Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости и предела выносливости металла диска колеса при упрочнении с прокатного нагрева. Технический результат достигается за счет одно- или двустороннего циклического охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу при вращении колеса в вертикальном положении в закалочной машине, при этом температура обода колеса перед закалкой составляет 940-780°С, а диска - 860-720°С, причем охлаждение диска и участков перехода в обод и ступицу производят сжатым воздухом под давлением 1-3 кгс/см², а продолжительность охлаждения соответственно составляет 2,0-0,7 от продолжительности охлаждения обода. 2 з.п.ф-лы., 4 табл. 1 ил.

Изобретение относится к термомеханической обработке проката, в частности к технологии изготовления железнодорожных колес с упрочнением с прокатного нагрева.

Известен способ изготовления железнодорожных колес с упрочнением с прокатного нагрева, применяемый на отечественных заводах и за рубежом в период 30-50-х годов [1] . Известный способ включал нагрев заготовок под деформирование до температуры 1270-1290^oC, последовательное деформирование заготовки на прессах и колесопрокатном стане, термическое упрочнение обода колеса на горизонтальных столах и последующий отпуск в колодцах.

Применяемая технология в связи с высокой температурой окончания деформации перед упрочнением с прокатного нагрева (1050^oC) обуславливала низкий уровень ударной вязкости диска колеса (1,0-2,0 кгсм/см²). Вместе с тем, уровни значений ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах диска колеса являются основными показателями надежности колеса в эксплуатации.

Способ изготовления железнодорожных колес с упрочнением с отдельного нагрева диска и обода колеса позволил значительно повысить характеристики механических свойств колеса, особенно ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению диска колеса при отрицательных температурах, что обусловило повышение надежности колеса в эксплуатации [2].

Вместе с тем, технологический процесс с упрочнением с отдельного нагрева является длительным и трудоемким, что обуславливает высокую себестоимость колеса и соответственно снижает его конкурентноспособность.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления железнодорожных колес с упрочнением с прокатного нагрева, включающий нагрев под деформацию до температуры 1200-1240^oC, последовательное деформирование колесной заготовки на прессах и колесопрокатном стане с окончанием деформации при температуре 950-850^oC, упрочнение обода колеса путем вертикальной прерывистой закалки и отпуск, совмещенный с операцией изотермической выдержки [3] . В отличие от способа [1] данный способ позволяет регламентировать структуру диска и обода перед упрочнением колеса за счет оптимизации температуры окончания деформации на агрегатах прессопрокатной линии. Это позволило повысить значения ударной вязкости диска колеса до 2,0-3,0 кгсм/см² при сохранении показателей σ_в,δ,Ψ и HB на уровне, соответствующем упрочнению обода с отдельного нагрева.

Недостатком данного способа является сравнительно низкая ударная вязкость диска для плавок с содержанием углерода на уровне 0,62-0,67%.

Задачей изобретения является разработка способа изготовления цельнокатаных железнодорожных колес с упрочнением с прокатного нагрева и высоким уровнем ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах диска колеса.

Технический результат по достижению значений ударной вязкости диска на уровне 3,5-5,0 кгсм/см² для плавок с содержанием углерода до 0,67%, а также увеличению сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах материала диска колеса обеспечивается тем, что в процессе упрочнения обода колеса производят одно- или двустороннее циклическое охлаждение диска и участков перехода в обод и ступицу при вращении колеса в вертикальном положении в закалочной машине, при этом температура обода колеса перед закалкой составляет 940-780^oC, а диска - 860-720^oC, а циклическое охлаждение обода и участков перехода в обод и ступицу производят сжатым воздухом под давлением 1-3 кгс/см², причем продолжительность соответственно составляет 2,0-0,7 от продолжительности охлаждения обода, а регулирование интенсивности охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу производят за счет изменения расхода сжатого воздуха при постоянном его давлении, причем с увеличением содержания углерода в пределах марки стали расход сжатого воздуха уменьшают.

Сущность изобретения заключается в том, что циклическое охлаждение диска колеса сжатым воздухом обуславливает структурные изменения металла диска, а именно измельчение зерна перлита, равномерное и дисперсное распределение феррита по сечению диска колеса, уменьшение межпластиночного расстояния в перлите, уменьшение размера перлитных колоний.

Увеличение протяженности границ действительного зерна перлитных колоний, а также границ между ферритом и основной структурой - перлитом обуславливает резкий рост ударной вязкости металла диска, а также понижение температуры сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах.

