СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИЗНАШИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК C21D1/06 C21D9/34 

Изобретение относится к области термомеханической обработки деталей и может быть использовано в машиностроительной промышленности для упрочнения рабочих/трущихся поверхностей деталей машин и механизмов, в частности изобретение относится к способу упрочнения изнашиваемых поверхностей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар.

Известен способ поверхностной электроконтактной закалки деталей, в котором для получения заданной глубины закаленного слоя контактные ролики прижимают к поверхности обрабатываемой детали давлением 0,6-0,8 от предела текучести материала детали и сообщают им движение с определенной скоростью (SU 1713943 A1, 23.02.1992).

Известен также способ поверхностной электроконтактной закалки деталей, согласно которому нагрев поверхности осуществляют пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой детали с определенным давлением и перемещаемые с требуемой скоростью, с последующим охлаждением зоны нагрева. При этом между контактными элементами создается давление на поверхности детали (SU 325092 A1, 23.07.1987).

Недостатком известных способов является высокий уровень остаточных внутренних напряжений при термообработке рельс и колес подвижного состава, что снижает их эксплуатационную надежность.

Известен способ упрочнения поверхностей электроконтактной термообработкой, включающий нагрев пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой поверхности под давлением, охлаждение зоны нагрева, в результате чего получают упрочненные полосы с модифицированной структурой (RU 2158313 C1, 27.10.2000).

В известном способе получают полосы, которые имеют одинаковую глубину по длине полосы.

Однако, исходя из физики взаимодействия трущихся поверхностей, необходимо отметить два факта: 1) глубина упрочненной полосы в исходном состоянии будет иметь максимальное значение - b_o, а в процессе работы детали будет идти износ поверхности и уменьшение глубины упрочненной полосы b_i (фиг.1)); 2) в процессе взаимодействия на поверхности возникают касательные - срезающие напряжения, возникающие за счет сил трения, которые имеют максимальное значение - τ_max на поверхности и уменьшаются по глубине (фиг.2). Сочетание двух факторов приводит к тому, что по мере увеличения износа уровень срезающих (касательных) напряжений, воздействующих на зону перехода от упрочненного металла к основному металлу, увеличивается (при этом b_i<b_o, a τ_I>τ₀). Следовательно, возрастает вероятность деформации, отслаивания или выкрашивания металла, а в итоге происходит уменьшение уровня износостойкости поверхностей.

Задачей данного изобретения является повышение уровня износостойкости поверхностей деталей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар, увеличение сроков их эксплуатации и снижение эксплуатационных расходов.

Данная задача в способе упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей решается за счет снижения касательных напряжений, воздействующих на зону перехода) от упрочненного металла к основному металлу. Это достигается за счет того, что в металле у поверхности создают полосы с модифицированной структурой, имеющие механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, при этом упрочненные полосы с модифицированной структурой создают постоянной или переменной шириной по длине полосы и переменной глубиной по длине полосы (фиг.3). То есть τ_i раскладывается на напряжения, действующие по нормали τ_н, и вдоль зоны перехода τ_i-п, при этом τ_i-п≤τ_ш.

При обработке поверхности полосы с иными, чем у основного металла детали, в частности рельса, механическими свойствами могут быть получены с помощью различных видов обработки, таких как сварка, термообработка лазером, плазмой или электроконтактным методом, пластическим деформированием. Получают полосы с различными геометрическими характеристиками: при одной и той же ширине полосы глубина воздействия может быть переменной (см. фиг.4), а также могут быть получены зоны с одновременным изменением и ширины и глубины (см. фиг.5).

Пример.

Для оценки влияния предлагаемого упрочнения проводилось упрочнение цельнокатаных железнодорожных колес, изготовленных из колесной стали марки 2 ГОСТ 10791 (см. таблицу).

Таблица Химический состав стали, % Марка стали С Mn Si P S Gr Ni Cu V 2 0,55-0,65 0,5-0,9 0,2-0,42 <0,035 <0,04 <0,25 <0,25 <0,25 -

Для изменения ширины и глубины упрочненной зоны использован режим импульсной электроконтактной обработки металла с изменением тепловложения вдоль траектории движения источника теплоты. К поверхности на гребне колеса прижималось два роликовых электрода для получения двух ленточных полос. Колесная пара приводилась во вращение, что обеспечивало линейную скорость движения V=5 мм/с.

В ходе подготовки данного патента были проведены соответствующие работы. При обработке вначале задавался ток I₁=4 750 A, который протекал на протяжении импульса t_И-1=0,14 с, затем ток отключался и наступала пауза t_П-2=0,6 с. Последовательно было сделано N₁=5 циклов (время цикла t_Ц-1=t_И-1+t_П-1). После чего задавался ток меньшей величины I₂=3000 A, с временем импульса t_И-2=0,08 с и временем паузы t_П-2=0,08 с. Было реализовано N₂=6 циклов нагрева вторым током I₂. Периодическое изменение в задании импульсов первого и второго токов продолжалось до полного упрочнения гребня по всему периметру (фиг.6).

В итоге получены кольцевые полосы, ширина c=var и глубина которых b=var изменялась соответственно:

при токе I₁ C_1-max=5,6 мм, b_1-max=2,1 мм;

при токе I₂ c_2-min=3,4 мм, b_2-min=1,2 мм (фиг.7).

Эксплуатационные испытания показали, что при пробеге электрички 28000 км износ гребней цельнокатаных колес с упрочненными четырьмя полосами в 2 раза меньше, чем у колес без упрочнения. При этом в упрочненных зонах с модифицированной структурой выкрашивания и других дефектов нет.

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. Для повышения износостойкости трущихся поверхностей колеса и увеличения срока эксплуатации колеса на поверхности катания и гребня создают полосы с модифицированной структурой, имеющие механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, при этом упомянутые полосы создают переменной ширины и глубины по периметру гребня колеса. 1 табл., 7 ил., 1 пр.

Способ упрочнения изнашиваемой поверхности железнодорожного колеса, включающий нагрев поверхности катания и гребня колеса с созданием полос с модифицированной структурой, имеющих механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, отличающийся тем, что нагрев осуществляют с обеспечением изменения тепловложения вдоль траектории вращения колеса и создают упомянутые полосы с модифицированной структурой переменной ширины и глубины по периметру гребня колеса.