Способ тепловой обработки железнодорожных колес

 

Изобретение относится к термической обработке железнодорожных цельнокатаных колес. Задачей изобретения является снижение уровня температурного градиента между элементами колеса - ободом и ступицей. Способ включает в себя подстуживание колес на воздухе перед отпуском, подогрев в конвейерной печи до температуры отпуска, отпуск при температуре 450-550^oC с выдержкой в течение 2-3 ч и замедленное охлаждение. Новым является то, что в период подстуживания на воздухе осуществляет охлаждение преимущественно ступицы колеса, а последующий подогрев его до температуры отпуска производят в процессе сжигания топлива непосредственно в конвейерной печи. 1 табл.

Изобретение относится к термической обработке железнодорожных колес и может быть использовано в черной металлургии и машиностроении при тепловой обработке изделий типа колес.

Известен способ термической обработки железнодорожных колес, включающий термическое упрочнение колес, подстуживание колес на воздухе перед отпуском и дифференцированный отпуск обода, диска и мест его перехода в обод и ступицу [1] Известен способ термической обработки железнодорожных колес, согласно которому после термического упрочнения осуществляют подстуживание колес перед отпуском и проводят отпуск сначала диска и мест его перехода в обод и ступицу, а затем отпуск всего колеса [2] Известен способ термической обработки железнодорожных колес, включающий подстуживание колеса перед отпуском в течение 30-45 мин на воздухе и отпуск [3] Основным недостатком этих способов является трудоемкость их реализации, поэтому они и не используются до настоящего времени в промышленности. С другой стороны, сжигание топлива в камерах выносных топок и смешение продуктов сгорания с рециркулянтом приводит к неравномерному и нерегулируемому распределению температуры в смеси. Это объясняется образованием параллельных потоков с разной температурой [4] В качестве прототипа принят известный способ тепловой обработки железнодорожных колес в отапливаемых конвейерных печах после термического упрочнения, который включает выдержку колес на воздухе перед отпуском с целью их подстуживания до температуры не ниже 300^oC в течение 0,5-1,5 ч, нагрев в течение 0,5 ч до температуры отпуска 450-550^oC, выдержку при этой температуре в течение 2-3 ч и последующее замедленное охлаждение. При выдержке колеса на воздухе происходит нерегулируемое охлаждение обода, диска и ступицы, имеющих разную площадь и объем. В этом случае максимально охлаждаются диск и обод [5] Все эти используемые технологические приемы тепловой обработки колес должны способствовать снижению остаточных напряжений, которые отрицательно влияют на усталостную прочность изделий и являются результатом, главным образом, неравномерности нагрева и охлаждения различных элементов колес в процессе их термической обработки, в особенности в процессе отпуска. Поэтому выдержка колес на воздухе перед отпуском и направлена на выравнивание температуры металла между элементами колеса ободом, диском и ступицей.

После закалки металл обода имеет температуру 370^oC, а ступица 700^oC. Однако должного выравнивания температуры не происходит, что видно из таблицы.

Как видно из таблицы, температурный градиент на начальном этапе подстуживания (после 10 мин выдержки, когда температура обода несколько повышается от 370 до 450^oC за счет тепла внутренних слоев металла) и в конце его, после 30-минутной выдержки практически остается неизменным (190-230^oC). Это обстоятельство не способствует снижению остаточных напряжений в колесах, которые при используемой технологии достигают величины 15-20 кгс/мм². С другой стороны, в процессе отопления конвейерных отпускных печей сжигание газа осуществляется в отдельных выносных топках с температурой 1100-1200^oC с последующим разбавлением продуктов сгорания рециркулянтом до 700^oC и подачей в рабочее пространство через систему дымоходов и фурм с обеспечением неравномерного вывода элементов колес до требуемой температуры отпуска. Быстрее остальных достигает температуры отпуска диск, затем ступица и в последнюю очередь наиболее металлоемкий элемент обод. Это приводит к появлению дополнительного температурного градиента между элементами колеса, что влечет за собой увеличение остаточных напряжений в готовой продукции.

