高速重載列車車輪（lún）加工（gōng）刀具材料（liào）的研（yán）發-刀具網-數（shù）控機床（chuáng）市場網

您現在的位置：刀具網> 加工與維修> 高速（sù）重載列車車輪加工刀具材料的研發

高速（sù）重載列車車輪加工刀具材料的研發

2019-7-18 來（lái）源：成都工（gōng）具研究所有限公司作者：朱國麗（lì），張平，彭前飛，劉芸

摘要: 采用掃描電鏡、光學金（jīn）相顯微鏡、洛氏硬度計、鈷磁檢測儀、矯頑磁力檢測儀（yí）和抗彎強度（dù）檢測儀等方法，對比研究了 3 種國外進口輪轂刀的基體和塗層，並根據分（fèn）析結果自主研發出了針對車輪加（jiā）工的材質 Z263 和塗層19H。

研究結（jié）果表明: 三種國外進口輪轂刀的基體都屬於低鈷合金，並含有 Ta 和（hé） Nb，硬度 HＲA

均大於 91． 5; 基體是表麵富鈷（gǔ）的梯度合金，塗層均為 CVD 多（duō）層複合（hé）塗層。采用自（zì）主開發的（de）低鈷細晶合金（jīn） Z263 搭配 19H 塗層生產的32 輪轂刀，現場試用壽命達到國外進口刀片水平。

關鍵詞: 列車車輪; 硬質合金; 刀具; 低鈷合（hé）金; CVD 塗層

1 、引（yǐn）言

車輪作為影響列車運行安全性、穩定性（xìng）的關鍵部（bù）件（jiàn）之一，隨著列車（chē）運行（háng）速度和載重的（de）不斷提升，在行駛時有（yǒu）可能會出現各種影響安全性（xìng）的問題（tí）。客（kè）運高速列車車輪在高（gāo）速運（yùn）動條（tiáo）件下受到速度效應和製動方式的（de）製約，其（qí）受力狀態發生了（le）很（hěn）大變化，從而對強韌性（xìng）、耐（nài）磨（mó）性、抗熱裂性、抗疲勞性、抗剝離性提出了（le）更高（gāo）的要求（qiú）; 貨運重載列車由於輪軌接觸應力的增加，車輪製動熱負荷（hé）上（shàng）升，引起車輪剝離失效，在運用中最突出的問題是（shì）車輪踏麵剝（bāo）離（lí）嚴重。

因（yīn）此，對車輪材料來說，既要求高強度、高硬度和耐磨（mó）性能（néng），又要求高（gāo）的韌性和耐熱性等多種（zhǒng）性能（néng）的（de）組合。

目前降低（dī）碳含量並結合微合金化是國內高速車（chē）輪（lún）用鋼發展的主要趨勢。在數控機床中，列（liè）車車輪需要在高切速（sù）、大用量和幹式( 或濕式) 切削的苛刻條件下進行粗（cū）、精切削加工，這對加工刀具提（tí）出了更為嚴格的要求。刀具必須是具有高強度、高耐磨（mó）性、高紅硬性（xìng）、高壽命的塗層硬質合金刀具。

本文以加工（gōng）高速、重載列車車輪用刀具為載體，結合進口先進輪轂刀的分析結（jié）果，從刀具材質及製備工藝、刀具塗（tú）層及工藝等技術入（rù）手，通過進一步技術創新，開發出適合於高速切削、重力（lì）切削條（tiáo）件下的高速、重載列車車輪加工刀具，以實現國產化，替代同類進口刀具產品。

2 、試驗過程（chéng）

( 1) 試（shì）樣製備如表 1 所示，對進（jìn）口輪轂刀片的基體、塗層和結構進行分（fèn）析研究。根據進（jìn）口刀片的分析結果，研（yán）發出相應的基體和塗（tú）層牌號。按照表 2 中的成分將原（yuán）料進行混合，在 45k N 的壓力下（xià）壓製 1 組試樣。采用低壓燒結（jié），在 350℃ 下（xià）脫蠟 1h，然後加（jiā）熱（rè）到1425℃ ，真空燒結 0． 5h，再快速充入氬氣，加壓（yā）燒結（jié） 0． 5h，最後冷卻至常溫，製得試樣 Z263。

( 2) 檢測方法試（shì）樣燒結後，試樣條( 10 根) 經金剛石砂輪磨削（xuē）至 30mm × 5mm × 5mm。采用三（sān）點彎曲法在ＲGM100 液壓式萬能試（shì）驗機上測量抗彎強度，跨（kuà）距20mm，各測定 10 個試樣，去（qù）掉最高值及最低（dī）值（zhí）後取算術平均值; 在 THＲ－ 150DXC 型數字洛（luò）氏硬度計上測（cè）量洛氏硬度，一（yī）個試樣測 5 點，取算術平均值;用 OLYMPUS DP71 光學顯微鏡評價燒結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塗（tú）層形（xíng）貌（mào）; 直接用（yòng）分析天平測量並計算合金密度; 用鈷（gǔ）磁（cí）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（cí）力。

3 、試（shì）驗結果與分析

3. 1 進口（kǒu）輪轂刀片牌號的分析結果（guǒ）

表 3 為進（jìn）口刀片基體的主要性能參數（shù）。由表中的分析結果可知，三種進口刀片合金的 Co 含量都低於6% ，屬於低鈷合金，硬度 HＲA 均大於 91． 5，從平（píng）均晶粒度可以推斷，三（sān）種合金基體均屬於細晶硬質合金。

