Способ термической обработки железнодорожных колес из стали Российский патент 2024 года по МПК C21D9/34 C22C38/50 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 C22C38/42 

Изобретение относиться 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 C21D9/34, C21D7/14, 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 C21D9/34, опубл. 27.12.1998), включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, дифференцированное охлаждение обода водой до температуры Mн+(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.

Известен способ термической обработки железнодорожных колес [3] (Патент № 2668872 Способ термической обработки железнодорожных колес. МПК C21D9/34, опубл. 04.10.2018), включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, дифференцированное охлаждение рабочего слоя и обоих торцев обода колеса в течение 420 с, при этом охлаждение рабочего слоя обода колеса по кругу катания осуществляется водой с расходом от 0,005 до 0,006 л/(см²⋅с) в первые 120 с, от 0,006 до 0,007 л/(см²⋅с) в период 120 с, от 0,007 до 0,008 л/(см²⋅с) в период 60 с, от 0,008 до 0, 009 л/(см²⋅с) в период 60 с, от 0,009 до 0,012 в период 60 с. По наружной боковой поверхности колесо охлаждается водой с расходом от 0,013 до 0,015 л/(см²⋅с) в период 120 с, от 0,015 до 0,017 л/(см²⋅с) в период 60 с, от 0,02 до 0,022 л/(см²⋅с) в период 120 с, от 0,022 до 0,024 л/(см²⋅с) в период 120 с. По внутренней боковой поверхности обода колесо охлаждается водовоздушной смесью с расходом воздуха 0,015 м³/(см²⋅с) и расходом воды 0,0055 л/(см²⋅с) в течение 420 с. Температура воды при закалке (35-3)°С.

Недостатком данного способа является то, что вода подается сразу по трем поверхностям обода колеса, подача воды осуществляется в течение 420 секунд. Данный способ приемлем лишь для узкого химического состава колесных сталей. Всестороннее охлаждение водой и повышенное время охлаждения могут приводить к появлению мартенситных структур и как следствие к выкашиванию ободьев колес в процессе эксплуатации, кроме того, данный метод приемлем для колес, производимых по американскому стандарту M-107/M-208 [4], не регламентирующему остаточные напряжения в колесе.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является способ термической обработки железнодорожных колес [5] (Патент РФ № 2451093 Способ термообработки железнодорожных колес. МПК C21D9/34, опубл. 20.05.2012, бюл. № 14), включающий нагрев до температуры аустенизации, дифференцированное охлаждение рабочего слоя обода и его торца со стороны гребня в течение 300 с, при этом охлаждение рабочего слоя обода в первые 180 с осуществляется при дискретном увеличении расхода охладителя от 0,0005 до 0,02 л/(см²⋅с) на 0,0001 л/(см²⋅с) через каждые 15-30 и в последующие 120 с при постоянном расходе охладителя до 0,5 л/(см²⋅с), а охлаждение торцевой поверхности обода со стороны гребня осуществляется воздухом с расходом 0,5 м³/(см²⋅с) с последующей выдержкой колеса на воздухе и отпуском при оптимальной температуре.

Данный способ приемлем только для сталей с содержанием углерода от 0,62 % до 0,70 %, так как градиенты роста скорости охлаждения в данном способе являются избыточными для сталей с содержанием углерода выше 0,70 %, что может привести к появлению не допустимых мартенситных структур в ободе железнодорожного колеса, а также не допустимых остаточных напряжений, регламентируемых ГОСТ 10791-2011 [6].

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 двух элементов обода (торца обода со стороны гребня и круга катания) независимо друг от друга.