Циклическое охлаждение диска в процессе упрочнения колеса с прокатного нагрева позволяет предотвратить рост аустенитного зерна, сформированного при горячей пластической деформации, вследствие подавления процессов рекристаллизации горячедеформированного аустенита.

Ограничение температурного интервала перед закалкой обода и циклическим охлаждением диска в пределах 940-780^oC и 860-720^oC обусловлено температурой окончания деформации обода и диска колеса и продолжительностью паузы между окончанием деформации и началом упрочнения. Верхний предел температур обода и диска колеса перед упрочнением согласно предлагаемому способу составляет 940 и 860^oC соответственно, нижний предел температур - соответственно 780 и 720^oC. Температура перед упрочнением 940 и 860^oC соответствует верхней предельной температуре окончания деформации, равной 960^oC для обода и 880^oC для диска, а также минимальной продолжительности паузы между окончанием деформации и упрочнением обода и диска, равной 30 сек (падение температуры обода и диска в течение 30 сек составляет около 20^oC).

Температура перед упрочнением 780 и 720^oC соответствует нижней предельной температуре окончания деформации, равной 880^oC для обода и 820^oC для диска, а также максимальной продолжительности паузы между окончанием деформации и упрочнением обода и диска, равной 150 сек (падение температуры обода и диска в течение 150 сек составляет около 100^oC).

Целесообразность поддержания температуры окончания деформации в пределах 960-880^oC для обода и 880-820^oC для диска рассмотрена в заявке на изобретение N 97103043. Предлагаемый интервал температур перед упрочнением обода и диска позволяет сформировать величину зерна в диске и ободе после упрочнения с прокатного нагрева, соответствующую термообработке с отдельного нагрева. Предлагаемые параметры давления сжатого воздуха и продолжительности охлаждения диска приведены на черт еже.

С увеличением давления от 1 до 3 кгс/см² коэффициент продолжительности охлаждения диска изменяется от 2 до 0,7 от продолжительности охлаждения обода. Предлагаемый интервал давления воздуха позволяет варьировать скорость охлаждения диска в пределах марки стали от 1 до 3^oC/сек (при постоянном расходе охладителя в единицу времени).

Для минимального содержания углерода в пределах марки стали (0,53-0,57%) целесообразно использование предельного значения давления воздуха 3 кгс/см² и продолжительности охлаждения 0,7 от продолжительности охлаждения обода, поскольку с увеличением переохлаждения в стали подавляется выделение избыточного феррита, уменьшается межпластиночное расстояние и повышается дисперсность перлитных колоний. Этот режим обработки диска обеспечивает скорость охлаждения около 3^oC/сек. Из данных работы [4] следует, что в указанном интервале скоростей охлаждения наблюдается увеличение значений пластичности и ударной вязкости металла диска, а также понижение критической температуры хрупкости.

Для плавок со средним содержанием углерода (0,58-0,62%) в пределах марки стали целесообразно использование более мягкого режима охлаждения диска, а именно: давления воздуха 2,0 кгс/см² и продолжительности охлаждения 1,0 от продолжительности охлаждения обода. Скорость охлаждения при этом составляет около 2^oC/сек.

Соответственно для плавок с максимальным содержанием углерода (0,62-0,67%) рекомендуемое давление воздуха 1 кгс/см² и продолжительность охлаждения диска 2,0 от продолжительности охлаждения обода. Скорость охлаждения диска при этом составляет около 1^oC/сек.

Более мягкий режим охлаждения диска для плавок со средним и максимальным содержанием углерода обусловлен необходимостью исключения поверхностного растрескивания диска в связи с более высоким градиентом остаточных напряжений. При охлаждении диска с постоянным давлением воздуха во всех группах по углероду продолжительность охлаждения диска равна продолжительности охлаждения обода, последняя определяется в соответствии с углеродным эквивалентом данной плавки. Скорость охлаждения диска при этом составляет около 2^oC/сек.

Согласно предлагаемому способу регулирование интенсивности охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу производят также за счет изменения расхода сжатого воздуха, причем с увеличением содержания углерода в пределах марки стали расход охладителя уменьшают. Этот режим охлаждения диска целесообразно использовать при охлаждении с постоянным давлением воздуха. Расход охладителя регулируют таким образом, чтобы скорость охлаждения диска находилась в пределах 1-3^oC/сек. Причем для плавок с максимальным (0,63-0,67%), средним (0,58-0,62%) и минимальным (0,53-0,57%) содержанием углерода в пределах марки стали расход охладителя варьируют таким образом, чтобы скорость охлаждения диска по перечисленным группам по химсоставу составляла соответственно 1,0; 2,0 и 3,0^oC/сек.

