Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали
METHOD OF HEAT TREATMENT OF SOLID-ROLLED RAILROAD WHEELS FROM ALLOYED STEEL

Изобретение относится к технологии обработки высоконагружаемых железнодорожных колес и может быть использовано для упрочняющей термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес различной формы с целью повышения физико-механических свойств и ресурса. В настоящее время колеса из углеродистых сталей с перлитной структурой исчерпали возможности дальнейшего повышения уровня механических свойств и стойкости в эксплуатации, в связи с чем актуальным является разработка способов термоупрочнения колес из новых экономно легированных марок сталей с получением другого типа микроструктуры стали с достижением новых уникальных характеристик продукции.
Известен способ упрочнения рабочей поверхности колеса низкотемпературной плазменной дугой прямого действия. В качестве плазмообразующего газа используют аргон, смесь аргона с гелием, смесь аргона с углеродосодержащими газами, при этом нагрев осуществляют с магнитной осцилляцией дуги с треугольной формой импульса напряжения, амплитудой сканирования 20-45 мм и дистанцией обработки 10-30 мм. Упрочненный поверхностный слой состоит из нескольких субслоев: на глубине 0,2-0,8 мм - структура мартенсита с вкраплениями верхнего бейнита, от 0,8 до 1,8 мм - троосто-мартенситная структура, от 1,8 до 2,5 мм - сорбито-мартенситная структура, от 2,5 до 3 мм - сорбит, более 3 м - структура основного металла феррито-перлитная. Способ поверхностного плазменно-дугового упрочнения железнодорожных колес позволяет значительно повысить производительность процесса упрочнения, повысить износостойкость, снизить вероятность развития водородной хрупкости металла и склонность к хрупкому разрушению (Патент RU 2430166, МПК C21D 9/34, C21D 1/09, опубликован 27.09.2011).
Данный способ имеет ряд недостатков: крайне малая глубина упрочненных слоев, а также высокая стоимость газоплазменного оборудования и его эксплуатации.
1/2
Известен способ обработки железнодорожных колес, в котором для обеспечения требуемых механических свойств стали и увеличения срока службы колес сначала колесо нагревают для формирования аустенита по всем участкам обода и диска (от 700 до 950°С в зависимости от состава стали). Выдерживают колеса при этой температуре в течение времени, достаточном для достижения полностью аустенитной структуры всей стали. Затем колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внешнем участке диска. Колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внутреннем участке обода. Колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внешнем участке обода. Этапы охлаждения выполняют последовательно, чтобы создать сжимающие остаточные напряжения на внешнем участке обода. При этом внешний участок диска охлаждают при закалке в течение 2-10 мин, внутренний участок обода охлаждают при закалке в течение 2-15 мин, а внешний участок обода охлаждают при комнатной температуре или альтернативно подвергают отпуску в течение 1-4 час. Колеса выполнены из стали, содержащей (% масс): углерод 0,05-0,30; марганец 3,00-5,00; кремний 0,45-1,85; железо - остальное. (Патент RU 2495144, МПК C21D 9/34, опубликован 10.10.2013). Показаны механические свойства сталей бейнитно-мартенситной микроструктуры: твердость 306-414 НВ; динамическая ударная вязкость 70,7-77,2 МПа⋅м.
Недостатком данного способа является низкая производительность процесса, сложность в организации дифференцированного охлаждения различных элементов колеса и гарантированном обеспечении необходимого уровня остаточных сжимающих напряжений в ободе.
Известен способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, включающий их нагрев до температуры аустенизации, вертикальную прерывистую закалку и отпуск («Оборудование термических цехов, технологии термической и комбинированной обработки металлопродукции». Большаков В.И., Долженков И.Е., Зайцев А.В., Днепропетровск, РИА «Днепр-VAL», 2010 г., стр. 395-400). При закалке осуществляют трехстороннее охлаждение обода, вращающегося в вертикальной плоскости колеса, водой из спрейерных устройств. При этом с целью обеспечения заданного уровня механических свойств колес продолжительность охлаждения при закалке, параметры отпуска устанавливают в зависимости от суммарного содержания в стали колес углерода плюс 1/4 марганца. Любая марка стали по данному показателю с учетом диапазона содержания С и Mn делится на несколько групп по назначенным режимам прерывистой закалки и отпуска. Продолжительность закалки колес с минимальным и максимальным содержанием в стали (С + 1/4 Mn) масс. % может отличаться до двух и более раз. Все это приводит к нарушению ритмичности работы производственных цехов, исходя из необходимости поплавочной обработки и приемки колес, к усложнению организации поплавочного потока в них, браку колес при их отставании от потока. Существенным недостатком также является то, что, несмотря на такое разделение колес по группам в пределах каждой марки стали, не удается достичь одинакового уровня механических свойств на колесах различных плавок.
