СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО С УПРОЧНЕННОЙ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
PROCEDURE FOR STRENGHENING RAILROAD WHEELS AND RAILROAD WHEEL WITH STRENGTHENED WORKING SURFACE

Изобретение относится к области машиностроения и термической обработки металлов, может быть использовано при производстве новых железнодорожных колес, а также в процессе их эксплуатации на железнодорожном и другом подвижном составе.
Известен способ усовершенствования объемной термической обработки железнодорожных колес (RU 2124056 С1, 27.12.98, МПК С21D 9/34) и бандажей при помощи объемного печного нагрева, заключающийся в регулировании скорости нагрева и охлаждения при закалке с последующим отпуском. К недостаткам данного технического решения можно отнести невысокие показатели износостойкости и трещинообразования вследствие того, что происходит термообработка всей поверхности крупногабаритного изделия.
Известен также способ плазменной термообработки изделий, заключающийся в нагреве поверхности изделий плазменной дугой, создаваемой анодом и катодом, направленной под углом к плоскости обработки, размещении анодного пятна на аноде и воздействии на электрическую дугу постоянным магнитным полем (RU 2121514 С1, 10.11.1998, МПК С21D 1/09). К недостаткам данного технического решения относится то, что низкотемпературная плазма расфокусирована за счет отражения от вращающегося анода, осуществляет косвенный нагрев высокотемпературным газом поверхностного слоя самой низкотемпературной областью плазмы и не является по физической сущности концентрированным источником нагрева, а следовательно, скорости нагрева и охлаждения очень низкие и сопоставимые с газопламенной закалкой.
Известны колесные пары, получаемые в результате обработки по способу упрочнения, описанному в патенте RU 2183223 С2, 10.06.2002. К недостаткам указанного колеса относится малая глубина упрочненного слоя, что сказывается на оптимальном сочетании твердости и пластичности упрочненного слоя и образовании ползунов и белых пятен на поверхности при торможении.
Это, в свою очередь, не позволяет получить в поверхностном слое высокодисперсную структуру мартенсита, как следствие невысоких показателей повышения износостойкости.
Наиболее близким аналогом по п.1 формулы изобретения принимается способ упрочнения железнодорожного колеса, включающий нагрев рабочей поверхности колеса плазменной дугой плазмотрона, расположенного перпендикулярно и дистанционно рабочей поверхности вращающегося колеса, и последующую поверхностную закалку (RU 2064511 С1, от 27.07.1996, МПК C21D 9/34, С21D 1/09). Плазменную струю (дуга косвенного действия) располагают перпендикулярно поверхности колеса и при значениях электрической мощности плазмотрона 35-45 кВт, линейной скорости вращения колеса 4-10 мм/мин, при дистанции упрочнения 40-55 мм, осуществляют закалку поверхностного слоя колеса. При этом оптимальной структурой поверхностного слоя считается 13-18% сорбита, остальное мартенсит. Процесс ведут без оплавления поверхностного слоя. В данном аналоге описано железнодорожное колесо, имеющее на рабочей поверхности упрочненный слой. Проведенные авторами исследования показали, что при упрочнении рабочей поверхности колес путем закалки пламенем азотной плазмы возможно получение нескольких типов структур: от структуры, состоящей из мартенсита, до структур, содержащих различный процент сорбита закалки в сочетании с мартенситом. По результатам испытаний, в которых моделировались реальные условия эксплуатации колес, выбрана оптимальная структура, которая состоит из 130-18 процентов сорбита закалки, остальное мартенсит. Однако такая микроструктура колеса не обладает оптимальным сочетанием прочности и пластичности, что приводит к его сокращенному сроку службы.
В качестве плазмообразующего газа используют азот, воздух. Этот способ наиболее близок к предлагаемому способу упрочнения и принят за прототип к изобретению.
Существенными недостатками способа, принятого за прототип, являются:
- низкий кпд процесса упрочнения: 0,55-0,70 (большая часть тепла, генерируемая в плазмотроне косвенного действия, идет на разогрев анода, а не изделия);
- высокая мощность плазмотрона 35-45 кВт, что увеличивает себестоимость упрочнения колесной пары;
- высокая мощность плазмотрона, что приводит к увеличению габаритов оборудования и сложности их обслуживания;
- большие габариты используемого оборудования, которые не позволяют его компактно разместить под электровозом;
- небольшие скорости вращения колеса (4-10 мм/с), что приводит к перегреву при нагреве колесной пары и, как следствие, получению большого размера аустенитного зерна, что при следующей операции охлаждения приводит к средним размерам кристаллов мартенсита и образованию феррито-перлитной сетки по всему сечению упрочненного слоя;
- большая дистанция обработки, что вызывает подсос атмосферы в плазменную струю и способствует окислению поверхностного слоя и адсорбции водорода. Водород в упрочненном слое способствует образованию трещин и водородной хрупкости, а следовательно, снижению износостойкости (Балановский А.Е, Нестеренко Н.А. Проблема водорода при плазменном поверхностном упрочнении. «Сварочное производство», 1992, №11, с.13-15);
- не указана минимальная и максимальная ширина упрочненного слоя;
- не указана минимальная и максимальная твердость поверхностного слоя.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является снижение энергоемкости процесса, упрощение процесса обработки, повышение износостойкости железнодорожных колес за счет получения оптимальной толщины и структуры поверхностного слоя.
