Способ термической обработки железнодорожных колес

Авторы патента:

Кушнарев Алексей Владиславович (RU)

Киричков Анатолий Александрович (RU)

Флатов Виталий Геннадьевич (RU)

Тимофеев Валерий Викторович (RU)

Фомичев Максим Станиславович (RU)

Теляшов Николай Васильевич (RU)

Петренко Юрий Петрович (RU)

C21D9/34 - бандажей и ободьев колес

Владельцы патента RU 2451093:

Открытое акционерное общество "ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат" (ОАО "ЕВРАЗ НТМК") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке цельнокатаных железнодорожных колес. Для обеспечения высоких потребительских свойств железнодорожных колес за счет повышения износостойкости рабочего слоя обода колеса и механических свойств диска колеса осуществляют нагрев до температуры аустенизации, дифференцированное охлаждение рабочего слоя обода и его торца со стороны гребня в течение 300 с, при этом охлаждение рабочего слоя обода в первые 180 с осуществляют при дискретном увеличении расхода охладителя от 0,0005 до 0,02 л/(см²/с) на 0,0001 л/(см²/с) через каждые 15-30 с и в последующие 120 с при постоянном расходе охладителя до 0,5 л/(см²/с), а охлаждение торцевой поверхности обода со стороны гребня осуществляют воздухом с расходом 0,5 м³/(см²/с), затем колесо охлаждают на воздухе и проводят отпуск. 3 табл., 1 пр.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке цельнокатаных железнодорожных колес.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости рабочего слоя обода колеса по всей его глубине и высоких механических свойств диска колеса.

Известен способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес [1], 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 пластичного перлита, обеспечивающую их высокую износостойкость, необходимо охлаждать поверхностный слой обода со скоростью выше оптимальной, предлагаемой [1], а это приведет к образованию в нем структуры типа мартенсита отпуска, склонной к выкрашиванию, обладающей малой износостойкостью.

В способе термической обработки железнодорожных колес [2], включающем нагрев до температуры аустенизации, прерывистую закалку обода путем подачи на него охладителя под давлением при вращении колеса, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, в начале прерывистой закалки осуществляют 3-4-кратную импульсную подачу охладителя в течении 4-5 с в каждом импульсе с перерывом 2-3 с между импульсами. В дальнейшем подачу охладителя на поверхность колеса производят при постоянном расходе.

При использовании данного способа частично выравниваются свойства металла обода колеса при его глубине. Недостаток данного способа состоит в том, что за время первого и последующего импульсов поверхностные слои металла при содержании углерода более 0,65-0,67% успевают охладиться до окончания мартенситного превращения.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому (прототипом) является способ термической обработки железнодорожных колес [3], включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку и прерывистое охлаждение поверхностного слоя в течение 110-220 с, отличающийся тем, что с целью повышения износостойкости рабочего слоя по всей глубине охлаждение проводят с удельным расходом охладителя сначала 0,009-0,01 л/(см²/с) в течение 80-30 с, затем 0,015-0,018 л/(см²/с) в течение 50-70 с и далее 0,009-0,01 л/(см²/с). При данном способе невозможно обеспечить близкую скорость охлаждения наружного слоя и внутренних слоев металла обода и, как следствие, невозможно избежать существенных различий в структуре и износостойкости металла непосредственно на поверхности и в глубине, невозможно обеспечить оптимальную структуру металла по всей глубине обода.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости рабочего слоя обода за счет создания однородной структуры тонкопластичного перлита как непосредственно на поверхности, так и на глубине обода и увеличение механических свойств диска за счет дифференцированного охлаждения 3 элементов обода (2 торца обода и круг катания) независимо друг от друга.

Технический результат достигается тем, что заявленный способ термической обработки железнодорожных колес включает нагрев до температуры аустенизации, дифференцированное охлаждение рабочего слоя обода и его торца со стороны гребня в течение 300 с, при этом охлаждение рабочего слоя обода в первые 180 с осуществляют при дискретном увеличении расхода охладителя от 0,0005 до 0,02 л/(см²/с) на 0,0001 л/(см²/с) через каждые 15-30 с и в последующие 120 с при постоянном расходе охладителя до 0,5 л/(см²/с), а охлаждение торцевой поверхности обода со стороны гребня осуществляют воздухом с расходом 0,5 м³/(см²/с), затем колесо охлаждают на воздухе и проводят отпуск.