表 4 列出了（le）三種進口刀片基體的 EDS 分析結果( 因不能測試碳含量，所以該數據（jù）是經過換算的金屬碳化（huà）物成分) 。從表中可以看出，在三種進口刀片基（jī）體中除硬質相 WC 和粘接相 Co 外，還有不同含量的（de） Ti C、Ta C 和 Nb C，其中 KC9110 中含（hán）有少量的 Cr。在（zài）合金中，Ta C 或（huò） Nb C 的（de）主要作用是提高合金的高溫（wēn）硬度與強度，同時還可（kě）以提高合金的常溫硬度、抗氧化能（néng）力、抗月牙窪磨損和抗後刀麵磨損能力。

此外，Ta C 還可提高 WC － Ti C － Co 類合（hé）金的抗彎強度與衝（chōng）擊韌性，增加刀刃強度，提高刀刃抗碎（suì）裂和（hé）抗（kàng）破損能力。這樣（yàng）的基體（tǐ）成分是為了適應列車車輪加工時高切速、大用量和幹式( 或濕式)切削的苛刻條件。

圖 1 為三種進口刀片的基體（tǐ）斷口 SEM 照片。由圖可知，三種進口刀片基（jī）體（tǐ）都是由三相組成: α 相（xiàng）( 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（zài） WC 晶粒周圍的白色組織; γ 相是近似圓形的晶（jīng）粒。三相分布均勻、組織致密。

圖 1 三種進口刀片的基體斷口 SEM 照片

圖 2 三種進口刀片的塗層斷口 SEM 和金相照片（piàn）( 1500 × )

圖 2 為三種進口刀片的塗層斷口 SEM 照片。由圖可知，三種（zhǒng）進口刀片塗層（céng）均為多層複合塗層。TK2000 塗層分為 3 層（céng），塗層總厚度約為 13μm，主要（yào）結構是基體－ Ti CN-Al2O3-Ti N，其中 7μm 厚的 Ti CN是細（xì）密的柱狀晶形，具有很好的耐磨（mó）性能，而 Al2O3層厚度約 5μm，具有很好的（de）抗高溫性能，保障高速幹切削時刀片基體抗（kàng）塑性變形能力。由圖 2a 的金相結構可以看出，TK2000 基體表麵形成（chéng）缺立方相碳化物和碳（tàn）氮化物的韌性（xìng）區域，即表麵為富鈷的 WC + Co 薄層，厚度約 25μm。這樣的結（jié）構一方麵可以阻止表麵裂紋的擴展（zhǎn）; 另一方麵能滿足基體抗變形性能的要求，有效地提高了刀具材（cái）料（liào）的使（shǐ）用壽命。

由圖（tú） 2b 可知，H1B2 塗層為 2 層，塗層總厚度約9μm，主要結構是基體－ Ti CN-Al2O3，其中 Ti CN 約4μm，Al2O3約 5μm。從金相圖可以看出，H1B2 基體表麵也有韌性區域，厚（hòu）度約 15μm。由圖 2c 可知，KC9110 塗層為 4 層，塗層總厚度約（yuē） 25μm，主要結構（gòu）是基（jī）體－ Ti CN-Ti N-Al2O3-Ti N，其中 Ti CN 約 14μm，Al2O3約 10μm。

從金相圖可以看出，KC9110 基體表麵也有韌性區域，厚度約 20μm。

3. 2 基體牌號和塗層（céng）的研發

根據表 3 中進口輪（lún）轂刀牌號基體性能（néng）的分析結（jié）果，以低鈷、細晶為研究方向，自主研（yán）發了硬質合金牌號（hào） Z263，其性能如表（biǎo） 5 所（suǒ）示，其中鈷磁為 6． 35，硬度 91． 5HＲA，平均晶粒度 1． 3μm。

圖 3 是自主研發的基體牌號 Z263 的斷口 SEM照片（piàn）。由圖可知，其（qí）晶粒較（jiào）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（duàn）口（kǒu） SEM 照片

圖 4 為 19H 塗層斷口 SEM 圖，為多層複合加厚CVD 塗層，共 5 層塗層，由內往外分別是 Ti N-Ti CN-Ti N-Al2O3-Ti N。總厚度 20μm，其中 Al2O3約 8μm。

圖（tú）4 19H 塗層斷口 SEM 和金相照片( 1500 × )

3. 3 現場使（shǐ）用結果

采用自主（zhǔ）研發的輪轂刀專用基體（tǐ） Z263 製備出型號為ＲCMX320900 的（de）輪轂刀片，並在車輪廠進行現場試用，幹式切削加工材質為 CL60 的高速車輪內、外輻板。

加工參數: 切（qiē）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 塗層 19，加工壽命為 41 件，現場用國外（wài）進口塗層刀片的壽（shòu）命為 30 件，可見 Z263 + 19 塗層（céng）的ＲC-MX320900 輪轂（gū）刀（dāo）的壽命達到（dào）國外進口刀片水（shuǐ）平。

4 、結語（yǔ）

三種國（guó）外進口輪轂刀的基體 TK2000、H1B3 和KC9110 屬於低鈷合金，硬（yìng）度 HＲA 大於 91． 5，基體（tǐ）中都含有（yǒu） Ta 和 Nb，同時基（jī）體都是表麵富鈷的梯度合金，塗層為 CVD 多層（céng）複合塗層。

自（zì）主研發的低鈷細晶合金 Z263，組織均勻，性能優良; 19H 塗層為加厚 CVD 多層複（fù）合塗層（céng），總厚度達到 20μm，其中（zhōng） Al2O3約為 8μm。Z263 搭配19H 塗層生（shēng）產的32 輪（lún）轂刀，現場試用壽命達到國外進口刀片的水（shuǐ）平。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿（gǎo）件發表，或進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信（xìn）息

名企推薦

業界視點

| 更多（duō）

行業數據（jù）

| 更多

博文選萃

| 更多