CN110499416A - 一种车轮的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供的车轮的热处理工艺，涉及冶金工业生产技术领域，通过将现有的车轮粗坯制作工艺由铸造更改为锻造，大大提高车轮产品的耐磨性；并调整锻造车轮粗坯的热处理工艺，包括在升温至840℃下恒温加热4h至完全奥氏体化后水冷的淬火过程和在恒温480℃下加热6h的回火过程，淬回火过程显著提高锻造车轮粗坯的硬度，减少车轮热处理过程导致的裂纹，避免车轮在使用时发生崩轮的危险，减少安全隐患，显著提高车轮使用的安全性。

Description

一种车轮的热处理工艺

技术领域

本发明涉及冶金工业生产技术领域，具体涉及一种车轮的热处理工艺。

背景技术

我国汽车工业经过几十年的建设，汽车产量大幅上升，尤其是加入世贸组织以后，中国汽车工业借助国际汽车产业的资本和技术，实现了一个大跨越，中国在未来的5-10年将会是世界最大、增长最快的汽车市场，这已获得国际业内人士的普遍认同。能源、环境和安全是当今世界各国极为关注的三大问题，汽车工业的发展和汽车应用的普及同这三大问题密切相关。汽车在行驶中避免事故，保障行人和乘员安全的性能，一般分为主动安全性、被动安全性、事故后安全性和生态安全性。在道路交通事故中，汽车本身的安全性能也是不可忽视的因素。汽车安全性能好，往往可以避免事故的发生或减少伤亡的程度。车轮作为汽车最重要的组成部件之一，其安全性对行车安全影响很大

现有技术中在生产车轮时，主要是使用铸造粗坯，再在一定的热处理工艺加工成车轮，在加工过程中车轮产品会存在裂纹等问题，后续生产时需要焊补等，焊补后的车轮虽然可以达到车轮使用的硬度要求，但是存在崩轮的危险，这样的车轮在应用时，不利于汽车安全性，具有显著的安全隐患。

发明内容

本发明目的在于提供一种车轮的热处理工艺，通过调整车轮粗坯的制作工艺为锻造，并调整锻造粗坯的热处理工艺，大大提高车轮产品的耐磨性，减少车轮裂纹，提高车轮使用的安全性。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种车轮的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)粗胚制造：采用50Mn钢作为原材料经机械加工锻造成车轮粗坯；

(2)淬火冷却：将锻造的车轮粗坯放置在淬火装置中，在设定时间内程序升温至800～840℃的温度区间范围内，然后恒温加热至车轮粗坯完全奥氏体化后，以水溶液作为淬火介质喷洒冷却车轮粗坯；

(3)回火：将淬火后的车轮粗坯整体入回火装置中恒温加热以消除车轮粗坯的内应力，然后取出空冷，确定车削加工余量。

进一步的，所述步骤(2)中设定的程序升温时间为3～4h，车轮粗坯的恒温加热的温度为840℃。

进一步的，所述步骤(2)中恒温加热至车轮粗坯完全奥氏体化的时间为4h。

进一步的，所述步骤(3)中淬火后车轮粗坯的回火温度为480℃。

进一步的，所述步骤(3)中淬火后的车轮粗坯的回火时间为6h。

进一步的，所述淬火装置和回火装置均选用台车式电阻炉。

进一步的，所述淬回火后车轮粗坯的硬度为260～305HB。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的车轮的热处理工艺，获得了如下有益效果：

本发明公开的车轮的热处理工艺，通过将现有的车轮粗坯制作工艺由锻造更改为锻造，大大提高车轮产品的耐磨性；并调整锻造车轮粗坯的热处理工艺，包括在升温至840℃下恒温加热4h至完全奥氏体化后水冷的淬火过程和在恒温480℃下加热6h的回火过程，淬回火过程显著提高锻造车轮粗坯的硬度，减少车轮热处理过程导致的裂纹，避免车轮在使用时发生崩轮的危险，减少安全隐患，显著提高车轮产品的质量和使用的安全性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明的热处理工艺曲线；

图2为本发明车轮粗坯截面图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不定义包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

基于现有技术中的车轮粗坯主要采用铸造工艺制成，铸造制成的车轮粗坯虽然其产品硬度可以达到公铁两用车轮的硬性要求，但是其产品质量存在一定的问题，例如耐磨性能较差、热处理过程中会产生的裂纹等，产生的裂纹一般通过焊补的方式处理，焊补处理导致这样的车轮产品在后续使用时会存在崩轮的危险，不利于汽车安全性的提高，具有安全隐患；本发明旨在提出一种车轮的热处理工艺，通过改变和调整车轮粗坯的制造和热处理工艺，在保证车轮产品硬度达到公铁两用车轮的硬性要求外，大大提升车轮产品质量、耐磨性能和安全性能。