Известен способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес из непрерывнолитых слитков (патент RU №2119841 МПК В21Н 1/04, C21D 9/34, С21С 7/00, опубл. 10.10.1998 г.). Способ включает выплавку ряда плавок конвертерной стали, внепечную обработку колесной стали с доведением суммы (С + 1/4 Mn) до определенной величины, непрерывную разливку в слитки, прокатку колес, термообработку путем нагрева колес до температуры термического упрочнения, охлаждение в течение определенного времени и отпуск. В процессе внепечной обработки сумму (С + 1/4 Mn) в стали доводят до постоянной величины для всех плавок, равной 0,815-0,864. Термическую обработку колес разных плавок ведут по единому режиму термоупрочнения с постоянным временем охлаждения и отпуска. На всех стадиях изготовления цельнокатаных железнодорожных колес одновременно используют слитки, полученные из разных плавок. Технический результат - обеспечение снижения брака колес, повышение и стабилизация уровня механических свойств колес, повышение срока их службы.
Недостатком способа изготовления колес из непрерывнолитых заготовок по патенту RU №2119841 является то, что при разбросе значений величины суммы (С + 1/4 Mn) в 0,05% и более для нивелирования влияния разброса содержания углерода и марганца и обеспечения необходимого уровня и стабилизации механических свойств сталь на практике дополнительно легируют ванадием, хромом, молибденом. Следует также отметить, что способ по данному патенту относится к изготовлению колес из стали марки 2 по ГОСТ 10791-2011 и не может быть применен при изготовлении колес с более высокими прочностными характеристиками обода.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ изготовления колес по патенту JP 2005-350769 A, МПК С22С 38/00, В60В 17/00, опубл. 22.12.2005. В данном патенте представлено колесо, в котором его поверхность катания имеет структуру, составленную бейнитной структурой, структурой мартенсита отпуска или смешанной структурой из бейнита и мартенсита отпуска. Для изготовления колес используется сталь следующего химического состава в мас. %: углерод 0,35-0,55; марганец 0,40-0,80; кремний 0,10-0,60; ванадий 0,005-0,30; фосфор ≤0,030; сера ≤0,030; молибден 0,20-0,60; никель 0,05-1,0; хром 0,50-1,5; медь 0,05-1,0; алюминий 0,005-0,10; титан 0,005-0,30; ниобий 0,005-0,30; железо - остальное.
Предпочтительный способ производства стали - вакуумная дегазация и непрерывная разливка. Термообработка колес производится нагревом до температуры аустенизации с выдержкой при этой температуре. Закалку обода проводят при непрерывном охлаждении водой, либо изотермическим превращением аустенита при погружении колеса в соляную ванну до формирования в ободе мартенситной или бейнитной, или смешанной мартенситно-бейнитной структуры с последующим отпуском.
Недостатком данного способа термообработки стали указанного состава является то, что способ непрерывного охлаждения обода носит декларативный характер, исходя из описания не может быть реализован на практике, а при термообработке с погружением в соляную ванну значительно усложняется процесс производства колес, снижается производительность и увеличивается себестоимость. Также существенным недостатком является то, что при содержании в стали углерода, хрома ближе к верхнему пределу возможно образование структур бейнита/мартенсита в дисках колес по обоим вариантам термообработки, что может снизить их усталостную прочность, надежность и безопасность в эксплуатации по сравнению с дисками с перлитной структурой. При содержании углерода, хрома, марганца, ванадия ближе к нижним пределам низка вероятность получения заявленной в патенте микроструктуры. Высокие содержания хрома, молибдена, ванадия, ниобия, никеля, меди из-за повышения себестоимости колес делают их неконкурентоспособными. Также невозможно получение сжимающих напряжений в ободе, так как получение мартенситной или смешанной мартенситно-бейнитной структуры в отличие от перлитной идет с увеличением объема вследствие меньшей удельной массы.
К недостаткам способа можно отнести и широкий диапазон содержания элементов стали, который не позволяет осуществлять ее непрерывную разливку сериями плавка на плавку - при серийной разливке в начале разливки сталь каждой плавки перемешивается с остатком стали в промежуточном ковше от предыдущей плавки. При определенной разнице в содержании элементов в плавках при серийной непрерывной разливке по длине полученных непрерывнолитых заготовок можно получить такой разброс содержания элементов, который при термообработке колес каждой плавки по единому режиму приведет к браку по их несоответствию требуемому уровню свойств.
