СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ КОРПУСА АВТОСЦЕПКИ И КОРПУС АВТОСЦЕПКИ, УПРОЧНЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD FOR STRENGTHENING AUTOMATIC COUPLING BODY AND AUTO-COUPLING BODY STRENGTHENED BY THIS METHOD

Изобретение относится к вагоностроительной промышленности, в частности к термической обработке корпуса автосцепки.
0,34
Из уровня техники известен способ термической обработки литых деталей из малоуглеродистой и низколегированной стали, применяемых в автосцепных устройствах подвижного состава железных дорог (Патент России на изобретение №2100451, опубликован 27.12.1997), включающий сквозной нагрев детали до температуры закалки и охлаждение, причем охлаждение ведут путем ввода детали в движущийся со скоростью (от 0,7 до 3,0) S м/с поток воды, находящийся под избыточным давлением от 0,1 до 0,2 МПа, где S - толщина детали в несущих сечениях, мм.
Недостатком известного способа является отсутствие регламентированной температуры нагрева и времени выдержки под закалку, в связи с этим при использовании пониженной температуры и недостаточной выдержки возможен недогрев стали, который приведет к её существенной разнозернистости и, как следствие, к нестабильности механических свойств детали. При использовании повышенной температуры и длительной выдержки возможно огрубление аустенитной структуры стали, которое приведет к снижению общего уровня механических характеристик материала и детали в целом. Кроме того, известный способ не регламентирует температуру воды, используемой при закалке, по этой причине возможно получение нестабильного результата из-за разницы в температуре воды. Также недостатком известного способа является то, что при использовании интенсивного охлаждения при закалке и не регламентированного времени охлаждения, не предусмотрено проведение последующего отпуска детали, что, во-первых, не позволяет снизить остаточные напряжения в детали после закалки, во-вторых, приведет к существенному снижению пластических и ударных характеристик стали и формированию поверхностных трещин на детали.
Известен способ термической обработки деталей автосцепки (Патент России на изобретение №2415182, опубликован 27.03.2011), включающий индукционный нагрев хвостовика корпуса автосцепки при температуре от 890 до 940°С в течение 5-30 мин и охлаждение корпуса автосцепки потоком воды, циркулирующим по замкнутому контуру в течение 0,4-2,5 мин.
Недостатком известного способа является то, что в нём не регламентируется температура воды, используемая при закалке, по этой причине возможно получение нестабильных прочностных свойств деталей автосцепки из-за разницы в температуре воды. Также недостатком известного способа является то, что при использовании интенсивного охлаждения при закалке не проводится последующий отпуск детали, что не позволяет снизить остаточные напряжения в детали после закалки и приводит к существенному снижению пластических и ударных характеристик материала детали, способствуя образованию поверхностных трещин. Таким образом отсутствие отпуска после закалки способствует снижению надежности детали при эксплуатации. Кроме того, полный и длительный нагрев хвостовой части корпуса автосцепки приведет к неизбежному неконтролируемому распространению тепла в переходную и головную часть детали, при этом возникающие в различных зонах температуры способствуют неполной перекристаллизации стали и частичному отпуску материала. Такое воздействие на части детали непредсказуемо снизит имеющиеся исходные прочностные свойства и приведет к общему снижению функциональных свойств детали и ее надежности при дальнейшей эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ термической обработки корпуса автосцепки (Заявка на патент CN101440426 (A), опубликована 27.05.2009) включающий этап, на котором проводят поверхностную закалку хвостовой части корпуса автосцепки методом индукционного нагрева, при следующих параметрах: частота тока 3000 Гц, напряжение от 310 до 360 В.
Недостатком известного способа является проведение локальной закалки сегмента (~90-110°) отверстия хвостовой части корпуса автосцепки под клин тягового хомута, в связи с этим полученная упрочненная площадь является недостаточной для обеспечения уменьшения износа рассматриваемого отверстия. Также в ходе локального нагрева отдельно взятого сегмента хвостовой части корпуса автосцепки неизбежно возникают краевые эффекты, приводящие к разупрочнению граничащих зон с закаливаемым слоем металла, и снижению их прочностных характеристик и твердости. Кроме того, указанная вероятная твёрдость до 476 HBW поверхности после закалки без применения последующего отпуска, с учетом возможных ударных нагрузок на отверстие, может оказаться критической для образования потенциальных трещин, в том числе из-за остаточных напряжений в детали после закалки. По этим причинам прилежащие к закаленной зоне отверстия будут изнашиваться быстрее, чем закаленная зона, способствуя локальному утонению боковой стенки. В свою очередь, на упрочненной области при ударных нагрузках будут образовываться сколы и трещины, что в конечном итоге приведет к снижению надежности детали и безопасности её эксплуатации.
