一种ADI材料车轮的生产方法

摘要

一种ADI材料车轮的生产方法，涉及金属材料类，特别涉及一种ADI(稀土奥贝球铁)轨道交通车轮及生产方法。包括浇注ADI车轮铸坯、对车轮铸坯粗加工、等温淬火处理、抛丸处理和精加工步骤。抛丸处理，可实现表面强化，可发明克服了目前铸钢车轮和辗钢车轮的耐磨性和噪音已不能满足服役要求的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料类，特别涉及一种ADI(稀土奥贝球铁)轨道交通车轮及生产方法。

背景技术

在现有技术中，轨道交通车轮是列车的关键部件之一，它与铁路钢轨、车轴并称为轨道交通三大安全部件，目前国内外都在使用辗钢车轮或铸钢车轮。钢车轮和钢轨间的摩擦不匹配，不耐磨，噪声大，不环保，安全性能差。各国纷纷研制和生产新的列车车轮用材料，以提高其抗疲劳、抗磨损性能，同时降低运行中的噪音。

由钢锭制成辗钢车轮一般要经过一次或几次加热和多次辗压，制造辗钢车轮要比直接铸造车轮消耗更多的热能，但铸钢车轮也有其劣势，其塑性、韧性等指标远小于辗钢车轮，在满足同样轴重的车辆使用时，铸钢车轮的重量比辗钢车轮重8%左右。我国铁路车轮出现的质量问题不断，其中车轮裂及掉块现象较多，它是由于车轮内部存在较大颗粒夹杂物，并在轮轨接触应力作用下裂纹疲劳萌生所致，再就是不断出现的车轮踏面剥离、擦伤现象，因车轮剥离产生的踏面旋修量加大，换轮频繁，严重时影响运输计划。大部分高速重载机车、车辆车轮仍依赖进口，价格昂贵，供货不及时，严重遏制了生产运营。 

作为铁路发展的核心技术之一，列车车轮用材料的研究重点是如何保证在高速重载运行条件下车轮的使用安全性。轨道交通要求高耐磨、低噪音、轻质、轮轨摩擦匹配好、寿命高。ADI(稀土奥贝球铁)能够满足上述要求。事实上，轨道和车轮接触的特点是荷载高、接触面小（大约1cm2）。与普通的钢材相比，ADI的“自润滑”能力使其在维护方面具有一定的优越性。ADI的密度比普通钢材低10%，可以减轻零件的重量。低密度的原因是在基体结构中存在石墨球。这些石墨球还能够在接触面处扮演润滑剂的角色，由此可以提高耐磨性能,ADI车轮的耐磨性是铸钢车轮和辗钢车轮的使用寿命的二至三倍,另外，与普通钢材相比，ADI具有三倍的阻尼，降低了运行噪声。同时，节约了大量的原材料和检修费用，对钢轨起到了有效的保护，每年可为国家节省能源数亿元。

所谓产品的技术可行性就是车轮材料和车轮零件的性能都满足服役的要求。研究开发轨道交通稀土高耐磨低噪音ADI车轮将力争克服原辗钢车轮、原铸钢车轮和钢轨之间存在的诸多缺陷：钢轮和钢轨相互摩擦，伤轮又伤轨，钢轮磨损大、噪音高、质量重、组合差等弊病。目前服役的车轮材料和车轮零件的性能和耐磨性已不足以满足服役的要求。

发明内容

本发明目的在于提出克服目前铸钢车轮和辗钢车轮的耐磨性和噪音已不能满足服役要求的一种各项性能优越的ADI（稀土奥贝球铁）车轮的生产方法。

本发明包括浇注ADI车轮铸坯、对车轮铸坯粗加工、等温淬火处理、抛丸处理和精加工步骤。抛丸处理，可实现表面强化。

    本发明所述浇注ADI车轮铸坯是将低硫低磷生铁进行浇注，所述低硫低磷生铁中硫S＜0.02%、磷P＜0.03%、锰Mn＜0.31%、镁0.039～0.062%、稀土元素≥0.02%。

其中，稀土元素为铈Ce或钇Y。

本发明在中频电炉中熔炼时，喷吹氩气净化铁水，采用球化处理和二次孕育处理。可使石墨球数球化级别为GB9441－88的1－4级，石墨大小为不粗于GB9441－88的5级，基体组织中磷共晶渗碳体总量≤5%。

制造车轮成品，首先要生产出稳定的高质量球铁车轮铸件，这是制造一种ADI(稀土奥贝球铁) 车轮成品的基础。车轮铸件的铸造缺陷应按标准规定、化学成份和金相组织合格且稳定。目前，铸造车间采用中频电炉熔炼、树脂砂造型或消失模造型,原材料与工艺都得到了严格控制，并具备较先进的检测仪器。因此，生产稳定高质量的一种ADI(稀土奥贝球铁) 车轮铸件是可能的。与普通的钢材相比，本发明采用特殊的配方进行浇注，形成的ADI车轮坯的“自润滑”能力使其在维护方面具有一定的优越性。这些石墨球还能够在接触面处扮演润滑剂的角色，由此可以提高耐磨性能。ADI车轮耐磨性能是铸钢车轮和辗钢车轮的使用寿命的二至三倍。ADI的密度比普通钢材低8%，低密度的原因是在基体结构中存在石墨球,可以减轻零件的重量。与普通钢材相比，ADI具有三倍的阻尼，可以降低运行噪声。

