СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ВАГОННЫХ КОЛЕС Российский патент 1998 года по МПК B23K9/04 B23P6/00 

Изобретение относится к способам восстановления изношенных поверхностей деталей, в частности к способам восстановления изношенных поверхностей обода вагонных колес методом наплавки.

При эксплуатации железнодорожных вагонных колес на поверхности катания колеса образуются выщербины, кольцевые выработки, у основания гребня колеса смещение металла и остроконечный накат в месте сопряжения подрезанной части гребня с вершиной [1].

Износ поверхности катания и гребня устраняется путем обточки обода колеса.

После обточки толщина гребня должна быть не менее 25 мм, толщина обода не менее 22 мм и расстояние между внутренними гранями колес не более 1443 мм (ниже этих размеров колесные пары бракуются).

Известен способ восстановления деталей, преимущественно, ободов локомотивных колес, предусматривающий наплавку изношенной части, охлаждение наплавленного металла до 550 - 580^oC, затем механическую обработку наплавленных прямолинейных участков профиля гребня, а по достижении температуры наплавленной поверхности 200 - 250^oC механическую обработку криволинейного участка профиля гребня [2].

Данный способ рассчитан на восстановление локомотивных колес, где с целью сохранения прочности насадки обода и его прочностных характеристик механическую обработку наплавленного металла вынуждены производить при указанных температурах.

Для восстановления цельнокатаных вагонных колес такой способ излишне сложен и трудоемок, так как цельнокатанные колеса не требуют соблюдения предлагаемых температурных режимов.

Наиболее близким к изобретению является способ восстановления гребней обода вагонных колес, предложенный в патенте РФ [3].

Способ по указанному изобретению предусматривает восстановление гребней вагонных колес наплавкой металла электрической дугой на вращающееся колесо с последующим замедленным охлаждением колеса и механической обработкой наплавленной поверхности и отличается тем, что перед наплавкой нагревают металл обода гребня колеса до температуры (200 - 250^oC) с помощью внешнего нагревательного источника и наплавляют подогревающий валик на вершину гребня, при этом наплавку металла выполняют сварочной проволокой с содержанием углерода в 9 - 6,5 раза меньше такого в основном металле, марганца в 0,7 - 1,6 раза больше такого в основном металле и хрома в количестве 0,9 - 1,2%, наплавляемый металл наносят кольцевыми валиками от основания гребня к вершине, наплавку осуществляют при напряжении электрической дуги 30 - 40 В, силе тока 330 - 370 А, скорости наплавки 28 - 32 м/ч, а после наплавки колесо охлаждают в теплоизолированной камере не менее 6 ч до 120^oC.

Этим способом восстановлены десятки тысяч вагонных колес. Вместе с тем данный способ позволяет восстанавливать вагонные колесные пары только отбракованные из-за износа толщины гребня и не решает проблему восстановления колесных пар, забракованных по толщине обода колеса.

Применить способ восстановления гребней, указанный в [3], для восстановления толщины обода колеса не предоставляется возможным, так как работают в разных условиях и требуют разных условий наплавки.

Поверхность гребней колеса работает в жестких условиях в основном при вписывании колеса в кривые и при прохождении стрелочных переводов, в то время как поверхность катания постоянно воспринимает ударные нагрузки на стыках рельс, стрелочных переводах, при торможении на спусках и подъемах.

Другим недостатком данного способа наплавки гребней обода колеса является сравнительная низкая производительность, наплавка производится одним электродом.

Задача изобретения - восстановление всей изношенной поверхности обода вагонного колеса. Изобретение обеспечивает высокую производительность наплавки при снижении энергозатрат на предварительный подогрев обода, высокое качество наплавки. В предлагаемом способе после обточки изношенной поверхности обода колеса подогревают внешним источником тепла при равномерном вращении колеса до температуры не менее 100^oC, подбирают сварочную проволоку с содержанием углерода в 0,06 - 0,1%, марганца 0,35 - 2,0%, молибдена 0,5 - 0,7%, хрома 0,9 - 1,25%, ванадия 0,2 - 0,5%.

Применяют флюс или комбинацию флюсов с содержанием SiO₂ в пределах 33 - 44%, MnO 26 - 38%, CaF₂ 3,5 - 8,4%, CaO 6,5 - 10,5%, MgO 5,0 - 15,8%, Al₂O₅ 4,5 - 6,6.

Наплавку производят при напряжении 28 - 30 В, силе тока 260 - 300 А, скорости вращения колеса один оборот за 8 - 10 мин. Наплавку ведут двумя электродами, расположенными под углом 90^o к поверхности наплавки, друг за другом на расстоянии 50 мм и совмещением электродов поперек шва на 1,5 - 2,5 мм.

