高速重载列车车轮加工刀具材料的研发
2019-7-18 来源：成都工具研究所有限公司 作者：朱国丽，张平，彭前飞，刘芸
摘要: 采用扫描电镜、光学金相显微镜、洛氏硬度计、钴磁检测仪、矫顽磁力检测仪和抗弯强度检测仪等方法，对比研究了 3 种国外进口轮毂刀的基体和涂层，并根据分析结果自主研发出了针对车轮加工的材质 Z263 和涂层19H。
研究结果表明: 三种国外进口轮毂刀的基体都属于低钴合金，并含有 Ta 和 Nb，硬度 HＲA
均大于 91． 5; 基体是表面富钴的梯度合金，涂层均为 CVD 多层复合涂层。采用自主开发的低钴细晶合金 Z263 搭配 19H 涂层生产的32 轮毂刀，现场试用寿命达到国外进口刀片水平。
关键词: 列车车轮; 硬质合金; 刀具; 低钴合金; CVD 涂层
1 、引言
车轮作为影响列车运行安全性、稳定性的关键部件之一，随着列车运行速度和载重的不断提升，在行驶时有可能会出现各种影响安全性的问题。客运高速列车车轮在高速运动条件下受到速度效应和制动方式的制约，其受力状态发生了很大变化，从而对强韧性、耐磨性、抗热裂性、抗疲劳性、抗剥离性提出了更高的要求; 货运重载列车由于轮轨接触应力的增加，车轮制动热负荷上升，引起车轮剥离失效，在运用中最突出的问题是车轮踏面剥离严重。
因此，对车轮材料来说，既要求高强度、高硬度和耐磨性能，又要求高的韧性和耐热性等多种性能的组合。
目前降低碳含量并结合微合金化是国内高速车轮用钢发展的主要趋势。在数控机床中，列车车轮需要在高切速、大用量和干式( 或湿式) 切削的苛刻条件下进行粗、精切削加工，这对加工刀具提出了更为严格的要求。刀具必须是具有高强度、高耐磨性、高红硬性、高寿命的涂层硬质合金刀具。
本文以加工高速、重载列车车轮用刀具为载体，结合进口先进轮毂刀的分析结果，从刀具材质及制备工艺、刀具涂层及工艺等技术入手，通过进一步技术创新，开发出适合于高速切削、重力切削条件下的高速、重载列车车轮加工刀具，以实现国产化，替代同类进口刀具产品。
2 、试验过程
( 1) 试样制备如表 1 所示，对进口轮毂刀片的基体、涂层和结构进行分析研究。根据进口刀片的分析结果，研发出相应的基体和涂层牌号。按照表 2 中的成分将原料进行混合，在 45k N 的压力下压制 1 组试样。采用低 压 烧 结，在 350℃ 下 脱 蜡 1h，然 后 加 热 到1425℃ ，真空烧结 0． 5h，再快速充入 氩气，加压烧结 0． 5h，最后冷却至常温，制得试样 Z263。
( 2) 检测方法试样烧结后，试样条( 10 根) 经金刚石砂轮磨削至 30mm × 5mm × 5mm。 采 用 三 点 弯 曲 法 在ＲGM100 液压式万能试验机上测量抗弯强度，跨距20mm，各测定 10 个试样，去掉最高值及最低值后取算术平均值; 在 THＲ － 150DXC 型数字洛氏硬度计上测量洛氏硬度，一个试样测 5 点，取算术平均值;用 OLYMPUS DP71 光学显微镜评价烧结体的孔隙度和显微组织; 用 VEGA3 SEM 扫描电镜观察合金基体显微组织和涂层形貌; 直接用分析天平测量并计算合金密度; 用钴磁检测仪、矫顽磁力检测仪分别测量合金的磁饱和值和矫顽磁力。
3 、试验结果与分析
3. 1 进口轮毂刀片牌号的分析结果
表 3 为进口刀片基体的主要性能参数。由表中的分析结果可知，三种进口刀片合金的 Co 含量都低于6% ，属于低钴合金，硬度 HＲA 均大于 91． 5，从平均晶粒度可以推断，三种合金基体均属于细晶硬质合金。
表 4 列出了三种进口刀片基体的 EDS 分析结果( 因 不能测试碳含量，所以该数据是经过换算的金属碳化物成分) 。从表中可以看出，在三种进口刀片基体中除硬质相 WC 和粘接相 Co 外，还有不同含量的 Ti C、Ta C 和 Nb C，其中 KC9110 中含有少量的 Cr。在合金中，Ta C 或 Nb C 的主要作用是提高合金的高温硬度与强度，同时还可以提高合金的常温硬度、抗氧化能力、抗月牙洼磨损和抗后刀面磨损能力。