Задачей настоящего изобретения является разработка технологии термоупрочнения колес, изготовленных из экономно легированной стали определенного химического состава, при которой достигается существенное повышение уровня механических и эксплуатационных свойств колес (износостойкость, контактно-усталостная выносливость металла обода, предел выносливости диска, возможность использования колес под грузовыми вагонами при больших нагрузках на ось). Задачей изобретения является также значительное упрощение технологии производства колес, повышение производительности и снижение себестоимости их производства.
При использовании заявляемого изобретения достигается следующий технический результат:
- повышение уровня прочностных характеристик обода (твердость по сечению, временное сопротивление разрыву) на - не менее 10%, износостойкости на - не менее 50% по сравнению со стандартными колесами для грузовых вагонов;
- повышение предела контактно-усталостной выносливости металла обода не менее чем на 25%, предела выносливости диска до 50% по сравнению со стандартными колесами;
- обеспечение уровня пластических и вязких характеристик металла колес на уровне значений или выше, чем у стандартных;
- возможность непрерывной разливки колесной стали сериями плавка на плавку и термоупрочнение изготовленных из них колес по единым параметрам нагрева, закалки и отпуска, повышения при этом производительности, снижения затрат и стабилизации уровня свойств колес;
- возможность повышения нагрузок на ось грузовых вагонов с 22,5 до 27 т.с.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, изготовленных из легированной стали, включающей нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре, прерывистую закалку обода водой, последующее охлаждение колес и отпуск, при этом колеса изготавливают из стали, содержащей следующие компоненты, масс. %: углерод 0,46-0,54, кремний 0,25-0,45, марганец 0,85-1,2, хром 0,80-1,10, ниобий 0,01-0,05, ванадий 0,08-0,20, молибден не более 0,05, титан не более 0,01, фосфор не более 0,030, серу не более 0,020, никель и медь не более 0,25 каждого, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,0002, закалку обода водой осуществляют путем трехстороннего его охлаждения из спрейерных устройств в течение 290-330 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах увеличивают от нуля до 0,07-0,09 МПа в течение 75-85 секунд с дальнейшим охлаждением
при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм, последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов.
Колеса изготавливают из стали, содержащей 0,49-0,52 масс. % углерода, при этом содержания углерода и марганца связаны соотношением, масс. %: углерод +1/4 марганца = 0,75-0,78.
Выбор прерывистой закалки обода обусловлен тем, что она с точки зрения простоты технологии, производительности и себестоимости процесса, стабильности в получении необходимой структуры и уровня механических свойств является наиболее оптимальной. Химический состав стали для колес, термоупрочняемых по заявляемому способу, подобран с учетом того, что при охлаждении на воздухе в диске колес скорости охлаждения не будут ниже критических во всем диапазоне содержания элементов, чем гарантируется феррито-перлитная структура стали, обеспечивающая высокую усталостную прочность дисков.
Подобранные параметры закалки и отпуска позволяют получить в ободе колес из стали данного химического состава на всю глубину рабочего слоя мартенситно-бейнитно-трооститную структуру, что значительно повышает по сравнению с стандартными колесами механические и эксплуатационные свойства колес (повышенную прочность, твердость в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью, высокую износостойкость и выносливость к контактно-усталостным повреждениям). При этом гарантируется создание в ободе колес напряжений сжатия, препятствующих зарождению и распространению в его глубь усталостных трещин с поверхности катания.
Более низкое содержание молибдена, ниобия, меди, хрома, никеля, ванадия по сравнению со сталью, представленной в прототипе, существенно снижает себестоимость стали и изготавливаемых колес, и одновременно является достаточным для достижения технического результата при заявляемом способе термоупрочнения. Ограничение содержания водорода не более 0,0002 мас. % связано с тем, что при таком его содержании сталь приобретает иммунитет против образования флокенов.
Использование стали в более узком диапазоне содержания углерода в пределах 0,49-0,52 (мас. %) и значениях углерод +1/4 марганца (масс. %), равным 0,75-0,78, позволяет значительно упростить технологию производства колес за счет возможности непрерывной разливки стали сериями плавка на плавку и термообработки изготовленных из них колес по единым режимам нагрева, прерывистой закалки и отпуска.
