U78CrV热处理钢轨豪克能强化工艺探索_李建伟.pdf

高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月Vol.2 No.2April 2 0 2 3U78CrV热处理钢轨豪克能强化工艺探索李建伟1，孙静涵1，杨庚2（1.中国神华能源股份有限公司 轨道机械化维护分公司，天津 300467；2.山东华云机电科技有限公司，济南 250101）摘要：应用有限元分析法、正交试验法确定U78CrV热处理钢轨最优豪克能强化工艺，经豪克能强化的U78CrV热处理钢轨表层硬度得到明显提升，且得到一定厚度的硬化层。对经最优豪克能工艺强化的摩擦磨损试样进行滚动摩擦试验，结果显示：在5万转寿命范围内，试样耐磨性能可提升70%以上。对经首次强化并磨损5万转以后的试样进行第二次强化，耐磨性能仍提升约60%。试验结果表明U78CrV热处理钢轨可以通过豪克能强化工艺提升表面耐磨性。关键词：豪克能；U78CrV热处理钢轨；硬度；摩擦磨损中图分类号：U213.4+1；TG142 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.007进入21世纪以来，我国铁路实施了一系列重大战略举措，第六次大提速和“一带一路”国家战略1，重载列车和“八纵八横”铁路主干线建设项目2。然而，随着铁路列车运行速度和轴重的提升，铁路运输频率和运输强度不断增大，轮轨运行环境愈加恶劣，导致铁路基础部件的寿命和维修周期不断缩短，成为影响铁路运输效能的瓶颈问题，同时也蕴含着巨大的运输安全隐患3。豪克能是一种较新的表面处理技术，该技术利用大功率换能器推动工具头以2万r/s以上的频率冲击金属材料表面，在激活能和冲击能的复合能量作用下，表层金属晶粒细化产生压缩塑性变形，形成纳米层，使得材料表层综合机械性能得到明显提升。将豪克能技术应用到U78CrV热处理钢轨踏面强化加工上，开发了豪克能技术对 U78CrV热处理钢轨表面强化工艺，提高了钢轨表面耐磨性能，进而达到提高钢轨服役寿命的目的。1 试验材料 试验选用在铁路小半径曲线路段服役的U78CrV热处理钢轨，U78CrV 热处理钢轨化学成分见表 1 所示。为了减少因表面脱碳引起硬度降低等因素对钢轨表面性能的影响，应先将钢轨轨头表层脱碳层去除，去除厚度0.5 mm4。2 试验方法 利用有限元分析技术研究豪克能加工过程中不同的预压力、冲击振幅、移动速度等变量对钢轨表层塑性变形层的影响效果，以得到最优表层硬度及塑性变形层深为依据，得到各变量的最优参数范围。在各变量的最优参数范围内，设计正交试验，通过使用山东华云机电科技有限公司设计的钢轨专用豪克能强化加工设备对钢轨进行强化（见图1）。对强化后的钢轨进行取样并检测硬度，通过硬度数据总结U78CrV热处理钢轨最优豪克能强化工艺，并以该工艺强化加工摩擦磨损试样，验证豪克能技术提高钢轨表面摩擦性能的效果。3 有限元模拟分析 根据钢轨强化处理实际工况，建立简化模型，设定表1U78CrV热处理钢轨化学成分(质量分数)单位：%钢轨U78CrV热处理C0.720.82Si0.500.80Mn0.701.05S0.025P0.025Cr0.300.50V0.040.12Al0.010Fe余量文章编号：2097-0846（2023）02003406收稿日期：20221021；修回日期：20230105基金项目：国能铁路装备有限责任公司科技研究开发项目（SWKY-19-05）第一作者：李建伟（1975），男，工程师。E-mail：通信作者：杨庚（1990），男，工程师，硕士。E-mail：第 2 期李建伟等：U78CrV热处理钢轨豪克能强化工艺探索材料参数后进行仿真分析。将刀具头及变幅杆部分设置为刚体，不发生接触位移变形和应力；刀具头与加工表面为非线性动力接触，加工表面会产生明显的塑性力学行为；对接触区和非接触区进行疏密不等网格划分，着重细化接触区的网格质量，提升后续影响层深分析的计算精度。模型简化示意见图2，网格划分示意见图3。强化效果以强化表面以及距表面一定层深的残余应力值大小来判断，根据经验，选择分析表面及表面下2.5 mm层深处的应力状态5-7。首先模拟分析预压力对强化效果的影响。预压力通过连接刀具气缸进行调节，模拟选用的预压力分别为 1、2、3、4、5、6 kN，振幅均选择 5 m，移动速度选择4 m/min。不同预压力下表面应力值见图4，不同预压力下2.5 mm层深处应力值见图5。由图4、图5可知，随着预压力升高，强化表面应力值逐渐增大，2.5 mm层深处的残余应力数值也逐渐增大。可以判定，随着预压力的增大，对材料层深影响越大。如图6所示，当预压力为5 kN时，首次冲击钢轨平面时，产生1 239 MPa的应力，超过材料抗拉强度，强化金属表面可能会出现裂纹、压溃等表面缺陷，不满足实际加工和使用需要，因此预压力工艺参数选择应不大于4 kN。应用相同的模拟及分析方法，得出冲击振幅工艺参数选择应不大于28 m，移动速度工艺参数选择范围在24 m/min。图2模型简化示意图图3网格划分示意图图4不同压力下表面应力值图1钢轨专用豪克能强化加工设备35高速铁路新材料第 2 卷4 正交试验 根据模拟试验结果，选用钢轨强化工艺因素水平如表2所示，进行钢轨强化正交试验如表3所示。按照表3，应用钢轨专用豪克能强化加工设备对钢轨进行强化处理后，使用线切割设备将强化处理区域切割下来，并经超声波清洗机清洗后，使用镶嵌机进行试样镶嵌，镶嵌时将切割的横截面留在外侧。然后，采用由低到高目数的砂纸对镶嵌试样进行打磨，打磨后使用抛光机进行抛光。5 硬度检测及分析 使用HV-1000Z型显微硬度计对完成抛光的试样进行硬度检测，同一深度测量5个位置，去除最大值、最小值，剩余3个硬度的平均值作为该深度的硬度值，相邻深度的测点中心间距为 0.2 mm，每一列测量 20点，层深硬度检测位置见图7。按照上述硬度检测方法，同时对未强化钢轨进行硬度测量。