含碳量为0.72％～0.77％的火车车轮的轮辋表面进行热处理，该方法的过程是：首先对火车车轮进行整体加热，然后对轮辋表面进行冷却淬火；在冷却过程中，先用小流量水流对火车车轮的车轮踏面进行短时间喷水冷却，然后用大流量水流对车轮踏面进行长时间强制喷水冷却。

以下是本发明为解决上述技术问题而提出的更详尽的技术方案：

在对火车车轮的轮辋进行加热时，使火车车轮的轮辋保持在奥氏体区域的高温状态；用小流量水流对车轮踏面进行短时间喷水冷却，使所述的车轮踏面下10mm内的温度降至A1以下的一定温度区间内；用大流量水流对车轮踏面进行长时间强制喷水冷却，使轮辋内部金属加速充分冷却；不同流量的喷水采用不同的喷嘴。

以上所述热处理方法的工艺过程是：

首先将火车车轮置于卧式淬火台中；

加热时，使火车车轮的轮辋加热温度为800℃～810℃；

然后用配置在车轮踏面周围的一组小流量喷嘴，将水流喷向旋转的车轮踏面，进行短时喷水冷却，控制冷却时间，使车轮踏面下5mm处温度降低到650℃～690℃温度范围，此时在车轮踏面表层形成一层网状铁素体-珠光体组织；

同时使车轮轮辋内部即车轮踏面下10mm～45mm的范围内，温度仍超过Ac3，尚未发生组织转变；

切换喷嘴，用预先配置在车轮踏面周围的另一组大流量喷嘴，将水流喷向旋转的车轮踏面，使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，从而在车轮轮辋内部即车轮踏面下10mm～45mm的范围内，形成断续网状铁素体-珠光体组织；

取出火车车轮，热处理工艺结束。

下面是关于该方法中，冷却时间和冷却温度等工艺参数的两个不同的技术方案，供选择应用：

1、所述的短时间小流量喷水冷却，其喷嘴流量为4.9L/min，冷却时间为30s，使车轮踏面下5mm处温度降低到687℃；接着再对车轮踏面进行长时间大流量喷水冷却，其喷嘴流量为35L/min，冷却时间为180s。

2、所述的短时间小流量喷水冷却，其喷嘴流量为4.9L/min，冷却时间为40s，使车轮踏面下深5mm处温度降低到650℃；接着再对车轮踏面进行长时间大流量喷水冷却，其喷嘴流量为35L/min，冷却时间为180s。

另外，以上所述的小流量喷水和大流量喷水的启动、转换及流量的大小、所述的不同流量的喷水时间，均由车轮轮辋淬火电控单元根据设定的程序及温度的反馈数据进行控制。