下面结合附图所示的实施例，对本发明的一种车轮的热处理工艺作进一步具体介绍。

结合图1和图2所示，本发明公开的一种车轮的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)粗胚制造：采用50Mn钢作为原材料经机械加工锻造成车轮粗坯；

(2)淬火冷却：将锻造的车轮粗坯放置在淬火装置中，在设定时间内程序升温至800～840℃的温度区间范围内，然后恒温加热至车轮粗坯完全奥氏体化后，以水溶液作为淬火介质喷洒冷却车轮粗坯；

(3)回火：将淬火后的车轮粗坯整体入回火装置中恒温加热以消除车轮粗坯的内应力，然后取出空冷，确定车削加工余量。

附图所示的实施例中，淬火装置和回火装置均选用台车式电阻炉

其中，结合表1所示，50Mn钢属于亚共析钢，其主要包含的合金元素中，碳含量为0.5％左右、锰含1.0％左右，理论淬火温度为Ac3+(30～50)℃。通过查热处理参数手册可知，50Mn钢临界点温度：共析钢的奥氏体化的临界温度(Ac1)为720℃，共析钢的全奥氏体化的临界温度₍Ac3₎为760℃。对由50Mn钢锻造支撑的车轮粗坯升温加热超过临界点，将发生组织转变；随着温度的升高,奥氏体中合金元素含量增加，过冷奥氏体稳定性加大,钢材的淬透性提高，淬火后钢中组织主要由马氏体组成，粗坯的硬度、强度等性能达到最佳值。但是，当加热温度过高，将使奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体组织粗大，粗坯的韧性、强度指标降低，同时，温度越高，冷却时产生的热应力越大，工件变形、开裂倾向增加，而且淬火组织中残余奥氏体量增多，使工件硬度和尺寸稳定性下降；反之，加热温度过低，奥氏体化不充分，淬火后工件的硬度、强度等性能指标达不到要求。因此，车轮产品要得到优良的组织，充分发挥钢材潜在的良好性能，就必须选择出最佳的淬火温度。

因此，在步骤(2)中根据50Mn钢的合金元素与亚共析钢的加热温度范围，以及零件的形状、尺寸、有效厚度、技术要求、淬火装置和冷却介质等诸因素综合考虑，选定由50Mn钢锻造的车轮粗坯加热温度范围定为800～840℃。

表1 50Mn钢合金元素含量 Wt.％

淬火过程的加热时间一般包括工件程序升温至达到预设加热温度的时间，以及在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间，即升温和保温时间。通常，由于不同的淬火装置的生产率、加热速度和装炉量等因素的影响无法准确确定不同装置的升温时间，因此在附图所示的实施例中，直接设定程序升温至预设加热温度的时间为3～4h。

保温时间T通常依据待淬火的工件设定，本申请的实施例为热处理28寸车轮粗坯，28寸车轮粗坯的有效厚度为150mm-300mm，根据加热经验，结合实际生产情况，通常淬火保温时间选择至少3h，因此本申请中设置保温时间T在3h～4h之间，淬火保温时间过程也不利于生产线生产。

另外，根据50Mn钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线，理想的淬火介质应在高温转变区(珠光体转变)具有较快的冷却速度，而在低温转变区(马氏体转变)具有缓慢的冷却速度，因此，凡是冷却能力大于临界淬火冷却速度的淬火介质均可可以选用；本申请中从减少淬火应力危害的角度考虑，选择了淬火烈度相对较低的介质、且便宜易得的水溶液作为50Mn钢的淬火介质进行淬火冷却。

基于产品工件淬火后具有较高的强度和硬度，同时有较大的内应力，容易脆断，若不经回火便不能满足使用要求，因此对淬火后产品进一步回火最大限度地消除产品内应力，稳定组织和产品尺寸。

附图所示的实施例中，根据50Mn钢制车轮的工作温度和公铁两用车轮对硬度的技术要求选择回火温度，即步骤(3)中淬火后车轮粗坯的回火温度为480℃，该温度过低，产品内应力消除不彻底；该温度过高，产品硬度降低过大无法达到技术要求，同时保证了车轮产品在使用条件下尺寸和性能的稳定。另外，回火时间主要包括工件达到回火温度所需时间，以及完成组织转变、内应力消除需要的时间，一般根据铁路车轮的工况条件，选择50Mn钢锻造的车轮粗坯淬火后的回火时间为6h，确保淬火后产品内应力的完全消除和尺寸及性能的稳定性。

对于步骤(2)和(3)所示的淬回火工艺，分别选取800℃的热处理曲线1、800℃的热处理曲线2和840℃的热处理曲线3，三种热处理曲线对50Mn钢制车轮粗坯进行淬回火加工处理，调整热处理时间，其产品淬回火后硬度检测如表2所示，其中，A面和B面分别为车轮粗坯上垂直于轴向的两相对侧面。

