Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. Способ включает нагрев заготовки, ее осадку, разгонку, формовку, раскатку обода и диска, выгибку диска и калибровку обода, упрочнение обода и отпуск. Температуру нагрева под деформацию поддерживают в интервале 1240-1200^oC, а температуру окончания пластической деформации - в интервале 950-850^oC, при этом термическое упрочнение с температуры окончания пластической деформации производят путем вертикальной прерывистой закалки, а операцию отпуска совмещают с противофлокенной обработкой и производят в температурном интервале 450-600^oC, причем операцию формовки заготовки осуществляют в интервале 1100-1060^oC, а операцию раскатки колеса в стане - при падении температуры с 1070-1030^oC до 980-880^oС. Способ позволяет устранить ряд технологических операций, что повышает эффективность процесса. 1 з.п. ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к технологии изготовления цельнокатаных железнодорожных колес.

Известны способы изготовления цельнокатаных железнодорожных колес, направленные на повышение эффективности процесса и формирования структуры в процессе горячей пластической деформации [1, 2]. Суть изобретений заключается в том, что формирование структуры диска перед упрочнением с прокатного нагрева достигается путем дополнительной деформации диска со степенью 5-15%. Формирование структуры обода осуществляют в процессе деформирования с окончанием деформации при температуре 1050-1000^oC.

Недостатками известных способов являются: 1. Высокая температура окончания деформации перед упрочнением, что не позволяет сформировать структуру, пригодную к упрочнению с прокатного нагрева. С этим связаны низкие значения пластичности и ударной вязкости [2].

2. Дополнительная деформация диска после завершения технологической операции по формообразованию в колесопрокатном стане обуславливает увеличение времени цикла, что приводит к снижению производительности прессопрокатной линии, а также не обеспечивает получение необходимой структуры в ободе колеса [1].

В качестве прототипа принят способ изготовления железнодорожных колес, суть которого заключается в том, что формирование структуры обода колеса перед упрочнением с прокатного нагрева обеспечивается путем снижения температуры выгибки и калибровки обода в течение 20-50 сек до 880-900^oC, а структура обода обеспечивается за счет обжатия со степенью 25-30% при температуре 1130-1080^oC [3].

К недостаткам прототипа следует отнести следующее. Деформация на выгибном прессе в течение 20-50 сек при снижающейся температуре до 880-900^oC со степенью 3-4% (технологически достигаемая степень деформации обода в процессе выгибки колеса) не позволяет измельчить зерно и тем самым достичь необходимого уровня пластичности и вязкости при упрочнении колеса с прокатного нагрева. Обжатие обода колеса на стане со степенью 25-30% при температуре 1130-1080^oC (согласно прототипу температура окончания деформации на выгибном прессе после охлаждения в течение 20-50 сек достигает 880-900^oC, соответственно температура предшествующей деформации на колесопрокатном стане составляет 1130-1080^oC, что также не позволяет обеспечить необходимую дисперсность горячекатаной структуры.

Таким образом, основные недостатки способа заключаются в следующем.

Известный способ деформирования не позволяет обеспечить необходимую дисперсность горячекатаной структуры перед упрочнением с прокатного нагрева и, как следствие, не позволяет обеспечить высокий уровень пластичности и вязкости. Отсутствие сведений о характере упрочнения (горизонтальный, вертикальный) не позволяет судить о возможности регулирования процессом упрочнения по ширине обода.

Задача изобретения заключается в создании способа изготовления цельнокатаных железнодорожных колес, направленного на повышение эффективности процесса за счет разработки температурных параметров нагрева и деформирования перед упрочнением с прокатного нагрева и последующего отпуска, совмещенного с изотермической выдержкой, что позволит устранить ряд технологических операций, в частности, отдельный нагрев колес под закалку и последующий отпуск.

Технический результат достигается тем, что температуру нагрева под деформацию поддерживают в интервале 1240-1200^oC, а температуру окончания пластической деформации - в интервале 950-850^oC, при этом термическое упрочнение с температуры окончания пластической деформации производят путем вертикальной прерывистой закалки, а операцию отпуска совмещают с противофлокенной обработкой и производят в температурном интервале 450-600^oC, причем операцию формовки заготовки осуществляют в интервале температур 1100-1060^oC, а операцию раскатки колеса в стане - при падении температуры с 1070-1030^oC до 980-880^oC.

Выбранный интервал значений температур нагрева под деформирование и окончания деформации в сочетании с упрочнением с прокатного нагрева и последующим отпуском, совмещенным с противофлокенной обработкой, позволяет получить стабильно высокий уровень прочности и износостойкости при удовлетворительных значениях пластичности (обод) и ударной вязкости (диск) независимо от углеродного эквивалента стали (С + 1/4 Мп) в пределах ее марки.

Предельные значения температур нагрева под деформирование и окончания деформации в соответствии с предлагаемым способом имеют следующие объяснения.

При нагреве под деформирование до температуры более 1240^oC и окончания деформации более 950^oC положительный эффект формирования горячекатаной структуры под упрочнение с прокатного нагрева снижается вследствие устранения структурных изменений, связанных с понижением температуры нагрева под деформирование и окончания деформации и закалку, а именно измельчения зерна перлита, повышения дисперсности перлитных колоний, увеличения количества структурносвободного феррита.

При нагреве под деформирование до температуры менее 1200^oC и окончания деформации 850^oC реализации способа на прессопрокатной линии затрудняется вследствие невыполнения геометрических размеров колес.

