СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
METHOD OF THERMAL STRENGTHENING OF RAILWAY WHEELS

Изобретение относится к термической обработке стальных изделий и может быть использовано при изготовлении железнодорожных цельнокатаных колес из стали с содержанием углерода не менее 0,60%.
Известен способ термического упрочнения железнодорожных колес, см. Бибик Г.А. и др. Производство железнодорожных колес. М.: Металлургия, 1982, с.164-171, предусматривающий нагрев изделий под термообработку, подачу охладителя на различные поверхности обода колеса (боковые и поверхность катания) с требуемой скоростью охлаждения и отпуск. Указанная технология термического упрочнения колес включает в себя их нагрев до 840-870°С равномерно по всему объему в зависимости от содержания в стали углерода и марганца, передачу нагретого колеса к закалочной машине с минимальным промежутком во времени, указанном в нормативной документации.
Использование такой технологии обеспечивает невысокий уровень прочностных свойств металла и износостойкости обода при эксплуатации.
3
3
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ термической обработки железнодорожных колес, см. а.с. СССР №549485, кл. C21D 9/34, 1977, который выбран в качестве прототипа. Данный способ включает в себя нагрев железнодорожных колес до температуры Ас+(30-50)°С, выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода выдержкой при температуре Ас+(30-50)°С, термическое упрочнение обода охлаждением его водой, снижение температуры колес подстуживанием на воздухе и их последующий отпуск.
Недостатком этого способа является тот факт, что в момент окончания охлаждения в поверхностных зонах обода образуются закалочные структуры (до 100% мартенсита), пластические деформации, а также высокий уровень растягивающих напряжений, что увеличивает вероятность образования трещин в момент окончания охлаждения. Определить напряженно-деформированное и структурное состояние обода колеса в различные моменты на этапе охлаждения можно только методами компьютерного моделирования.
Техническим результатом изобретения является повышение свойств материала железнодорожных цельнокатаных колес - стали с содержанием углерода не менее 0,60%, а именно обеспечение твердости не ниже 300 НВ на глубине не менее 50 мм от поверхности катания обода колеса при исключении или максимальном уменьшении в процессе охлаждения образования закалочных структур и максимального снижения остаточных напряжений в момент окончания закалки.
2
2
Для достижения технического результата в процессе охлаждения с момента его начала за 50-100 секунд происходит постепенное увеличение интенсивности охлаждения поверхности катания, гребня и боковых поверхностей обода по всей их высоте от 0 до значения 2-3 Вт/(см·с), затем охлаждение продолжается в течение 40-300 секунд с постоянной интенсивностью охлаждения указанных поверхностей обода, равной значению 2-3 Вт/(см·с), для обеспечения упрочнения во всем объеме обода.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где:
- на фиг.1 показана схема расположения зон оценки и сравнения напряженно-деформированного состояния в радиальном сечении железнодорожного колеса для различных вариантов технологии закалки;
- на фиг.2 показано типичное распределение температур в радиальном сечении железнодорожного колеса в момент завершения закалки (см. табл.).
Обод колеса (см. фиг.1) в радиальном сечении разделен на следующие зоны: 1 - поверхность катания, 2 - зона под поверхностью катания на глубине 10-20 мм, 3 - вершина гребня, 4 - основание гребня, 5 - середина внутренней боковой стороны обода, 6 - угол обода с внутренней стороны, 7 - зона вблизи перехода от обода к диску, 8 - угол с внешней стороны обода у поверхности катания, 9 - середина внешней боковой стороны обода, 10 - угол обода с внешней стороны.
Материал в указанных зонах отличается структурным состоянием, значениями температуры, скоростей охлаждения, напряжений и деформаций в процессе и после закалки.
Кроме того, в описании изобретения даны 3 таблицы. В таблицах для указанных зон после закалки представлены следующие параметры:
Б - содержание закалочной структуры бейнита, %;
М - содержание закалочной структуры мартенсита, %;
НВ - твердость по Бринеллю, МПа;
r
o
θ
σ, σ и σ - соответственно радиальные, осевые и окружные напряжения, МПа;
i
σ - интенсивность напряжений, МПа;
i
пл
ε  - интенсивность пластических деформаций, %.
3
Сущность заявляемого способа заключается в следующем. Колесо целиком нагревается до температуры аустенизации Ас+(30-50)°С, и производится выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода. Далее по разработанной методике производится термическое упрочнение обода интенсивным охлаждением и отпуск колеса.
