42CrMo天車車輪鍛件夾板淬火與回火熱處理組織與性能

1、引言

天車是冶金行業的重要裝備，車輪是其關鍵部件，起著支撐天車大梁和保證大車行走的作用。在實際工作過程中，車輪外圓（踏面）與軌道接觸，承受較大周期性載荷和強烈的滾動摩擦磨損。車輪踏面硬度不均，導致出現壓痕或凹坑，便發生局部磨損， 是制約車輪使用壽命的重要因素。因此，車輪外圓必須具有足夠的強度和硬度（一般為HB350-380），特別要求踏面硬度分布要均勻一致，同時適當提高淬硬層深度，來提高車輪的耐磨性和使用壽命，同時要求輪轂具有良好的綜合性能。常規條件下多采用表面感應淬火工藝，但該工藝要求具有專用的工頻設備，關鍵是控制表面淬硬層深和硬度一致上工藝難度大。為克服這些問題，探索一種夾板淬火工藝方法，用于替代表面感應淬火工藝，滿足了冶金行業專用天車車輪的特殊要求。本文重點介紹在夾板淬火工藝條件下42CrMo合金鋼天車車輪件的組織結構和性能特征。

2、實驗方法

本工作研究的對象是某冶金專用天車車輪鍛件，材質為42CrMo，其化學成分見表1，尺寸為630mm×160mm，見圖1，重量為370kg。技術要求車輪的踏面硬度HB350-380，深度大于20mm，在20mm深處硬度大于HB260。車輪進鍛造和半精加工后用于本試驗。

表1   42CrMo的化學成分分析

圖1  車輪尺寸結構圖

夾板淬火工藝采用夾板工裝將車輪工件非淬火部位保護起來，整體加熱和冷卻。本試驗的淬火工藝為450度/5h/空冷。對熱處理后的車輪工件進行解剖取樣，分別測定不同深度和部位的硬度、拉伸性能，并觀察組織結構。硬度和拉伸試驗分別在HB-3000臺式硬度計和WE-60A液壓式萬能試驗機上進行，在光學顯微鏡上觀察組織結構。

3、實驗結構與討論

在夾板熱處理后的車輪工件上取切輪緣剖面試樣，測定硬度在踏面寬度上和深度上的硬度測試點分布如圖2所示，其測試結果見表2。拉伸試樣是沿踏面軸向分別取兩條樣品，標記為1號和2號，見圖3，并加工成直徑10mm標準拉伸試棒，進行拉伸性能檢測，表征踏面以下12.5mm和37.5mm位置的拉伸性能，其檢測結果見表3。分別在拉伸試樣1號、2號卡頭部位截取金相試樣，進行金相組織分析（圖4）。

 圖2  硬度樣品的測試點

  圖3  拉伸試樣取樣位置示意圖

 圖4  次夾板淬火與回火熱處理組織

a— 深度12.5mm處；b—深度37.5mm處

  表2  硬度樣品合金表層硬度分析（HB）

  表3  拉伸性能檢測結果

由以上試驗結果可見，硬度在同一深度的不同位置比較一致，而沿深度方向硬度逐漸降低，形成良好的梯度分布，具有較厚的淬硬層，對提高車輪抗磨損性能有利。而抗拉強度也沿深度方向降低，塑性變化不大。這種性能的梯度分布特征與材料的熱處理組織相關，再近表層組織中，是托氏體和貝氏體兩種組織（圖4a），隨深度增加，貝氏體組織在減少，托氏體組織在增加（圖4b），即使在37.5mm處，仍然存在一定比例的細小貝氏體組織。組織過渡的均勻性為性能的分布提供了良好的、舒緩的梯度分布，也為車輪件提供了良好的使用性能。對于冶金專用天車而言，車輪載荷較大，獲得較厚的淬硬層和良好的組織、性能梯度分布是及其重要的。

4、結論

（1）42CrMo天車車輪鍛件經夾板淬火與回火處理后，力學性能完全滿足設計要求。
（2）表層（12.5mm）組織為托氏體和貝氏體，并在深度方向上貝氏體逐漸減小，托氏體逐漸增加。在37.5mm深度仍然存在少量細小貝氏體組織。
（3）經夾板淬火與回火后，車輪鍛件具有更加合理的組織與強度分布，有利于提高使用性能。
（4）夾板淬火與回火這種工藝方法，設備簡單，具有廣泛的適用性。

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