此外，Ta C 还可提高 WC － Ti C － Co 类合金的抗弯强度与冲击韧性，增加刀刃强度，提高刀刃抗碎裂和抗破损能力。这样的基体成分是为了适应列车车轮加工时高切速、大用量和干式( 或湿式)切削的苛刻条件。
图 1 为三种进口刀片的基体断口 SEM 照片。由图可知，三种进口刀片基体都是由三相组成: α 相( WC) 、Co 相和 γ 相( 固溶体) 。其中，α 相为多角形黑灰色组织; Co 相是围绕在 WC 晶粒周围的白色组织; γ 相是近似圆形的晶粒。三相分布均匀、组织致密。
图 1 三种进口刀片的基体断口 SEM 照片
图 2 三种进口刀片的涂层断口 SEM 和金相照片( 1500 × )
图 2 为三种进口刀片的涂层断口 SEM 照片。由图可知，三种进口刀片涂层均为多层复合涂层。TK2000 涂层分为 3 层，涂层总厚度约为 13μm，主要结构是基体 － Ti CN-Al2O3-Ti N，其中 7μm 厚的 Ti CN是细密的柱状晶形，具有很好的耐磨性能，而 Al2O3层厚度约 5μm，具有很好的抗高温性能，保障高速干切削时刀片基体抗塑性变形能力。由图 2a 的金相结构可以看出，TK2000 基体表面形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域，即表面为富钴的 WC + Co 薄层，厚度约 25μm。这样的结构一方面可以阻止表面裂纹的扩展; 另一方面能满足基体抗变形性能的要求，有效地提高了刀具材料的使用寿命。
由图 2b 可知，H1B2 涂层为 2 层，涂层总厚度约9μm，主要结构是基体 － Ti CN-Al2O3，其中 Ti CN 约4μm，Al2O3约 5μm。从金相图可以看出，H1B2 基体表面也有韧性区域，厚度约 15μm。由图 2c 可知，KC9110 涂层为 4 层，涂层总厚度约 25μm，主要结构是基体 － Ti CN-Ti N-Al2O3-Ti N，其中 Ti CN 约 14μm，Al2O3约 10μm。
从金相图可以看出，KC9110 基体表面也有韧性区域，厚度约 20μm。
3. 2 基体牌号和涂层的研发
根据表 3 中进口轮毂刀牌号基体性能的分析结果，以低钴、细晶为研究方向，自主研发了硬质合金牌号 Z263，其性能如表 5 所示，其中钴磁为 6． 35，硬度 91． 5HＲA，平均晶粒度 1． 3μm。
图 3 是自主研发的基体牌号 Z263 的断口 SEM照片。由图可知，其晶粒较细，三相组织均匀，没有异常长大的晶粒和缺陷。
图 3 Z263 基体断口 SEM 照片
图 4 为 19H 涂层断口 SEM 图，为多层复合加厚CVD 涂层，共 5 层涂层，由内往外分别是 Ti N-Ti CN-Ti N-Al2O3-Ti N。总厚度 20μm，其中 Al2O3约 8μm。
图4 19H 涂层断口 SEM 和金相照片( 1500 × )
3. 3 现场使用结果
采用自主研发的轮毂刀专用基体 Z263 制备出型号为 ＲCMX320900 的轮毂刀片，并在车轮厂进行现场试用，干式切削加工材质为 CL60 的高速车轮内、外辐板。
加工参数: 切削速度 v = 100m/min，进给量 f =1 － 1． 5mm，切削深度 ap= 5 － 8mm。搭配高性能超厚CVD 涂层 19，加工寿命为 41 件，现场用国外进口涂层刀片的寿命为 30 件，可见 Z263 + 19 涂层的 ＲC-MX320900 轮毂刀的寿命达到国外进口刀片水平。
4 、结语
三种国外进口轮毂刀的基体 TK2000、H1B3 和KC9110 属于低钴合金，硬度 HＲA 大于 91． 5，基体中都含有 Ta 和 Nb，同时基体都是表面富钴的梯度合金，涂层为 CVD 多层复合涂层。
自主研发的低钴细晶合金 Z263，组织均匀，性能优良; 19H 涂层为加厚 CVD 多层复合涂层，总厚度达到 20μm，其中 Al2O3约为 8μm。Z263 搭 配19H 涂层生产的32 轮毂刀，现场试用寿命达到国外进口刀片的水平。
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