車輪是攔焦車、推焦車、焦罐臺(tái)車和大型起重機(jī)等冶金機(jī)械中的關(guān)鍵重載部件,除自重及外加載荷外，還承受在導(dǎo)軌上來(lái)回運(yùn)行時(shí)與導(dǎo)軌接觸而產(chǎn)生的接觸應(yīng)力。車輪的質(zhì)量直接關(guān)系到整套設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文從金機(jī)械車輪的制作和質(zhì)量控制等方面探討了如何提高車輪的質(zhì)量水平,以確保其使用壽命能滿足要求。

1 車輪的熱處理技術(shù)要求及常見失效形式

1.1 熱處理技術(shù)要求

車輪熱處理技術(shù)要求：踏面和輪緣內(nèi)側(cè)面硬度300～380 HB,表面以下15 mm(踏面直徑≤400mm 時(shí))或20 mm(踏面直徑>400 mm 時(shí))處的硬度≥260 HB。

除了踏面和輪緣內(nèi)側(cè)之外,車輪其他部位沒有具體的熱處理技術(shù)要求，其原因是在實(shí)際生產(chǎn)中，車輪熱處理工藝路線是多樣化的，車輪其他部位的熱處理狀況必須有利于機(jī)械加工和滿足車輪整體的力學(xué)性能要求需要指出的是,對(duì)于車輪踏面硬度，從滿足實(shí)際質(zhì)量控制要求而言，300～380 HB是個(gè)較寬的標(biāo)準(zhǔn)，因此，在車輪設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)機(jī)車的自重及載荷情況,根據(jù)接觸應(yīng)力理論的相關(guān)公式,確定車輪表面的最大應(yīng)力,從而提出更具指導(dǎo)意義的踏面硬度范圍。

1.2常見失效形式

（1）踏面深層剝落

踏面剝落是車輪常見的失效形式,其原因在于車輪踏面在運(yùn)行時(shí)承受接觸應(yīng)力,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后產(chǎn)生疲勞裂紋而導(dǎo)致的深層剝落的力學(xué)分析。深層剝落也是表面硬化車輪最為常見的失效形式 。采用表面硬化的車輪，其硬化層深度利表面以下一定深度內(nèi)硬度梯度是否合理，是直接影響深層剝落發(fā)生的重要因素。實(shí)際上,由于受起重機(jī)車輪熱處理技術(shù)要求“粹硬層”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的影響，對(duì)車輪采用表面淬火(硬化)處理成了常用的熱處理方法。不過(guò)，單就表面硬度要求而言，300～380 HB 遠(yuǎn)低于常用的65Mn、CL60、ZG340-640、35CrMnSi、42CrMo 等車輪用鋼的普通淬火硬度，并且，表面淬火硬化層組織抗回火性能很好，譬如42CrMo 鋼車輪踏面經(jīng)火焰淬火后,硬度達(dá)60 HRC 左右，即使550℃回火也僅降至40HRC左右。因此，對(duì)車輪采用表面硬化處理是值得商榷的。

（2）斷裂 車輪在裝配過(guò)程中發(fā)生的斷裂。其原因是車輪熱處理不當(dāng)形成微裂紋，并在車輪內(nèi)部形成了較大應(yīng)力，然后在外力作用下裂紋擴(kuò)展而開裂。斷裂是一種極其嚴(yán)重的失效形式，是實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免出現(xiàn)的。此外,車輪選材不當(dāng)或未經(jīng)熱處理也會(huì)導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中斷裂。

