Способ термической обработки железнодорожных бандажей

Авторы патента:

Киричков Анатолий Александрович (RU)

Филатов Сергей Васильевич (RU)

Сухов Алексей Владимирович (RU)

Федин Владимир Михайлович (RU)

Фомичев Максим Станиславович (RU)

Петренко Юрий Петрович (RU)

Брюнчуков Григорий Иванович (RU)

Борц Алексей Игоревич (RU)

Кушнарев Алексей Владиславович (RU)

Тимофеев Валерий Викторович (RU)

C21D9/34 - бандажей и ободьев колес

Владельцы патента RU 2547375:

Открытое акционерное общество "ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат" (ОАО "ЕВРАЗ НТМК") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке железнодорожных бандажей. Для обеспечения высоких потребительских свойств осуществляют термическую обработку железнодорожного бандажа из стали, содержащей, мас.%: С 0,65-0,75, Mn 0,6- 0, 9, Si 0,22-0,45, Cr 0,2-0,6 и V 0,01-0,03. Бандаж нагревают до температуры аустенизации и проводят управляемое охлаждение поверхностного слоя бандажа жидким охладителем или водовоздушной смесью, при этом охлаждение поверхности катания бандажа осуществляют водой c регулированием её расхода в период охлаждения, соответственно: 0,00035 л/(см²·с) в период до 120с, 0,00075 л/(см²·с) в период 121-150с, 0,00115 л/(см²·с) в период 151-180с, 0,00155 л/(см²·с) в период 181-210с, 0,002 л/(см²·с) в период 211-300с, а боковую поверхность по внутреннему диаметру бандажа охлаждают воздухом с расходом 0,0003м³/(см²·с) с последующей выдержкой на воздухе и отпуск. В результате термообработки бандажей достигается повышение износостойкости рабочего слоя, включая наружный и внутренние слои металла и получение сжимающих напряжений в рабочем слое бандажа до глубины 50-60 мм от поверхности катания. 5 табл., 1 пр.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке железнодорожных бандажей. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости рабочего слоя по всей его глубине и высоких прочностных характеристиках бандажей.

Известен способ термической обработки железнодорожных бандажей, включающий нагрев до температуры аустенизации, последующее охлаждение (закалка) в баке с подогретой водой и последующий отпуск [1].

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает равномерное упрочнение по сечению вследствие неравномерного охлаждения поверхностных и центральных слоев металла. Одновременно, из-за большой интенсивности охлаждения с поверхности катания и внутренней поверхности в центральной его зоне формируется система растягивающих напряжений большой величины, так как именно эта часть бандажа при закалке остывает последней. Наличие в этой зоне меньшего упрочнения и больших остаточных напряжений снижает сопротивление износу и контактным усталостным разрушениям; снижает тем самым эксплуатационную стойкость бандажа.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является способ термической обработки железнодорожных бандажей, заключающийся в нагреве до температуры аустенизации, дальнейшее охлаждение в закалочном устройстве, в котором нагретый бандаж вращают со скоростью 25-125 об/мин и охлаждают его грани и поверхности закалочной жидкостью из автономных спрейерных устройств и последующим отпуском. Охлаждение поверхности катания и боковых граней осуществляется со скоростью 10-20 град/сек, а внутренней поверхности бандажа со скоростью 3-4 град/сек до температуры 600-700°C и со скоростью 10-20 град/сек до 300-500°C [2].

При этом обеспечивается более высокое равномерное упрочнение рабочего слоя бандажа с незначительным изменением твердости от 320 до 300 НВ по его глубине, и зона больших остаточных напряжений располагается ниже рабочего слоя бандажа (на глубине 50-70 мм) от поверхности катания.

Недостатком этого способа является то, что расход охладителя в процессе всего времени охлаждения остается неизменным. При таком способе невозможно получить высокую износостойкость одновременно по всей глубине бандажа, так как скорость охлаждения внутренних слоев металла всегда ниже, чем скорость охлаждения наружных слоев. Для получения во внутренних слоях металла структуры в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита, обеспечивающей высокую износостойкость, необходимо охлаждать поверхностный слой со скоростью выше оптимальной, что приведет к образованию в поверхностных слоях структуры типа мартенсита отпуска, склонной к выкрашиванию и склонной к малой износостойкости.

Целью предлагаемого решения является повышение износостойкости рабочего слоя бандажа за счет создания однородной структуры тонкодисперсного пластинчатого перлита как непосредственно на поверхности, так и в глубине бандажа и уменьшить уровень остаточных напряжений рабочего слоя бандажа.

