重载车轮热处理生产方案研究

华 磊，国新春，宁 珅

（宝武集团马钢轨交材科技有限公司，安徽 马鞍山 243000）

ZC970车轮是澳大利亚铁矿用重载车轮，它的开发成功不仅给宝武集团马钢轨交材科技有限公司（以下简称马钢）带来巨大的经济效益，更重要的是向国际展示了马钢已走在世界重载车轮开发的前列。由于重载车轮的开发技术难度高，交货期又很紧，如果不能抓住机会克服技术难题，将会失去澳大利亚重载车轮市场。马钢性能攻关组在较短时间内，通过连续试验，最终形成了一个降低加热温度、弱喷+强喷的淬火方式、增加钢中Si含量的热处理工艺。这个工艺对于现场来讲，比较陌生。因此分析该新工艺各变化点的工艺目的，对于迅速掌握该工艺的控制重点，加强该工艺的热处理过程控制是很有帮助的。

1 ZC970车轮理化性能指标分析

1.1 化学成分分析

此次ZC970重载车轮标准要求主要是在美标AAR基础上制定的，对于该车轮表面硬度321~363 HB的要求，该车轮化学成分应该在AAR-C级钢的基础上制定。最终固化后的化学成分见下表1。

表1 化学成分控制 %

从表1中可以看出，此次ZC970车轮钢w（C）略有提高，Cr为残余元素，w（Si）有了大幅度提高。

合金元素的加入可以强化铁素体，Si虽然也是一种强化铁素体元素，通过Si元素固溶铁素体后，能在一定程度上提高珠光体组织的强硬度。但本次提Si的含义并不是在为了提高组织强硬度，而是主要考虑了ZC970车轮的重载使用环境。重载车轮在使用时，较常见的缺陷为热擦伤。通过提高钢中的Si含量，能提高钢的Ac1和Ac3线，从而使车轮在使用时，如果有一定外来热源输入时（如刹车或滑动产生的热量），不至于立即使车轮表层组织奥氏体化，从而阻止车轮踏面出现热损伤。

1.2 物理性能指标分析

和其他C级钢车轮类似，ZC970车轮在力学性能方面只对表面硬度做了规定，要求在321~363 HB。

但是在金属组织方面却做了更高要求：轮缘和踏面组织为珠光体+少于5%的先共析铁素体，表面下2.0 mm以内允许有小于10%的贝氏体，但不允许有马氏体。对于这点要求，是马钢生产所有车轮里面唯一的一例。

通过了解，该产品对组织做出上述要求，主要是为了防止车轮在使用时，在2 mm以下部位的次表层金属出现较大的缺陷。因为车轮常规淬火容易在车轮表层金属内产生上贝氏体组织，该组织以颗粒状嵌在基体组织之间。在使用时，在车轮表层受到周期性外力作用，贝氏体的物理性能和珠光体不同，贝氏体容易从基体上脱开，从而形成原始裂纹源。如果在2 mm内，就可能产生剥离缺陷。如果在2 mm以下，贝氏体所处位置较深时，容易在轮辋次表层形成缺陷，这个缺陷可能造成的危害将大于剥离造成的危害。

2 工艺变化点分析

2.1 淬火加热温度

ZC970车轮钢淬火加热温度要低于AAR-C级钢。主要原因是考虑ZC970车轮踏面不能出现贝氏体组织的要求。如果加热温度高，将影响钢的淬火C曲线右移，降低钢的临界冷却速度，增强钢的淬透性。车轮踏面表层金属冷却转变时容易进入到贝氏体组织区域。虽然降低淬火温度会影响到钢的最终强度和硬度，但是通过钢中的提高Si含量来强化铁素体，可以一定程度上弥补这种负面影响。

因此，降低淬火前加热温度，能在一定程度上防止贝氏体的产生。但淬火加热温度不能过低，如果过低容易造成车轮钢不能全部奥氏体化，最终影响强度和硬度。

2.2 淬火方式分析

ZC970车轮采用了弱喷+强喷的淬火方式。这种淬火方式在马钢所有产品中是第一例。这种淬火方式是为了防止踏面表层出现贝氏体组织。

按照常规方式淬火，如果为了满足轮辋的高硬度高强度，势必要求增加两相区的冷却速率。但如果片面提高两相区的冷却速率，势必会造成踏面近表层金属在两相区的冷却速率超过临界冷却速度，使踏面表层组织直接淬透，最后产生贝氏体转变。

采用弱喷+强喷的淬火方式后，开始的弱喷，能保证踏面表层金属以较低的冷却速度完成珠光体转变。后面的强喷是为了考虑踏面里层金属的高强度、高硬度要求，提高里层金属的冷却速度，得到细化的珠光体组织。珠光体的力学性能取决于珠光体片层间距，片层间距越小，强度越高、耐磨性越好。获得细片状珠光体的关键是选择最佳的热处理工艺参数1。

能够提高淬火组织的一致性和均匀度、减缓踏面近表层的硬度梯度、改善残余应力分布状态,从而使单件车轮断面硬度散差波动控制在20 HB以内,整批车轮的表面硬度散差波动控制在30 HB以内。

3 工艺控制要点分析

3.1 淬火加热温度的控制

在ZC970实际生产中，除了要求按工艺严格控制加热温度以外，其他几个细节还需要重点关注：

1）装炉方式的确定。原则是要保证每一件车轮的加热温度和时间一致。ZC970车轮采用2-1装炉方式，一炉装81件，加热时间2.5 h±10 min，淬火时间60 s+550 s，如果5个台生产2.5 h正好一炉料，但后面几件车轮的温度稍微差一点，所以在生产2 h后用4个台生产，保证了整炉料钢温的均匀性。

2）炉底转动必须采用手动控制。由于淬火时间长，淬火台上完料后，如果采用自动车轮将转到炉门口，在炉门口停留时间过长，从炉门口吸入冷风造成车轮靠外侧温度低，形成阴阳面，影响产品质量，采用手动控制的好处是淬火台等车轮，而不是车轮在炉门口等淬火台，这样能保证每件车轮钢温的均匀性。

3.2 淬火过程的控制

前面已经提到淬火喷水时，第一次弱喷是控制重点。

在淬火前，检查喷嘴喷水情况，调节水压，检查水温，设定淬火时间参数和方式是必须要做的准备工作，在淬火台的调节和淬火过程中最需要关注的地方有以下几点：

1）淬火喷嘴的调节。保证弱喷和强喷都要均匀全面覆盖到整个踏面。对那些弯曲、堵塞的喷嘴一定要更换，保证每个喷嘴都畅通，使它们均匀的喷在整个踏面，在淬火几秒钟后不出现“红带”的现象。

2）观察每个台子弱喷的效果。弱喷是整个工艺控制的重中之重。为了保证弱喷的效果：一是保证每个弱喷嘴全部工作正常；二是保证弱喷时水压在工艺要求范围内，水压不能有超出工艺范围的波动；三是在弱喷完成后一瞬间，观察踏面颜色，正常颜色应该为暗红偏黑。如果颜色有异常，应及时检查喷嘴、水压以及水温等是否正常。

4 结语

ZC970车轮工艺固化下来后，批量生产了5 500件，抽样检验外侧面硬度100%合格，100%在线检测表面硬度合格率99.32%。仅在踏面下2~3 mm以内出现非珠光体组织，可在精加工后完全消除，满足交货要求。

生产结果说明，该工艺在批量生产执行中，控制较为稳定，现场对于新工艺的执行已掌握。