СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС Российский патент 2009 года по МПК C21D9/34 

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 σ_r, МПа σ₀, МПа σ_θ, МПа σ_i, МПа ε_i ^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 σ_r, МПа σ_о, МПа σ_θ, МПа σ_i, МПа ε_i ^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 σ_r, МПа σ_о, МПа σ_θ, Мпа σ_i, МПа ε_i ^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.

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.

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.