СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК C21D8/00 

Изобретение относится к области упрочнения высокомарганцевистой стали высокотемпературной термомеханической обработкой и пластическим деформированием энергией взрыва и предназначено для обработки деталей, используемых в железнодорожном транспорте.

Цель настоящей работы расширить функциональные возможности высокотемпературной термомеханической обработки высокомарганцовистой стали, в частности, интенсифицировать процесс поверхностного равномерного упрочнения деталей с помощью энергии взрыва при сохранении сочетания высоких прочностных и пластических свойств металла с одновременным повышением износостойкости, т. е. увеличения ресурса работы.

Известны способы упрочнения железнодорожных крестовин, изготовленных из высокомарганцовистой стали [1 3] при которых происходит упрочнение металла. Однако данные способы не позволяют в принципе получать сочетание максимально высоких прочностных и пластических свойств, которые бы давали возможность повышать износостойкость, т.е. увеличивать ресурс работы деталей.

Известен способ повышения эксплуатационной стойкости крестовин, упрочненных высокотемпературной термомеханической обработкой [4] однако и этот способ в конечном итоге не дает сочетания всей совокупности прочностных и пластических свойств с износостойкостью (прототип).

Указанная цель достигается тем, что в качестве последнего этапа обработки высокомарганцовистой стали (типа Гадфильда) используется упрочнение поверхности и объема металла с помощью энергии взрыва.

Способ реализуется следующим образом:
для получения мелкодисперсной структуры стали с обязательным исключением образования карбидов деталь из высокомарганцовистой стали прогревают полностью по сечению из расчета 20 25 мм/час, изотермически выдерживают не менее 2-х часов при температуре 1180.1140^oC, проводят пластическую деформацию со степенью обжатия 10.20% при температуре изотермической выдержки с последующей закалкой в воде при температуре не ниже 950^oC;
затем деталь повторно прогревают полностью, изотермически выдерживают не менее 2-х часов при температуре 1100.1060^oC, проводят пластическую деформацию со степенью обжатия 15.20% при температуре изотермической выдержки с последующей закалкой в воде при температуре не ниже 950^oC;
для повышения износостойкости металла, т.е. для равномерного поверхностного упрочнения осуществляют в качестве последнего этапа пластическую деформацию при комнатной температуре по схеме контактного нагружения с применением пластических взрывчатых материалов типа ГП-74, ГП-87К и др. со скоростью детонации от 5000 до 8000 м/с при давлении на фронте ударной волны в диапазоне 105.250 Кбар. Взрывная волна упрочняет поверхностные слои детали на глубину до 40 мм, т.е. увеличивается твердость металла и при этом сохраняется высокий уровень пластичности и вязкости в объеме металла, что позволяет повысить износостойкость стали.

Важность хорошего сочетания механических свойств: прочностных и пластических свойств в объеме металла и высокой твердости упрочненного поверхностного слоя можно проиллюстрировать на примере работы железнодорожных крестовин. Ресурс работы их примерно равен 80 миллионам тон груза, пропущенного по железной дороге до отказа крестовины. Эти детали эксплуатируются при высоких динамических нагрузках с одновременным истиранием, и срок их службы определяется, с одной стороны, запасом прочности и пластичности металла (сопротивление стали образованию дефектов контактно-усталостного и чисто усталостного происхождения), с другой стороны - твердостью упрочненного поверхностного слоя металла (износостойкостью).

Сравнивая результаты практической реализации известного способа (СССР, а. с. N 1518393) с предлагаемым, видно, что в первом случае высокие механические свойства в объеме металла обеспечиваются проведением высокотемпературной обработки, а упрочнение поверхности стали происходит уже в процессе эксплуатации при накатке колесами подвижного состава: металл наклепывается на глубину 10.18 мм; повышается твердость и прочность поверхности детали, но при этом металл крестовины сминается на половину нормативной высоты при пропускании всего 10% предусмотренного груза (это порядка 8 миллионов тон); параллельно этому процессу идет истирание поверхности крестовин. Таким образом, уже в начале работы крестовины происходит потеря ресурса за счет сминания и раскатывания металла.

В предлагаемом способе реализуются все необходимые возможности служебных характеристик металла: высокие механические свойства и структура в объеме металла крестовин обеспечиваются высокотемпературной термомеханической обработкой; энергия взрыва позволяет наклепать металл на глубину до 40 мм еще в процессе изготовления детали. Таким образом, уже в исходном состоянии металл получает максимальное значение твердости и прочности, и при эксплуатации крестовин не наблюдается сминания и потери износостойкости.

Физическая сущность данного способа заключается в том, что использование энергии взрыва для упрочнения однородной мелкозернистой структуры стали Гадфильда дает возможность гарантированного получения повышенного запаса пластичности при деформации и, соответственно, износостойкости сердечников крестовин.

