42CrMo天车车轮锻件夹板淬火与回火热处理组织与性能

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。

表1   42CrMo的化学成分分析

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）。

 图2  硬度样品的测试点

  图3  拉伸试样取样位置示意图

 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

  表2  硬度样品合金表层硬度分析（HB）

  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。