簡(jiǎn)單分析高速重載列車車輪加工刀具材料的研發(fā)過(guò)程

車輪作為影響列車運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件之一，隨著列車運(yùn)行速度和載重的不斷提升，在行駛時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)各種影響安全性的問(wèn)題?？瓦\(yùn)高速列車車輪在高速運(yùn)動(dòng)條件下受到速度效應(yīng)和制動(dòng)方式的制約，其受力狀態(tài)發(fā)生了很大變化，從而對(duì)強(qiáng)韌性、耐磨性、抗熱裂性、抗疲勞性、抗剝離性提出了更高的要求；貨運(yùn)重載列車由于輪軌接觸應(yīng)力的增加，車輪制動(dòng)熱負(fù)荷上升，引起車輪剝離失效，在運(yùn)用中最突出的問(wèn)題是車輪踏面剝離嚴(yán)重。因此，對(duì)車輪材料來(lái)說(shuō)，既要求高強(qiáng)度、高硬度和耐磨性能，又要求高的韌性和耐熱性等多種性能的組合。

目前降低碳含量并結(jié)合微合金化是國(guó)內(nèi)高速車輪用鋼發(fā)展的主要趨勢(shì)。在數(shù)控機(jī)床中，列車車輪需要在高切速、大用量和干式(或濕式)切削的苛刻條件下進(jìn)行粗、精切削加工，這對(duì)加工刀具提出了更為嚴(yán)格的要求。刀具必須是具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高紅硬性、高壽命的涂層硬質(zhì)合金刀具。

本文以加工高速、重載列車車輪用刀具為載體，結(jié)合進(jìn)口先進(jìn)輪轂刀的分析結(jié)果，從刀具材質(zhì)及制備工藝、刀具涂層及工藝等技術(shù)入手，通過(guò)進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出適合于高速切削、重力切削條件下的高速、重載列車車輪加工刀具，以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，替代同類進(jìn)口刀具產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)過(guò)程

①試樣制備

如表1所示，對(duì)進(jìn)口輪轂刀片的基體、涂層和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。根據(jù)進(jìn)口刀片的分析結(jié)果，研發(fā)出相應(yīng)的基體和涂層牌號(hào)。按照表2中的成分將原料進(jìn)行混合，在45kN的壓力下壓制1組試樣。采用低壓燒結(jié)，在350℃下脫蠟1h，然后加熱到1425℃，真空燒結(jié)0.5h，再快速充入3MPa氬氣，加壓燒結(jié)0.5h，最后冷卻至常溫，制得試樣Z263。

②檢測(cè)方法

試樣燒結(jié)后，試樣條(10根)經(jīng)金剛石砂輪磨削至30mm×5mm×5mm。采用三點(diǎn)彎曲法在RGM100液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量抗彎強(qiáng)度，跨距20mm，各測(cè)定10個(gè)試樣，去掉最高值及最低值后取算術(shù)平均值；在THR-150DXC型數(shù)字洛氏硬度計(jì)上測(cè)量洛氏硬度，一個(gè)試樣測(cè)5點(diǎn)，取算術(shù)平均值；用OLYMPUS DP71光學(xué)顯微鏡評(píng)價(jià)燒結(jié)體的孔隙度和顯微組織；用VEGA3 SEM掃描電鏡觀察合金基體顯微組織和涂層形貌；直接用分析天平測(cè)量并計(jì)算合金密度；用鈷磁檢測(cè)儀、矯頑磁力檢測(cè)儀分別測(cè)量合金的磁飽和值和矯頑磁力。


表1 進(jìn)口刀片信息


表2 原料粉末的化學(xué)成分(wt%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)進(jìn)口輪轂刀片牌號(hào)的分析結(jié)果
表3為進(jìn)口刀片基體的主要性能參數(shù)。由表中的分析結(jié)果可知，三種進(jìn)口刀片合金的Co含量都低于6%，屬于低鈷合金，硬度HRA均大于91.5，從平均晶粒度可以推斷，三種合金基體均屬于細(xì)晶硬質(zhì)合金。


表3 進(jìn)口刀片基體的主要性能參數(shù)

表4列出了三種進(jìn)口刀片基體的EDS分析結(jié)果(因EDS不能測(cè)試碳含量，所以該數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)換算的金屬碳化物成分)。從表中可以看出，在三種進(jìn)口刀片基體中除硬質(zhì)相WC和粘接相Co外，還有不同含量的TiC、TaC和NbC，其中KC9110中含有少量的Cr。在合金中，TaC或NbC的主要作用是提高合金的高溫硬度與強(qiáng)度，同時(shí)還可以提高合金的常溫硬度、抗氧化能力、抗月牙洼磨損和抗后刀面磨損能力。此外，TaC還可提高WC-TiC-Co類合金的抗彎強(qiáng)度與沖擊韌性，增加刀刃強(qiáng)度，提高刀刃抗碎裂和抗破損能力。這樣的基體成分是為了適應(yīng)列車車輪加工時(shí)高切速、大用量和干式(或濕式)切削的苛刻條件。

