СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ БАНДАЖЕЙ
HEAT TREATMENT OF RAILWAY BANDS

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке железнодорожных бандажей. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости рабочего слоя по всей его глубине и высоких прочностных характеристиках бандажей.
Известен способ термической обработки железнодорожных бандажей, включающий нагрев до температуры аустенизации, последующее охлаждение (закалка) в баке с подогретой водой и последующий отпуск [1].
Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает равномерное упрочнение по сечению вследствие неравномерного охлаждения поверхностных и центральных слоев металла. Одновременно, из-за большой интенсивности охлаждения с поверхности катания и внутренней поверхности в центральной его зоне формируется система растягивающих напряжений большой величины, так как именно эта часть бандажа при закалке остывает последней. Наличие в этой зоне меньшего упрочнения и больших остаточных напряжений снижает сопротивление износу и контактным усталостным разрушениям; снижает тем самым эксплуатационную стойкость бандажа.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является способ термической обработки железнодорожных бандажей, заключающийся в нагреве до температуры аустенизации, дальнейшее охлаждение в закалочном устройстве, в котором нагретый бандаж вращают со скоростью 25-125 об/мин и охлаждают его грани и поверхности закалочной жидкостью из автономных спрейерных устройств и последующим отпуском. Охлаждение поверхности катания и боковых граней осуществляется со скоростью 10-20 град/сек, а внутренней поверхности бандажа со скоростью 3-4 град/сек до температуры 600-700°C и со скоростью 10-20 град/сек до 300-500°C [2].
При этом обеспечивается более высокое равномерное упрочнение рабочего слоя бандажа с незначительным изменением твердости от 320 до 300 НВ по его глубине, и зона больших остаточных напряжений располагается ниже рабочего слоя бандажа (на глубине 50-70 мм) от поверхности катания.
Недостатком этого способа является то, что расход охладителя в процессе всего времени охлаждения остается неизменным. При таком способе невозможно получить высокую износостойкость одновременно по всей глубине бандажа, так как скорость охлаждения внутренних слоев металла всегда ниже, чем скорость охлаждения наружных слоев. Для получения во внутренних слоях металла структуры в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита, обеспечивающей высокую износостойкость, необходимо охлаждать поверхностный слой со скоростью выше оптимальной, что приведет к образованию в поверхностных слоях структуры типа мартенсита отпуска, склонной к выкрашиванию и склонной к малой износостойкости.
Целью предлагаемого решения является повышение износостойкости рабочего слоя бандажа за счет создания однородной структуры тонкодисперсного пластинчатого перлита как непосредственно на поверхности, так и в глубине бандажа и уменьшить уровень остаточных напряжений рабочего слоя бандажа.
Это достигается тем, что в заявленном способе термической обработки железнодорожных бандажей, включающем нагрев до температуры аустенизации, охлаждение при помощи закалочных устройств управляемой закалки с регулируемым расходом охладителя во время закалки, последующую выдержку на воздухе и отпуск. Критерием расхода охладителя является процентное содержание в стали углерода, марганца, хрома и ванадия. Для бандажей из стали с невысоким содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.1 табл.3) время линейного увеличения расхода охладителя выбирается минимальным, а начальный расход максимальным. Для бандажей из стали с высоким содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.2 табл.3) время линейного увеличения расхода охладителя выбирается максимальным, а начальный расход минимальным.
2
2
3
2
Для сталей с содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.1 табл.1) охладитель подается на круг катания. В начале выбирается минимальный расход воды для данного химического состава стали и в первые 120 с, он остается неизменным 0,00035 л/(см·с), в интервале 121-210 с идет линейное увеличение расхода воды через каждые 30 с, и в интервале 211-300 с закалка идет с постоянным максимальным расходом воды определенным для данного химического состава стали - 0,002 л/(см·с). На наружную боковую поверхность и поверхность по внутреннему диаметру бандажа подается дополнительно воздух с расходом 0,0003 м/(см·с), режим закалки приведен в табл.2.
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
Для сталей с небольшим содержанием углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия (поз.2 табл.1) вода подается на круг катания, на внутреннюю и наружную боковые поверхности бандажа. В начале выбирается минимальный расход воды на круг катания для данного химического состава стали и в первые 15 с, он остается неизменным 0,001 л/(см·с), в интервале 16-30 с расход воды равен 0,002 л/(см·с), и в интервале 31-300 с закалка идет с постоянным максимальным расходом определенным для данного химического состава стали - 0,005 л/(см·с). На внутреннюю боковую поверхность бандажа подается дополнительно вода с расходом в первые 15 с - 0,0001 л/(см·с), в интервале 16-30 с расход воды равен 0,00015 л/(см·с), в интервале 31-300 с расход воды устанавливается равным 0,0002 л/(см·с), и воздух с постоянным расходом 0,0003 м/(см·с), на наружную боковую поверхность подается дополнительно вода с расходом в первые 15 с - 0,0005 л/(см·с), в интервале 16-30 с расход воды равен 0,001 л/(см·с), в интервале 31-300 с расход воды устанавливается равным 0,002 л/(см·с), режим закалки приведен в табл.3.