Согласно предлагаемому способу основные деформирующие операции выполняются в следующем интервале температур: формовка - 1100-1060^oC и раскатка колес в стане при падении температуры с 980^oC до 880^oC. Заданный интервал выбран исходя из необходимости получения основных геометрических размеров в условиях пониженных на 30-70^oC температур деформирования, а также с целью измельчения горячекатаной структуры под упрочнение с прокатного нагрева, поскольку раскатка обода и диска в стане является основной технологической операцией, ответственной за формирование горячекатаной структуры.

В соответствии с предлагаемым способом температуры нагрева и окончания деформации на прессопрокатной линии (с учетом естественной потери тепла при транспортировке заготовки) приведены в табл. 1.

Температура окончания деформации в колесопрокатном стане и на выгибном прессе выбирается дифференцированно в зависимости от величины углеродного эквивалента. Значения температур представлены в табл. 2.

Дифференцированная температура окончания деформации в колесопрокатном стане и на выгибном прессе связана с необходимостью повышения пластических характеристик и ударной вязкости для плавок с максимальным углеродным эквивалентом и, наоборот, повышения прочности и твердости для плавок с минимальным углеродным эквивалентом.

Использование вертикальной прерывистой закалки в сочетании с дисперсной горячекатаной структурой, обеспечиваемой понижением температуры нагрева под деформирование и окончания деформации при последовательном деформировании на прессах и стане, позволяет повысить износостойкость и временное сопротивление металла обода.

Выбор вертикальной прерывистой закалки связан с тем, что она позволяет реализовать возможность упрочнения не только поверхности катания колеса, но и боковых поверхностей обода, что в конечном счете определяет характеристики не только обода, но и диска колеса.

Предлагаемый интервал совмещенной операции отпуска и противофлокенной обработки позволит получить стабильный уровень прочностных и пластических характеристик обода независимо от величины углеродного эквивалента. Температурный интервал отпуска в зависимости от величины углеродного эквивалента приведен в табл. 3.

Пример конкретной реализации способа изготовления цельнокатаных железнодорожных колес в условиях колесопрокатного цеха АО Выксунский металлургический завод. Для опробирования способа были отобраны головные заготовки с углеродным эквивалентом 0,69; 0,77 и 0,89%. Нагрев заготовок под деформирование осуществляли в кольцевой печи. Деформирование осуществляли по следующей схеме: предварительная осадка на прессе 2000 т.с., окончательная осадка и разгонка на прессе 5000 т.с., формовка на прессе 10000 т.с., раскатка в колесопрокатном стане диска и обода, выгибка диска и калибровка обода на прессе 3500 т.с.

Температура нагрева заготовок под деформирование и окончания деформации в соответствии с предлагаемым способом приведены в табл. 4.

После завершения деформирующих операций в соответствии с предлагаемым способом колеса подвергали вертикальной прерывистой закалке при вращении колеса в закалочной машине. Время закалки было скорректировано в связи с закалкой черновых колес с увеличенной толщиной обода и составило соответственно: 264, 192 и 120 сек для колес с углеродным эквивалентом 0,69; 0,77 и 0,89% соответственно. Давление воды перед спрейерами составило 0,9-1,0 кгс/см².

После закалки осуществляли отпуск колес, совмещенный с изотермической выдержкой, в проходных конвейерных печах. Температурный интервал отпуска составил соответственно: 450-480^oC, 520-540^oC, 590-600^oC для колес с углеродным эквивалентом 0,69; 0,77 и 0,89%.

Последовательность технологических операций при деформировании по технологии прототипа была идентичной. Режим нагрева и окончания деформации по технологии прототипа приведен в табл. 5.

После завершения деформирующих операций колеса подвергали закалке на горизонтальной закалочной машине. Время закалки колес в зависимости от углеродного эквивалента (0,69; 0,77 и 0,89%) соответственно составило 220, 160 и 200 сек, давление воды перед спрейерами - 0,9 - 1,0 кгс/см².

После закалки осуществляли отпуск в конвейерных печах при температуре 500^oC.

Результаты испытаний механических свойств колес, обработанных по технологии прототипа, приведены в табл. 5.

Как следует из приведенных данных, увеличение прочности и твердости, в соответствии с предлагаемым способом, составило 5-10%, пластических характеристик - от 10 до 30% и ударной вязкости - до 30%.

Реализации предлагаемого способа позволит повысить эффективность технологического процесса за счет сокращения технологических операций - отдельного нагрева под закалку и последующего отпуска колес. Ожидаемое снижение себестоимости при этом составит около 30%.

Литература 1. Авторское свидетельство СССР N 829697.

2. Авторское свидетельство СССР N 1032031.

3. Авторское свидетельство СССР N 1211313.

Формула изобретения

1. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес, включающий нагрев заготовки до температуры горячей пластической деформации, ее осадку, разгонку, формовку, раскатку обода и диска, выгибку диска и калибровку обода, термическое упрочнение обода с температуры окончания горячей пластической деформации и отпуск, отличающийся тем, что температуру нагрева под деформацию поддерживают в интервале 1240 - 1200^oC, а температуру окончания пластической деформации - в интервале 950 - 850^oC, при этом термическое упрочнение с температуры окончания пластической деформации производят путем вертикальной прерывистой закалки, а операцию отпуска совмещают с противофлокенной обработкой и производят в интервале 450 - 600^oC.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операцию формовки осуществляют в интервале 1100 - 1060^oC, а операцию раскатки обода и диска колеса - при падении температуры с 1070 - 1030^oC до 980 - 880^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2