簡單分析高速重載列車車輪加工刀具材料的研發(fā)過程

車輪作為影響列車運行安全性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件之一，隨著列車運行速度和載重的不斷提升，在行駛時有可能會出現(xiàn)各種影響安全性的問題。客運高速列車車輪在高速運動條件下受到速度效應和制動方式的制約，其受力狀態(tài)發(fā)生了很大變化，從而對強韌性、耐磨性、抗熱裂性、抗疲勞性、抗剝離性提出了更高的要求；貨運重載列車由于輪軌接觸應力的增加，車輪制動熱負荷上升，引起車輪剝離失效，在運用中最突出的問題是車輪踏面剝離嚴重。因此，對車輪材料來說，既要求高強度、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)合微合金化是國內(nèi)高速車輪用鋼發(fā)展的主要趨勢。在數(shù)控機床中，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行粗、精切削加工，這對加工刀具提出了更為嚴格的要求。刀具必須是具有高強度、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)合進口先進輪轂刀的分析結(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，通過進一步技術(shù)創(chuàng)新，開發(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，以實現(xiàn)國產(chǎn)化，替代同類進口刀具產(chǎn)品。

1 試驗過程

①試樣制備

如表1所示，對進口輪轂刀片的基體、涂層和結(jié)構(gòu)進行分析研究。根據(jù)進口刀片的分析結(jié)果，研發(fā)出相應的基體和涂層牌號。按照表2中的成分將原料進行混合，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。采用三點彎曲法在RGM100液壓式萬能試驗機上測量抗彎強度，跨距20mm，各測定10個試樣，去掉最高值及最低值后取算術(shù)平均值；在THR-150DXC型數(shù)字洛氏硬度計上測量洛氏硬度，一個試樣測5點，取算術(shù)平均值；用OLYMPUS DP71光學顯微鏡評價燒結(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；直接用分析天平測量并計算合金密度；用鈷磁檢測儀、矯頑磁力檢測儀分別測量合金的磁飽和值和矯頑磁力。


表1 進口刀片信息


表2 原料粉末的化學成分(wt%)

2 試驗結(jié)果與分析

(1)進口輪轂刀片牌號的分析結(jié)果
表3為進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晶硬質(zhì)合金。


表3 進口刀片基體的主要性能參數(shù)

表4列出了三種進口刀片基體的EDS分析結(jié)果(因EDS不能測試碳含量，所以該數(shù)據(jù)是經(jīng)過換算的金屬碳化物成分)。從表中可以看出，在三種進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度，同時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類合金的抗彎強度與沖擊韌性，增加刀刃強度，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列車車輪加工時高切速、大用量和干式(或濕式)切削的苛刻條件。

圖1為三種進口刀片的基體斷口SEM照片。由圖可知，三種進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 進口刀片基體的成分(wt%)


(a)TK2000


(b)H1B2


(c)KC9110
圖1 三種進口刀片的基體斷口SEM照片

圖2為三種進口刀片的涂層斷口SEM照片。由圖可知，三種進口刀片涂層均為多層復合涂層。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 三種進口刀片的涂層斷口SEM和金相照片(1500×)

(2)基體牌號和涂層的研發(fā)

根據(jù)表3中進口輪轂刀牌號基體性能的分析結(jié)果，以低鈷、細晶為研究方向，自主研發(fā)了硬質(zhì)合金牌號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Z263的斷口SEM照片。由圖可知，其晶粒較細，三相組織均勻，沒有異常長大的晶粒和缺陷。


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制備出型號為RCMX320900的輪轂刀片，并在車輪廠進行現(xiàn)場試用，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)場用國外進口涂層刀片的壽命為30件，可見Z263+19涂層的RCMX320900輪轂刀的壽命達到國外進口刀片水平。

總結(jié)

三種國外進口輪轂刀的基體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，同時基體都是表面富鈷的梯度合金，涂層為CVD多層復合涂層。

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