一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法与流程

1.本发明属于金属热处理技术领域，更具体地说，涉及一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法。


背景技术：

2.铁路车轮是由轮辋、辐板、轮毂组成的异截面工件，热处理工艺为奥氏体化加热后，轮辋踏面喷水冷却，最后回火。在喷水冷却过程中，轮辋、辐板、轮毂的温度差异极大，辐板会因此而发生变形，主要表现为辐板沉降，即辐板形位相对于轮毂或轮辋发生变化，其原因在于，连接轮辋、轮毂的辐板截面最薄，踏面喷水冷却过程中，轮辋受高强度激冷，温度下降远快于辐板，导致整个轮辋收缩，辐板因此受到很大的径向压应力，而轮毂温度始终最高、下降速率最小，又限制了辐板的自然收缩，加之此时辐板温度较高、变形抗力较低，在轮辋压力、轮毂拉力的双重作用下，辐板两端圆弧段发生弯曲致使车轮辐板变形。
3.目前轮辋踏面喷水是通用的车轮热处理冷却方法，但受车轮辐板的温度场、应力场的分布、变化规律影响，辐板变形是必然存在、不可克服的问题。辐板变形可能使车轮无法精加工至成品形状、尺寸，采用通用热处理冷却方法生产的车轮，只能采用增大投料质量将锻轧态毛坯车轮辐板厚度增大、热处理后通过机加工消除变形这两种办法满足车轮精加工要求，但这显然会降低车轮成材率、增大机加工刀具消耗、降低机加工工作效率，进而提高车轮生产成本。
4.为解决现有车轮热处理冷却方法的固有不足，提供一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法及其冷却装置很有必要，可提高铁路车轮生产的经济性。
5.经检索，目前已公开的技术文献情况如下：(1)涉及车轮热处理冷却过程辐板变形的学术研究论文较少，主要有：《辐板形状和淬火方式对车轮辐板沉降的影响研究》、《车轮热处理过程中的变形分析》，上述两篇论文是通过数值仿真的方法研究不同辐板形状和不同淬火方式对车轮辐板沉降的影响规律，但并没有描述降低辐板变形的具体冷却方法；(2)与本发明相关或相似的专利有：《一种淬火台下喷水装置》、《一种车轮淬火冷却装置》、《组合式火车车轮淬火冷却装置》、《一种火车轮双面淬火冷却装置》等专利，上述专利均是针对于车轮轮辋及踏面的冷却处理，与本发明有明显差异。


技术实现要素：

6.1、要解决的问题
7.针对通用热处理冷却工艺所制备车轮辐板变形量大的问题，本发明拟提供一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，基于铁路车轮热处理冷却过程中轮辋、辐板、轮毂三部位温度关系的协调，提供了一种对轮辋-辐板、辐板-轮毂过渡区进行控制冷却的热处理冷却方法及装置，所制备出的车轮，其辐板变形量明显低于通用车轮热处理冷却工艺。
8.2、技术方案
9.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
10.本发明的一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，包括以下步骤：
11.s1：准备阶段：将加热完毕的车轮放置于淬火台冷却装置中心位置的中转台上，使车轮的侧面朝上，启动中转台，使车轮处于转动状态；
12.s2：冷却阶段：启动主喷嘴对车轮轮辋处进行踏面冷却，并同步启动下冷却管对车轮的辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位进行冷却，所述辐板过渡处a为辐板与轮毂的过渡圆弧处，所述辐板过渡处b为轮辋与辐板的过渡圆弧处；其中轮辋踏面的冷却时间大于车轮的辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位的冷却时间；
13.s3：回火处理：冷却结束后，对车轮进行回火处理。
14.作为本发明更进一步的改进，下冷却管采用气雾喷嘴，且下冷却管的喷射条件为：水流量为1.0l/min～2.5l/min、压缩空气压力为0.4mpa～0.8mpa以及冷却时间为50s～100s。
15.作为本发明更进一步的改进，冷却前，车轮在加热炉内的加热温度为820℃～900℃，车轮轮辋踏面冷却时间为200s～500s。
16.作为本发明更进一步的改进，s3步骤中车轮的回火温度为470℃～520℃，回火时间为4h～8h。