Это достигается тем, что в заявленном способе термической обработки железнодорожных бандажей, включающем нагрев до температуры аустенизации, охлаждение при помощи закалочных устройств управляемой закалки с регулируемым расходом охладителя во время закалки, последующую выдержку на воздухе и отпуск. Критерием расхода охладителя является процентное содержание в стали углерода, марганца, хрома и ванадия. Для бандажей из стали с невысоким содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.1 табл.3) время линейного увеличения расхода охладителя выбирается минимальным, а начальный расход максимальным. Для бандажей из стали с высоким содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.2 табл.3) время линейного увеличения расхода охладителя выбирается максимальным, а начальный расход минимальным.

Для сталей с содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.1 табл.1) охладитель подается на круг катания. В начале выбирается минимальный расход воды для данного химического состава стали и в первые 120 с, он остается неизменным 0,00035 л/(см²·с), в интервале 121-210 с идет линейное увеличение расхода воды через каждые 30 с, и в интервале 211-300 с закалка идет с постоянным максимальным расходом воды определенным для данного химического состава стали - 0,002 л/(см²·с). На наружную боковую поверхность и поверхность по внутреннему диаметру бандажа подается дополнительно воздух с расходом 0,0003 м³/(см²·с), режим закалки приведен в табл.2.

Для сталей с небольшим содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.2 табл.1) вода подается на круг катания, на внутреннюю и наружную боковые поверхности бандажа. В начале выбирается минимальный расход воды на круг катания для данного химического состава стали и в первые 15 с, он остается неизменным 0,001 л/(см²·с), в интервале 16-30 с расход воды равен 0,002 л/(см²·с), и в интервале 31-300 с закалка идет с постоянным максимальным расходом определенным для данного химического состава стали - 0,005 л/(см²·с). На внутреннюю боковую поверхность бандажа подается дополнительно вода с расходом в первые 15 с - 0,0001 л/(см²·с), в интервале 16-30 с расход воды равен 0,00015 л/(см²·с), в интервале 31-300 с расход воды устанавливается равным 0,0002 л/(см²·с), и воздух с постоянным расходом 0,0003 м³/(см²·с), на наружную боковую поверхность подается дополнительно вода с расходом в первые 15 с - 0,0005 л/(см²·с), в интервале 16-30 с расход воды равен 0,001 л/(см²·с), в интервале 31-300 с расход воды устанавливается равным 0,002 л/(см²·с), режим закалки приведен в табл.3.

Отличительными признаками заявленного способа является:

- управляемый процесс закалки с регулируемым расходом охладителя;

- три охлаждающих водяных контура и один охлаждающий воздушный контур;

- равная скорость охлаждения зон бандажа за счет точной настройки форсунок по местоположению относительно поверхности бандажа и программируемого расхода охладителя по каждому элементу бандажа;

- изменение расхода охладителя производиться в зависимости от содержания углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия.

За счет заявленного решения можно обеспечить одинаковую скорость охлаждения наружного слоя и внутренних слоев бандажа, максимально выровнять структуру металла на поверхности и в глубине, получив оптимальную структуру по всей толщине рабочего слоя бандажа. Это происходит за счет следующего: наружный слой металла бандажа при малом расходе охладителя охлаждается со скоростью, достаточной, чтобы получить оптимальную структуру металла в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита без мартенсита отпуска. Слои на глубине 20-30 мм также охлаждаются со скоростью, близкой к оптимальной, за счет увеличения подачи охладителя на наружный слой бандажа. Оптимальный расход охладителя по всем элементам бандажа и время его применения определяется предварительно опытным путем как расход, требуемый для получения необходимых свойств на глубине 30-50 мм.

Пример выполнения.

Термической обработке по предлагаемому способу подвергались бандажи из стали двух плавок, химический состав которых приведен в табл.4. После нагрева до температуры аустенизации (860°C) бандажи подвергались закалке. Закалка бандажей производилась при их вращении со скоростью 30 об/мин.

Охладитель для закалки бандажей подавался через блок клапанов, открываемых по заданному режиму охлаждения на три контура водяного охлаждения и один контур воздушного охлаждения. Тем самым обеспечивалось плавное регулируемое увеличение расхода охладителя от начального значения до оптимального. После закалки бандажи подвергались охлаждению на воздухе во время транспортировки их к отпускным печам и отпуску при оптимальной температуре.

Структура бандажей, подвергшихся закалке по заявляемому способу (для обеих плавок), состоит из тонкодисперсного пластинчатого перлита на глубине до 15 мм, равномерно переходящего на глубине 50 мм в сорбидообразный пластинчатый перлит с минимальным участком феррита.

В табл.5 приведены механические свойства и твердость бандажей, закаленных по заявленному режиму.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный способ позволяет получить структуру тонкодисперсного пластинчатого перлита, обладающую высокой износостойкостью как на поверхности, так и на глубине бандажа, а также повысить механические свойства, твердость бандажей. При этом зона растягивающих напряжений смещается ниже рабочего слоя бандажа на глубину 50-60 мм от поверхности катания.