Отличительными признаками заявляемого способа является:

- плавное увеличение расхода охладителя в первые 180 секунд;

- равная скорость охлаждения зон обода за счет точной настройки форсунок по местоположению относительно поверхности обода и программируемого расхода охладителя на каждом элементе обода.

За счет заявляемого решения можно обеспечить одинаковую скорость охлаждения наружного слоя и внутренних слоев металла обода, максимально выровнять структуру металла на поверхности и в глубине, получив оптимальную структуру по всей толщине рабочего слоя обода. Это происходит за счет следующего. Наружный слой охлаждается при малом расходе охладителя, достаточном однако, чтобы получить оптимальную структуру металла в виде тонкодисперсного пластинчатого перлита без мартенсита отпуска. Слои на глубине 30-50 мм также охлаждаются со скоростью, близкой к оптимальной, за счет увеличения подачи охладителя на наружный слой.

Оптимальный расход охладителя по всем элементам обода и время его применения определяется предварительно опытным путем как расход, требуемый для получения необходимых свойств на глубине 30-50 мм.

Пример выполнения.

Термической обработке по предлагаемому способу подвергались колеса из стали двух плавок, химический состав которых приведен в таблице 1.

После нагрева до температуры аустенизации колеса подвергались закалке. Закалка колес производилась при их вращении со скоростью 30 об/мин. Общее время поверхностного охлаждения обода - 300 с, время дискретного охлаждения обода - первые 180 с, начальный удельный расход охладителя - 0,0005 л/(см²/с), его дискретное увеличение до оптимального удельного расхода охладителя (0,019 л/(см²/с) с увеличением на 0,0001 л/(см²/с), и далее в последующие 120 с после достижения удельного расхода охладителя 0,0185-0,019 л/(см²/с) при постоянном удельном расходе 0,033 л/(см²/с), совместно с охлаждением торцевой поверхности обода со стороны гребня воздухом с удельным расходом 0,5 м³/(см²/с). Параметры закалки колес по заявляемому способу приведены в таблице 2, результаты испытаний механических свойств, твердости и микроструктуры приведены в таблице 3.

Охладитель для закалки обода подавался через блок клапанов, открываемых по заданной программе охлаждения на три контура водяного охлаждения и один контур воздушного охлаждения, в которой программировалось по временным интервалам степень открытия водяных и воздушных клапанов. Тем самым обеспечивался плавный рост расхода охладителя от начального значения до оптимального. После закалки колеса подвергались охлаждению на воздухе во время транспортировки к отпускным печам и отпуску при оптимальной температуре.

Для сравнения предлагаемого и известного способа закалки [2] в таблице 2 приведены параметры расходов охладителя и в таблице 3 - результаты механических испытаний, твердость, микроструктура закаленного слоя по заявляемому способу и способу-прототипу.

Колеса, закаленные по заявляемому способу, для всех плавок на глубине до 30 мм имеют структуру тонкодисперсного пластинчатого перлита, равномерно переходящего на глубине 50 мм в пластинчатый перлит с минимальными участками феррита.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет получить структуру тонкодисперсного пластинчатого перлита, обладающего высокой износоустойчивостью как на поверхности, так и на глубине колес.

Источники информации

1. А.с. 724583. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. Заявители: ИЧМ, Нижнеднепровский трубопрокатный завод, НТМК. Опубл. 30.03.1980, бюл. №12.

2. А.с. 1425229. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес. Заявитель: Нижнеднепровский трубопрокатный завод. Опубл. 23.09.1988 г., бюл. №35.

3. Патент 2140997. Способ термической обработки железнодорожных колес. Заявитель: ОАО "Выксунский металлургический завод". Опубл. 10.11.1999 г.

Способ термической обработки железнодорожных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, дифференцированное охлаждение рабочего слоя обода и его торца со стороны гребня в течение 300 с, при этом охлаждение рабочего слоя обода в первые 180 с осуществляют при дискретном увеличении расхода охладителя от 0,0005 до 0,02 л/(см²/с) на 0,0001 л/(см²/с) через каждые 15-30 с и в последующие 120 с при постоянном расходе охладителя до 0,5 л/(см²/с), а охлаждение торцевой поверхности обода со стороны гребня осуществляют воздухом с расходом 0,5 м³/(см²/с), затем колесо охлаждают на воздухе и проводят отпуск.

