СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕС Российский патент 1999 года по МПК C21D9/34 

Изобретение относится к термической обработке проката и может быть использовано при производстве колес для железнодорожного транспорта.

Известные технологии производства цельнокатаных колес [1] включают операцию противофлокенной обработки (изотермической выдержки) после их прокатки. Она заключается в выдержке при температуре около 600^oC в отапливаемых печах в течение 2-3 часов. При этом считается, что при умеренном (2-3 см³/100 г) содержании водорода в стали флокены в металле готовых изделий не должны образовываться. После изотермической выдержки колеса охлаждаются до температуры окружающей среды, в течение нескольких суток проходят холодную обработку (осмотр, ремонт, механическую обработку) и лишь потом вновь подвергаются тепловой обработке (нагрев под закалку и отпуск).

Процесс удаления водорода из прокатанного металла состоит из двух стадий [2]:
1) Выделение его из раствора, которое происходит тем интенсивнее, чем ниже температура металла.

2) В процессе диффузии, которая протекает тем быстрее, чем выше температура металла.

В связи с этим весьма полезным является переохлаждение колес после прокатки до 300-350^oC, обеспечив тем самым ускоренное выделение водорода из раствора его в α-железе, а затем нагреть и выдержать при максимально возможной температуре, когда скорость диффузии его из металла будет наибольшей.

В качестве прототипа принят известный способ термической обработки колес в процессе их производства, который включает нагрев исходных заготовок под деформацию, прокатку колес в горячем состоянии, изотермическую выдержку, термоупрочнение, отпуск, переохлаждение колес, выдержку на воздухе и охлаждение колес до температуры окружающей среды [3]. При этом в тепловой обработке колес образуется технологический разрыв - охлаждение колес до температуры окружающей среды после изотермической выдержки. Принятый термин "переохлаждение" колес означает снижение температуры их до величины не ниже 300-350^oC, ниже которой, при соответствующих условиях, образование флопенов весьма вероятно.

Последовательность технологических операций по прототипу следующая (таблица 1, чертеж). Исходные заготовки нагревают в кольцевых печах до температуры 1280^oC, осаживают и формуют на прессах, прокатывают на стане и калибруют на прессе. При этом температура металла снижается до 900^oC. Затем колеса подстуживают на конвейере и в стопах, выдерживают при температуре 350-450^oC, после чего помещают в отапливаемые колодцы для противофлопенной обработки - изотермическая выдержка в течение 2,5 часов при температуре 600^oC. По окончании этой операции колеса выставляют на склад, где остывают до температуры окружающей среды цеха (20^oC). На этом заканчивается основная тепловая обработка колес, которая способствует удалению водорода из металла. При повышенном содержании водорода в колесной стали (более 3 см³ на 100 г металла) флопены образуются при охлаждении колес ниже 300^oC, т.е. после изотермической выдержки. На складе нахождение колес в холодном состоянии по времени не регламентируется (практически от 2 до 5 суток) и за это время подвергаются осмотру, ремонту, механической обработке. Затем колеса нагревают в кольцевых печах до температуры аустенитизации (900^oC), охлаждают на закалочных машинах до температуры 500^oC и подвергают отпуску в отапливаемых колодцах при температуре 550^oC в течение 2,5 часов. После отпуска колеса выставляют стопами на склад, где они охлаждаются до температуры окружающей среды (20^oC). В процессе термического упрочнения наблюдается искажение профиля обода, его коробление и другие размерные отклонения. Это требует контроля и повторной механической обработки (ремонта). Таких колес около 10%.

Основные недостатки рассматриваемой технологии: повышенный расход энергоресурсов при нагреве "холодных" колес под термоупрочнение от 20^oC; необходимость использования дополнительных складских площадей при складировании колес после изотермической выдержки, после осмотра, после ремонта, после механической обработки; необходимость повторного осмотра, замеров и ремонта после термической обработки по искажению профиля обода; образование флокенов в металле обода при охлаждении колес после изотермической выдержки.

Задачей заявляемого способа является обеспечение более эффективного удаления водорода из металла колес и повышение технико-экономических показателей их производства.