本发明等温淬火处理是在可控气体保护的320～385℃盐浴炉中进行，等温淬火处理的时间为1～3.5小时。奥-贝化时间为1～3.5小时，温度环境为820～930℃。可控制热变形量在±0.2mm之内。

优化等温淬火工艺是最后使一种ADI(稀土奥贝球铁) 车轮达到预期性能的奥贝化核心所在。φ896mm、φ1250mm大直径受热受压的车轮奥贝球铁试验整体硬化的工艺有相当的难度。这种工艺难点在于既要控制大直径车轮的硬度均匀且变形量在允许范围内，又使其整体的金相组织能适应车轮强化的工作状态且分布均匀。

本发明在精加工后还进行圆弧滚压加工，以便进一步表面强化。

具体实施方式

一、生产步骤：

1、浇注出高质量的所述ADI材料车轮铸坯：

选用废钢增碳的合成铸铁或高纯球铁生铁作为生产所述ADI(稀土奥贝球铁)材料车轮的主要金属材料，严格控制合金化元素的加入量；在中频电炉内熔炼铁水，喷吹氩气净化铁水，1480～1560℃出炉，并采用球化处理和二次孕育处理。

合金化元素的加入量(％)

CSiMnPSMgRe（铈Ce＋钇Y）3.1-3.92.0-3.0＜0.31＜0.03＜0.020.039-0.062≥0.02

2、分析：形成的ADI (稀土奥贝球铁)材料车轮铸件的石墨球数球化级别为GB9441－88的1-4级；石墨大小为不粗于GB9441－88的5级；基体组织中磷共晶渗碳体总量≤5%；珠光体和铁素体比例稳定。

3、对ADI(稀土奥贝球铁)材料车轮铸坯粗加工。

4、等温淬火处理：

在可控气体（由体积百分比分别为一氧化碳18％、氢气42％和氮气40％组成）保护的盐浴炉中进行，控制热变形量在±0.2mm之内。

奥-贝化      820～930℃，1～3.5小时；

等温淬火处理  320～385℃，1～3.5小时。

热处理后取样、金相检查并测定硬度。

5、抛丸处理，进行表面强化处理。

6、车轮精加工，最后工序是进行圆弧部位的进一步滚压强化处理。

7、检验、出合格证、包装。

二、产品性能指标：

通过台架试验及线路运用考核试验：采用本发明方法生产的ADI(稀土奥贝球铁) 车轮的性能可以达到服役的要求。

本发明的优势是ADI(稀土奥贝球铁)材料车轮的经济效益明显，ADI车轮耐磨性能是铸钢车轮和辗钢车轮的使用寿命的二倍至三倍，ADI的阻尼是钢材的三倍，可以降低运行噪声，本发明是属于高性能金属材料和节能减排的重要项目。

1、车轮主要尺寸(mm):

外径尺寸轮辋外径轮辋内径厚度φ896φ840φ710170

2、服役条件：

建国初期截止到1997年，我国仅有普通、直快、特快三种列车，速度最快的特快列车平均速度仅为80km/h，最高速度不超过110km/h。

近年来随着我国铁路不断提速和重载,货车轴重逐渐从21 T提高到23 T再到25 T,而车轮的制造材料却仍为CL60钢制造，即使是对于大秦线这样的重载专线，所使用的E型车轮也仅是在原D型车轮基础上进行了外形优化而成的，车轮材质依然沿用CL60 (ZL-B)钢。随后，840HDS新型货车车轮的构造速度为120km/h。

3、合金化元素加入后化学成分(％)

CSiMnPSMgRe（铈Ce＋钇Y）3.52.60.290.0290.0190.0420.026

4、金相组织

石墨球数球化级别为2级; 。

石墨大小为不粗于GB9441－88的5级;

基体组织中磷共晶渗碳体总量＝4.5% 。

5、ADI(稀土奥贝球铁)材料车轮的检测结果:

ADI材质机械性能：抗拉强度＝836MPa   

布氏硬度HB＝310

延伸率δ＝4.6%

6、与其它产品的对比：

表1为国内外铁路使用的各种车轮的化学成分及力学性能的分析表。

表2为国内外铁路使用的主要热轧钢轨的化学成分及力学性能的分析表。

表3为本发明产品的力学性能分析表。

通过对比可见，本发明产品的疲劳性能和耐磨性明显提高。

表1国内外铁路使用的各种车轮的化学成分及力学性能

表2国内外铁路使用的主要热轧钢轨的化学成分及力学性能

表3本发明一种ADI(稀土奥贝球铁)单铸或附铸试块的力学性能