Изобретение относится к машиностроению и термической обработке металлов и может быть использовано при производстве новых и ремонте старых железнодорожных колес. .

Способ и устройство для плазменной обработки тела вращения // 2401310

Изобретение относится к способу и устройству для плазменной обработки тела вращения и может найти применение при упрочнении железнодорожных колес. .

Способ лазерной обработки поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар // 2389805

Изобретение относится к способу лазерной обработки поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар из различных марок стали, работающих в условиях трения-износа.

Способ термического упрочнения железнодорожных колес // 2353672

Изобретение относится к области термической обработки. .

Устройство для охлаждения и обработки нагретых деталей, имеющих форму тел вращения, из металлических материалов, таких, как сталь, и способ охлаждения и обработки нагретых деталей // 2277132

Изобретение относится к области термической обработки деталей, имеющих форму тел вращения из металлических материалов, в частности для охлаждения, моноблочных колес, колесных бандажей, колесных дисков и аналогичных дисков и колец, таких как железнодорожные и трамвайные колеса, зубчатые колеса и звездочки.

Способ термической обработки катков гусеничных машин // 2240359

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способу термообработки опорных и поддерживающих катков из сложнолегированных улучшаемых сталей. .

Способ восстановления работоспособности колёс рельсового транспорта // 2222613

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к способу восстановления работоспособности колес железнодорожного транспорта. .

Полуавтомат для индукционной закалки ободов зубчатых // 2207385

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке металлов с применением токов высокой частоты, и может быть использовано в машиностроении для закалки ободов зубчатых.

Способ производства бандажей из заэвтектоидных сталей // 2203968

Изобретение относится к термической обработке черных металлов и может быть использовано при производстве бандажей для горизонтальных и вертикальных валков прокатных станов.

Установка для упрочнения колес железнодорожного транспорта // 2201975

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а конкретно к установкам для упрочнения ободов колес и головок рельсов. .

Способ упрочнения локомотивных и вагонных колес // 2454469

Изобретение относится к способам плазменной обработки и может быть использовано для упрочнения локомотивных и вагонных колес из углеродистой марганцовистой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси

Обработка железнодорожных колес // 2495144

Изобретение относится к области термической обработки, в частности к обработке стальных железнодорожных колес для формирования необходимого распределения сжимающих остаточных напряжений в ободе. Для обеспечения требуемых механических свойств стали, увеличения срока службы колес сначала колесо нагревают для формирования аустенита по всем участкам обода и диска. Затем колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на участке диска. Колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внутреннем участке обода. Колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внешнем участке обода. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Способ упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей // 2534885

Изобретение относится к области термомеханической обработки деталей и может быть использовано для упрочнения рабочих трущихся поверхностей рельс и колес подвижного состава, в частности изобретение относится к способу упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей, преимущественно поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар. Для повышения износостойкости трущихся поверхностей колеса и увеличения срока эксплуатации колеса на поверхности катания и гребня создают полосы с модифицированной структурой, имеющие механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, при этом упомянутые полосы создают переменной ширины и глубины по периметру гребня колеса. 1 табл., 7 ил., 1 пр.

Способ термической обработки железнодорожных бандажей // 2547375

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке железнодорожных бандажей. Для обеспечения высоких потребительских свойств осуществляют термическую обработку железнодорожного бандажа из стали, содержащей, мас.%: С 0,65-0,75, Mn 0,6- 0, 9, Si 0,22-0,45, Cr 0,2-0,6 и V 0,01-0,03. Бандаж нагревают до температуры аустенизации и проводят управляемое охлаждение поверхностного слоя бандажа жидким охладителем или водовоздушной смесью, при этом охлаждение поверхности катания бандажа осуществляют водой c регулированием её расхода в период охлаждения, соответственно: 0,00035 л/(см2·с) в период до 120с, 0,00075 л/(см2·с) в период 121-150с, 0,00115 л/(см2·с) в период 151-180с, 0,00155 л/(см2·с) в период 181-210с, 0,002 л/(см2·с) в период 211-300с, а боковую поверхность по внутреннему диаметру бандажа охлаждают воздухом с расходом 0,0003м3/(см2·с) с последующей выдержкой на воздухе и отпуск. В результате термообработки бандажей достигается повышение износостойкости рабочего слоя, включая наружный и внутренние слои металла и получение сжимающих напряжений в рабочем слое бандажа до глубины 50-60 мм от поверхности катания. 5 табл., 1 пр.