Предлагаемый режим охлаждения диска обеспечивает формирование зерна перлита 7-8 баллов, при этом подавляется выделение массивной сетки избыточного феррита за счет увеличения скорости охлаждения диска. Это обуславливает рост пластических характеристик, ударной вязкости и предела выносливости диска колеса.

Для реализации предлагаемого способа изготовления цельнокатаных железнодорожных колес были отобраны заготовки с содержанием углерода соответственно 0,57, 0,62 и 0,67% (максимальное значение в каждой из групп по углероду). Нагрев под деформирование производили в кольцевой печи до температуры 1200^oC. Температура окончания деформации в соответствии с предлагаемым способом и прототипом, а также режимы охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу сжатым воздухом приведены в таблице 1 (табл. 1-4 см. в конце описания). Продолжительность после деформационной паузы перед упрочнением для всех колес производили в соответствии с действующей технологической инструкцией. Механические свойства обода и диска в соответствии с предлагаемой технологией и прототипом приведены в таблице 2. Как следует из приведенных данных, механические свойства колес, изготовленных по предлагаемому способу, выше, чем по технологии прототипа. Временное сопротивление металла диска выше на 5,8 кгс/мм², обода - на 3,3 кгс/мм². Ударная вязкость металла диска по предлагаемому способу для всех температур испытания выше, чем по технологии прототипа, так, при температуре испытания +20^oC - в 1,9 раза (в среднем по 3 значениям), при 0^oC - в 1,8 раза, -20^oC - более чем в три раза.

Регулирование интенсивности охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу производили также за счет изменения расхода воздуха при постоянном его давлении. Параметры охлаждения диска при изменении расхода сжатого воздуха приведены в таблице 3. Давление сжатого воздуха для всех режимов обработки составляло 2 кгс/см², продолжительность охлаждения диска и участков перехода к ободу и ступице составляла 220, 160 и 100 сек соответственно для заготовок с содержанием углерода 0,57; 0,62 и 0,67%. Заданная продолжительность охлаждения диска соответствовала продолжительности охлаждения обода. Расход воздуха по мере увеличения содержания углерода с 0,57% до 0,67% снижали с 32 м³/час до 16 м³/час. Механические свойства колес, обработанных по режимам таблицы 3, приведены в таблице 4.

Как следует из приведенных данных, увеличение расхода сжатого воздуха по мере уменьшения содержания углерода приводит к увеличению прочностных характеристик при удовлетворительных значениях пластических характеристик и ударной вязкости. При содержании углерода 0,57% наблюдается незначительный рост временного сопротивления обода и диска при удовлетворительных значениях пластических характеристик, ударной вязкости и критической температуры хрупкости.

Источники информации 1. К. Ф.Стародубов, Термическая обработка железнодорожных колес. М. Металлургиздат, 1948.

2. Технологическая инструкция по производству цельнокатаных железнодорожных колес. Г.Выкса. ТИ 153К-69-95.

3. Заявка РФ на изобретение N 97103049 от 28.02.97, МПК 6 B 21 H 1/04 (Патент RU 2123405 C1, 20.12.98 -прототип).

4. И.Г.Узлов, Н.И.Данченко, А.Г.Сердюк, Т.А.Борисова, "Исследование влияния структурных факторов на свойства среднеуглеродистой конструктивной стали". Сборник "Вопросы производства и эксплуатации железнодорожных колес и осей". Г.Днепропетровск, 1971.

Формула изобретения

1. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес, включающий нагрев под деформацию до 1200-1240^oС, последовательное деформирование на прессах и колесопрокатном стане, упрочнение обода колеса путем вертикальной прерывистой закалки, отличающийся тем, что в процессе упрочнения обода колеса производят одно- или двухкратное циклическое охлаждение диска и участков перехода в обод и ступицу при вращении колеса в вертикальном положении в закалочной машине, при этом температура обода колеса перед закалкой составляет 940-780^oС, а диска 860-720^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что циклическое охлаждение диска и участков перехода в обод и ступицу производят сжатым воздухом под давлением 1-3 кгс/см, причем продолжительность охлаждения соответственно составляет 2,0-0,7 от продолжительности охлаждения обода. 1 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирование интенсивности охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу производят за счет изменения расхода сжатого воздуха при постоянном его давлении, причем с увеличением содержания углерода в пределах марки стали расход сжатого воздуха уменьшают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3