Способ термической обработки железнодорожных колес из стали Российский патент 2024 года по МПК C21D9/34 C22C38/46 C22C38/44 C22C38/42 

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке железнодорожных колес.

Известен способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес [1] (Авторское свидетельство СССР №724583 Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. МПК C21D 9/34, C21D 7/14, опубл. 30.03.1980, бюл. №12.), заключающийся в их нагреве до температуры аустенизации, прерывистом охлаждении охладителем поверхности обода при вращении колеса и последующей выдержке колеса на воздухе. Расход охладителя в процессе всего времени охлаждения остается неизменным.

При таком способе невозможно получить высокую износостойкость обода одновременно по всей его глубине, так как скорость охлаждения внутренних слоев металла обода всегда ниже, чем скорость охлаждения наружного слоя. Для получения во внутренних слоях металла структуры в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита, обеспечивающих их высокую износостойкость, необходимо охлаждать поверхностный слой обода со скоростью выше оптимальной, предлагаемой [1], но это приводит к образованию в нем структуры типа мартенсита отпуска, склонной к выкрашиванию и обладающей малой износостойкостью.

Известен способ термической обработки железнодорожных колес [2] (Патент РФ №2124056 Способ термической обработки стальных колес. МПК C21D 9/34, опубл. 27.12.1998), включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, дифференцированное охлаждение обода водой до температуры Mn+ (30-50°C) со скоростью, близкой к критической скорости закалки на мартенсит, далее до температуры 240-300°С со скоростью 1-2°С/с и низкий отпуск.

Недостатками данного способа является низкая износостойкость колес, так как поверхностные слои имеют структуру мартенсита склонного к выкрашиванию при ударных нагрузках. При таком способе невозможно получить однородные механические свойства и твердость по всему рабочему слою колеса.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является способ термической обработки железнодорожных колес [3] (Патент РФ №2763906 «Способ термической обработки железнодорожных колес». МПК C21D9/34, опубл.11.01.2022, бюл. №2) из стали, содержащей, мас.%: С 0,55-0,63, Mn 0,50-0,90, Si 0,22-0,45, Cr ≤0,20, Ni ≤0,25, V 0,02-0,07, Mo 0,04-0,06, Fe - остальное, включающий нагрев до температуры аустенизации, охлаждение рабочего слоя элементов обода колеса, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, при этом рабочий слой каждого элемента обода колеса охлаждают в течение 300 секунд одновременно, при этом при охлаждении осуществляют регулирование расхода воды или воздуха на каждый элемент обода колеса в периоды охлаждения соответственно: по кругу катания колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды до 0,012 л/см²⋅с, в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,012 до 0,016 л/см²⋅с, в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,016 до 0,049 л/см²⋅с и по наружной боковой поверхности обода колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды до 0,035 л/см²⋅с, в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,035 до 0,038 л/см²⋅с, в период в течение 270 секунд от 0,038 до 0,044 л/см²⋅с, а внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают в первый период в течение 180 секунд без расхода воды и с расходом воздуха 0,015 м³/см²⋅с, в период в течение 60 секунд с расходом воды до 0,003 л/см²⋅с и расходом воздуха 0,015 м³/см²⋅с, в период в течение 60 секунд с расходом воды от 0,003 до 0,005 л/см²⋅с и расходом воздуха 0,015 м³/см²⋅с.

Данный способ отличается низкими удельными расходами. Данный способ приемлем только для сталей с содержанием углерода от 0,55% до 0,63%, так как заданные скорости охлаждения в данном способе не позволяют получить высокую твердость для сталей с содержанием углерода от 0,48% до 0,52%.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости рабочего слоя обода за счет получения однородной структуры тонкопластинчатого перлита как непосредственно на поверхности, так и на глубине обода и увеличение механических свойств обода колеса, а также приободной части диска колеса за счет дифференцированного охлаждения трех элементов обода (два торца обода и круг катания) независимо друг от друга.

Технический результат достигается тем, что заявленный способ термической обработки железнодорожных колес из стали, содержащей масс. %: С (0,48-0,52), Mn (0,70-0,80), Si (0,30-0,40), Cr (0,10-0,20), Ni (0,10-0,20), V (0,02-0,04), Mo (≤0,08), S (≤0,015), P (≤0,020), Cu (≤0,20), Fe - остальное, включает нагрев колеса до температуры аустенизации, охлаждение рабочего слоя обода колеса, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, согласно изобретения охлаждение поверхностного слоя обода колеса осуществляют в течение 300 секунд, при этом охлаждение элементов обода осуществляют водой с регулированием ее расхода на отдельные элементы обода в период охлаждения соответственно: по кругу катания колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,013 до 0,016 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,016 до 0,030 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,030 до 0,070 л/(см²⋅с) и по наружной боковой поверхности обода колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,020 до 0,030 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,030 до 0,045 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,045 до 0,060 л/(см²⋅с), а внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают водо-воздушной смесью в первый период в течение 15 секунд c расходом воды от 0,003 до 0,005 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,005 до 0,007 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,007 до 0,009 л/(см²⋅с), в период в течение 300 секунд с расходом воздуха 0,013-0,020 м³/(см²⋅с).

Отличительными признаками заявленного способа является:

- управляемый процесс закалки с регулируемым расходом охладителя;

- три охлаждающих водяных контура и один охлаждающий воздушный контур;

- ступенчатое повышение расходов воды по всем контурам с постоянным расходом воздуха;

- равная скорость охлаждения обода колеса за счет точной настройки форсунок по местоположению относительно поверхности обода и программируемого расхода охладителя по каждому элементу обода.

