СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
METHOD FOR HEAT TREATMENT OF RAILWAY WHEELS

Изобретение относится 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+(30-50ºC) со скоростью, близкой к критической скорости закалки на мартенсит, далее до температуры 240-300ºС со скоростью 1-2ºС/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.
2
2
3
2
2
Наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является способ термической обработки железнодорожных колес [3] (Патент РФ № 2668872 Способ термообработки железнодорожных колес. МПК C21D9/34, опубл. 04.10.2018, бюл. № 28), включающий нагрев до температуры аустенизации, дифференцированное охлаждение рабочего слоя обода и его торца со стороны гребня в течение 420 с, при этом поверхность круга катания охлаждается водой с постепенно и ступенчато увеличивающимся расходом воды от 0,005 до 0,012 л/см*с, наружная боковая поверхность охлаждается водой с ступенчато растущим расходом от 0,012 до 0,024 л/см*с, внутренняя боковая поверхность обода колеса охлаждается водовоздушной смесью с постоянным расходом воздуха 0, 015 м/см*с и постоянным расходом воды 0,0055 л/см*с, с последующей выдержкой колеса на воздухе и отпуском при оптимальной температуре.
Данный способ отличается низкими удельными расходами и повышенным временем закалки. Данный способ приемлем только для сталей с содержанием углерода от 0,67 % до 0,77 %, так как заданные скорости охлаждения в данном способе не позволяют получить высокую твердость по всему рабочему слою обода колеса. Повышенное время охлаждения приведет к подкалу диска, что может снизить его пластические характеристики.
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 трех элементов обода (два торца обода и круг катания) независимо друг от друга.
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
Технический результат достигается тем, что заявленный способ термической обработки железнодорожных колес включает нагрев до температуры аустенизации, проводят управляемое охлаждение поверхностного обода колеса в течение 300 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 0,000 до 0,012 л/см*с в первый период 15 с, от 0,012 до 0,016 л/см*с в период 15 с, от 0,016 до 0,049  л/см*с в период  270 с и по наружной боковой поверхности обода колеса от 0,000 до 0,035 л/см*с в первый период 15 с,  от 0,035 до 0,038 л/см*с в период 15 с, от 0,038 до 0,044 л/см*с в период 270 с, а  внутреннюю боковую поверхность обода колеса охлаждают водо-воздушной смесью с расходом воздуха 0,015 м/см*с и расходом воды от 0,000 до 0,000 л/см*с в первый период 180 с, от 0,000 до 0,003 л/см*с в период 60 с, от 0,003 до 0,005 л/см*с в период 60 с, последующую выдержку колеса на воздухе и  отпуск при оптимальной температуре.
Отличительными признаками заявленного способа является:
– управляемый процесс закалки с регулируемым расходом охладителя;
– три охлаждающих водяных контура и один охлаждающий воздушный контур;
– ступенчатое повышение расходов воды по всем контурам с постоянным расходом воздуха;
– равная скорость охлаждения обода колеса за счет точной настройки форсунок по местоположению относительно поверхности обода и программируемого расхода охладителя по каждому элементу обода;
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 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 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 наружной боковой поверхности колеса приведен в таблице 3. Режим закалки по внутренней боковой поверхности колеса приведен в таблице 4.
Охладитель для закалки обода подавался через блок клапанов, открываемых по заданному режиму охлаждения на два контура 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 5 приведены механические свойства и твердость колес, закаленных по заявленному режиму.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный способ позволяет:
- получить структуру тонкодисперстного пластинчатого перлита, обладающего высокой износостойкостью, как на поверхности, так и в глубине обода колеса;
- увеличить временное сопротивление при одновременном улучшении пластических свойств.
- получить стабильно высокую твердость по сечению обода колеса на глубине до 30 мм.
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, опубл. 27.12.1998;
3. Патент РФ № 2668872. Способ термической обработки железнодорожных колес. МПК C21D9/34, патентообладатель: ОАО «ЕВРАЗ НТМК», опубликован 04.10.2018, бюл.  № 28.