Предлагаемый способ позволяет получать железнодорожные колеса с твердостью обода не менее 360 НВ - на глубине 30 мм от круга катания и не менее 330 НВ - на глубине 50 мм от круга катания.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ термической обработки железнодорожных колес из стали, содержащей масс. %: С (0,68-0,78), Mn (0,60-1,00), Si (0,22-0,65), Cr (0,20-0,60), Ni (≤0,35), V (0,05-0,15), Mo (≤0,08), S (0,005-0,015), P (≤0,020), Cu (0.25), Ti (0,03), Nb (0,01), Fe - остальное, включает нагрев 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 360 с жидким охладителем или воздушной смесью, при этом охлаждение элементов обода осуществляют водой с регулированием ее расхода на отдельные элементы обода в период охлаждения соответственно: по кругу катания от 0,0040 до 0,0060 л/(см²⋅с) в первый период 90 с, от 0,0060 до 0,0090 л/(см²⋅с) в период 30 с, от 0,0090 до 0,0120 л/(см²⋅с) в период 30 с, от 0,0120 до 0,0150 л/(см²⋅с) в период 30 с, от 0,0150 до 0,0165 л/(см²⋅с) в период 30 с, от 0,0165 до 0,0175 л/(см² ⋅с) в период 30 с, от 0,0175 до 0,0190 л/(см²⋅с) в период 30 с, от 0,0190 л/(см²⋅с) до 0,0300 л/(см²⋅с) в период 90 с, а внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают воздухом с расходом воздуха 0,015-0,020 м³/(см²⋅с) в период 360 с.

Отличительными признаками заявленного способа является:

- управляемый процесс закалки с регулируемым расходом охладителя;

- плавное увеличение расхода охладителя по кругу катания в первые 270 секунд;

- один охлаждающий водяной контур и один охлаждающий воздушный контур;

- подача охладителя в течение 360 секунд;

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 30-50 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 30-50 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 внутренней боковой поверхности колеса приведен в таблице 3.

Охладитель для закалки обода подавался через блок клапанов, открываемых по заданному режиму охлаждения на один контур 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 30 мм тонкодисперсный пластинчатый перлит, равномерно переходящий на глубине 50 мм в сорбидообразный пластинчатый перлит с минимальными участками феррита.

В таблице 4 приведены механические свойства и твердость колес, закаленных по заявленному режиму.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный способ позволяет:

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

- увеличить временное сопротивление при одновременном сохранении пластических свойств;

- получить стабильно высокую твердость по сечению обода колеса: не менее 360 НВ - на глубине 30 мм от круга катания и не менее 330 НВ - на глубине 50 мм от круга катания;

- увеличение на 15 % износостойкости рабочего слоя гребня, увеличение на 13 % износостойкости обода, по отношению к известному прототипу, колесам из стали марки Т [7].

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР № 724583. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. МПК C21D9/34, C21D7/14, заявители: ИЧМ, Нижнеднепровский трубопрокатный завод, НТМК, опубликован 30.03.1980, бюл. № 12;

2. Патент РФ № 2124056. Способ термической обработки стальных колес. МПК C21D9/34, патентообладатель: АО «Выксунский металлургический завод», опубликован 27.12.1998;

3. Патент РФ № 2668872. Способ термической обработки железнодорожных колес. МПК C21D9/34, патентообладатель: АО «ЕВРАЗ НТМК», опубликован 04.10.2018, бюл. № 28;

4. M-107/M-208 Колеса из углеродистой стали;

5. Патент РФ № 2451093. Способ термической обработки железнодорожных колес. МПК C21D9/34, патентообладатель: ОАО «ЕВРАЗ НТМК», опубликован 25.05.2012, бюл. № 14;

6. ГОСТ 10791-2011 «Колеса цельнокатаные. Технические условия».

7. Результаты натурных испытаний на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ».