Источники информации

1. Стародубов К.Ф. Термическое упрочнение проката. - М.: Металлургия 1970. С.156-158.

2. Узлов И.Г., Блажнов Г.А., Гусев С.А. и др. // Способ термической обработки железнодорожных бандажей: Описание изобретения, патент №555150, опубликовано 25.04.77, бюллетень №15.

Химический состав стали для бандажей

Таблица 1
Сталь	Массовая доля элементов, %
	C	Mn	Si	Cr	V
1	0.65-0.75	0.6-0.9	0.22-0.45	0.2-0.6	0.01-0.03
2	0.57-0.64	0.6-0.9	0.22-0.45	0.03-0.06	0.03-0.06

Режим закалки бандажей из стали с содержанием углерода 0,65-0,75%

Таблица 2
Продолжительность периода, с	Расход воздуха внутреннюю боковую поверхность, и поверхность по внутреннему диаметру бандажа, м³/(см²·с)	Расход воды, л/(см²·с)
Внутренняя боковая поверхность бандажа	Круг катания бандажа	Наружная боковая поверхность бандажа
0-120	0, 0003	0	0,00035	0
121-150	0,0003	0	0,00075	0
151-180	0,0003	0	0,00115	0
181-210	0,0003	0	0,00155	0
211-300	0,0003	0	0,002	0

Режим закалки бандажей из стали с содержанием углерода 0,57-0,64%

Таблица 3
Продолжительность периода, с	Расход воздуха внутреннюю боковую поверхность, и поверхность по внутреннему диаметру бандажа, м³/(см²·с)	Расход воды, л/(см²·с)
Внутренняя боковая поверхность бандажа	Круг катания бандажа	Наружная боковая поверхность бандажа
0-15	0,0003	0,0001	0,001	0,0005
16-30	0,0003	0,00015	0,002	0,001
31-300	0,0003	0,0002	0,005	0,002

Фактический химический состав стали для бандажей

Таблица 4
Плавка	Массовая доля элементов, %
	C	Mn	Si	Cr	V
1	0.7	0.8	0.31	0.202	0.02
2	0.6	0.79	0.35	0.35	0.03

Механические свойства и твердость бандажей после термообработки

Таблица 5
Плавка	Временное сопротивление, н/мм²	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Ударная вязкость, Дж/см²	Твердость на глубине, HB
				10 мм	20 мм	30 мм	40 мм	50 мм
				10 мм	20 мм	30 мм	40 мм	50 мм	при +20°C	при
-60°C
1	1124	15,5	36	25	90	340	335	335	325	310
2	1045	18,1	35	42	112	315	310	300	295	290

Cпособ термической обработки железнодорожного бандажа из стали, содержащей, мас.%: С 0,65-0,75, Mn 0,6- 0,9, Si 0,22-0,45, Cr 0,2-0,6 и V 0,01-0,03, включающий нагрев бандажа до температуры аустенизации, охлаждение элементов бандажа и последующий отпуск его, при этом охлаждение поверхности катания бандажа осуществляют водой c регулированием её расхода в период охлаждения, соответственно: 0,00035 л/(см²·с) в период до 120с, 0,00075 л/(см²·с) в период 121-150с, 0,00115 л/(см²·с) в период 151-180с, 0,00155 л/(см²·с) в период 181-210с, 0,002 л/(см²·с) в период 211-300с, а боковую поверхность по внутреннему диаметру бандажа охлаждают воздухом с расходом 0,0003м³/(см²·с) с последующей выдержкой его на воздухе.

Изобретение относится к области термомеханической обработки деталей и может быть использовано для упрочнения рабочих трущихся поверхностей рельс и колес подвижного состава, в частности изобретение относится к способу упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар.

Обработка железнодорожных колес // 2495144

Изобретение относится к области термической обработки, в частности к обработке стальных железнодорожных колес для формирования необходимого распределения сжимающих остаточных напряжений в ободе.

Способ упрочнения локомотивных и вагонных колес // 2454469

Изобретение относится к способам плазменной обработки и может быть использовано для упрочнения локомотивных и вагонных колес из углеродистой марганцовистой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси.

Способ термической обработки железнодорожных колес // 2451093

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке цельнокатаных железнодорожных колес. .

Способ упрочнения железнодорожных колес и железнодорожное колесо с упрочненной рабочей поверхностью // 2430166

Изобретение относится к машиностроению и термической обработке металлов и может быть использовано при производстве новых и ремонте старых железнодорожных колес. .

Способ и устройство для плазменной обработки тела вращения // 2401310

Изобретение относится к способу и устройству для плазменной обработки тела вращения и может найти применение при упрочнении железнодорожных колес. .

Способ лазерной обработки поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар // 2389805

Изобретение относится к способу лазерной обработки поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар из различных марок стали, работающих в условиях трения-износа.