17.作为本发明更进一步的改进，淬火台冷却装置包括淬火台基座和设置在淬火台基座中心位置的中转台，所述中转台上用于放置待冷却处理的车轮，所述淬火台基座内侧壁环绕周向均匀设有多个主喷嘴，多个主喷嘴均匀环绕分布于车轮轮辋踏面的外周，所述主喷嘴下方设置有下冷却管，所述下冷却管包括第一支管和第二支管，其中第一支管和第二支管的内侧喷嘴分别与车轮的辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位相对应。
18.作为本发明更进一步的改进，淬火台基座内侧壁上还设置有用于检测车轮的辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位温度的红外在线测温仪。
19.作为本发明更进一步的改进，淬火台基座开设有通孔，通孔内安装有下冷却管，所述下冷却管在通孔内沿靠近或远离中转台的方向水平移动，且所述下冷却管在通孔内沿高度方向进行直线往返运动。
20.作为本发明更进一步的改进，第一支管和第二支管的外周均套设有相配合固定环，且第一支管和第二支管在固定环内能够自由转动，所述固定环的底部设有用于驱动第一支管和第二支管上下升降运动的升降气缸，升降气缸的底部固定于通孔内。
21.作为本发明更进一步的改进，淬火台基座环绕周向均匀间隔开设有多个安装孔，安装孔内设有相配合的安装套筒，安装套筒内设置有主喷嘴，所述主喷嘴在安装套筒沿靠近或远离中转台的方向水平移动。
22.作为本发明更进一步的改进，安装套筒内还设置有伸缩气缸，伸缩气缸用于驱动主喷嘴沿靠近或远离中转台的方向水平移动。
23.3、有益效果
24.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
25.(1)本发明的一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，基于铁路车轮热处理冷却过程中轮辋、辐板、轮毂三部位温度关系的协调，通过对轮辋-辐板、辐板-轮毂过渡区进行控制冷却的热处理来控制辐板变形，使车轮生产成本会因成材率提高、机加工刀具消耗减少和机加工工作效率改善而提高，该方法所制备车轮的辐板变形量明显低于通用车轮热
处理冷却工艺所制备的车轮的辐板变形。
26.(2)本发明的一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，由于辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位在热处理过程中极易发生受拉或者受压，进而使得辐板产生变形，因此，通过下冷却管水流量、气压和喷射时间的合理控制，降低a、b部位温度，使对应辐板过渡处b处的辐板受压强度和对应辐板过渡处a的辐板受拉强度减小，同时使得辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位不能完成铁素体-珠光体转变，进而保证辐抗拉强度、轮辋-辐板过渡区硬度不受明显影响，从而达到既减小辐板变形量、又保证性能满足车轮标准要求的目的。
27.(3)本发明的一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，下冷却管包括第一支管和第二支管，其中第一支管和第二支管的内侧喷嘴分别与车轮的辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位相对应，用于对辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位进行气雾冷却处理，能够有效防止因辐板过渡处a处的受拉强度和辐板过渡处b处的受压强度过大而导致的辐板变形量过大，降低车轮生产成本，减少机加工刀具消耗。
28.(4)本发明的一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，淬火台基座内侧壁上还设置有用于检测车轮的辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位温度的红外在线测温仪，能够实时监测辐板过渡处a和辐板过渡处b两个部位的温度，方便随时调整第一支管和第二支管相关的气雾冷却参数，以实现更加精准的温度调控，同时红外在线测温仪的测温角度可调，方便适用于不同型号的车轮温度监测。
附图说明
29.图1为本发明中s形辐板车轮的结构示意图；
30.图2为本发明中双s形辐板车轮的结构示意图；
31.图3为本发明中直辐板车轮的结构示意图；
32.图4为本发明中s形辐板车轮的冷却结构示意图；
33.图5为本发明中冷却装置的结构示意图。
34.图中的标号为：