Наплавка производится в такой последовательности: в начале наплавляют вершину гребня, затем наплавляют первый слой на горизонтальный участок поверхности катания от торца к гребню, после остывания до 190^oC заплавляют подножие гребня, после чего наплавляют второй слой и заплавку подножия гребня. Затем заканчивают наплавкой рабочей стороны гребня, в случае необходимости, затылочной части гребня; при заплавке подножия гребня и затылочной части гребня используют один электрод.

Наплавка поверхности катания вагонного колеса может идти как одновременно двух колес, так и по отдельности в зависимости от экономической целесообразности.

Более подробно восстановление поверхности катания вагонного колеса осуществляют следующим образом.

Колесную пару предварительно очищают от грязи и мазута, на колесно-токарном станке снимают верхний слой поверхности гребня обода колеса до получения гладкой поверхности. Затем помещают в электрическую печь, снабженную двумя муфелями, повторяющие конструкцию ободов колес.

Для обеспечения равномерного прогрева металла ободов колес колесную пару вращают со скоростью 1,5 - 2 оборота в минуту.

Для предотвращения появления микротрещин в наплавленном металле подбирают необходимую температуру предварительного подогрева и обеспечивают условия для равномерного прогрева обода колеса.

Исследования [4] показали, что металл с содержанием углерода свыше 0,45% перед наплавкой требуется предварительно подогреть до 100 - 200^oC. Учитывая, что в основном металле обода колеса содержится углерода 0,55 - 0,65%, была выбрана температура подогрева не менее 100^oC.

Снижению температуры предварительного подогрева способствовал выбор сварочной проволоки, содержащей ванадий.

Наплавка нескольких опытных партий изношенных ободов вагонных колес показала правильность выбора температуры подогрева.

Равномерность прогрева обода колеса обеспечивают путем подбора скорости вращения колесной пары (1,5 - 2 оборота в минуту) и мощности электронагревателей муфельной печи.

Другим важным фактором, влияющим на качество наплавленного металла является его легирование. Известно, что введение марганца и хрома повышает прочность и пластичность, а молибдена и ванадия улучшает структуру и твердость наплавленного металла [5]. Легирование наплавленного металла осуществляют путем подбора сварочной проволоки и флюса.

Известно, что несмотря на кратковременность реакция взаимодействия между шлаком и металлом при дуговой сварке проходит очень энергично, что обусловлено высокими температурами расплавленных металлов и флюса, значительными поверхностями их контакта и относительно большим количеством флюса.

При этом происходит вытеснение из шлака в металл одного химического элемента другим, реакция в конечном итоге ведет к обогащению или обеднению металла наплавки теми или иными легирующими элементами.

Проведенный комплекс исследований показал, что наплавка поверхности обода колеса сварочной проволокой с содержанием углерода в пределах 0,06 - 0,1%, марганца 0,35 - 2,0%, молибдена 0,5 - 0,7%, хрома 0,9 - 1,25%, ванадия 0,2 - 0,5% является наиболее оптимальной, не сопровождается усложнением технологического процесса и обеспечивает необходимые механические свойства наплавленного металла [5].

В сочетании с выбранной сварочной проволокой наибольшая высокая стойкость против образования трещин и необходимая твердость достигаются при выборе флюса или комбинации флюса с содержанием SiO₂ в пределах 33 - 44%, MnO 26 - 38%, CaF₂ 3,5 - 8,4%, CaO 6,5 - 10,5%, MgO 5,0 - 15,8%, Al₂O₃ 4,5 - 6,6%.

После подбора сварочной проволоки и флюса опытным путем определены режимы наплавки: напряжение 28 - 30 В, сила тока 260 - 300 А и скорость вращения колеса один оборот за 8 - 10 мин.

Для повышения производительности наплавки предложено наплавку поверхности катания колеса производить сразу двумя электродами, расположенными на расстоянии друг от друга 50 мм, и под углом 90^o к поверхности наплавки и со смещением электродов поперек шва на 1,5 - 2,5 мм. Расстояние между электродами выбрано из условия, чтобы второй электрод успел войти в еще расплавленную ванну первого электрода, смещение электродов поперек шва позволит увеличить ширину наплавки.

Затем зажигают последовательно дугу на одном колесе, через 1/4 - 1/2 оборота колесной пары зажигают дугу на втором колесе. После полного оборота колеса, при прохождении дугой места начала наплавки или предыдущего шва осуществляют подъем электродов на 3 - 4 мм и проверяют смещение электродов поперек шва.

Наплавку осуществляют в следующей последовательности.

В начале наплавляют подогревающий валик на вершину гребня. Подогревающий валик служит также для подогрева остывшего колеса во время установки на стенд и установки защитных колец. Затем наплавляют первый слой на горизонтальный участок поверхности катания, начиная от торца к гребню обода колеса. По окончании наплавки первого слоя дают возможность остынуть ободу колеса до температуры не менее 100^oC и заплавляют подножие гребня. После чего наплавляют последующий слой и заплавку подножия гребня. Заканчивают наплавкой рабочей, в случае необходимости и затылочной части гребня, причем при заплавке подножия гребня и затылочной части гребня используется один электрод. Электрод в последнем случае устанавливают с наклоном от вертикали 15 - 20^o. При остывании протекают процессы, подобные нормализации металла, обеспечивающие получение физико-механических свойств наплавленного металла, близких к металлу колеса.

