高碳钢铁路车轮新型热处理冷却工艺有限元模拟

针对非珠光体层十分突出的高碳钢重载车轮,基于MSC.Marc和Thermal Prophet建立了踏面淬火(CVQ)与复合淬火(CPQ)的有限元数值模型,对比分析了两种冷却方式对车轮热处理温度场及组织性能的影响,并进行了实物验证。结果表明:模拟计算结果与实物验证结果吻合较好。自踏面向下,CVQ车轮的温度梯度、组织梯度及强硬度梯度显著,其踏面近表层的非珠光体层深约15 mm,为马氏体(M)、贝氏体(B)及其混合组织。CPQ工艺能有效控制或基本消除非珠光体层,优化了轮辋全截面显微组织,强硬度梯度合理,并在踏面次表层一定深度范围内形成局部的强硬度极大值区,使该区域的强硬度较CVQ车轮略有提高。

铁路重载车轮间歇淬火的数值模拟与试验验证

含马氏体(M)和贝氏体(B)的非珠光体混合组织层产生于铁路车轮热处理冷却过程,是一种潜在的行车故障源和危害源。针对非珠光体层十分突出的铁路重载车轮,基于软件MSC.Marc和Thermal Prophet建立了间歇淬火(IRQ)有限元数值模型,分析了IRQ工艺对车轮热处理温度场及组织性能的影响,并进行了实物验证。计算结果表明,在短时的淬火中断期间,因受到轮辋内部更深处的热传导影响,踏面近表层产生“温度小平台”或回温现象,回温温度低于临界点Ac1,可避免出现二次奥氏体化,但踏面次表层及轮辋内部受影响甚微。IRQ工艺使车轮踏面近表层的温降有所减缓,避开大部分M和B组织转变区域,抑制了非珠光体组织的形成,将非珠光体层厚控制在6 mm以内,显著改善热处理冷却后踏面附近的组织状态;轮辋内部为较均匀一致的细珠光体和少量铁素体(P-F)组织,但在距踏面表面10~15 mm的深度范围内,组织组成可能会出现局部波动,在P-F组织中又重新生成少量的B组织。自踏面向下,车轮的强硬度梯度分布合理、平缓递减,轮辋内部绝大部分区域的强硬度水平未受到明显影响,且因为“预冷效应”,IRQ工艺使距踏面表面15~30 mm的深度范围内的平均有效冷却速度有所提高,形成了局部的强硬度极大值区,较传统工艺车轮的强硬度略有提高。实物验证结果与计算结果基本一致。经综合评判,在控制车轮非珠光体层方面施用IRQ工艺基本可行。