Способ термического упрочнения железнодорожных колес

Изобретение относится к области термической обработки. Для обеспечения твердости не ниже 300 НВ на глубине не менее 50 мм от поверхности катания обода колеса, исключения в процессе охлаждения образования закалочных структур и обеспечения максимального снижения остаточных напряжений цельнокатаные колеса из стали с содержанием углерода не менее 0,60 мас.% нагревают до температуры аустенизации и интенсивно охлаждают, при этом в процессе охлаждения с момента его начала за 50-100 секунд осуществляют увеличение интенсивности охлаждения поверхности катания гребня и боковых поверхностей обода по всей их высоте от 0 до значения 2-3 Вт(см²·с), затем охлаждают в течение 40-300 секунд с постоянной интенсивностью охлаждения указанных поверхностей обода, равной значению 2-3 Вт/(см²·с), для обеспечения упрочнения во всем объеме обода. 2 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к термической обработке стальных изделий и может быть использовано при изготовлении железнодорожных цельнокатаных колес из стали с содержанием углерода не менее 0,60%.

Известен способ термического упрочнения железнодорожных колес, см. Бибик Г.А. и др. Производство железнодорожных колес. М.: Металлургия, 1982, с.164-171, предусматривающий нагрев изделий под термообработку, подачу охладителя на различные поверхности обода колеса (боковые и поверхность катания) с требуемой скоростью охлаждения и отпуск. Указанная технология термического упрочнения колес включает в себя их нагрев до 840-870°С равномерно по всему объему в зависимости от содержания в стали углерода и марганца, передачу нагретого колеса к закалочной машине с минимальным промежутком во времени, указанном в нормативной документации.

Использование такой технологии обеспечивает невысокий уровень прочностных свойств металла и износостойкости обода при эксплуатации.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ термической обработки железнодорожных колес, см. а.с. СССР №549485, кл. C21D 9/34, 1977, который выбран в качестве прототипа. Данный способ включает в себя нагрев железнодорожных колес до температуры Ас₃+(30-50)°С, выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода выдержкой при температуре Ас₃+(30-50)°С, термическое упрочнение обода охлаждением его водой, снижение температуры колес подстуживанием на воздухе и их последующий отпуск.

Недостатком этого способа является тот факт, что в момент окончания охлаждения в поверхностных зонах обода образуются закалочные структуры (до 100% мартенсита), пластические деформации, а также высокий уровень растягивающих напряжений, что увеличивает вероятность образования трещин в момент окончания охлаждения. Определить напряженно-деформированное и структурное состояние обода колеса в различные моменты на этапе охлаждения можно только методами компьютерного моделирования.

Техническим результатом изобретения является повышение свойств материала железнодорожных цельнокатаных колес - стали с содержанием углерода не менее 0,60%, а именно обеспечение твердости не ниже 300 НВ на глубине не менее 50 мм от поверхности катания обода колеса при исключении или максимальном уменьшении в процессе охлаждения образования закалочных структур и максимального снижения остаточных напряжений в момент окончания закалки.

Для достижения технического результата в процессе охлаждения с момента его начала за 50-100 секунд происходит постепенное увеличение интенсивности охлаждения поверхности катания, гребня и боковых поверхностей обода по всей их высоте от 0 до значения 2-3 Вт/(см²·с), затем охлаждение продолжается в течение 40-300 секунд с постоянной интенсивностью охлаждения указанных поверхностей обода, равной значению 2-3 Вт/(см²·с), для обеспечения упрочнения во всем объеме обода.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где:

- на фиг.1 показана схема расположения зон оценки и сравнения напряженно-деформированного состояния в радиальном сечении железнодорожного колеса для различных вариантов технологии закалки;

- на фиг.2 показано типичное распределение температур в радиальном сечении железнодорожного колеса в момент завершения закалки (см. табл.).

Обод колеса (см. фиг.1) в радиальном сечении разделен на следующие зоны: 1 - поверхность катания, 2 - зона под поверхностью катания на глубине 10-20 мм, 3 - вершина гребня, 4 - основание гребня, 5 - середина внутренней боковой стороны обода, 6 - угол обода с внутренней стороны, 7 - зона вблизи перехода от обода к диску, 8 - угол с внешней стороны обода у поверхности катания, 9 - середина внешней боковой стороны обода, 10 - угол обода с внешней стороны.

Материал в указанных зонах отличается структурным состоянием, значениями температуры, скоростей охлаждения, напряжений и деформаций в процессе и после закалки.

Кроме того, в описании изобретения даны 3 таблицы. В таблицах для указанных зон после закалки представлены следующие параметры:

Б - содержание закалочной структуры бейнита, %;

М - содержание закалочной структуры мартенсита, %;

НВ - твердость по Бринеллю, МПа;

σ_r, σ_o и σ_θ - соответственно радиальные, осевые и окружные напряжения, МПа;

σ_i - интенсивность напряжений, МПа;

ε_i ^пл - интенсивность пластических деформаций, %.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем. Колесо целиком нагревается до температуры аустенизации Ас₃+(30-50)°С, и производится выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода. Далее по разработанной методике производится термическое упрочнение обода интенсивным охлаждением и отпуск колеса.