35.101、辐板过渡处a；102、辐板过渡处b；110、轮毂；120、辐板；130、轮辋；200、基座；210、主喷嘴；211、安装套筒；212、伸缩气缸；220、下冷却管；221、第一支管；222、第二支管；223、固定环；224、升降气缸；230、红外在线测温仪；240、中转台。
具体实施方式
36.为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
39.实施例1
40.结合图1-图3，本发明中铁路车轮由轮辋、辐板、轮毂三部分组成，其中车轮在进行
热处理时的轮辋130高度为140mm～145mm、厚度为60mm～90mm，而辐板120厚度为40mm～50mm，其中辐板120有直辐板、s形辐板、双s形辐板等多种形状，轮毂110高度为140mm～170mm、厚度为60mm～80mm，轮辋130和轮毂110截面明显大于辐板120。在热处理加热过程中，轮辋130、辐板120和轮毂110的膨胀不受约束，对辐板120变形的影响很小。热处理冷却目前通常采用踏面喷水冷却的方式，前100s冷却过程是车轮各部位温度差最大的时间段，此时，轮辋130大部分完成铁素体-珠光体相变，径向温度梯度(即轮辋130沿车轮半径方向的温度差)超过400℃，但最高温度不超过650℃；辐板120和轮毂110的温度分别处于720℃～770℃和800℃以上。由此造成，在车轮的辐板过渡处b102因轮辋130强烈收缩而受压，而在车轮的辐板过渡处a101因轮毂110的温度过高而受拉，二者共同作用则会导致辐板120发生变形。
41.为解决上述难题，本实施例的一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，基于铁路车轮热处理冷却过程中轮辋130、辐板120和轮毂110三部位温度关系的协调，对轮辋130-辐板120过渡区以及辐板120-轮毂110过渡区进行控制冷却的热处理，该方法所制备出的车轮的辐板120变形量明显低于通用车轮热处理冷却工艺所制备的车轮的辐板120变形量，能够有效降低车轮生产成本，减少机加工刀具消耗，提高机加工工作效率。具体地，本实施例中包括以下步骤：
42.s1：准备阶段：将轧制成形的毛坯车轮装炉，其中加热炉内的加热温度为820℃～900℃，加热保温2.5h后，出炉转运至淬火台冷却装置中心位置的中转台240上，启动中转台240电机，使车轮处于转动状态，所述电机转速控制在50r/min左右。
43.s2：冷却阶段：启动淬火台冷却装置中的主喷嘴210对车轮轮辋130处进行踏面冷却，具体地，本实施例中主喷嘴210的数量为6个，均匀分布于淬火台基座200的周向内侧壁上，单个主喷嘴210的流量为20m3/h，车轮轮辋130踏面冷却时间为200s～500s。具体地，本实施例中车轮轮辋130踏面冷却时间为200s。并同步启动淬火台冷却装置中的下冷却管220，对车轮的辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行冷却，所述辐板过渡处a101为辐板120与轮毂110的过渡圆弧处，所述辐板过渡处b102为轮辋130与辐板120的过渡圆弧处，其中轮辋130踏面的冷却时间大于车轮的辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位的冷却时间；所述下冷却管220采用气雾喷嘴，且下冷却管220的喷射条件为：水流量为1.0l/min～2.5l/min、压缩空气压力为0.4mpa～0.8mpa以及冷却时间为50s～100s。具体地，本实施例中下冷却管220的喷射条件为：水流量为1.0l/min、压缩空气压力为0.5mpa以及冷却时间为100s。
44.由于辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位在热处理过程中极易发生受拉或者受压，进而使得辐板120产生变形，因此，通过下冷却管220水流量、气压和喷射时间的合理控制，降低a、b部位温度，使对应辐板过渡处b102处的辐板120受压强度和对应辐板过渡处a101的辐板120受拉强度减小，同时使得辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位不能完成铁素体-珠光体转变，进而保证辐板120抗拉强度、轮辋130-辐板120过渡区硬度不受明显影响，从而达到既减小辐板120变形量、又保证性能满足车轮标准要求的目的。
45.s3：回火处理：冷却结束后，对车轮进行回火处理。其中车轮的回火温度为470℃～520℃，回火时间为4h～8h。具体地，本实施例中车轮的回火温度为520℃，回火时间为4h。出炉冷却至室温，对轮辋130、轮毂110内侧面、轮毂110外侧面和辐板120表面进行等深机加
