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应用激光相变硬化技术提高天车车轮的使用寿命

车轮2015年05月19日

  • 一、概述
  • 济钢第一炼钢厂精整车间有8台天车,其中30t天车5台,20t天车3台,跨度25.5m,常处于满负荷作业状态,车轮轮压很高,钢坯卸车及入库时30t天车的最大轮压可达33t。因厂房梁变形,道轨旁弯严重,导致车轮啃轨,踏面及轮缘磨损严重,大大缩短了车轮的使用寿命。因精整车间天车使用频繁,在短时间内无法停产对厂房进行彻底修复更换,问题一时间无法彻底解决。且随着炼钢产量和天车作业率的提高,车轮的损耗量越来越大,仅2006年前3个季度,精整车间的8台天车大车轮报废更换数量就达50多件,仅车轮更换维修一项所消耗的人力、物力、财力就很大。
  • 针对实际情况,分析认为解决问题的关键在于提高车轮本身的使用寿命,主要是提高车轮工作面的耐磨性。为此曾将车轮材料由55号铸钢改换为65Mn,并提高车轮的硬度,但效果不理想,经过效益分析,性价比较低,并不经济。且用一般的热处理方式3提高车轮表面硬度,在使用过程中车轮踏面淬硬层易出现龟裂和剥落,寿命反而更短。而后与济南万瓦激光加工中心进行技术合作,对车轮工作表面采用激光相变硬化处理。

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  • 二、激光相变硬化技术原理
  • 济钢第一炼钢厂精整车间有8台天车,其中30t天车5台,20t天车3台,跨度25.5m,常处于满负荷作业状态,车轮轮压很高,钢坯卸车及入库时30t天车的最大轮压可达33t。因厂房梁变形,道轨旁弯严重,导致车轮啃轨,踏面及轮缘磨损严重,大大缩短了车轮的使用寿命。因精整车间天车使用频繁,在短时间内无法停产对厂房进行彻底修复更换,问题一时间无法彻底解决。且随着炼钢产量和天车作业率的提高,车轮的损耗量越来越大,仅2006年前3个季度,精整车间的8台天车大车轮报废更换数量就达50多件,仅车轮更换维修一项所消耗的人力、物力、财力就很大。
  • 激光相变硬化技术是近年来新兴的表面热处理技术,其原理是将强激光束照射在工件表面,利用光束产生的热量迅速将工件表面温度提高到相变温度以上、熔点以下的温度范围之内,使工件表层组织转变为奥氏体,并通过喷水快速冷却来实现奥氏体向马氏体转化。其淬火硬化的基本原理与过去常用的淬火方式相同,不同点在于激光淬火对工件的加热和冷却速度较常用的加热和冷却过程要快得多(2000kW二氧化碳激光器加热的速度为206-210度/s,冷却速度为208-700度/s),这是因为激光加热以强光束扫描的方式进行,能量比较集中。光束产生的热量集中在工件表层,且在加热后即刻喷水冷却,因而工件表面经淬火后形成的马氏体组织极为细密,是板条状马氏体与针状马氏体的机械混合物,混合物中板条状马氏体数量多于针状马氏体。针状马氏体内充满大量细小的挛晶带,硬度极高、脆性很大;板条状马氏体内含有极高密度的位错,强度、硬度面淬硬层的强度、硬度很高,而塑性、韧性并不降低。同时,因淬火时急速冷却高,塑性、韧性也较好。因马氏体组织的组成和特点,工件表在工件表面产生高达750MPa以上的压应力,使工件表面的接触疲劳强度得到了很大程度的提高。
  • 三、实际应用及效果
  • 用激光相变硬化技术对55号铸钢车轮的踏面和轮缘侧面进行处理后,车轮表面的硬度为58-62HRC,接近滚动轴承表面的硬度。其硬化层厚度为1.5-2mm,而用常规方式进行表面淬火的车轮,表面硬度为300-350HB,深度为20mm处硬度不低于280HB。车轮在用激光硬化处理前,已经经过(也必须经过)常规表面淬火处理。经激光处理后的车轮,保持了车轮较深层材料的机械性能,表面耐磨性和寿命较原来有很大程度的提高。表面与较深层材料的硬度变化比较平缓,激光硬化层不易剥落。精整车间天车自2006年10月20日开始陆续更换使用经激光表面处理的车轮,至今只有1个车轮因一侧轮缘磨损超标而报废更换。这个车轮安装在精整2号30t天车上,连续使用了18个月。而在此之前,在相同的使用条件下,该车单个车轮的使用寿命不超过3个月。
  • 实践证明,用激光相变硬化技术处理过的车轮,耐磨寿命有很大程度的提高,车轮运行一段时间后,踏面和轮缘内侧面十分光亮,踏面上没有起毛和重皮现象,轮缘内侧没有以往胶合磨损出现的沟痕和塑性变化现象。这同时也在很大程度上减轻了道轨的磨损,降低了天车啃道阻力。踏面与轮缘的激光表面处理,只改变车轮表面很浅一层材料的金相组织结构,对其深层材料的结构和性能没有影响,能确保原有车轮的使用安全性。应用激光表面处理,车轮的变形量很微小,表面质量较高,不需要再进行机加工,因而降低了成本。
  • 应用激光相变硬化技术提高车轮的使用寿命,效益显著,车轮处理所需费用仅为原车轮价格的一半左右,精整车间8台天车仅降低车轮损耗所产生的年度直接经济效益就可达20多万元,在提高天车运行效率、确保生产正常进行、降低天车检修劳动强度等方面也取得了很好的效果。另外,根据实验,激光相变硬化技术在提高高锰钢的耐磨性和表面接触疲劳强度方面所取得的效果更显著,如果将65Mn材料车轮采用激光表面硬化,车轮的使用寿命将得到更大的提高。

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