Отличительными признаками заявленного способа является:
- управляемый процесс закалки с регулируемым расходом охладителя;
- три охлаждающих водяных контура и один охлаждающий воздушный контур;
- равная скорость охлаждения зон бандажа за счет точной настройки форсунок по местоположению относительно поверхности бандажа и программируемого расхода охладителя по каждому элементу бандажа;
- изменение расхода охладителя производиться в зависимости от содержания углерода, марганца, хрома, кремния и ванадия.
За счет заявленного решения можно обеспечить одинаковую скорость охлаждения наружного слоя и внутренних слоев бандажа, максимально выровнять структуру металла на поверхности и в глубине, получив оптимальную структуру по всей толщине рабочего слоя бандажа. Это происходит за счет следующего: наружный слой металла бандажа при малом расходе охладителя охлаждается со скоростью, достаточной, чтобы получить оптимальную структуру металла в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита без мартенсита отпуска. Слои на глубине 20-30 мм также охлаждаются со скоростью, близкой к оптимальной, за счет увеличения подачи охладителя на наружный слой бандажа. Оптимальный расход охладителя по всем элементам бандажа и время его применения определяется предварительно опытным путем как расход, требуемый для получения необходимых свойств на глубине 30-50 мм.
Пример выполнения.
Термической обработке по предлагаемому способу подвергались бандажи из стали двух плавок, химический состав которых приведен в табл.4. После нагрева до температуры аустенизации (860°C) бандажи подвергались закалке. Закалка бандажей производилась при их вращении со скоростью 30 об/мин.
Охладитель для закалки бандажей подавался через блок клапанов, открываемых по заданному режиму охлаждения на три контура водяного охлаждения и один контур воздушного охлаждения. Тем самым обеспечивалось плавное регулируемое увеличение расхода охладителя от начального значения до оптимального. После закалки бандажи подвергались охлаждению на воздухе во время транспортировки их к отпускным печам и отпуску при оптимальной температуре.
Структура бандажей, подвергшихся закалке по заявляемому способу (для обеих плавок), состоит из тонкодисперсного пластинчатого перлита на глубине до 15 мм, равномерно переходящего на глубине 50 мм в сорбидообразный пластинчатый перлит с минимальным участком феррита.
В табл.5 приведены механические свойства и твердость бандажей, закаленных по заявленному режиму.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный способ позволяет получить структуру тонкодисперсного пластинчатого перлита, обладающую высокой износостойкостью как на поверхности, так и на глубине бандажа, а также повысить механические свойства, твердость бандажей. При этом зона растягивающих напряжений смещается ниже рабочего слоя бандажа на глубину 50-60 мм от поверхности катания.
Источники информации
1. Стародубов К.Ф. Термическое упрочнение проката. - М.: Металлургия 1970. С.156-158.
2. Узлов И.Г., Блажнов Г.А., Гусев С.А. и др. // Способ термической обработки железнодорожных бандажей: Описание изобретения, патент №555150, опубликовано 25.04.77, бюллетень №15.
Химический состав стали для бандажей
Таблица 1
Сталь
Массовая доля элементов, %
C
Mn
Si
Cr
V
1
0.65-0.75
0.6-0.9
0.22-0.45
0.2-0.6
0.01-0.03
2
0.57-0.64
0.6-0.9
0.22-0.45
0.03-0.06
0.03-0.06
Режим закалки бандажей из стали с содержанием углерода 0,65-0,75%
Таблица 2
Продолжительность периода, с
Расход воздуха внутреннюю боковую поверхность, и поверхность по внутреннему диаметру бандажа, м<sup>3</sup>/(см<sup>2</sup>·с)
Расход воды, л/(см<sup>2</sup>·с)
Внутренняя боковая поверхность бандажа
Круг катания бандажа
Наружная боковая поверхность бандажа
0-120
0, 0003
0
0,00035
0
121-150
0,0003
0
0,00075
0
151-180
0,0003
0
0,00115
0
181-210
0,0003
0
0,00155
0
211-300
0,0003
0
0,002
0
Режим закалки бандажей из стали с содержанием углерода 0,57-0,64%
Таблица 3
Продолжительность периода, с
Расход воздуха внутреннюю боковую поверхность, и поверхность по внутреннему диаметру бандажа, м<sup>3</sup>/(см<sup>2</sup>·с)
Расход воды, л/(см<sup>2</sup>·с)
Внутренняя боковая поверхность бандажа
Круг катания бандажа
Наружная боковая поверхность бандажа
0-15
0,0003
0,0001
0,001
0,0005
16-30
0,0003
0,00015
0,002
0,001
31-300
0,0003
0,0002
0,005
0,002
Фактический химический состав стали для бандажей
Таблица 4
Плавка
Массовая доля элементов, %
C
Mn
Si
Cr
V
1
0.7
0.8
0.31
0.202
0.02
2
0.6
0.79
0.35
0.35
0.03
Механические свойства и твердость бандажей после термообработки
Таблица 5
Плавка
Временное сопротивление, н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, %
Относительное сужение, %
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
Твердость на глубине, HB
10 мм
20 мм
30 мм
40 мм
50 мм
при +20°C
при
-60°C
1
1124
15,5
36
25
90
340
335
335
325
310
2
1045
18,1
35
42
112
315
310
300
295
290