Характер упрочнения высокомарганцовистой стали взрывом существенно отличается от характера упрочнения при сжатии (т.е. при накатке колесами подвижного состава новых не упрочненных крестовин). В металле, упрочненном взрывом, полосы скольжения распределяются достаточно равномерно как внутри зерна, так и между отдельными зернами. Полосы скольжения относительно прямые и располагаются одновременно в двух или трех плоскостях октаэдра. В случае упрочнения сжатием полосы скольжения локализуются в местах, часто отстоящих друг от друга на значительном расстоянии, искривлены и расположены в большинстве случаев в одной плоскости. Относительная неоднородность расположения полос скольжения указывает на неравномерность распределения сдвиговой деформации в металле при сжатии, что предопределяет более низкий уровень пластичности металла по сравнению со взрывом.

Результаты проведенных исследований механических свойств высокомарганцовистой стали 110Г1ЗЛ до и после ВТМО и упрочнения, а также практические результаты реализации предлагаемого способа (износостойкость деталей) на крестовинах железнодорожных стрелочных переводов приведены в табл. 1. Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности упрочнения поверхности деталей предлагаемым способом:
первая стадия высокотемпературная термомеханическая обработка исключает образование в высокомарганцовистой стали карбидов, позволяет получать мелкозернистую однородную структуру, высокие служебные характеристики, а износостойкость поднимается от 75 до 115 миллионов тонн пропущенного груза до отказа крестовины, что увеличивает ресурс более чем на 50%
вторая стадия упрочнение высокомарганцовистой стали взрывной волной позволяет получать упрочненный металл с однородной структурой, высокими служебными характеристиками, а износостойкость такого материала поднимается до 155 миллионов тонн пропущенного груза, т.е. ресурс работы крестовин увеличивается в 2 раза.

В табл. 12 приводятся сравнительные результаты по воздействию взрывной волны в широком диапазоне давления на ее фронте;
взрывная волна со значением давления в 105 Кбар является минимальной, ниже этого значения наблюдается большой разброс механических свойств, образуется неоднородная структура (деформационная, рис. 2) как на отдельных зернах, так и во всем объеме металла, износостойкость при упрочнении 105 Кбар достигает 130 миллионов тонн пропущенного груза;
взрывная волна со значением давления в 190 Кбар является оптимальной, хотя твердость в этом случае и не достигает максимума, но износостойкость металла увеличивается в 2 раза;
взрывная волна со значением давления в 250 Кбар в настоящее время является максимально достижимой, что связано с параметрами взрывчатых веществ. В настоящее время нет таких пластических взрывчатых веществ, которые бы создавали давление больше 250 Кбар на фронте взрывной волны и при этом не разрушали бы металл. При таком значительном предельном давлении 250 Кбар служебные свойства стали возрастают незначительно (на 5.8% табл. 1), а износостойкость остается на прежнем пределе (не более 150.155 миллионов тонн пропущенного груза до отказа крестовин);
следует отметить, что при упрочнении взрывом идет равномерная по всем направлениям и однородная деформация металла как по объему материала, так и внутри зерен, а в совокупности со стабильной мелкозернистой аустенитной структурой, в которой отсутствует карбидная фаза, обеспечивает высокие служебные характеристики, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению, упрочняет поверхность металла и увеличивает износостойкость в 2 раза.

Экономический эффект при внедрении данного способа появляется за счет продления срока службы крестовин стрелочных переводов. Испытания показали, что среднесетевая долговечность крестовин, изготовленных из стали Гадфильда (выысокомарганцовистая сталь 110Г1ЗЛ) и обработанных по предлагаемому способу, поднимается до 155 миллионов тонн груза (пройденного через крестовину до отказа).

Способ упрочнения высокомарганцевистой стали предназначен для обработки деталей железнодорожного транспорта. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей высокотемпературной термомеханической обработки высокомарганцевистой стали, в частности, интенсифицирование процесса упрочнения деталей с помощью взрыва при сохранении сочетания высоких прочностных и пластических свойств металла с одновременным повышением износостойкости (увеличения ресурса работы). Способ упрочнения высокомарганцевистой стали дает возможность получить мелкозернистую структуру при одновременном исключении образования карбидов и равномерное упрочнение металла за счет трехстадийной обработки - высокотемпературной термомеханической и пластической деформации взрывом, что позволяет увеличить износостойкость (ресурс работы деталей) в 2 раза. 1 табл.

Способ упрочнения деталей из высокомарганцовистой стали, включающий двустадийную пластическую деформацию сжатием с нагревом на первой стадии до 1140 1180^oС, на второй стадии до 1060 1100^oС с проведением на обеих стадиях прогрева со скоростью 20 25 мм/ч, изотермической выдержки не менее 2 ч, деформации при температуре изотермической выдержки со степенью сжатия 15 20% охлаждении с температуры не ниже 950^oС, отличающийся тем, что после второй стадии пластической деформации проводят пластическую деформацию взрывом со скоростью детонации 5000 8000 м/с при давлении на фронте ударной волны 105 250 Кбар.