Для решения задачи способ упрочнения железнодорожных колес включает нагрев рабочей поверхности колеса плазменной струей плазмотрона, расположенного перпендикулярно и дистанционно рабочей поверхности вращающегося колеса, и последующую поверхностную закалку, при этом нагрев рабочей поверхности осуществляют аргоновой плазменной дугой прямого действия при линейной скорости вращения колеса 6-32 мм/с и дистанции обработки 10-30 мм, причем в процессе нагрева осуществляют магнитную осцилляцию плазменной дуги с треугольной формой импульса напряжения и амплитудой сканирования 20-45 мм.
Железнодорожное колесо, имеющее на рабочей поверхности упрочненный слой, согласно изобретению отличается тем, что упрочненный поверхностный слой получают способом по п.1 формулы изобретения, при этом на глубине 0,2-0,8 мм он имеет структуру мартенсита с вкраплениями верхнего бейнита, на глубине от 0,8 до 1,8 мм - тросто-мартенситную структуру, на глубине от 1,8 до 2,5 мм - сорбито-мартенситную структуру, на глубине от 2,5 до 3,0 мм - структуру сорбита, а на глубине более 3 мм - феррито-перлитную структуру.
Применение плазменной дуги прямого действия позволяет в 2-3 раза снизить мощность плазмотрона. Использование в качестве плазмообразующего газа аргона, аргона в смеси с гелием, аргона в смеси с углеродосодержащими газами позволяет снизить напряжение холостого хода источника питания с 200 В до 60-90 В, что снижает энергоемкость процесса упрочнения, уменьшает габариты оборудования, защищает обрабатываемую поверхность от кислорода и водорода.
Использование магнитного сканирования дуги позволяет увеличить площадь обрабатываемой поверхности, а использование пилообразной (треугольной) формы импульса напряжения на магнитной системе обеспечивает равномерный нагрев по всей амплитуде сканирования без образования застойных зон (где возможно оплавление поверхности), как в случае синусоидальной, прямоугольной, трапециевидной формы импульса напряжения. Нагрев сканирующей плазменной дугой позволяет увеличить глубину упрочненного слоя за счет большего времени пребывания металла при высоких температурах, что благоприятно сказывается на протекании и завершенности фазовых и структурных процессов в поверхностном слое металла.
Указанные преимущества, по сравнению с прототипом, достигаются и тем, что нагрев сканирующей плазменной дугой осуществляют при обязательных условиях процесса нагрева плазменной дугой прямого действия с мощностью для оплавления поверхности изделий, с амплитудой сканирования 20-45 мм, линейной скоростью движения изделия 6-32 мм/с, дистанцией обработки 10-30 мм.
Испытания заявляемого способа плазменно-дугового упрочнения показали, что при соблюдении условий упрочнения в указанных пределах достигаются наиболее высокие положительные результаты упрочнения.
Осуществление одновременного интенсивного охлаждения упрочненной поверхности изделия позволяет осуществить интенсивный отвод тепла, накопляемого в процессе упрочнения в объеме металла, и обеспечить равномерное распределение твердости по ширине и глубине упрочненного слоя.
Заявляемый способ иллюстрируется следующим примером. Так как заявляемый способ в основном ориентирован на конкретный объект применения - железнодорожные колеса, то необходимо выполнять требования ВНИИЖТа, существующие на железнодорожном транспорте в области безопасности движения подвижного состава.
Реализацию технологического решения в соответствии с указанными выше требованиями осуществляли на серийной установке УПНС-304 (завод «Электрик», РФ) с модернизированным плазмотроном с системой магнитной осцилляции. В качестве образцов использовали сегменты, вырезанные из железнодорожных колес (колесная сталь марки 2, ГОСТ 10791-89). В качестве механизма перемещения использовался стол с плавной регулировкой линейного перемещения от 0 до 60 мм/с.
