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42CrMo天车车轮锻件夹板淬火与回火热处理组织与性能

车轮2015年03月24日

1、引言

天车是冶金行业的重要装备,车轮是其关键部件,起着支撑天车大梁和保证大车行走的作用。在实际工作过程中,车轮外圆(踏面)与轨道接触,承受较大周期性载荷和强烈的滚动摩擦磨损。车轮踏面硬度不均,导致出现压痕或凹坑,便发生局部磨损, 是制约车轮使用寿命的重要因素。因此,车轮外圆必须具有足够的强度和硬度(一般为HB350-380),特别要求踏面硬度分布要均匀一致,同时适当提高淬硬层深度,来提高车轮的耐磨性和使用寿命,同时要求轮毂具有良好的综合性能。常规条件下多采用表面感应淬火工艺,但该工艺要求具有专用的工频设备,关键是控制表面淬硬层深和硬度一致上工艺难度大。为克服这些问题,探索一种夹板淬火工艺方法,用于替代表面感应淬火工艺,满足了冶金行业专用天车车轮的特殊要求。本文重点介绍在夹板淬火工艺条件下42CrMo合金钢天车车轮件的组织结构和性能特征。

2、实验方法

本工作研究的对象是某冶金专用天车车轮锻件,材质为42CrMo,其化学成分见表1,尺寸为630mm×160mm,见图1,重量为370kg。技术要求车轮的踏面硬度HB350-380,深度大于20mm,在20mm深处硬度大于HB260。车轮经锻造和半精加工后用于本试验。

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表1   42CrMo的化学成分分析

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图1  车轮尺寸结构图

夹板淬火工艺采用夹板工装将车轮工件非淬火部位保护起来,整体加热和冷却。本试验的淬火工艺为450度/5h/空冷。对热处理后的车轮工件进行解剖取样,分别测定不同深度和部位的硬度、拉伸性能,并观察组织结构。硬度和拉伸试验分别在HB-3000台式硬度计和WE-60A液压式万能试验机上进行,在光学显微镜上观察组织结构。


3、实验结构与讨论

在夹板热处理后的车轮工件上取切轮缘剖面试样,测定硬度在踏面宽度上和深度上的硬度测试点分布如图2所示,其测试结果见表2。拉伸试样是沿踏面轴向分别取两条样品,标记为1号和2号,见图3,并加工成直径10mm标准拉伸试棒,进行拉伸性能检测,表征踏面以下12.5mm和37.5mm位置的拉伸性能,其检测结果见表3。分别在拉伸试样1号、2号卡头部位截取金相试样,进行金相组织分析(图4)。

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 图2  硬度样品的测试点

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  图3  拉伸试样取样位置示意图

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 图4  次夹板淬火与回火热处理组织

a— 深度12.5mm处;b—深度37.5mm处

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  表2  硬度样品合金表层硬度分析(HB)

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  表3  拉伸性能检测结果

由以上试验结果可见,硬度在同一深度的不同位置比较一致,而沿深度方向硬度逐渐降低,形成良好的梯度分布,具有较厚的淬硬层,对提高车轮抗磨损性能有利。而抗拉强度也沿深度方向降低,塑性变化不大。这种性能的梯度分布特征与材料的热处理组织相关,再近表层组织中,是托氏体和贝氏体两种组织(图4a),随深度增加,贝氏体组织在减少,托氏体组织在增加(图4b),即使在37.5mm处,仍然存在一定比例的细小贝氏体组织。组织过渡的均匀性为性能的分布提供了良好的、舒缓的梯度分布,也为车轮件提供了良好的使用性能。对于冶金专用天车而言,车轮载荷较大,获得较厚的淬硬层和良好的组织、性能梯度分布是及其重要的。

4、结论

(1)42CrMo天车车轮锻件经夹板淬火与回火处理后,力学性能完全满足设计要求。
(2)表层(12.5mm)组织为托氏体和贝氏体,并在深度方向上贝氏体逐渐减小,托氏体逐渐增加。在37.5mm深度仍然存在少量细小贝氏体组织。
(3)经夹板淬火与回火后,车轮锻件具有更加合理的组织与强度分布,有利于提高使用性能。
(4)夹板淬火与回火这种工艺方法,设备简单,具有广泛的适用性。

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