Предлагаемым изобретением решается техническая проблема низкой стойкости рабочих поверхностей хвостовой части корпуса автосцепки.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении устойчивости хвостовой части корпуса автосцепки к износу.
Указанный технический результат достигается за счёт того, что в способе упрочнения корпуса автосцепки, включающем ее закалку посредством индукционного нагрева с последующим охлаждением водой, закалке подвергают полностью или частично хвостовую часть корпуса автосцепки, включающую в себя внешнюю верхнюю поверхность, взаимодействующую с тяговым хомутом, торцевую цилиндрическую поверхность и внутреннюю поверхность отверстия под клин тягового хомута, при этом закалка проводится непрерывно-последовательным методом посредством индуктора-спрейера, двигающегося по заданной траектории, при этом на этапе закалки поддерживают постоянными силу тока, частоту тока и зазор между каждой упомянутой выше поверхностью и индуктором-спрейером, после этапа закалки проводят этап низкотемпературного отпуска корпуса автосцепки.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что закалке подвергают полностью или частично внешнюю нижнюю поверхность.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что траекторию индуктора-спрейера задают посредством управляющей программы после предварительного сканирования участков хвостовой части корпуса автосцепки, включающей в себя внешнюю верхнюю поверхность, взаимодействующую с тяговым хомутом, торцевую цилиндрическую поверхность и внутреннюю поверхность отверстия под клин тягового хомута.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что траекторию индуктора-спрейера задают посредством управляющей программы после предварительного сканирования участка хвостовой части корпуса автосцепки, включающей в себя внешнюю нижнюю поверхность.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что траекторию индуктора-спрейера задают посредством управляющей программы при сканировании участков хвостовой части корпуса автосцепки, включающей в себя внешнюю верхнюю поверхность, взаимодействующую с тяговым хомутом, торцевую цилиндрическую поверхность и внутреннюю поверхность отверстия под клин тягового хомута, которое проводят в одном цикле с закалкой.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что траекторию индуктора-спрейера задают посредством управляющей программы при сканировании участка хвостовой части корпуса автосцепки, включающей в себя внешнюю нижнюю поверхность.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что траекторию индуктора-спрейера задают посредством управляющей программы без сканирования участков хвостовой части корпуса автосцепки.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что закалку проводят при частоте тока от 5 до 20 кГц.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что закалку проводят при мощности тока от 35 до 60 кВт.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что закалку проводят при силе тока от 2,5 до 3,5 кА.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что закалку проводят при зазоре между каждой закаливаемой поверхностью и индуктором-спрейером от 1 до 5 мм.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что закалку проводят при скорости движения индуктора-спрейера от 1,5 до 5 мм/с.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что этап охлаждения осуществляют водой с температурой от 15 до 30 °С через отверстия в индукторе-спрейере, при расходе воды от 15 до 50 л/мин.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что низкотемпературный отпуск корпуса автосцепки проводят при температуре от 200 до 300 °С.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что низкотемпературный отпуск корпуса автосцепки проводят в течение от 3 до 5 часов.
Также заявляется корпус автосцепки, упрочненный описанным выше способом, включающий в себя закаленную полностью или частично внешнюю верхнюю поверхность, взаимодействующую с тяговым хомутом, торцевую цилиндрическую поверхность и внутреннюю поверхность отверстия под клин тягового хомута, причем длина закаленного участка внешней верхней поверхности, измеренная от конца хвостовика, составляет не менее 200 мм, глубина закаленных участков составляет не менее 3 мм и твердость закаленных участков составляет не менее 320 НВ.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что полностью или частично закалена внешняя нижняя поверхность, причем длина закаленного участка внешней нижней поверхности, измеренная от конца хвостовика, составляет не менее 200 мм, глубина закаленного участка составляет не менее 3 мм и твердость закаленного участка составляет не менее 320 НВ.
Сущность изобретения поясняется изображением, где на фигуре показан корпус автосцепки с поверхностями, подвергаемыми упрочнению, где 1 – внешняя верхняя поверхность, взаимодействующую с тяговым хомутом, 2 – торцевая цилиндрическая поверхность, 3 – внутренняя поверхность отверстия под клин тягового хомута, 4 – отверстие под клин тягового хомута.