Способ акустической обработки бандажа и колесного центра при сборке колесной пары // 2565446

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Способ включает расточку бандажа, нагрев бандажа и установку бандажа на колесный центр. После или во время установки бандажа на колесный центр осуществляют акустическую обработку (озвучивание) бандажа и/или колесного центра. Техническая задача: повышение надежности крепления бандажа на колесном центре. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Устройство для охлаждения обода при термоупрочнении железнодорожных колёс // 2612479

Изобретение относится к металлургии, а именно к оборудованию для термической обработки железнодорожных колес, и может быть использовано в черной металлургии и машиностроении в линиях термической обработки колес. Устройство содержит 2 опорных ролика, 2 поддерживающих ролика и размещенные между ними спрейеры для подачи охлаждающей жидкости. При этом спрейеры для охлаждения боковых поверхностей обода, расположенные между опорными роликами, выполнены одноплоскостными, а спрейер для охлаждения поверхности катания обода, расположенный между опорным и поддерживающим роликами, выполнен повторяющим кривизну поверхности катания обода. Изобретение направлено на снижение расхода охлаждающей воды, облегчение ее удаления, устранение образования паровой «рубашки» между закаливаемой поверхностью и охлаждающей средой, обеспечение скоростей охлаждения металла обода ниже критической по всему сечению с получением структуры тонкопластинчатого перлита по всей толщине обода и исключение попадания воды на диски колес соседних устройств. 2 ил., 6 табл.

Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали // 2616756

Изобретение относится к технологии обработки высоконагружаемых железнодорожных колес и может быть использовано для упрочняющей термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес различной формы. Способ включает нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре, прерывистую закалку обода водой, последующее охлаждение колес и отпуск. Колеса изготавливают из стали, содержащей следующие компоненты, мас.%: углерод 0,46-0,54, кремний 0,25-0,45, марганец 0,85-1,2, хром 0,80-1,10, ниобий 0,01-0,05, ванадий 0,08-0,20, молибден не более 0,05, титан не более 0,01, фосфор не более 0,030, серу не более 0,020, никель и медь не более 0,25 каждого, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,0002. Закалку обода водой осуществляют путем трехстороннего его охлаждения из спрейерных устройств в течение 290-330 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах увеличивают от нуля до 0,07-0,09 МПа в течение 75-85 секунд с дальнейшим охлаждением при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм. Последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов. Повышается уровень прочностных характеристик обода, износостойкость, предел контактно-усталостной выносливости, обеспечивается требуемый уровень пластических и вязких характеристик металла колес. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес // 2632507

Изобретение относится к области термической обработки. Для повышения конструктивной и усталостной прочности цельнокатаных железнодорожных колес за счет повышения одновременно прочностных, пластических и вязких характеристик металла их дисков, уровня сжимающих напряжений в колесе осуществляют нагрев колес до температуры аустенизации, последующее прерывистое трехстороннее охлаждение обода вращающегося в вертикальной плоскости колеса водой из спрейерных устройств, двухстороннее принудительное охлаждение диска и мест перехода диска в обод и ступицу сжатым воздухом из не менее двух форсунок с каждой стороны, присоединенных к общей воздушной магистрали, при этом соседствующие форсунки с каждой из сторон охлаждения располагаются друг относительно друга на расстоянии, при котором пятна обдува от форсунок перекрываются на величину их радиусов, а давление воздуха в воздушной магистрали поддерживается в пределах 4-5 атмосфер, время охлаждения диска и мест перехода диска в обод и ступицу составляет 0,8-1,5 от заданного времени охлаждения обода. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 табл.

Способ термической обработки железнодорожных колес // 2636777

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке цельнокатаных железнодорожных колес. Для улучшения механических и эксплуатационных свойств железнодорожное колесо нагревают до температуры аустенизации, погружают его в закалочный бак на глубину до точки начала перехода обода в диск и охлаждают при одновременном вращении железнодорожного колеса, затем проводят отпуск при температуре 450-550°C, причем температура закалочной среды в баке составляет 15-30°C, процесс закалки длится 100-250 с, а вращают колесо с частотой 90-150 об/мин. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.