[发明专利]一种金属表面复合强化加工工艺及其在机车车轮加工和镟修中的应用

说明书

本发明提供一种金属表面复合强化加工工艺，包括如下操作步骤：I.将块状固体润滑剂涂敷在车削加工后的金属工件表面；II.在微量润滑油存在的情况下，对涂覆了固体润滑剂的金属工件表面进行加热，使受热工件表面温度达到300℃～480℃，然后进行超声滚压；所述润滑油的用量精确控制为10～15ml/min；重复上述超声滚压操作至金属工件表面硬度达到要求。本发明还提供上述复合强化加工工艺在机车车轮加工或镟修中的应用。经过处理的机车车轮表面硬度和抗初期磨损性能得到大幅度地提升，表面塑性变形层达到250～300μm，有效硬化层深度1.5～3mm，表层等效残余应力值可达270～350MPa。

技术领域

本发明属于机械加工及金属表面处理领域，具体涉及一种综合利用多种手段以扩大金属表面强化层的复合加工工艺，及其在机车车轮，尤其是大功率机车车轮加工和镟修中的应用。

背景技术

众所周知，轮轨式铁路运输是基于轮-轨相互作用产生的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的。因轮轨之间的摩擦，在列车运行中,不仅车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨耗，车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤；而且钢轨也会因摩擦而受损。无论车轮还是钢轨，磨损达到限度时就必须更换或修复，否则会导致轮对和钢轨失效，危及行车安全。

轮轨磨耗一直是世界铁路行业难以解决的问题。它不仅使车轮和钢轨受损，增加事故风险；而且产生极大的能量消耗。我国《铁路节能技术政策》第11·1条指出：“应注意抗磨减阻材料的推广使用。在全世界生产的能量中,约有30％～40％的能量是消耗在与摩擦有关的场合；我国与摩擦有关的能源消耗约占1/3～1/2。任何减轻摩擦、降低磨损的措施，都会直接或间接地节约能源。”

铁路高速重载的发展趋势加剧了轮轨作用，导致车轮和钢轨间的磨耗也越来越严重。刘友存、韦菁等在《重载铁路车轮磨耗和热损伤问题综述》一文中指出：“据美国和澳大利亚统计，重载运输中15％～20％的运营成本耗费于轮轨磨损。美国和俄罗斯的数据表明，若轮对负荷提高10t，轮轨磨耗将增加6～18倍，曲线段则增加30倍。我国铁路每年因轮轨磨耗造成的经济损失达数十亿人民币。如大秦线轴重从23t增加到25t后，车轮踏面圆周磨耗量增加了70％左右。而因轮轨磨耗导致突发性事故所造成的损失，则无法统计”(重载铁路车轮磨耗和热损伤问题综述[J].安徽冶金.2015年第3期：60-64)。

因此，降低轮轨磨损，对提高列车运行安全，节能减排，保护环境，具有重要的意义。

因钢轨的更换成本太过高昂，在设计时就使车轮的硬度小于钢轨的硬度，从而有意让车轮的磨损快于钢轨的磨损。这样就可以延长钢轨的使用寿命。但是车轮的更换和维修费用也相当惊人。据不完全统计，早在2006年时，我国铁路机车、客车和货车就约有500万个车轮在运营中。全路的机车、客车和货车当年就消耗新轮63.1万只,平均以0.5万元/只计算,所需费用约为31.55亿元。

新车轮或者镟修后的车轮，其与轨道的接触面(包括踏面和轮缘等)在使用初期磨损非常剧烈。当磨损到一定程度后，磨损速率开始减缓并趋于稳定，此时的车轮表面经反复轮轨滚压形成了一层稳定的塑性变形层，并形成了包括塑性变形层的由浅至深逐级降低的硬度梯度层即有效硬化层(其深度即是硬度-层深曲线由持续下降到趋于平稳的拐点所对应的层深)，同时在车轮表面形成残余压应力。通过长期观察和试验发现，塑性变形层和有效硬化层的形成以及残余压应力是磨耗降低的主要原因。上述金属表层的包括塑性变形层的有效硬化层，被简称为“硬化层”。具有足够厚“硬化层”的车轮，可有效地减轻新车轮(或新镟修的车轮)上线时的初期磨耗，从而延长轮对镟修周期，有效延长轮轨使用寿命。

现有技术中已经出现的提高车轮表面硬化层厚度的方法有：

1)喷丸处理：喷丸处理也称喷丸强化，就是将高速弹丸流喷射到工件表面，使工件表层发生塑性变形，进而形成一定厚度的强化层。因车轮外形为曲面，喷丸方向及喷射距离难以控制，容易造成表面强化层不均匀。