Проведение упрочнения корпуса автосцепки осуществляют следующим образом. Закалка проводится непрерывно-последовательным методом посредством индуктора-спрейера. На индуктор-спрейер подаётся ток, при этом включается подача воды, и индуктор-спрейер начинает движение по заданной траектории со скоростью, заданной из диапазона от 1,5 до 5 мм/с, а также с постоянными параметрами, а именно постоянными поддерживают: частоту тока, заданную из диапазона от 5 до 20 кГц, силу тока, заданную из диапазона от 2,5 до 3,5 кА, и зазор между каждой закаливаемой поверхностью и индуктором-спрейером, заданный из диапазона от 1 до 5 мм. Закалку проводят при мощности тока, заданной из диапазона от 35 до 60 кВт. В ходе закалки происходит локальный нагрев каждой подвергаемой упрочнению поверхности хвостовой части корпуса автосцепки до температуры от 850 до 1150 °С, после чего охлаждение нагретой зоны осуществляется водой с температурой от 15 до 30 °С, при ее расходе от 15 до 50 л/мин. После достижения конечной точки заданной траектории генератор прекращает подачу тока на индуктор-спрейер, при этом водяное охлаждение продолжает работать ещё в течение 5 секунд, после чего подача воды отключается и индуктор-спрейер возвращается в исходное положение парковки. После этапа полной или частичной закалки внешней верхней поверхности 1, взаимодействующей с тяговым хомутом, торцевой цилиндрической поверхности 2 и внутренней поверхности 3 отверстия 4 под клин тягового хомута, проводят этап низкотемпературного отпуска корпуса автосцепки при температуре от 200 до 300 °С и времени выдержки от 3 до 5 часов. В предпочтительном варианте закалке подвергают полностью или частично также внешнюю нижнюю поверхность (на фигуре не показана) хвостовой части корпуса автосцепки. Стоит отметить, что внешняя верхняя поверхность 1, взаимодействующей с тяговым хомутом, и внешняя нижняя поверхность определяются исходя из размещения автосцепки на вагоне.
Траектория индуктора-спрейера может быть задана посредством управляющей программы после предварительного сканирования участков хвостовой части корпуса автосцепки, включающей в себя внешнюю верхнюю поверхность 1, взаимодействующую с тяговым хомутом, торцевую цилиндрическую поверхность 2 и внутреннюю поверхность 3 отверстия 4 под клин тягового хомута, и, в предпочтительном варианте, внешнюю нижнюю поверхность. Кроме того, траектория индуктора-спрейера также может быть задана посредством управляющей программы при сканировании участков хвостовой части корпуса автосцепки, включающей в себя внешнюю верхнюю поверхность 1, взаимодействующую с тяговым хомутом, торцевую цилиндрическую поверхность 2 и внутреннюю поверхность 3 отверстия  4 под клин тягового хомута, и, в предпочтительном варианте, внешнюю нижнюю поверхность, которое проводят в одном цикле с закалкой, таким образом, что не закалённые участки сканируются с опережением во времени, до прибытия в эти участки индуктора-спрейера.  Кроме того, траектория индуктора-спрейера может быть задана посредством управляющей программы без сканирования участков хвостовой части корпуса автосцепки.
За счет проведения закалки каждой упомянутой выше поверхности непрерывно-последовательным методом обеспечиваются высокие скорости нагрева и охлаждения корпуса автосцепки, и, таким образом, на закаленных поверхностях достигается высокая твёрдость. При проведении закалки при постоянных параметрах, а именно при постоянном значении силы тока, частоты тока и зазоре между поверхностью детали и индуктором-спрейером обеспечивается постоянство глубины и интенсивности нагрева поверхности корпуса автосцепки, тем самым обеспечивается равномерность закаленного слоя по глубине и по твёрдости. Низкотемпературный отпуск корпуса автосцепки проводят с целью снятия остаточных напряжений.
При проведении закалки при частоте тока, заданной из диапазона, от 5 до 20 кГц, при мощности тока, заданной из диапазона, от 35 до 60 кВт и при силе тока, заданной из диапазона, от 2,5 до 3,5 кА, достигается необходимая интенсивность нагрева закаливаемой поверхности на требуемую глубину. При частоте более 20 кГц, мощности тока менее 35 кВт и силе тока менее 2,5 кА не достигается необходимая интенсивность нагрева и, как следствие, не достигается требуемая температура для полной аустенизации стали. При частоте менее 5 кГц, мощности тока более 60 кВт и силе тока более 3,5 кА возможно оплавление металла и, как следствие, нарушение целостности поверхности хвостовой части корпуса автосцепки.
