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。由此确定U78CrV热处理钢轨的最优豪克能强化工艺组合为A3B1C1，即冲击振幅28 m、预压力2 kN、移动速度2 m/min。以最优工艺对U78CrV热处理钢轨进行豪克能强化，检测强化后表层硬度、硬化层深度。经最优豪克能工艺强化后，钢轨表层硬度提升了40.32%，硬化层深度为3.2 mm，豪克能强化效果明显。6 摩擦磨损试验 轮轨材料磨耗量是直观反映钢轨和车轮材料耐磨性能的重要指标8。利用GPM-30A滚动接触疲劳试验机进行干摩擦条件下的摩擦磨损试验。摩擦副由钢轨试样、车轮试样组成，车轮试样取自于CL60标准车轮的踏面5 mm以下位置，试样为直径70 mm的圆饼状粗胚。钢轨试样取自于 U78CrV 热处理钢轨轨头踏面5 mm以下位置，试样为直径50 mm的圆饼状粗胚，圆周面加工出宽10 mm的阶梯，利用豪克能设备，按照最优强化工艺加工该10 mm宽阶梯区域。钢轨、车轮摩擦副试样示意见图9。车轮试样为主试样，转速702 r/min，钢轨试样为陪试样，转速 500 r/min，滑差率 0.4%，试验加载力为4 048 N，每转1万转进行一次清洗、称重。经最优豪克能工艺强化试样与未经豪克能强化试样的磨损量进行对比，磨损量与循环次数变化趋势见图10。从图10可知，在5万转之前，经豪克能强化的钢轨比未经强化的钢轨表现出更优异的耐磨性能。从磨损量上分析，5万转之前，经豪克能强化的钢轨磨损性能提升约70%；5万转以后，豪克能强化钢轨磨损曲线斜率与未强化钢轨趋于一致，强化层磨耗完毕。在此基础上，对转数达到5万转、强化效果已基本消失的试样，以相同的工艺再次进行豪克能强化处理，再以相同的摩擦磨损工艺继续进行试验，第二次强化磨损量与循环次数变化趋势见图11。从图11可知，试样在进行第二次强化后，即6万10万转的区间内，与强化一次的试样相比，仍然具有明显的耐磨性能。从磨损量上分析，第二次强化以后，图10磨损量与循环次数变化趋势图9钢轨、车轮摩擦副试样示意图表7硬化层深度极差分析 单位：mm计算值K1K2K3k1k2k3R因素A冲击振幅6.807.408.002.272.472.670.40B预压力8.007.007.202.672.332.400.34C移动速度8.206.607.402.732.202.470.53图8表层硬度提升率极差曲线效应图38第 2 期李建伟等：U78CrV热处理钢轨豪克能强化工艺探索钢轨磨损性能仍提升60%左右，强化效果明显。据此可知，豪克能强化 U78CrV 钢轨的磨损寿命约为5万转，在该寿命周期内，磨损量较小。达到该磨损周期后，可再次对钢轨进行豪克能强化，钢轨表层耐磨性能再次提高，循环往复。该摩擦磨损试验结果可作为豪克能技术在实际应用中的理论依据。7 结论（1）针对 U78CrV 热处理钢轨，应用正交试验法，以硬化层深、表层硬度提升率为判断依据，验证出U78CrV热处理钢轨的最优豪克能强化工艺。（2）经最优豪克能工艺强化后，U78CrV热处理钢轨表层硬度提升40.32%，硬化层深度3.2 mm，豪克能强化效果明显。（3）经最优豪克能工艺强化后，5 万转区间内，U78CrV热处理钢轨耐磨性能得到明显提升，从磨损量的角度分析，5万转时，经豪克能强化后的钢轨耐磨性能提升约70%。（4）对5万转次的U78CrV热处理钢轨磨损试样进行第二次豪克能强化，与一次强化的试样相比，二次强化后仍表现出明显的耐磨性能；从磨损量上分析，钢轨磨损性能仍提升60%左右，强化效果明显。参考文献：1 田葆栓.在变化的世界中推进重载铁路技术和运营（续完）第 11 届国际重载运输大会综述 J.国外铁道车辆，2019，56（2）：1-5.2 张福勤，李怀明，杨让.钢轨的疲劳寿命、磨损抗力与组织和硬度的关系 J.钢铁，1991，26（7）：43-47+71.3 孙家枢.金属的磨损 M.北京：冶金工业出版社，1992.4 彭志刚.基于超声冲击技术的U75钢轨钢疲劳及磨损性能研究 D.长春：吉林大学，2018.5 李翔，吴毅，尹鸿祥，等.表面超声滚压工艺参数对车轴钢表面性能的影响 J.高速铁路新材料，2022，1（1）：113-118.6 高军，赵显华，王爱福，等.机车车轮豪克能强化研究 J.中国铁路，2018（5）：64-69.7 郑建新，罗傲梅，刘传绍.超声表面强化技术的研究进展J.制造技术与机床，2012（10）：32-36.8 陈丙森，史耀文，陈祝年，等.焊接手册 M.北京：机械工业出版社，2001.Exploration of Hawking Energy Strengthening Process for U78CrV Heat Treatment RailLI Jianwei1，SUN Jinghan1，YANG Geng2（1.Track Mechanized Maintenance Branch，China Shenhua Energy Company Limited，Tianjin 300467，China；2.Shandong Huawin Eiectrical and Mechanical Technology Co.，Ltd.，Jinan Shandong 250101，China）Abstract：The finite element analysis method and orthogonal test method were used to determine the optimal hawking strengthening process for U78CrV heat treatment rail.The surface hardness of U78CrV heat treatment rail strengthened by hawking was significantly improved,and a certain thickness of hardened layer was obtained.The rolling friction test of the friction and wear samples strengthened by the optimal process shows that the wear resistance of the samples can be improved by more than 70%within the service life of 50 000 revolutions.After the first strengthening and 50 000 turns of wear,the second strengthening of the sample shows that the wear resistance can still be improved by about 60%.The test results not only verify the hawking strengthening process of U78CrV rail,but also provide a theoretical basis for the application of hawking technology in railway.Keywords：hawking;U78CrV heat treatment rail;hardness;friction and wear(责任编辑 王莹莹)图11第二次强化磨损量与循环次数变化趋势39