Таблица 1. Химический состав сравнительных плавок

Плавка Массовая доля элементов, % С Mn Si Cr Ni V Mo S P Cu Ti Nb Fe Предлагаемый 0,76 0,92 0,44 0,423 0,23 0,056 0,049 0,011 0,013 0,007 0,0032 0,005 остальное Известный [5] 0,67 0,83 0,40 0,25 0,23 0,076 0,044 0,01 0,013 0,027 - - остальное

Таблица 2. Временные параметры расходов охладителя (воды) по кругу катания колеса

Плавка Удельный расход охладителя,
л/см²⋅с Время увеличения расхода охладителя, с Общее время охлаждения, с Предлагаемый 0,0054
0,0089
0,0116
0,0146
0,0162
0,0173
0,0185
0,0262 90
30
30
30
30
30
30
90 360 Известный [5] 0,0005-0,001
0,0185-0,019
0,033 180
1
119 300

Таблица 3. Временные параметры расходов охладителя (воздуха) по внутренней боковой поверхности колеса

Плавка Удельный расход охладителя,
м³/см²⋅с Время увеличения расхода охладителя, с Общее время охлаждения, с Предлагаемый 0,015 360 360 Известный [5] 0,5 300 300

Таблица 4. Механические характеристики ободьев сравнительных плавок и микроструктура закаленного слоя

Плавка Механические свойства обода Микроструктура
Закаленного слоя и его глубина Временное
сопротив-
ление, н/мм² Относительное удлинение, % Относительное
сужение, % Твердость, НВ
на глубине Пластинчатый мелкодисперсный перлит 30 мм 50 мм Предлагаемый 1271 13 33 365 346 50 мм Известный [5] 1121 16 30 329 - 30 мм

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке железнодорожных колес. Способ включает нагрев колес до температуры аустенизации, закалку путем охлаждения рабочего слоя обода колеса, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск. До температуры аустенизации нагревают колесо из стали, содержащей, мас.%: С 0,68-0,78, Mn 0,60-1,00, Si 0,22-0,65, Cr 0,20-0,60, Ni≤0,35, V 0,05-0,15, Mo≤0,08, S 0,005-0,015, P≤0,020, Cu≤0,25, Ti≤0,03, Nb≤0,01, Fe - остальное. Закалку путем охлаждения рабочего слоя обода колеса осуществляют в течение 360 секунд. Охлаждение по кругу катания обода колеса осуществляют водой с регулированием ее расхода в период охлаждения соответственно: от 0,0040 до 0,0060 л/(см²⋅с) в период 90 секунд, от 0,0060 до 0,0090 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0090 до 0,0120 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0120 до 0,0150 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0150 до 0,0165 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0165 до 0,0175 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0175 до 0,0190 л/(см²⋅с) в период 30 секунд и от 0,0190 л/(см²⋅с) до 0,0300 л/(см²⋅с) в период 90 секунд. Внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают воздухом с расходом воздуха 0,015-0,020 м³/(см²⋅с) в период 360 секунд. Изобретение позволяет получать колеса, обладающие высокими механическими свойствами и высокой износостойкостью. 4 табл., 1 пр.

Способ термической обработки железнодорожных колес из стали, включающий нагрев колеса до температуры аустенизации, закалку путем охлаждения рабочего слоя обода колеса, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, отличающийся тем, что до температуры аустенизации нагревают колесо из стали, содержащей, мас.%: С 0,68-0,78, Mn 0,60-1,00, Si 0,22-0,65, Cr 0,20-0,60, Ni≤0,35, V 0,05-0,15, Mo≤0,08, S 0,005-0,015, P≤0,020, Cu≤0,25, Ti≤0,03, Nb≤0,01, Fe - остальное, а закалку путем охлаждения рабочего слоя обода колеса осуществляют в течение 360 секунд, при этом охлаждение по кругу катания обода колеса осуществляют водой с регулированием ее расхода в период охлаждения соответственно: от 0,0040 до 0,0060 л/(см²⋅с) в период 90 секунд, от 0,0060 до 0,0090 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0090 до 0,0120 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0120 до 0,0150 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0150 до 0,0165 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0165 до 0,0175 л/(см²⋅с) в период 30 секунд, от 0,0175 до 0,0190 л/(см²⋅с) в период 30 секунд и от 0,0190 л/(см²⋅с) до 0,0300 л/(см²⋅с) в период 90 секунд, а внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают воздухом с расходом воздуха 0,015-0,020 м³/(см²⋅с) в период 360 секунд.