圖1為三種進(jìn)口刀片的基體斷口SEM照片。由圖可知，三種進(jìn)口刀片基體都是由三相組成：α相(WC)、Co相和γ相(固溶體)。其中，α相為多角形黑灰色組織；Co相是圍繞在WC晶粒周圍的白色組織；γ相是近似圓形的晶粒。三相分布均勻、組織致密。


表4 進(jìn)口刀片基體的成分(wt%)


(a)TK2000


(b)H1B2


(c)KC9110
圖1 三種進(jìn)口刀片的基體斷口SEM照片

圖2為三種進(jìn)口刀片的涂層斷口SEM照片。由圖可知，三種進(jìn)口刀片涂層均為多層復(fù)合涂層。TK2000涂層分為3層，涂層總厚度約為13μm，主要結(jié)構(gòu)是基體-TiCN-Al2O3-TiN，其中7μm厚的TiCN是細(xì)密的柱狀晶形，具有很好的耐磨性能，而Al2O3層厚度約5μm，具有很好的抗高溫性能，保障高速干切削時(shí)刀片基體抗塑性變形能力。

由圖2a的金相結(jié)構(gòu)可以看出，TK2000基體表面形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韌性區(qū)域，即表面為富鈷的WC+Co薄層，厚度約25μm。這樣的結(jié)構(gòu)一方面可以阻止表面裂紋的擴(kuò)展；另一方面能滿足基體抗變形性能的要求，有效地提高了刀具材料的使用壽命。

由圖2b可知，H1B2涂層為2層，涂層總厚度約9μm，主要結(jié)構(gòu)是基體-TiCN-Al2O3，其中TiCN約4μm，Al2O3約5μm。從金相圖可以看出，H1B2基體表面也有韌性區(qū)域，厚度約15μm。

由圖2c可知，KC9110涂層為4層，涂層總厚度約25μm，主要結(jié)構(gòu)是基體-TiCN-TiN-Al2O3-TiN，其中TiCN約14μm，Al2O3約10μm。從金相圖可以看出，KC9110基體表面也有韌性區(qū)域，厚度約20μm。


(a)TK2000


(b)H1B2


(c)KC9110
圖2 三種進(jìn)口刀片的涂層斷口SEM和金相照片(1500×)

(2)基體牌號(hào)和涂層的研發(fā)

根據(jù)表3中進(jìn)口輪轂刀牌號(hào)基體性能的分析結(jié)果，以低鈷、細(xì)晶為研究方向，自主研發(fā)了硬質(zhì)合金牌號(hào)Z263，其性能如表5所示，其中鈷磁為6.35，硬度91.5HRA，平均晶粒度1.3μm。


表5 Z263的主要性能參數(shù)

圖3是自主研發(fā)的基體牌號(hào)Z263的斷口SEM照片。由圖可知，其晶粒較細(xì)，三相組織均勻，沒(méi)有異常長(zhǎng)大的晶粒和缺陷。


圖3 Z263基體斷口SEM照片

圖4為19H涂層斷口SEM圖，為多層復(fù)合加厚CVD涂層，共5層涂層，由內(nèi)往外分別是TiN-TiCN-TiN-Al2O3-TiN，總厚度20μm，其中Al2O3約8μm。


(a)


(b)
圖4 19H涂層斷口SEM和金相照片(1500×)

(3)現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果

采用自主研發(fā)的輪轂刀專用基體Z263制備出型號(hào)為RCMX320900的輪轂刀片，并在車輪廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試用，干式切削加工材質(zhì)為CL60的高速車輪內(nèi)、外輻板。
加工參數(shù)：切削速度v=100m/min，進(jìn)給量f=1-1.5mm，切削深度ap=5-8mm。搭配高性能超厚CVD涂層19，加工壽命為41件，現(xiàn)場(chǎng)用國(guó)外進(jìn)口涂層刀片的壽命為30件，可見(jiàn)Z263+19涂層的RCMX320900輪轂刀的壽命達(dá)到國(guó)外進(jìn)口刀片水平。

總結(jié)

三種國(guó)外進(jìn)口輪轂刀的基體TK2000、H1B3和KC9110屬于低鈷合金，硬度HRA大于91.5，基體中都含有Ta和Nb，同時(shí)基體都是表面富鈷的梯度合金，涂層為CVD多層復(fù)合涂層。

自主研發(fā)的低鈷細(xì)晶合金Z263，組織均勻，性能優(yōu)良；19H涂層為加厚CVD多層復(fù)合涂層，總厚度達(dá)到20μm，其中Al2O3約為8μm。Z263搭配19H涂層生產(chǎn)的Φ32輪轂刀，現(xiàn)場(chǎng)試用壽命達(dá)到國(guó)外進(jìn)口刀片的水平。