表2试样淬火硬度检测结果

从表2的检测结果可见，在三种热处理曲线下获得的1、2和3号车轮粗坯试样淬回火硬度均在260～300HB之间，达到硬度255～321HB的技术要求，同时选定淬回火后硬度最高的实施例的热处理条件为热处理最佳工艺参数如表3所示，再以表3所示的数据进行对比实施，并以对比实施获得的淬回火后的车轮粗坯确定车削加工余量，精加工成车轮产品。

表3热处理最佳工艺参数

采用50Mn钢材车制两种规格尺寸的如图2所示的车轮粗坯，采用表3所示的热处理工艺参数进行淬回火加工后，分别测量车轮粗坯的外、内径尺寸，获取车轮粗坯淬回火前后的尺寸变化规律，确定两种规格尺寸车轮车削加工余量数值，并进一步验证该热处理工艺参数的可靠性；车轮粗坯热处理前后尺寸变形量及硬度检测结果如表4所示。

由表4尺寸测量结果可知，50Mn钢制车轮粗坯整体淬回火后，体积表现为胀大，径向平均胀大0.17mm，平均圆度1.375mm；为了增加车轮精度储备与加工保险量，使热处理产生的尺寸变形和胀大量以及微量脱贫碳层都可以磨掉，确定的车轮余量分别为：外径2.5mm，内径2.5mm，端面2.5mm。另外，从表4的硬度检测结果进一步验证发现，表3所示热处理最佳工艺参数是合理的，可以保证采用该热处理工艺参数获得的产品其硬度满足技术要求；为此可以选定由50Mn钢制的公铁两用的车轮产品热处理工序间技术要求，即圆度小于1.4mm，平面度小于1mm，最终回火硬度在260～298HB之间，满足技术要求的回火硬度255～321HB。

表4 50Mn钢制工件热处理后硬度检测结果

采用表3所示的热处理工艺参数对两种规格尺寸的50Mn钢制的公铁两用的车轮产品进行热处理后，对车轮产品进行全项检查，包括1)对车轮产品表面质量检查，两种规格尺寸车轮分别任取5件，全部工件产品经过磁力探伤检查，未发现工件产品表面裂纹现象，表明本发明公开的车轮的热处理工艺能有效解决产品表面出现裂纹的问题，避免采用焊补工艺，减少崩轮的风险；2)硬度检查，两种规格车轮粗坯经淬火、回火后分别任取5件，在硬度计上测量端面硬度，每件测3点(即圆周方向，间隔120°各取一点的方式)，硬度均在260～305HB之间，全部达到255～321HB的技术要求，表明本发明公开的技术方案能始终确保产品满足技术要求；3)金相检查，淬、回火组织由隐晶或细小结晶马氏体加板条状马氏体及部分残余奥氏体组成；4)尺寸检查，两种车轮粗坯各任取5件依次进行编号，分别在车工、淬火和回火后测量内、外径及高度尺寸，均达到热处理技术要求，移交下工序，经车削加工后也未发现由热处理造成的废品，表明两种车轮的车削余量设定为外径2.5mm，内径2.5mm，端面2.5mm是可行的，可以满足后续全部加工工序对尺寸及变形的要求，生产出合格的产品。因此，采用由50Mn钢锻造制成的车轮粗坯整体热处理后获得的车轮质量是可以保证的，并且成品率高。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种车轮的热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)粗胚制造：采用50Mn钢作为原材料经机械加工锻造成车轮粗坯；

(2)淬火冷却：将锻造的车轮粗坯放置在淬火装置中，在设定时间内程序升温至800～840℃的温度区间范围内，然后恒温加热至车轮粗坯完全奥氏体化后，以水溶液作为淬火介质喷洒冷却车轮粗坯；

(3)回火：将淬火后的车轮粗坯整体入回火装置中恒温加热以消除车轮粗坯的内应力，然后取出空冷，确定车削加工余量。

2.根据权利要求1所述的车轮的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中设定的程序升温时间为4h，车轮粗坯的恒温加热的温度为840℃。

3.根据权利要求2所述的车轮的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中恒温加热至车轮粗坯完全奥氏体化的时间为4h。

4.根据权利要求3所述的车轮的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)中淬火后车轮粗坯的回火温度为480℃。

5.根据权利要求4所述的车轮的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)中淬火后的车轮粗坯的回火时间为6h。

6.根据权利要求1所述的车轮的热处理工艺，其特征在于，所述淬火装置和回火装置均选用台车式电阻炉。

7.根据权利要求5所述的车轮的热处理工艺，其特征在于，所述淬回火后车轮粗坯的硬度为260～305HB。