Эта задача решается за счет того, что в способе тепловой обработки колес в процессе их производства, включающем нагрев исходных заготовок под деформацию, прокатку колес в горячем состоянии, изотермическую выдержку, термоупрочнение, отпуск, переохлаждение колес, выдержку на воздухе и охлаждение до температуры окружающей среды, исходные заготовки и колеса, от нагрева под деформацию до отпуска термоупрочненных колес, подвергают непрерывной тепловой обработке с двойным переохлаждением и выдержкой на воздухе, при этом после прокатки и первого переохлаждения и выдержки на воздухе колеса подогревают до температуры аустенитизации, а после термоупрочнения и второго переохлаждения и выдержки на воздухе осуществляют совмещенные операции отпуска и изотермической выдержки, причем в процессе переохлаждения подогрев колес после прокатки до температуры аустенитизации осуществляют от температуры 350-450^oC, совмещенные технологические операции отпуска и изотермической выдержки осуществляют в течение 3,0-3,5 часа, а выдержку колес на воздухе после переохлаждения производят в течение 0,5-0,8 часа.

Изобретение поясняется чертежом, где представлены графики прерывной (1) и непрерывной (2) тепловой обработки колес.

Отличительными признаками в заявляемом способе являются:
Непрерывная тепловая обработка колес, без промежуточного охлаждения, от нагрева исходных заготовок до отпуска колес.

Двойное переохлаждение металла колес до 350^oC с выдержкой на воздухе при этой температуре.

Подогрев колес после прокатки, переохлаждения и выдержки до температуры аустенитизации.

Осуществление совмещенных операций отпуска и изотермической выдержки после термоупрочнения.

Ограничение температуры переохлаждения колес величиной 350^oC.

Подогрев колес под температуру аустенитизации от 350-450^oC.

Осуществление совмещенных операций отпуска и изотермической выдержки в течение 3,0-3,5 часа.

Осуществление выдержки колес на воздухе после переохлаждения в течение 0,5-0,8 часа.

Сущность способа заключается в следующем (таблица 1; чертеж). После прокатки колес и снижения температуры металла от 1280 до 900^oC осуществляют первое переохлаждение и выдержку на воздухе при температуре 350^oC в течение 0,5-0,8 часа. Затем колеса подогревают до температуры 900^oC, вновь охлаждают (термоупрочнение) до температуры 350^oC, выдерживают на воздухе в течение 0,5-0,8 часа (второе переохлаждение) и вновь подогревают до температуры 550^oC (отпуск+изотермическая выдержка). При высоком содержании в стали водорода (более 2 см³ на 100 г) такое глубокое переохлаждение металла колес (350^oC) с высокой температуры и последующий ее подъем, причем двойной такой процесс благоприятно сказывается на выделение до безопасного уровня (менее 2 см³ на 100 г) водорода. Это связано с необходимостью гарантированного превращения железа γ в α, так как сохранение отдельных участков аустенита не дает возможности в процессе изотермической выдержки по старой технологии эвакуировать водород из металла и равномерно распределить его остаточное содержание в объеме обода. Предложенные два переохлаждения металла в процессе непрерывной тепловой обработки решают основное противоречие в интенсивности выделения водорода из раствора при низких температурах и в процессе диффузии при высоких температурах.

Принятый нижний уровень переохлаждения 350^oC объясняется тем, что флокены в металле начинают образовываться при температурах несколько ниже 300^oC. Чтобы гарантированно исключить трещинообразование в металле, принята несколько более высокая температура переохлаждения.

Проведение совмещенных технологических операций отпуска и изотермической выдержки в течение 3,0-3,5 часов, т.е. принята несколько увеличенная продолжительность, объясняется тем, что температура этих совмещенных операций 550^oC (температура, обеспечивающая требуемый уровень свойств металла) ниже оптимальной температуры противофлопенной обработки колесного металла (600^oC).

Выдержка на воздухе охлажденных колес в течение 0,5-0,8 часов определена экспериментально и соответствует: 0,5 часа - для стали с максимальным содержанием углерода 0,65%, 0,8 часа - с минимальным содержанием углерода 0,55%.

Новая технология непрерывной тепловой обработки колес обеспечивает: гарантированное удаление водорода из металла до уровня не более 1 см³ на 100 г за счет непрерывной, в течение 9-10 часов, тепловой обработки заготовок и колес с двумя переохлаждениями (вместо 4,5-6,0 часов по старой технологии), экономию энергоресурсов (газа), цеховых площадей за счет выведения из эксплуатации 50 отапливаемых отпускных колодцев и сокращения промежуточных складов, полной ликвидации ремонта колес перед их приемкой, т.к. механическая обработка осуществляется после термической и размерные отклонения отсутствуют.

