Способ термического упрочнения железнодорожных колес

 

Изобретение относится к термической обработке прокатных изделий, в частности железнодорожных цельнокатаных колес. Цель - повышение свойств металла колес, обеспечение их равномерности по сечению обода. Сущность: в процессе нагрева колес под закалку выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода ведут за счет более высокой температуры диска, а перед термоупрочнением обода осуществляют снижение до 770 - 800^oС температуры поверхности колес. 1 табл.

Изобретение относится к термической обработке прокатных изделий, в частности цельнокатаных железнодорожных колес.

Известны способы термического упрочнения стальных изделий, в частности железнодорожных колес, предусматривающие нагрев изделий под термообработку, подачу охладителя на различные поверхности обода колеса (боковые и поверхность катания) с требуемой скоростью охлаждения и отпуск [1, 2] Традиционная технология термоупрочнения колес включает в себя их нагрев до 840-870^оС равномерно по всем поверхностям, передачу нагретого колеса к закалочной машине с минимальным промежутком во времени, термоупрочнение (охлаждение водой) обода колеса в течение 100-200 с в зависимости от содержания в стали углерода и марганца. Использование такой технологии обеспечивает невысокий уровень прочностных свойств металла и износостойкости обода в эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки железнодорожных колес путем нагрева их до температуры аустенизации, выравнивания температуры внутренних и поверхностных зон обода выдержкой при температуре выше Ас₃, термическое упрочнение обода охлаждением его водой, снижение температуры колес подстуживанием на воздухе перед отпуском и их отпуск [3] Недостатком этого способа является низкий уровень прочностных свойств центральных слоев обода колеса из-за менее продолжительного пребывания их при температуре аустенизации в сравнении с поверхностными слоями и из-за высокой температуры колеса непосредственно вначале закалки, ограничивающей увеличение интенсивности охлаждения по причине коробления обода выше допускаемого предела.

Цель изобретения повышение свойств металла обода и снижение неравномерности их по сечению обода. Свойства металла обода (временное сопротивление разрыву и твердость) корреляционно связаны с износом обода в процессе эксплуатации: чем выше прочность и твердость металла, тем выше износостойкость. При изготовлении колес по применяемой технологии практически внутренние зоны обода имеют показатели твердости на 15-25% ниже, чем поверхностные. Поэтому переточенные по износу колеса к середине своего срока службы изнашиваются более интенсивно на ту же величину. От этого железная дорога несет большие потери, требуется дополнительное количество колес и трудоемкая замена изношенных вагонных колес. Обеспечение равномерности свойств металла по сечению обода за счет повышения прочности центральных зон является резервом увеличения срока службы колес.

Цель достигается тем, что в процессе нагрева колес до температуры аустенизации выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода ведут за счет более высокой температуры диска, а перед термоупрочнением обода осуществляют снижение до 770-800^оС температуры поверхности колес.

Сущность способа заключается в следующем.

В течение всего процесса нагрева колес преимущественно более высокую температуру обеспечивают среднему элементу колеса диску, что достигается путем увеличения в 1,5-2 раза интенсивности конвективной теплопередачи и ростом температуры от начала первой зоны к последующим зонам нагревательной печи. А так как диск имеет меньшее сечение, чем обод в 4-7 раз, он постоянно будет иметь более высокую температуру. Диск непосредственно (металлически) связан с ободом в средней его части, поэтому за счет температурного градиента диск-обод внутренняя зона обода будет более интенсивно нагреваться, чем при выдержке колеса в зонах печи при близкой температуре элементов колеса. Более интенсивное выравнивание по температуре поверхностной и центральной зон обода увеличивает продолжительность пребывания этих центральных зон при температурах аустенизации и уравнивает устойчивость аустенита различных зон обода, что позволяет повысить прочность глубинных слоев обода при последующем охлаждении в процессе закалки.

Непосредственно перед термоупрочнением температура нагретого колеса понижается до 770-800^оС за счет снижения температуры в последней зоне печи и (или) выдержки до 1,5 мин колеса на воздухе. Снижение перед закалкой температуры металла, предварительно нагретого до аустенитного состояния, позволяет путем более интенсивного охлаждения дополнительно повысить прочность глубинных слоев обода без превышения допускаемой стандартом величины коробления обода 0,4 мм. При увеличении (с целью повышения прочности) скорости охлаждения центральных зон металла обода от 2,5 до 4^оС/с коробление обода после закалки от температуры 850^оС (температура по действующей технологии) увеличивается от 0,25-0,35 до 0,40-0,50 мм, а при подстуживании перед закалкой до 770^оС (температура по предлагаемому способу) от 0,15-0,25 до 0,30-0,40 мм.

Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице.

П р и м е р. Вагонные железнодорожные колеса диаметром 957 мм из стали с содержанием углерода 0,63 мас. марганца 0,74 мас. и кремния 0,32 мас. нагревали в кольцевой печи диаметром 27 м с увеличением в 1,7 раза скорости циркуляции печных газов и постоянным ростом температуры печи от 390 до 870^оС с начала первой зоны к последней зоне печи. При этом температура диска была выше температуры поверхности обода в разных стадиях нагрева на величину до 50^оС. Температура поверхности металла колес к середине последней зоны печи составляла 845-865^оС. В конце последней зоны температуру колес снижали на 25-35^оС, затем после выдачи из печи колеса замедленно транспортировали к закалочным машинам открытыми на воздухе в течение 0,9 мин. При этом температура поверхности обода снижалась до 790^оС. В закалочной машине колеса охлаждали в течение 150 с при температуре закалочной воды 26^оС и с использованием спрейеров, обеспечивающих в центральной зоне обода скорость охлаждения, равную 4^оС/с. После закалки колеса подавали в конвейерные отпускные печи, где нагревались и выдерживались в течение 1,5 ч при 510^оС. Металл обода после отпуска и охлаждения исследовали на твердость в средней зоне и на поверхности. Получено увеличение твердости на поверхности на 3 8 единиц НВ, градиент твердости поверхности и центральной зоны обхода не превышал 4%

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС, включающий нагрев до температуры аустенизации, выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода, термическое упрочнение обода охлаждением его водой, снижение температуры поверхности колес подстуживанием на воздухе и их отпуск, отличающийся тем, что в процессе нагрева колес до температуры аустенизации выравнивание температуры внутренних и поверхностных зон обода ведут за счет более высокой температуры диска, а перед упрочнением обода осуществляют снижение до 770 800^oС температуры поверхности колес.

РИСУНКИ

Рисунок 1