Температура закалки поддерживается в диапазоне от 850 до 1150 °С, при таком нагреве происходит полная аустенизация поверхностного слоя хвостовой части корпуса автосцепки. При проведении закалки при температуре ниже 850 °С происходит не полная аустенизация стали, поэтому не достигается требуемая твёрдость закаленной поверхности. При проведении закалки при температуре выше 1150 °С происходит перегрев и существенное огрубление зёренной структуры стали, что в дальнейшем может служить причиной снижения прочностных характеристик закалённой хвостовой части корпуса автосцепки.
При проведении закалки при зазоре между между каждой закаливаемой поверхностью и индуктором-спрейером, заданном из диапазона от 1 до 5 мм, обеспечивается прогрев поверхности хвостовой части корпуса автосцепки на требуемую глубину до необходимой температуры без оплавления поверхности. При зазоре менее 1 мм возможно сильное разогревание и оплавление поверхности хвостовой части корпуса автосцепки. При зазоре более 5 мм не достигается требуемая интенсивность нагрева и не обеспечивается требуемая температура нагрева поверхности хвостовой части корпуса автосцепки.
При проведении закалки при скорости перемещения индуктора-спрейера, заданной из диапазона от 1,5 до 5 мм/с, достигается равномерный прогрев закаливаемой поверхности по ширине и глубине слоя до требуемой температуры. При скорости менее 1,5 мм/с происходит локальный перегрев и оплавление поверхности хвостовой части корпуса автосцепки. При скорости более 5 мм/с не происходит прогрева поверхности на требуемую глубину, и, соответственно, не достигается необходимая твёрдость хвостовой части корпуса автосцепки.
При охлаждении нагретой зоны, которую осуществляют водой с температурой от 15 до 30 °С через отверстия в индукторе-спрейере, при расходе воды от 15 до 50 л/мин, достигаются требуемые скорости охлаждения, необходимые для формирования структур мартенсита, троостита и сорбита, обеспечивающих необходимую твёрдость поверхностного слоя хвостовой части корпуса автосцепки. При температуре воды менее 15°С и расходе воды более 50 л/мин происходит существенное повышение скорости охлаждения на поверхности хвостовой части корпуса автосцепки, что может привести к повышению твёрдости на поверхности и опасности её хрупкого разрушения. При температуре воды более 30 °С и расходе воды менее 15 л/мин не достигается необходимая скорость охлаждения поверхности для обеспечения высокой твёрдости хвостовой части корпуса автосцепки.
При проведении низкотемпературного отпуска корпуса автосцепки при температуре от 200 до 300 °С в течение от 3 до 5 часов достигается существенное снижение остаточных закалочных напряжений вблизи закаленной поверхности, а твёрдость, достигнутая при закалке, существенно не изменяется. При температуре отпуска менее 200 °С и выдержке менее 3 часов не происходит снятие остаточных напряжений после локальной закалки поверхностей, что в дальнейшем приводит к преждевременному разрушению закаленных поверхностных слоёв хвостовой части корпуса автосцепки при эксплуатации. При температуре отпуска более 300 °С и выдержке более 5 часов происходит существенное разупрочнение закаленного слоя и недопустимое снижение твёрдости, полученной в ходе закалки.
Способ поясняется примерами. На первом этапе задают траекторию движения индуктора-спрейера, после чего закалке подвергают полностью или частично хвостовую часть корпуса автосцепки. Закалка проводится непрерывно-последовательным методом посредством индуктора-спрейера. На этапе закалки поддерживали постоянными силу тока, частоту тока и зазор между каждой упомянутой выше поверхностью и индуктором-спрейером. Используемые параметры закалки представлены в таблице 1. После этапа закалки выполнен отпуск корпуса автосцепки в камерной печи при температуре 200 °С в течение 3-х часов. В Таблице 1 представлены результаты измерения твёрдости каждой закаленной зоны на поверхности, и на глубине 5 мм.
Таким образом, как показано в вышеприведённом описании изобретения, достигается технический результат, заключающийся в повышении устойчивости хвостовой части корпуса автосцепки к износу.