表层硬度及层深硬度结果见表4。将未经豪克能处理钢轨的表层硬度385.0 HV5、层深硬度 369.0 HV5（0.24.0 mm 深平均硬度）作为对比数据，经豪克能处理的表层硬度与未经豪克能处理的表层硬度对比，求得经豪克能处理后表层硬度提表2钢轨强化工艺因素水平水平123因素A 冲击振幅/m162228B 预压力/kN234C 移动速度/(mmin-1)234表3钢轨强化正交试验工艺编号工艺1工艺2工艺3工艺4工艺5工艺6工艺7工艺8工艺9A 冲击振幅/m161616222222282828B 预压力/kN234234234C 移动速度/(mmin-1)234342423图65 kN预压力下钢轨表面应力变化图5不同预压力下2.5 mm层深应力值36第 2 期李建伟等：U78CrV热处理钢轨豪克能强化工艺探索升率；以相邻2个层深硬度低于369.0 HV5为硬化层深度判断依据，求得经豪克能处理后硬化层深度，表层硬度提升率及硬化层深度见表5。对试验结果进行极差分析，以表层硬度提升率为考核标准，得到极差分析表，表层硬度提升率极差分析见表6。其中K1、K2、K3分别为3个因素第1、2、3水平对应的表层硬度提升率之和，k1、k2、k3为3个因素第1、2、3水平对应的表层硬度提升率之和的平均值，极差R为 k1、k2、k3中最大值与最小值之差。不同豪克能强化工艺处理后，表层硬度提升率极差曲线效应见图 8，极差越大，对结果影响越大。因此，各因素对表层硬度提成率影响的顺序为因素A因素B因素C，即冲击振幅预压力移动速度。根据提高表层硬度的目的，在以表层硬度提升率为考核标准的条件下，按照表2强化工艺水平，豪克能强化工艺最优组合为A3B3C3。按上述极差分析方法，以硬化层深度为考核标准，极差分析见表7。按照表2强化工艺水平，豪克能强化工艺最优组合为A3B1C1。综合以上分析结果，A因素的最优水平为A3。而B、C因素对结果的影响却不尽相同。因此需要对B、C因素的各水平进行综合平衡分析以确定工艺。针对B因素，从表层硬度提升率角度分析，B1比B3极差减小图7层深硬度检测位置表5表层硬度提升率及硬化层深度测试项目硬化层深度/mm表层硬度提升率/%工艺12.621.49工艺21.823.91工艺32.428.38工艺42.623.80工艺52.221.57工艺62.626.72工艺72.839.33工艺83.031.01工艺92.235.61表4表层硬度及层深硬度深度/mm00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0工艺1/HV5467.0412.4409.1405.3406.2403.1397.7393.6390.8395.6388.8391.8387.1381.8368.6359.7367.2355.6355.2364.0372.7工艺2/HV5476.3401.8394.1394.2388.7385.8384.2382.5384.2379.2368.8362.4362.0359.1362.5367.837.98366.8367.3370.4367.3工艺3/HV5493.5412.4408.8400.0394.8394.2385.8392.5390.3384.4388.7385.6375.7368.6362.2361.2357.5368.9371.7367.1366.8工艺4/HV5475.9395.3397.1387.0392.3384.6381.5383.7378.8381.8374.6380.7372.5369.3364.6367.8363.2365.8366.3375.1361.8工艺5/HV5467.3403.4396.5392.9392.9387.9383.0380.2384.6376.2375.6373.5365.2364.2374.6363.0365.1362.9355.4360.9367.8工艺6/HV5487.1405.8400.4396.0396.0391.8388.8393.4382.8389.0385.9382.3381.3372.0368.3365.6355.0367.8362.4363.7363.3工艺7/HV5535.6452.4410.6391.7397.0391.9382.3372.0380.9376.6367.3369.4371.4373.5374.6361.9362.0356.1361.9360.4366.3工艺8/HV5503.6439.2410.0397.1394.7391.4381.6379.3374.5373.5382.3372.6374.0378.7371.0371.4367.8367.3367.8369.8364.8工艺9/HV5521.3476.4437.2413.0390.8389.3391.8381.8388.8375.3373.3369.7366.3368.3360.7365.2367.8371.9365.8372.0362.2未处理/HV5385.0381.8372.6370.7368.8367.7368.8367.4368.4367.8368.1367.9367.2368.8367.6368.6366.4367.8367.2368.9367.5表6表层硬度提升率极差分析单位：%计算值K1K2K3k1k2k3R因素A冲击振幅73.7872.09105.9524.5924.0335.3211.29B预压力84.6276.4990.7128.2125.5030.244.47C移动速度79.2283.3289.2826.4127.7729.763.3537高速铁路新材料第 2 卷了(30.24-28.21)/30.24100%=6.71%；从硬化层深角度分析，B1比B3极差增大了(2.67-2.4)/2.67100%=10.11%。因此可以看出，因素B对硬化层深的影响更大，因而选择B1为最优水平。同理，C1为C因素的最优水平。