После наплавки изношенной поверхности катания обода колеса вагонных колес и визуального осмотра наплавленной поверхности колесную пару помещают в термокамеру, охлаждают в течение 4 - 5 ч до температуры не более 65^oC.

Восстановление изношенных поверхностей катаний обода колеса ряда партий вагонных колес позволили подобрать марки сварочной проволоки и флюса, выбрать режимы наплавки, технологию наплавки двумя электродами, подобрать ее последовательность. Металлографические исследования показали, что наплавленный металл по механическим свойствам соответствует основному металлу обода колеса.

Как показали расчеты, от восстановления одной колесной пары, забракованной по толщине обода колеса, можно получить до 15 млн. руб. экономии. По статистическим данным, ежегодно по толщине обода колеса выбраковывается 25 - 30% колесных пар.

Литература.

1. Инструкция по осмотру освидетельствования, ремонту и формированию колесных пар ЦВ/3429 Москва "Транспорт" 1977, с. 16 - 18.

2. Описание изобретения к а.с. СССР N 1157089, М.кл. C 21 D 7/04, 1985.

3. Описание изобретения к патенту РФ N 2041785, кл. B 23 P 6/00, C 21 D 7/04, 1995.

4. Земзин В. Н. , Шрон Р. З. Термическая обработка и свойства сварных соединений. Л.: Машиностроение, 1978, с. 99 и 100.

5. Тратин В. Ф. Металловедение сварки плавления. Киев: Наука Думка, 1982, с. 129 и 130.

6. Сварочные материалы для механизированных способов дуговой сварки. М.: Машиностроение, 1983, с. 13.

Способ можно использовать при восстановлении изношенных поверхностей деталей, в частности изношенных поверхностей обода вагонных колес. После обточки изношенной поверхности обода колеса подогревают внешним источником тепла при равномерном вращении колеса до температуры не менее 100^oC. Затем подбирают сварочную проволоку с содержанием углерода в 0,06 - 0,1%, марганца 0,35 - 2,0%, молибдена 0,5 - 0,7%, хрома 0,9 - 1,25%, ванадия 0,2 - 0,5%, применяют флюс или комбинацию флюсов с содержанием SiO₂ в пределах 33 - 44%, MnO 26 - 38%, CaF₂ 3,5 - 8,4%, CaO 6,5 - 10,5%, MgO 5,0 - 15,8%, Al₂O₅ 4,5 - 6,6%. Наплавку производят при напряжении 28 - 30 В, силе тока 260 - 300 А, скорости вращения колеса один оборот за 8 - 10 мин. Наплавку ведут двумя электродами, расположенными под углом 90^o к поверхности наплавки, друг за другом на расстоянии 50 мм и со смещением электродов поперек шва на 1,5 - 2,5 мм. Вначале наплавляют вершину гребня, затем наплавляют первый слой на горизонтальный участок поверхности катания от торца к гребню. После этого охлаждают до температуры предварительного подогрева, наплавляют второй слой и заканчивают наплавкой рабочей части гребня. Способ обеспечивает высокую производительность наплавки при снижении энергозатрат на предварительный подогрев обода, высокое качество наплавки.

Способ восстановления поверхности катания вагонных колес, включающий механическую обработку изношенной поверхности, предварительный их подогрев, наплавку сварочной проволокой с последующим замедленным охлаждением и механической обточкой наплавки, отличающийся тем, что обточенную поверхность обода колеса подогревают при равномерном вращении колеса до температуры не менее 100^oC, подбирают сварочную проволоку с содержанием углерода в пределах 0,06 - 0,1%, марганца - 0,35 - 2,0%, молибдена - 0,5 - 0,7%, хрома - 0,9 - 1,25%, ванадия - 0,2 - 0,5%, флюс или комбинацию флюсов с содержанием SiO₂ в пределах 33 - 44%, MnO - 26 - 38%, CaF₂ - 3,5 - 8,4%, CaO - 6,5 - 10,5%, MgO - 5,0 - 15,8%, Al₂O₃ - 4,5 - 6,6%, наплавку производят при напряжении 20 - 30 В, силе тока 260 - 300 А, скорости вращения колеса один оборот за 8 - 10 мин двумя электродами, расположенными по углом 90^o к поверхности наплавки друг за другом на расстоянии 50 мм и со смещением поперек наплавки на 1,5 - 2,5 мм в следующей последовательности: прежде наносят подогревающий валик на вершину гребня, затем первый слой горизонтального участка поверхности катания от торца к гребню, охлаждают до температуры предварительного подогрева, после чего наносят второй слой и заканчивают наплавкой рабочей части гребня.