Пример. При производстве цельнокатаных железнодорожных колес диаметром 957±7 мм исходные заготовки массой 475 кг нагревали в кольцевой печи до температуры 1280^oC в течение 5 часов. Их осаживали на прессе 3000 тс, формовали на прессе 7000 тс, прокатывали на стане и калибровали на прессе 3000 тс. При этом температура колес снижалась до 900^oC. В течение 20 мин колеса охлаждали на ленточном транспортере до температуры 350^oC, собирали в стопы по 6 штук и при этой температуре выдерживали в течение 30 мин. Затем колеса помещали в кольцевые печи и подогревали до температуры 900^oC в течение 2 часов, после чего на закалочных столах термоупрочняли обод (охлаждали водой в течение 150 с) с понижением температуры обода до 500^oC. На транспортере температуру металла снижали до 350^oC, собирали в стопы по 6 штук и выдерживали при этой температуре в течение 30 мин. После этого колеса стопами помещали в отапливаемые колодцы, подогревали до 550^oC и выдерживали при этой температуре в течение 3,5 часов (совмещенный процесс отпуска и изотермической выдержки). По завершении этого процесса колеса охлаждали на воздухе до температуры окружающей среды. В этом состоянии колеса осматривали, подвергали ремонту и механически обрабатывали. При контроле качества флокены отсутствовали.

Литература
1. Узлов И.Г. и др. Колесная сталь. Киев, Техника, 1985 г., с. 95-96.

2. Бибик Г.А. и др. Производство железнодорожных колес. М., Металлургия, 1982, с. 157-162.

3. Авт. свид. N 245826. Способ термической обработки ж.д. колес и дисков. Бюл. N 20, 1969 г. (прототип).

Изобретение относится к термической обработке проката и может быть использовано при производстве цельнокатаных железнодорожных колес. Техническим результатом является обеспечение более эффективного удаления водорода из металла колес и повышение технико-экономических показателей их производства. Она решается за счет того, что в способе тепловой обработки колес в процессе их производства, включающем нагрев исходных заготовок под деформацию, прокатку колес в горячем состоянии, изотермическую выдержку, термоупрочнение, отпуск, переохлаждение колес, выдержку на воздухе и охлаждение до температуры окружающей среды, согласно изобретению исходные заготовки и колеса, от нагрева под деформацию до отпуска термоупрочненных колес, подвергают непрерывной тепловой обработке с двойным переохлаждением и выдержкой на воздухе, при этом после прокатки и первого охлаждения и выдержки на воздухе колеса подогревают до температуры аустенитизации, а после термоупрочнения и второго переохлаждения и выдержки на воздухе осуществляют совмещенные операции отпуска и изотермической выдержки, причем в процессе переохлаждения колес температуру металла не опускают ниже 350^oС. При этом подогрев колес после прокатки до температуры аустенитизации ведут от температуры 350^oС, совмещенные технологические операции отпуска и изотермической выдержки осуществляют в течение 3,0 - 3,5 ч, а выдержку колес на воздухе после переохлаждения производят в течение 0,5 - 0,8 ч. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ тепловой обработки колес в процессе их производства, включающий нагрев исходных заготовок под деформацию, прокатку колес в горячем состоянии, изотермическую выдержку, термоупрочнение, отпуск, переохлаждение колес, выдержку на воздухе и охлаждение до температуры окружающей среды, отличающийся тем, что исходные заготовки и колеса, от нагрева под деформацию до отпуска термоупрочненных колес, подвергают непрерывной тепловой обработке с двойным переохлаждением и выдержкой на воздухе, при этом после прокатки и первого переохлаждения и выдержки на воздухе колеса подогревают до температуры аустенитизации, а после термоупрочнения и второго переохлаждения и выдержки на воздухе осуществляют совмещенные операции отпуска и изотермической выдержки, причем в процессе переохлаждения колес температуру металла не опускают ниже 350^oC. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев колес после прокатки до температуры аустенитизации ведут от температуры 350^oC, совмещенные технологические операции отпуска и изотермической выдержки осуществляют в течение 3,0 - 3,5 ч, а выдержку колес на воздухе после переохлаждения производят в течение 0,5 - 0,8 ч.