2 車輪熱處理工藝及選材和質(zhì)量控制

2.1 熱處理工藝

火車輪經(jīng)典的熱處理工藝是整體加熱后踏面噴淋淬火、回火，中信重工火車輪的生產(chǎn)在這方面具有成熟的設(shè)備和技術(shù)。與專業(yè)化、大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)的火車輪相比，冶金機(jī)車車輪的生產(chǎn)具有不同的特點(diǎn)。與火車的運(yùn)行條件相比，冶金機(jī)車的運(yùn)行速度慢，環(huán)境也不同，因此，不可能照搬火車輪的生產(chǎn)方式。不過(guò)，同樣是車輪，火車輪和冶金機(jī)車輪的技術(shù)要求特別是產(chǎn)品最終的熱處理技術(shù)狀態(tài)應(yīng)相似，這樣才能使冶金機(jī)車輪達(dá)到安全、穩(wěn)定和較長(zhǎng)壽命的要求。車輪的熱處理工藝與選材、設(shè)備技術(shù)條件等因素密切相關(guān)。

根據(jù)車輪的熱處理技術(shù)要求，在沒有成熟的踏面噴淋淬火工裝的情況下，我們先后采取了調(diào)質(zhì)+火焰淬火、調(diào)質(zhì)+感應(yīng)淬火、兩側(cè)加蓋板保護(hù)淬火回火及整體淬火回火等工藝。由于一批車輪在火焰淬火之后踏面發(fā)生了開裂,而部分車輪經(jīng)感應(yīng)淬火之后上線運(yùn)行很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了踏面剝落，剝落層厚約2 mm;此外采用加蓋板保護(hù)淬火回火的部分車輪在上線運(yùn)行不久后輪輞和輪緣發(fā)生了塑性變形，使我們必須對(duì)已采用的車輪熱處理工藝重新進(jìn)行審視。對(duì)比各種工藝路線可知，在合理選材的基礎(chǔ)上，采用整體淬火回火處理，是比較合理、可行的工藝方法。

為了驗(yàn)證整體淬火回火車輪的技術(shù)效果，對(duì)踏面直徑為500 mm 的42CrMo 鋼單緣車輪進(jìn)行了整體淬火回火處理，然后用線切割從車輪上切取剖面試樣，并用HL-80型里氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣的硬度，整體淬火、回火后的42CrMo鋼車輪輪輞從表面至25 mm 深度處具有平緩的硬度梯度，且深25 mm處的硬度達(dá)260 HB。

2.2材料選擇及質(zhì)量控制措施

2.2.1 材料

世界各國(guó)普遍選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制作火車輪，這與火車輪需求量巨大有密切關(guān)系，也與火車輪成熟的踏面噴淋淬火回火自動(dòng)化生產(chǎn)相適應(yīng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，選擇優(yōu)質(zhì)碳素鋼制作冶金機(jī)車車輪是必然的。因?yàn)閷I(yè)化車輪生產(chǎn)企業(yè)介入相對(duì)封閉的冶金機(jī)車行業(yè)是需要一定時(shí)間的，同時(shí)，為需求量少，規(guī)格各異的冶金機(jī)車配套生產(chǎn)也難以做到。在這種條件下，選擇合適的材質(zhì)對(duì)車輪進(jìn)行整體淬火回火處理應(yīng)是比較合理的。

考慮到車輪的整體性能要求，除了踏面需具有較高硬度,并在踏面以下一定深度內(nèi)形成平緩的硬度梯度之外,車輪輻板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性,以滿足在沖擊載荷作用下車輪不致失效的要求。同時(shí),輪轂中心孔處不應(yīng)在淬火過(guò)程中形成過(guò)大的組織應(yīng)力，并在以內(nèi)部缺陷為源頭形成放射狀的縱向裂紋導(dǎo)致車輪開裂，因此，車輪選擇中等淬透性的42CrMo鋼，一方面通過(guò)淬火后選擇合理的回火溫度，使車輪踏面獲得較高硬度，表面以下一定深度內(nèi)則通過(guò)淬火回火自然形成平緩的硬度梯度，同時(shí)使輻板處的韌性得到保障。

