项目背景：

列车车轮具有载重、导向、传递牵引力和制动力的功能，工作条件十分恶劣，对于列车的行车安全具有极为重要的影响。随着近年来我国铁路运输系统的发展，列车高速化、重载化的要求日益显著，这就对列车车轮的使用质量提出了越来越高的要求。而热处理作为车轮生产过程的一个重要环节，对提升、改善和稳定车轮组织性能具有极其重要的作用，能够直接影响到车轮最终的使用性能。因而发展和提升现有车轮热处理加工水平，对于提高车轮使用性能，推动我国铁路系统的快速发展具有极为重要的意义。

列车车轮在热处理加工过程中的加热温度、温度的均匀程度、淬火采用的冷却介质、冷却速度、冷却方式、冷却时间、回火温度、回火时间、车轮材料自身的成分和化学特性以及车轮的具体几何形状都会对其最终的热处理效果产生不同程度的影响。由于车轮的热处理是这样一个涉及众多影响因素的复杂问题，因而如果采用传统的物理试验和实物检验的方法来确定合理的热处理工艺，将会出现研究周期长、费用高昂、可重复性差等问题。而利用近年来迅速发展的数值模拟技术，结合基础物理测试的方法，可以大大简化研究过程，提高研究效率、并易于实现工艺的模型化。

在以上背景下，马钢车轮有限公司与上海交通大学材料学院共同合作开发《马钢车轮热处理工艺优化研究》项目，对 CL50D 材质的 CCD890 动车组车轮的热处理工艺进行研究，借助数值模拟技术和物理实测结合的方式，对现有车轮热处理工艺进行改进，提升车轮产品质量和性能。

 

主要问题：

1、在原工艺条件下，淬火后CL50D 材质的 CCD890 动车组车轮踏面异常组织层深度过厚。为保证使用性能，不得不放大加工余量，在热处理后的进行大量机械加工修型。不仅造成原材料和能源的浪费，还导致加工成本上升，产品市场竞争力下降。

2、在原工艺条件下，CL50D 材质的 CCD890 动车组车轮热处理后产品性能欠佳，性能富余量小。同时存在不同批次产品的处理效果差异大，性能表现不稳定的问题。

3、由于车轮生产使用的淬火处理装置特殊，采用传统实物测试的方式进行热处理工艺优化研究难度大，难以实现。

 

项目成果：

本项目的主要成果可归纳为以下4点：

1、通过大量实验和研究，建立了车轮旋转喷射淬火处理装置设定参数与车轮淬火组织及力学性能的数学模型及车轮回火工艺与力学性能的数学模型。

2、在以上两种数学模型的基础上，开发完成了车轮喷射淬火处理过程中温度-组织-力学性能的耦合模拟计算软件及车轮回火性能预测软件。实现了车轮经旋转喷射淬火和回火处理过程的温度-组织-力学性能的数值仿真计算和最终性能的预报。

3、借助以上两项软件，对原有淬火工艺参数进行了优化改进。现场实物试验结果与预测结果完全一致：优化后的新工艺能够有效减少车轮踏面异常组织层厚度(由原来的10mm减少至不足4mm)，同时车轮力学性能完全满足设计要求。采用优化工艺后，车轮预留加工余量显著减小，有效的减少了原材料和能源的消耗，降低了车轮制造成本。

4、对原有的热处理生产过程和管理提出了优化和规范化方案，经实施后产品热处理质量和稳定性显著改善，大大提升了车轮产品的竞争力。

 

关键技术：

1、换热系数反求解技术。通过实测淬火过程中特定位置的冷却曲线，采用耦合相变的反求解模型，可以精确求解得到实际有效的换热系数数据；

2、车轮淬火过程的温度场-组织场耦合数值模拟计算技术。利用温度场和组织场的耦合数学模型和有限元数值计算，可以得到各种不同淬火工艺参数下的车轮淬火过程中温度和组织演变，以及它们最终的分布，从而获取优化工艺参数；

3、淬火微观组织与各项力学性能的关联模型。研究各淬火微观组织状态与各项力学性能的关系，建立量化的计算模型，从而借助组织场分布来预测车轮最终的各项力学性能水平，从而为淬火工艺的优化提供重要的评价标准和优化依据；

4、淬火工艺相关参数与淬火组织分布之间的关联模型。通过研究不同淬火方式的淬火冷却的效果，建立两者关系的定量化模型。借助此关系模型，可以获取淬火优化工艺实施所需的各项具体参数设定情况。

 

创新点：

本项目最主要的创新点是：以基本的材料性能和相变参数测试数据为基础，建立工艺参数-淬火组织-力学性能的关联模型，利用有限单元法数值模拟仿真技术，预测淬火后车轮的各项主要力学性能，同时结合实物验证的方式，对现有热处理工艺提出优化方案和建议。