За счет заявленного решения можно обеспечить одинаковую скорость охлаждения наружного слоя и внутренних слоев металла обода колеса, максимально выровнять структуру металла на поверхности и в глубине, получив оптимальную структуру по всей толщине рабочего слоя обода. Это происходит за счет того, что наружный слой металла обода при малом расходе охладителя охлаждается со скоростью достаточной, чтобы получить оптимальную структуру металла в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита без мартенсита отпуска. Слои на глубине 35 мм также охлаждаются со скоростью, близкой к оптимальной, за счет увеличения подачи охладителя на наружный слой обода.

Оптимальный расход охладителя по всем элементам обода и время его применения определяется предварительно опытным путем как расход, требуемый для получения необходимых свойств на глубине 35 мм.

Пример выполнения

Предлагаемый способ был опробован в колесобандажном цехе АО «ЕВРАЗ НТМК». Термической обработке по предлагаемому способу подвергались колеса одной плавки, химический состав которых приведен в таблице 1. После нагрева до температуры аустенизации (860°C) колеса подвергались закалке. Закалка колес производилась при их вращении со скоростью 30 об/мин. Режим закалки по кругу катания колеса приведен в таблице 2. Режим закалки по наружной боковой поверхности колеса приведен в таблице 3. Режим закалки по внутренней боковой поверхности колеса приведен в таблице 4.

Охладитель для закалки обода подавался через блок клапанов, открываемых по заданному режиму охлаждения на два контура водяного охлаждения и один контур воздушного охлаждения. Тем самым обеспечивалось плавное регулируемое увеличение расхода охладителя от начального значения до оптимального. После закалки колеса подвергались охлаждению на воздухе во время транспортировки их к отпускным печам и отпуску при оптимальной температуре.

У колес, закаленных по заявляемому способу на глубине до 35 мм тонкодисперсный пластинчатый перлит, равномерно переходящий на глубине 50 мм в сорбидообразный пластинчатый перлит с минимальными участками феррита.

В таблице 5 приведены механические свойства и твердость колес, закаленных по заявленному режиму.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный способ позволяет:

- получить структуру тонкодисперстного пластинчатого перлита, обладающего высокой износостойкостью, как на поверхности, так и в глубине обода колеса;

- увеличить временное сопротивление при одновременном улучшении пластических свойств.

- получить стабильно высокую твердость по сечению обода колеса на глубине до 35 мм.

Источники информации:

[1] Авторское свидетельство СССР №724583. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. МПК C21D 9/34, C21D 7/14, заявители: ИЧМ, Нижнеднепровский трубопрокатный завод, НТМК, опубл. 30.03.1980, бюл. №12;

[2] Патент РФ №2124056 Способ термической обработки стальных колес. МПК C21D 9/34, опубл. 27.12.1998;

[3] Патент РФ №2763906 Способ термической обработки железнодорожных колес. МПК C21D 9/34, опубл.11.01.2022, бюл. №2.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки железнодорожных стальных колес. Колеса выполнены из стали, содержащей мас.%: С: 0,48-0,52, Mn: 0,70-0,80, Si: 0,30-0,40, Cr: 0,10-0,20, Ni: 0,10-0,20, V: 0,02-0,04, Mo: ≤0,08, S: ≤0,015, P: ≤0,020, Cu: ≤0,20, Fe – остальное. Колеса нагревают до температуры аустенизации, охлаждают рабочий слой обода колеса и осуществляют последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск. Охлаждение поверхностного слоя обода колеса осуществляют в течение 300 секунд. Охлаждение элементов обода осуществляют водой с регулированием ее расхода на отдельные элементы обода в период охлаждения соответственно: по кругу катания колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,013 до 0,016 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,016 до 0,030 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,030 до 0,070 л/(см²⋅с). Охлаждение по наружной боковой поверхности обода колеса осуществляют в первый период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,020 до 0,030 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,030 до 0,045 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,045 до 0,060 л/(см²⋅с). Внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают водовоздушной смесью в первый период в течение 15 секунд c расходом воды от 0,003 до 0,005 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,005 до 0,007 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,007 до 0,009 л/(см²⋅с), в период в течение 300 секунд с расходом воздуха 0,013-0,020 м³/(см²⋅с). Обеспечивается повышение износостойкости рабочего слоя обода колеса за счет формирования однородной структуры тонкопластинчатого перлита как на поверхности, так и на глубине обода, а также повышение механических свойств обода колеса. 5 табл., 1 пр.

Способ термической обработки железнодорожных колес из стали, содержащей мас.%: С: 0,48-0,52, Mn: 0,70-0,80, Si: 0,30-0,40, Cr: 0,10-0,20, Ni: 0,10-0,20, V: 0,02-0,04, Mo: ≤0,08, S: ≤0,015, P: ≤0,020, Cu: ≤0,20, Fe - остальное, включающий нагрев колеса до температуры аустенизации, охлаждение рабочего слоя обода колеса, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, отличающийся тем, что охлаждение поверхностного слоя обода колеса осуществляют в течение 300 секунд, при этом охлаждение элементов обода осуществляют водой с регулированием ее расхода на отдельные элементы обода в период охлаждения соответственно: по кругу катания колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,013 до 0,016 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,016 до 0,030 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,030 до 0,070 л/(см²⋅с) и по наружной боковой поверхности обода колеса в первый период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,020 до 0,030 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,030 до 0,045 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,045 до 0,060 л/(см²⋅с), а внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают водовоздушной смесью в первый период в течение 15 секунд c расходом воды от 0,003 до 0,005 л/(см²⋅с), в период в течение 15 секунд с расходом воды от 0,005 до 0,007 л/(см²⋅с), в период в течение 270 секунд с расходом воды от 0,007 до 0,009 л/(см²⋅с), в период в течение 300 секунд с расходом воздуха 0,013-0,020 м³/(см²⋅с).