2
Упрочнение производится при постепенном увеличении интенсивности охлаждения с поверхностей обода колеса от нуля до максимального значения, которое соответствует 2-3 Вт / (см·с), по линейному или нелинейному закону в течение 50-100 секунд с последующим охлаждением обода при максимальной интенсивности охлаждения в течение 40-300 секунд. Время изменения интенсивности охлаждения определяет величину и характер распределения напряжений во всем объеме колеса в момент окончания упрочнения.
Методами имитационного, компьютерного моделирования, прошедшими необходимую аттестацию и верификацию, были выполнены сравнительные расчеты указанных выше параметров в момент окончания упрочнения для способа, выбранного в качестве прототипа (см. таблицу 1), и заявляемого способа для различного времени нарастания интенсивности охлаждения (см. таблицы 2 и 3).
Таблица 1Время закалки 160 с, интенсивность охлаждения постоянная и соответствует максимальному значению 2-3 Вт/(см<sup>2</sup>·с)
№ зон
М, %
НВ, МПа
σ<sub>r</sub>, МПа
σ<sub>0</sub>, МПа
σ<sub>θ</sub>, МПа
σ<sub>i</sub>, МПа
ε<sub>i</sub> <sup>пл</sup>, %
1
до 97
6070
~0
-1700
-1800
1750
1,6
2
-
3550
~0
429
483
400
~0
3
до 97
6200
179
-850
-1300
1300
0,7
4
-
3920
617
-179
711
850
~0
5
до 97
6070
-570
~0
483
1450
0,7
6
до 97
6070
-900
~0
254
900
0,5
7
-
3200
-40
-179
254
41
~0
8
-
6070
-0
214
480
1450
0,8
9
до 97
6070
400
~0
480
1450
1,6
10
до 97
6070
~0
~0
480
1100
1,0
Таблица 2Время закалки 160 с, интенсивность охлаждения возрастает от 0 до максимального значения 2-3 Вт/(см<sup>2</sup>·с) за 40 с
№ зон
М, %
НВ, МПа
σ<sub>r</sub>, МПа
σ<sub>о</sub>, МПа
σ<sub>θ</sub>, МПа
σ<sub>i</sub>, МПа
ε<sub>i</sub> <sup>пл</sup>, %
1
до 35
5100
~0
-700
-550
630
0,008
2
0
3300
~0
470
315
450
~0
3
до 49
5500
~0
~0
-340
350
0,08
4
0
3600
280
~0
650
540
~0
5
до 21
4800
-620
~0
-200
540
~0
6
до 11
4800
-210
~0
-200
270
~0
7
0
3300
~0
~0
-120
170
0,02
8
до 55
5500
120
80
-300
360
0,008
9
до 25
5100
-700
~0
-120
540
0,008
10
до 25
4800
~0
~0
-120
200
~0
Таблица 3Время закалки 160 с, интенсивность охлаждения возрастает от 0 до максимального значения 2-3 Вт/(см<sup>2</sup>·с) за 60 с
№ зон
М, %
НВ, МПа
σ<sub>r</sub>, МПа
σ<sub>о</sub>, МПа
σ<sub>θ</sub>, Мпа
σ<sub>i</sub>, МПа
ε<sub>i</sub> <sup>ПЛ</sup>, %
1
до 18
4900
~0
-430
-240
280
0,02
2
~0
3500
~0
390
300
390
~0
3
до 30
4900
~0
-100
-80
119
0,02
4
~0
3500
320
~0
600
550
~0
5
~0
4300
~517
0
-100
500
~0
6
~0
4300
~150
0
-100
220
~0
7
~0
3200
~0
~0
-100
120
0,02
8
до 36
5300
~0
-200
-100
120
0,02
9
~0
4600
-500
~0
-100
550
0,02
10
~0
4600
-160
~0
140
280
~0
Сравнивая величины параметров, приведенных в таблицах 1-3, можно сделать вывод о том, что во всех рабочих (контактирующих с рельсом) зонах обода колеса при увеличении времени нарастания интенсивности охлаждения:
- растягивающие напряжения в момент окончания охлаждения снижаются в несколько раз;
- количество мартенсита в гребне обода, подверженном наиболее интенсивному износу, снижается от 97% до значений в отдельных зонах от 0% до 30%;
- интенсивность пластических деформаций снижается с 1,6% почти до 0.
Как показали расчеты, в заявляемом способе для достижения наибольшей эффективности рекомендуется выбирать значение времени нарастания интенсивности охлаждения в интервале от 50 до 100 секунд. Дальнейшее увеличение времени нарастания интенсивности охлаждения нецелесообразно в связи со снижением твердости и механических характеристик металла обода колеса.