Способ термического упрочнения железнодорожных колес // 2353672

Изобретение относится к области термической обработки. .

Устройство для охлаждения и обработки нагретых деталей, имеющих форму тел вращения, из металлических материалов, таких, как сталь, и способ охлаждения и обработки нагретых деталей // 2277132

Изобретение относится к области термической обработки деталей, имеющих форму тел вращения из металлических материалов, в частности для охлаждения, моноблочных колес, колесных бандажей, колесных дисков и аналогичных дисков и колец, таких как железнодорожные и трамвайные колеса, зубчатые колеса и звездочки.

Способ термической обработки катков гусеничных машин // 2240359

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способу термообработки опорных и поддерживающих катков из сложнолегированных улучшаемых сталей. .

Способ акустической обработки бандажа и колесного центра при сборке колесной пары // 2565446

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Способ включает расточку бандажа, нагрев бандажа и установку бандажа на колесный центр. После или во время установки бандажа на колесный центр осуществляют акустическую обработку (озвучивание) бандажа и/или колесного центра. Техническая задача: повышение надежности крепления бандажа на колесном центре. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Устройство для охлаждения обода при термоупрочнении железнодорожных колёс // 2612479

Изобретение относится к металлургии, а именно к оборудованию для термической обработки железнодорожных колес, и может быть использовано в черной металлургии и машиностроении в линиях термической обработки колес. Устройство содержит 2 опорных ролика, 2 поддерживающих ролика и размещенные между ними спрейеры для подачи охлаждающей жидкости. При этом спрейеры для охлаждения боковых поверхностей обода, расположенные между опорными роликами, выполнены одноплоскостными, а спрейер для охлаждения поверхности катания обода, расположенный между опорным и поддерживающим роликами, выполнен повторяющим кривизну поверхности катания обода. Изобретение направлено на снижение расхода охлаждающей воды, облегчение ее удаления, устранение образования паровой «рубашки» между закаливаемой поверхностью и охлаждающей средой, обеспечение скоростей охлаждения металла обода ниже критической по всему сечению с получением структуры тонкопластинчатого перлита по всей толщине обода и исключение попадания воды на диски колес соседних устройств. 2 ил., 6 табл.

Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали // 2616756

Изобретение относится к технологии обработки высоконагружаемых железнодорожных колес и может быть использовано для упрочняющей термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес различной формы. Способ включает нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре, прерывистую закалку обода водой, последующее охлаждение колес и отпуск. Колеса изготавливают из стали, содержащей следующие компоненты, мас.%: углерод 0,46-0,54, кремний 0,25-0,45, марганец 0,85-1,2, хром 0,80-1,10, ниобий 0,01-0,05, ванадий 0,08-0,20, молибден не более 0,05, титан не более 0,01, фосфор не более 0,030, серу не более 0,020, никель и медь не более 0,25 каждого, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,0002. Закалку обода водой осуществляют путем трехстороннего его охлаждения из спрейерных устройств в течение 290-330 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах увеличивают от нуля до 0,07-0,09 МПа в течение 75-85 секунд с дальнейшим охлаждением при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм. Последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов. Повышается уровень прочностных характеристик обода, износостойкость, предел контактно-усталостной выносливости, обеспечивается требуемый уровень пластических и вязких характеристик металла колес. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес // 2632507

Изобретение относится к области термической обработки. Для повышения конструктивной и усталостной прочности цельнокатаных железнодорожных колес за счет повышения одновременно прочностных, пластических и вязких характеристик металла их дисков, уровня сжимающих напряжений в колесе осуществляют нагрев колес до температуры аустенизации, последующее прерывистое трехстороннее охлаждение обода вращающегося в вертикальной плоскости колеса водой из спрейерных устройств, двухстороннее принудительное охлаждение диска и мест перехода диска в обод и ступицу сжатым воздухом из не менее двух форсунок с каждой стороны, присоединенных к общей воздушной магистрали, при этом соседствующие форсунки с каждой из сторон охлаждения располагаются друг относительно друга на расстоянии, при котором пятна обдува от форсунок перекрываются на величину их радиусов, а давление воздуха в воздушной магистрали поддерживается в пределах 4-5 атмосфер, время охлаждения диска и мест перехода диска в обод и ступицу составляет 0,8-1,5 от заданного времени охлаждения обода. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 табл.

Способ термической обработки железнодорожных колес // 2636777

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке цельнокатаных железнодорожных колес. Для улучшения механических и эксплуатационных свойств железнодорожное колесо нагревают до температуры аустенизации, погружают его в закалочный бак на глубину до точки начала перехода обода в диск и охлаждают при одновременном вращении железнодорожного колеса, затем проводят отпуск при температуре 450-550°C, причем температура закалочной среды в баке составляет 15-30°C, процесс закалки длится 100-250 с, а вращают колесо с частотой 90-150 об/мин. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.