Таким образом, использование известной технологии тепловой обработки железнодорожных колес после их термического упрочнения не обеспечивает низкого уровня температурного градиента между отдельными элементами колеса, что приводит к нежелательным большим остаточным напряжениям и снижению усталостной прочности колес в эксплуатации.

Цель изобретения снижение уровня температурного градиента между элементами колеса ободом и ступицей.

Цель достигается тем, что в способе тепловой обработки железнодорожных колес после их термического упрочнения, содержащем подстуживание колес на воздухе перед отпуском, подогрев в конвейерной печи до температуры отпуска, отпуск при температуре 450-550^oC с выдержкой в течение 2-3 ч и замедленное охлаждение, в период подстуживания на воздухе осуществляют охлаждение преимущественно ступицы колеса, а последующий подогрев его до температуры отпуска производят в процессе сжигания топлива непосредственно в конвейерной печи.

Новой технологией предусматривается после нагрева колес до температуры термоупрочнения 850-900^oC и прерывистого охлаждения обода в течение 100-200 с, их подстуживание на воздухе с преимущественных охлаждением ступицы принудительной подачей воздуха на центральную зону колеса на первом этапе выдержки на воздухе непосредственно после термоупрочнения обода. Преимущественное подстуживание ступицы может быть осуществлено и в процессе термоупрочнения обода колеса. При этом температура ступицы (таблица) после ее подстуживания находится на уровне 600^oC, а температурный градиент между ободом и ступицей не превышает 150^oC с последующим его уменьшением до 100^oC в конце выдержки на воздухе. В дальнейшем колеса подогревают в проходной конвейерной печи до температуры отпуска, причем выход на заданную температуру всех элементов колеса обода, диска и ступицы происходит одновременно и быстрее примерно в 1,5 раза. Это достигается тем, что топливо (газ) сжигают непосредственно в конвейерной печи с расположением горелок на уровне наиболее массивных элементов колеса ступицы и обода.

Использование новой технологии тепловой обработки железнодорожных колес обеспечивает снижение температурного градиента между элементами колеса примерно в 2 раза. Опыты, проведенные в колесопрокатном цехе АО Выксунский металлургический завод, показали технологичность способа и возможность его реализации без больших капитальных вложений.

Пример. При изготовлении вагонных колес диаметром 957 мм по ГОСТ 9036-88 и ГОСТ 10791-89 их нагревали в кольцевой печи в течение 1,5 ч до температуры 860^oC, термоупрочняли обод водой на вертикальных машинах в течение 80 с, после чего подачей воздуха непосредственно на ступицу подстуживали ее до температуры 580^oC, а затем выдерживали колесо на воздухе в течение 35 мин. Температура колеса в конце выдержки была, ^oC: ступицы 550; обода 460; диска 430. Затем колеса помещали в конвейерную печь, где осуществляли нагрев до температуры 490^oC с течение 30 мин, и выдерживали при этой температуре 140 мин. После отпуска колеса медленно охлаждали до температуры окружающего пространства цеха. В этой печи осуществляли сжигание топлива (газа непосредственно в камере, где находились колеса, в горелках, расположенных на уровне ступицы верхнем и нижнем уровнях обода. Максимальный температурный градиент между элементами колеса в момент посада их в отпускную конвейерную печь составлял 90^oC.

Исследования остаточных напряжений методом вырезки столбиков металла в диске торцевыми полыми фрезами показали, что уровень их не превышал 10 кгс/мм².

Использование предлагаемого способа тепловой обработки железнодорожных колес обеспечивает снижение температурного градиента между элементами колеса и, как следствие, уменьшение остаточных напряжений в диске более чем на 30%

Формула изобретения

Способ тепловой обработки железнодорожных колес после термического упрочнения, включающий подстуживание колес на воздухе перед отпуском, подогрев в конвейерной печи до температуры отпуска, отпуск при 450 550^oС с выдержкой в течение 2 3 ч и замедленное охлаждение, отличающийся тем, что в период подстуживания на воздухе осуществляют охлаждение преимущественно ступицы колеса, а последующий подогрев его до температуры отпуска производят в процессе сжигания топлива непосредственно в конвейерной печи.

РИСУНКИ

Рисунок 1