SURFACE HARDENING OF PARTS WEARING SURFACES
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИЗНАШИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к области термомеханической обработки деталей и может быть использовано в машиностроительной промышленности для упрочнения рабочих/трущихся поверхностей деталей машин и механизмов, в частности изобретение относится к способу упрочнения изнашиваемых поверхностей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар.
Известен способ поверхностной электроконтактной закалки деталей, в котором для получения заданной глубины закаленного слоя контактные ролики прижимают к поверхности обрабатываемой детали давлением 0,6-0,8 от предела текучести материала детали и сообщают им движение с определенной скоростью (SU 1713943 A1, 23.02.1992).
Известен также способ поверхностной электроконтактной закалки деталей, согласно которому нагрев поверхности осуществляют пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой детали с определенным давлением и перемещаемые с требуемой скоростью, с последующим охлаждением зоны нагрева. При этом между контактными элементами создается давление на поверхности детали (SU 325092 A1, 23.07.1987).
Недостатком известных способов является высокий уровень остаточных внутренних напряжений при термообработке рельс и колес подвижного состава, что снижает их эксплуатационную надежность.
Известен способ упрочнения поверхностей электроконтактной термообработкой, включающий нагрев пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой поверхности под давлением, охлаждение зоны нагрева, в результате чего получают упрочненные полосы с модифицированной структурой (RU 2158313 C1, 27.10.2000).
В известном способе получают полосы, которые имеют одинаковую глубину по длине полосы.
o
i
max
i
o
I
0
Однако, исходя из физики взаимодействия трущихся поверхностей, необходимо отметить два факта: 1) глубина упрочненной полосы в исходном состоянии будет иметь максимальное значение - b, а в процессе работы детали будет идти износ поверхности и уменьшение глубины упрочненной полосы b (фиг.1)); 2) в процессе взаимодействия на поверхности возникают касательные - срезающие напряжения, возникающие за счет сил трения, которые имеют максимальное значение - τ на поверхности и уменьшаются по глубине (фиг.2). Сочетание двух факторов приводит к тому, что по мере увеличения износа уровень срезающих (касательных) напряжений, воздействующих на зону перехода от упрочненного металла к основному металлу, увеличивается (при этом b<b, a τ>τ). Следовательно, возрастает вероятность деформации, отслаивания или выкрашивания металла, а в итоге происходит уменьшение уровня износостойкости поверхностей.
Задачей данного изобретения является повышение уровня износостойкости поверхностей деталей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар, увеличение сроков их эксплуатации и снижение эксплуатационных расходов.
i
н
i-п
i-п
ш
Данная задача в способе упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей решается за счет снижения касательных напряжений, воздействующих на зону перехода) от упрочненного металла к основному металлу. Это достигается за счет того, что в металле у поверхности создают полосы с модифицированной структурой, имеющие механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, при этом упрочненные полосы с модифицированной структурой создают постоянной или переменной шириной по длине полосы и переменной глубиной по длине полосы (фиг.3). То есть τ раскладывается на напряжения, действующие по нормали τ, и вдоль зоны перехода τ, при этом τ≤τ.
При обработке поверхности полосы с иными, чем у основного металла детали, в частности рельса, механическими свойствами могут быть получены с помощью различных видов обработки, таких как сварка, термообработка лазером, плазмой или электроконтактным методом, пластическим деформированием. Получают полосы с различными геометрическими характеристиками: при одной и той же ширине полосы глубина воздействия может быть переменной (см. фиг.4), а также могут быть получены зоны с одновременным изменением и ширины и глубины (см. фиг.5).
Пример.
Для оценки влияния предлагаемого упрочнения проводилось упрочнение цельнокатаных железнодорожных колес, изготовленных из колесной стали марки 2 ГОСТ 10791 (см. таблицу).
Таблица
Химический состав  стали, %
Марка стали
С
Mn
Si
P
S
Gr
Ni
Cu
V
2
0,55-0,65
0,5-0,9
0,2-0,42
<0,035
<0,04
<0,25
<0,25
<0,25
-
Для изменения ширины и глубины упрочненной зоны использован режим импульсной электроконтактной обработки металла с изменением тепловложения вдоль траектории движения источника теплоты. К поверхности на гребне колеса прижималось два роликовых электрода для получения двух ленточных полос. Колесная пара приводилась во вращение, что обеспечивало линейную скорость движения V=5 мм/с.
1
И-1
П-2
1
Ц-1
И-1
П-1
2
И-2
П-2
2
2
В ходе подготовки данного патента были проведены соответствующие работы. При обработке вначале задавался ток I=4 750 A, который протекал на протяжении импульса t=0,14 с, затем ток отключался и наступала пауза t=0,6 с. Последовательно было сделано N=5 циклов (время цикла t=t+t). После чего задавался ток меньшей величины I=3000 A, с временем импульса  t=0,08 с и временем паузы t=0,08 с. Было реализовано N=6 циклов нагрева вторым током I. Периодическое изменение в задании импульсов первого и второго токов продолжалось до полного упрочнения гребня по всему периметру (фиг.6).
В итоге получены кольцевые полосы, ширина c=var и глубина которых b=var изменялась соответственно:
1
1-max
1-max
при токе I C=5,6 мм, b=2,1 мм;
2
2-min
2-min
при токе I c=3,4 мм, b=1,2 мм (фиг.7).
Эксплуатационные испытания показали, что при пробеге электрички 28000 км износ гребней цельнокатаных колес с упрочненными четырьмя   полосами в 2 раза меньше, чем у колес без упрочнения. При этом в упрочненных зонах с модифицированной структурой выкрашивания и других дефектов нет.