Упрочнение производится при постепенном увеличении интенсивности охлаждения с поверхностей обода колеса от нуля до максимального значения, которое соответствует 2-3 Вт / (см²·с), по линейному или нелинейному закону в течение 50-100 секунд с последующим охлаждением обода при максимальной интенсивности охлаждения в течение 40-300 секунд. Время изменения интенсивности охлаждения определяет величину и характер распределения напряжений во всем объеме колеса в момент окончания упрочнения.

Методами имитационного, компьютерного моделирования, прошедшими необходимую аттестацию и верификацию, были выполнены сравнительные расчеты указанных выше параметров в момент окончания упрочнения для способа, выбранного в качестве прототипа (см. таблицу 1), и заявляемого способа для различного времени нарастания интенсивности охлаждения (см. таблицы 2 и 3).

Таблица 1 Время закалки 160 с, интенсивность охлаждения постоянная и соответствует максимальному значению 2-3 Вт/(см2·с)
№ зон	М, %	НВ, МПа	σr, МПа	σ0, МПа	σθ, МПа	σi, МПа	εi пл, %
1	до 97	6070	~0	-1700	-1800	1750	1,6
2	-	3550	~0	429	483	400	~0
3	до 97	6200	179	-850	-1300	1300	0,7
4	-	3920	617	-179	711	850	~0
5	до 97	6070	-570	~0	483	1450	0,7
6	до 97	6070	-900	~0	254	900	0,5
7	-	3200	-40	-179	254	41	~0
8	-	6070	-0	214	480	1450	0,8
9	до 97	6070	400	~0	480	1450	1,6
10	до 97	6070	~0	~0	480	1100	1,0

Таблица 2 Время закалки 160 с, интенсивность охлаждения возрастает от 0 до максимального значения 2-3 Вт/(см2·с) за 40 с
№ зон	М, %	НВ, МПа	σr, МПа	σо, МПа	σθ, МПа	σi, МПа	εi пл, %
1	до 35	5100	~0	-700	-550	630	0,008
2	0	3300	~0	470	315	450	~0
3	до 49	5500	~0	~0	-340	350	0,08
4	0	3600	280	~0	650	540	~0
5	до 21	4800	-620	~0	-200	540	~0
6	до 11	4800	-210	~0	-200	270	~0
7	0	3300	~0	~0	-120	170	0,02
8	до 55	5500	120	80	-300	360	0,008
9	до 25	5100	-700	~0	-120	540	0,008
10	до 25	4800	~0	~0	-120	200	~0

Таблица 3 Время закалки 160 с, интенсивность охлаждения возрастает от 0 до максимального значения 2-3 Вт/(см2·с) за 60 с
№ зон	М, %	НВ, МПа	σr, МПа	σо, МПа	σθ, Мпа	σi, МПа	εi ПЛ, %
1	до 18	4900	~0	-430	-240	280	0,02
2	~0	3500	~0	390	300	390	~0
3	до 30	4900	~0	-100	-80	119	0,02
4	~0	3500	320	~0	600	550	~0
5	~0	4300	~517	0	-100	500	~0
6	~0	4300	~150	0	-100	220	~0
7	~0	3200	~0	~0	-100	120	0,02
8	до 36	5300	~0	-200	-100	120	0,02
9	~0	4600	-500	~0	-100	550	0,02
10	~0	4600	-160	~0	140	280	~0

Сравнивая величины параметров, приведенных в таблицах 1-3, можно сделать вывод о том, что во всех рабочих (контактирующих с рельсом) зонах обода колеса при увеличении времени нарастания интенсивности охлаждения:

- растягивающие напряжения в момент окончания охлаждения снижаются в несколько раз;

- количество мартенсита в гребне обода, подверженном наиболее интенсивному износу, снижается от 97% до значений в отдельных зонах от 0% до 30%;

- интенсивность пластических деформаций снижается с 1,6% почти до 0.

Как показали расчеты, в заявляемом способе для достижения наибольшей эффективности рекомендуется выбирать значение времени нарастания интенсивности охлаждения в интервале от 50 до 100 секунд. Дальнейшее увеличение времени нарастания интенсивности охлаждения нецелесообразно в связи со снижением твердости и механических характеристик металла обода колеса.

Способ термического упрочнения железнодорожных колес из стали с содержанием углерода не менее 0,60 мас.%, включающий нагрев колеса до температуры аустенизации Ас₃+(30-50)°С, выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода, термическое упрочнение обода интенсивным охлаждением и отпуск колеса, отличающийся тем, что с момента начала охлаждения за 50-100 с осуществляют постепенное увеличение интенсивности охлаждения поверхности катания, гребня и боковых поверхностей обода по всей их высоте от 0 до 2-3 Вт/(см²·с), а затем охлаждение продолжают в течение 40-300 с с постоянной интенсивностью охлаждения указанных поверхностей обода, равной 2-3 Вт/(см²·с), для обеспечения упрочнения во всем объеме обода колеса.