工，以辐板120表面全部见亮为准，用于后续辐板120变形测量，用辐辋距h(即辐板120和轮辋130的径向距离)来表达辐板120变形量。
46.如图5所示，本实施例中淬火台冷却装置包括淬火台基座200和设置在淬火台基座200中心位置的中转台240，所述中转台240上用于放置待冷却处理的车轮，所述淬火台基座200内侧壁环绕周向均匀设有多个主喷嘴210，多个主喷嘴210均匀环绕分布于车轮轮辋130踏面的外周，具体地，本实施例中主喷嘴210为6个，均匀环绕分布于淬火台基座200的周向内侧壁上，保证能够对车轮轮辋130踏面进行均匀冷却处理，保证车轮踏面的冷却效果。本实施例中主喷嘴210下方设置有一圈下冷却管220，一圈下冷却管220也均匀环绕分布于淬火台基座200的周向内侧壁上。其中下冷却管220包括第一支管221和第二支管222，其中第一支管221和第二支管222的内侧喷嘴分别与车轮的辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位相对应，用于对辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行气雾冷却处理，能够有效防止因辐板过渡处a101处的受拉强度和辐板过渡处b102处的受压强度过大而导致的辐板120变形量过大，降低车轮生产成本，减少机加工刀具消耗。
47.本实施例中淬火台基座200内侧壁上还设置有用于检测车轮的辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位温度的红外在线测温仪230，能够实时监测辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位的温度，方便随时调整第一支管221和第二支管222相关的气雾冷却参数，以实现更加精准的温度调控，同时红外在线测温仪230的测温角度可调，方便适用于不同型号的车轮温度监测。
48.本实施例中淬火台基座200开设有通孔，通孔内安装有下冷却管220，所述下冷却管220在通孔内沿靠近或远离中转台240的方向水平移动，且所述下冷却管220在通孔内沿高度方向进行直线往返运动，方便调整下冷却管220的前后以及高度位置，能够适应不同型号的车轮冷却。具体地，本实施例中第一支管221和第二支管222的外周均套设有相配合固定环223，且第一支管221和第二支管222在固定环223内能够自由转动，即第一支管221和第二支管222在固定环223内的角度可调，同时还可以进行前后移动，方便调节第一支管221和第二支管222在固定环223的前后位置和喷射角度。其中固定环223的底部设有用于驱动第一支管221和第二支管222上下升降运动的升降气缸224，升降气缸224的底部固定于通孔内，固定环223在升降气缸224的驱动下带动第一支管221和第二支管222进行上下升降运动，方便调节喷射的高度位置，调节更加灵活多变，适用范围较广。
49.本实施例中淬火台基座200环绕周向均匀间隔开设有多个安装孔，安装孔内设有相配合的安装套筒211，安装套筒211内设置有主喷嘴210，所述主喷嘴210在安装套筒211沿靠近或远离中转台240的方向水平移动。具体地，本实施例中安装套筒211内还设置有伸缩气缸212，伸缩气缸212用于驱动主喷嘴210沿靠近或远离中转台240的方向水平移动，方便调整主喷嘴210的前后位置，方便适用于不同型号车轮的踏面冷却。本实施例中安装套筒211的内侧壁上设有滑轨，主喷嘴210上设有与滑轨相配合的滑块，滑块内嵌入滑轨内，主喷嘴210在伸缩气缸212的驱动下前后移动的同时带动滑块在滑轨内滑行。所述中转台240的底部设有所述中转台240，且中转台240在旋转电机的驱动下进行周向转动。
50.本发明中的车轮热处理冷却工艺见表1。
51.表1车轮热处理工艺
[0052][0053]
本实施例中所采用的er7车轮钢为c含量0.51％的非合金化钢，车轮产品标准为en13262，热处理后辐板120抗拉强度要求较轮辋130抗拉强度低110mpa以上，轮辋130-辐板120过渡区(即辐板过渡处b102)的硬度要求较轮辋130踏面下35mm处硬度低10hb以上。
[0054]
对比例1
[0055]
本对比例采用的车轮与实施例1同炉号、同批热加工成形、同炉热处理，除了不对辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行冷却外，其他热处理参数与实施例1相同。车轮回火后按与实施例1相同的要求对轮辋130、轮毂110内侧面、轮毂110外侧面和辐板120表面进行等深机加工，用于后续辐板120变形测量。