2.2.2 質(zhì)量控制措施

為保證車輪最終的熱處理質(zhì)量，需要從以下幾方面加強(qiáng)質(zhì)量控制。

（1）合理選擇毛坯類型，嚴(yán)格控制毛坯的表面及內(nèi)部缺陷。與火車輪選用軋制或碾鋼坯不同，冶金機(jī)車生產(chǎn)中常用的車輪毛坯類型有鑄坯和鍛坯兩種。需要指出的是，由于鍛壓機(jī)械設(shè)備的限制，目前所用的車輪鍛坯并非真正意義上的鍛造車輪坯，而是普通的圓餅坯，應(yīng)該說(shuō)這種鍛坯與軋制或輾鋼坯有本質(zhì)的區(qū)別。此外,不論何種毛坯,車輪踏面及輪緣處都不應(yīng)有砂眼、氣孔或重皮、鍛造不足等缺陷。整個(gè)輪輞內(nèi)的非金屬夾雜物、氧化物等冶金缺陷也要按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制,因?yàn)檫@些缺陷的存在都將導(dǎo)致車輪踏面的過(guò)早失效(產(chǎn)生麻點(diǎn)、剝落等)。輪轂和輻板處的內(nèi)部缺陷應(yīng)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制,以防其在淬火過(guò)程中開裂。

（2）加強(qiáng)熱處理過(guò)程的監(jiān)控，以防因熱處理不當(dāng)造成車輪壽命降低。熱處理是使車輪整體力學(xué)性能得以實(shí)現(xiàn)的必要手段，熱處理不當(dāng)將導(dǎo)致車輪非正常失效。因此，要特別注意不同毛坯預(yù)備熱處理工序的設(shè)置、熱處理工藝參數(shù)的合理選定、熱處理過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化及其監(jiān)控等。

對(duì)于鍛造毛坯,鍛后熱處理對(duì)于提高鍛坯的最終性能有重要意義。合理的鍛后熱處理可以為起重機(jī)車輪的最終熱處理提供良好的組織，防止混品、帶狀組織等缺陷遺傳到最終熱處理組織中實(shí)際上，合理的預(yù)備熱處理不僅有利于提高最終熱處理的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于提高車輪機(jī)械加工效率也大有裨益。

在熱處理過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、自動(dòng)化操作水平依然低下的情況，加強(qiáng)熱處理工藝細(xì)化工作，明確各項(xiàng)熱處理參數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn),有利于防止人為原因造成的熱處理質(zhì)量分散。淬火加熱速度、淬火溫度、保溫時(shí)間、轉(zhuǎn)移時(shí)間、淬火介質(zhì)的濃度及循環(huán)狀況等都會(huì)對(duì)淬火效果造成影響。

（3）明確熱處理驗(yàn)收項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn),確保驗(yàn)收數(shù)據(jù)全面反映車輪實(shí)際熱處理質(zhì)量狀況。在實(shí)際生產(chǎn)中,不可能對(duì)每件車輪進(jìn)行破壞性試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其內(nèi)部的硬度梯度、顯微組織、缺陷等內(nèi)在質(zhì)量,應(yīng)該明確，在工藝條件發(fā)生變化時(shí)，必須進(jìn)行熱處理效果的確認(rèn)。比如，毛坯類型、車輪材質(zhì)、淬火條件等因素發(fā)生變化時(shí)，就需要對(duì)實(shí)際效果進(jìn)行檢測(cè)。除此之外，在日常的驗(yàn)收中，車輪踏面表面硬度(測(cè)量部位、檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量、控制范圍等)、熱處理過(guò)程控制記錄(預(yù)備熱處理及性能熱處理過(guò)程的溫度時(shí)間記錄、淬火介質(zhì)參數(shù)記錄等）、車輪表面及內(nèi)部探傷報(bào)告等資料應(yīng)成為必不可少的依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

選用中等淬透性的42CrMo鋼制作車輪，通過(guò)整體淬火回火處理，完全能達(dá)到車輪熱處理技術(shù)要求。車輪踏面硬度及輪輞硬度梯度都能滿足使用要求；通過(guò)控制回火溫度，可使車輪輻板處的韌性滿足機(jī)車承受沖擊載荷的要求。