Использование спрейеров и регулирование давления во время закалки положительно сказывается на поддержании постоянной температуры охлаждающей среды и равномерности охлаждения поверхности колеса, причем повышение давления охлаждающей воды в спрейерных устройствах в течение первоначальных 75-85 секунд за счет равномерности скорости охлаждения металла по сечению обода препятствует появлению с поверхности катания грубой мартенситной структуры. Время закалки в зависимости от температуры охлаждающей воды в 290-330 секунд, температура отпуска 500-550 градусов в течение не менее 2 часов выбраны экспериментальным путем, доказано, что технический результат достигается только в пределах указанных выше диапазонов.
На фиг. 1 приведена микроструктура металла обода и диска железнодорожного колеса из опытной стали марки Б, где:
1 - на глубине 5 мм от поверхности катания микроструктура представлена мелкоигольчатым мартенситом и трооститом;
2 - на глубине 15 мм от поверхности катания микроструктура представлена мелкоигольчатым мартенситом, бейнитом и трооститом;
3 - на глубине 30 мм от поверхности катания микроструктура представлена бейнитом и трооститом;
4 - на глубине 50 мм от поверхности катания микроструктура представлена перлитом и ферритом по границам бывших аустенитных зерен;
5 - микроструктуры диска и ступицы представлены перлитом и ферритом по границам бывших аустенитных зерен.
Пример конкретного выполнения.
Была получена опытная плавка стали с заявляемым химическим составом, приведенным в таблице 1, условно названной маркой Б.
Термоупрочнение колес
Колеса нагревали под закалку до температуры 850°С в течение 2 часов до образования аустенитной структуры. Термоупрочнение обода осуществляли путем трехстороннего спрейерного охлаждения ободьев колес водой в течение 300 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах пропорционально увеличивали до 0,07-0,09 МПа в течение 80 секунд с дальнейшим охлаждением при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм, последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов.
Охлаждение диска производили на воздухе до температуры 300-450°С. Отпуск колес осуществляли при температуре 500-520°С в течение 2,5 часа. Микроструктура по сечению обода и диска колес из стали марки Б представлены на фиг. 1. Полученные при испытаниях механические свойства колес и для сравнения колес по ГОСТ 10791-2011 представлены в Таблице 2. Характеристики колес, определяющие их эксплуатационные свойства, представлены в Таблицах 3, 4, 5, 6.
Содержание водорода в стали составило 1,7 ppm или 0,00017%. Величина соотношения С +1/4Mn составила 0,77%.
Формирование в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм в процессе термоупрочнения колес из легированной стали марки Б позволяет получать повышенную по сравнению с стандартными колесами прочность, твердость в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью, а феррито-перлитная структура диска обеспечивает его высокую усталостную прочность и надежность колес в эксплуатации.
Твердость обода опытных колес, изготовленных по заявляемому способу из стали марки Б, находится на высоком уровне по всей рабочей толщине обода и достигает: в гребне - до 400 НВ, на глубине 10 мм от поверхности катания - до 396 НВ, на контрольной глубине 30 мм - до 346 НВ, на глубине 50 мм - до 321 НВ, превосходит колеса из стали марки Т - на 12%, из стали марки 2 - на 26%.
По износостойкости опытные колеса превосходят колеса из стали марки 2 более чем в 2 раза, из стали марки Т - более чем в 1,5 раза.
Предел выносливости диска опытных колес по сравнению с колесами из стали марки 2 больше в 1,65 раза.
По пределу контактно-усталостной выносливости колеса из стали марки Б превосходят колеса из стали марки 2 в 1,5-2 раза, из сталей марок Т и Л - на 25-50%.
Ударная вязкость обода и диска опытных колес значительно превышает минимально допустимый уровень по ГОСТ 10791-2011 для всех приведенных в стандарте марок сталей.
1/2
Трещиностойкость (вязкость разрушения) опытных колес соизмерима с аналогичным показателем колес из серийных сталей марок «Т» и «2» (57 и 66 МПа×м соответственно), удовлетворяет требованиям ГОСТ 10791-2011.
По результатам усталостных испытаний предел выносливости дисков колес из стали марки «Б» составил 1200 кН, что в 1,65 раза превышает аналогичный показатель для стандартных колес из стали марки «2» по ГОСТ 10791-2004 при идентичной схеме нагружения (726 кН), что удовлетворяет требованиям ГОСТ 10791-2011 для цельнокатаных колес грузовых вагонов, рассчитанных на эксплуатацию с предельной осевой нагрузкой 27 тс.
Металлографическими исследованиями подтверждена феррито-перлитная структура металла в диске и смешанная мартенситно-бейнитно-трооститная структура в ободе на всю рабочую глубину в 30 мм от поверхности катания.
Полученные результаты испытаний показывают, что заявляемый способ термической обработки колес из предложенной экономно легированной стали обеспечивают достижение технического результата изобретения.