В начале процесс упрочнения производили на модельном образце, на котором путем варьирования мощности плазмотрона, скорости линейного перемещения, амплитуды и частоты магнитной осцилляции определяли режимы упрочнения на соответствия их требованиям технологической инструкции. Каждый технологический параметр исследовался на минимум и максимум, при неизменных других параметрах, но так, чтобы процесс упрочнения осуществлялся, т.е. в поверхностном слое происходили закалочные процессы. При этом делалась металлографическая экспресс- оценка образцов на микротвердость, ширину и глубину упрочненного слоя.
Первоначальная мощность(1 кВт) плазменной дуги не приводит к протеканию структурных и фазовых превращений в поверхностном слое колесной стали, однако при этом парометрические исследования зафиксировали на поверхности температуру 490 градусов Цельсия, что явно недостаточно для начала структурных перестроек в металле. Первые признаки закалки зафиксированы при повышении мощности плазменной дуги до значений 2,5 кВт, при неизменных других параметрах. Дальнейшее повышение мощности приводит к увеличению ширины и глубины поверхностного слоя металла, в котором более полно протекают структурные и фазовые превращения, что также подтверждается линейным характером увеличения твердости. На данном этапе с целью установления оптимальных параметров режимов упрочнения использовалась методика измерения только поверхностной твердости по шкале Роквелла, так как методика измерения микротвердости требует приготовления микрошлифов, что на этапе определения и нахождения оптимальных параметров упрочнения - очень громоздкая и трудоемкая операция. Однако в дальнейшем все найденные параметры были проверены с помощью металлографических исследований с измерениями микротвердости (как требуется согласно техническим условиям (ВНИИЖТа)).
Таким образом, на основании проведенных исследований установлены оптимальные параметры режимов поверхностного упрочнения железнодорожных колес, а именно когда нагрев сканирующей плазменной дугой осуществляют при обязательных условиях процесса нагрева плазменной дугой прямого действия с мощностью, равной 0,75-0,95% от мощности (13 кВт) для оплавления поверхности изделий, с амплитудой сканирования 20-45 мм, линейной скоростью движения изделия 6-32 мм/с, дистанцией обработки 10-30 мм.
В дальнейшем были проведены натурные испытания заявляемого способа в условиях депо Иркутск-Сортировочный, всего обработано более 500 колесных пар электровозов заявляемым способом. Осуществление предлагаемого изобретения проводилось на базе локомотивного депо Иркутск-Сортировочный, при этом использовался стандартный вращатель колесных пар локомотивов (выкаченных из-под электровоза). Данный вращатель используется для проверки колесных пар при ультразвуковой дефектоскопии, и он обеспечивает линейную скорость вращения в диапазоне 4-5 мм/с. В качестве оборудования использовалась установка УПН С-304 (завода «Электрик», РФ) с модернизированным плазмотроном. Режимы упрочнения были следующие: мощность плазменной дуги 12 кВт, что соответствует при постоянных других параметрах 92% от мощности (13 кВт), необходимой для оплавления поверхности, линейная скорость вращения 25 мм/с, амплитуда сканирования 45 мм, дистанция упрочнения 20 мм, форма импульса треугольная.
Колесо, упрочненное описанным выше способом, содержит поверхностный слой, состоящий из нескольких субслоев: поверхность и на глубине 0,2-0,8 мм - структура мартенсита с вкраплениями верхнего бейнита, далее 0,8-1,8 мм - тросто-мартенситная.
Данные по содержанию водорода в упрочненном слое приведены в табл. Видно, что при оптимальных режимах поверхностного упрочнения наблюдается значительное снижение водорода в упрочненном слое, что снижает вероятность водородной хрупкости металла, кроме того, из таблицы видно снижение интенсивности износа в сравнении с прототипом.
Предложенный способ поверхностного плазменно-дугового упрочнения железнодорожных колес, по сравнению с прототипом, позволяет увеличить ширину упрочненной поверхности более чем в в 2 раза, глубину закалки в 1,5 раза, снизить вероятность развития водородной хрупкости металла и склонности к хрупкому разрушению как минимум в 3 раза, износостойкость повышается в 3,5 раза.
Физико-химические и технические характеристики упрочненной поверхности
Твердость, МПа
Глубина, мм
Содержание водорода, см<sup>3</sup>/100 г
Износ после пробега 5000 км, мм
Исходная колесная пара
300
-
0,5-1,5
7-8
Прототип
550
1,5-2
1,8-5,8
4,2-5,1
Предлагаемый способ
700-850
1,5-3
0,8-1,0
1,0-1,9