[0056]
淬火台内置的红外在线测温仪230测量的辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位的温度见表2，由er7车轮钢的cct曲线判断，下冷却管220冷却结束时，辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位均未完成铁素体-珠光体相变。采用三坐标测量机测量辐板变形量，结果见表2，可见，实施例1车轮的辐板变形量明显低于对比例1；按en13262标准取轮辋横截面试块进行硬度检验，结果见表3，可见，实施例1车轮轮辋-辐板过渡区的硬度略高于对比例1，但完全满足标准要求，且富余量充分；按en13262标准在轮辋130、辐板120取样进行拉伸性能检验，结果见表3，可见，辐板120强度增加量有限，轮辋130、辐板120抗拉强度之差完全满足标准要求，且富余量充分。因而，实施例1能达到既减小辐板120变形量，又保证性能满足标准要求的目的。
[0057]
表2车轮轮辋-辐板、轮毂-辐板过渡区温度及辐板变形量测量结果
[0058]
[0059]
表3车轮轮辋、辐板抗拉强度和轮辋硬度检验结果
[0060][0061]
实施例2
[0062]
本实施例一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，其基本步骤与实施例1相同，其不同之处在于，本实施例中采用的是c含量为0.55％的er8车轮钢，车轮产品标准为en13262，热处理后辐板抗拉强度要求较轮辋抗拉强度低120mpa以上，轮辋-辐板过渡区硬度要求较轮辋踏面下35mm处硬度低10hb以上。
[0063]
本实施例中下冷却管220的喷射条件为：水流量为1.8l/min、压缩空气压力为0.8mpa以及冷却时间为80s。
[0064]
本实施例中车轮的回火温度为470℃，回火时间为8h。
[0065]
对比例2
[0066]
本对比例采用的车轮为与实施例2同炉号、同批热加工成形、同炉热处理，除了不对辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行冷却外，其他热处理参数与实施例2相同。车轮回火后按与实施例2相同的要求对轮辋130、轮毂110内侧面、轮毂110外侧面和辐板120表面进行等深机加工，用于后续辐板120变形测量。
[0067]
参照实施例1与对比例1对实施例2和对比例2进行了车轮辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行温度测量、辐板120变形量测量、轮辋130硬度检验和轮辋130、辐板120拉伸性能检验，相关结果见表3，可见，相较于对比例2，实施例2能达到既减小辐板变形量又保证性能满足标准要求的目的。
[0068]
实施例3
[0069]
本实施例一种降低辐板变形的车轮热处理冷却方法，其基本步骤与实施例1相同，其不同之处在于，本实施例中采用的是c含量为0.58％的er9车轮钢，车轮产品标准为en13262，热处理后辐板抗拉强度要求较轮辋抗拉强度低130mpa以上，轮辋-辐板过渡区硬度要求较轮辋踏面下35mm处硬度低10hb以上。
[0070]
本实施例中下冷却管220的喷射条件为：水流量为2.5l/min、压缩空气压力为0.4mpa以及冷却时间为50s。
[0071]
本实施例中车轮的回火温度为500℃，回火时间为6h。
[0072]
对比例3
[0073]
本对比例采用的车轮与实施例3同炉号、同批热加工成形、同炉热处理，除了不对辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行冷却外，其他热处理参数与实施例3相同。车轮回火后按与实施例3相同的要求对轮辋130、轮毂110内侧面、轮毂110外侧面和辐板120
表面进行等深机加工，用于后续辐板120变形测量。
[0074]
参照实施例1与对比例1对实施例3和对比例3进行了车轮辐板过渡处a101和辐板过渡处b102两个部位进行温度测量、辐板120变形量测量、轮辋130硬度检验和轮辋130、辐板120拉伸性能检验，相关结果见表3，可见，相较于对比例3，实施例3能达到既减小辐板变形量又保证性能满足标准要求的目的。
[0075]
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。