Способ упрочнения изнашиваемых поверхностей деталей

Авторы патента:

Петров Артём Сергеевич (RU)

C21D9/34 - бандажей и ободьев колес

C21D1/06 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2534885:

Петров Артём Сергеевич (RU)

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.

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.

Однако, исходя из физики взаимодействия трущихся поверхностей, необходимо отметить два факта: 1) глубина упрочненной полосы в исходном состоянии будет иметь максимальное значение - b_o, а в процессе работы детали будет идти износ поверхности и уменьшение глубины упрочненной полосы b_i (фиг.1)); 2) в процессе взаимодействия на поверхности возникают касательные - срезающие напряжения, возникающие за счет сил трения, которые имеют максимальное значение - τ_max 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_i<b_o, a τ_I>τ₀). 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.

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_i раскладывается на напряжения, действующие по нормали τ_н, и вдоль зоны перехода τ_i-п, при этом τ_i-п≤τ_ш.

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.

В ходе подготовки данного патента были проведены соответствующие работы. При обработке вначале задавался ток I₁=4 750 A, который протекал на протяжении импульса t_И-1=0,14 с, затем ток отключался и наступала пауза t_П-2=0,6 с. Последовательно было сделано N₁=5 циклов (время цикла t_Ц-1=t_И-1+t_П-1). После чего задавался ток меньшей величины I₂=3000 A, с временем импульса t_И-2=0,08 с и временем паузы t_П-2=0,08 с. Было реализовано N₂=6 циклов нагрева вторым током I₂. 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:

при токе I₁ C_1-max=5,6 мм, b_1-max=2,1 мм;

при токе I₂ c_2-min=3,4 мм, b_2-min=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.

Способ упрочнения изнашиваемой поверхности железнодорожного колеса, включающий нагрев поверхности катания и гребня колеса с созданием полос с модифицированной структурой, имеющих механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, отличающийся тем, что нагрев осуществляют с обеспечением изменения тепловложения вдоль траектории вращения колеса и создают упомянутые полосы с модифицированной структурой переменной ширины и глубины по периметру гребня колеса.

Изобретение относится к области термической обработки, в частности к обработке стальных железнодорожных колес для формирования необходимого распределения сжимающих остаточных напряжений в ободе.

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.

Способ термической обработки железнодорожных колес // 2451093

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

Способ упрочнения железнодорожных колес и железнодорожное колесо с упрочненной рабочей поверхностью // 2430166

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. .

Способ нагрева и закалки зубчатых колес и устройство для его осуществления // 2534047

Изобретение относится к области индукционного нагрева и термообработки деталей сложной формы, при проведении которой используют комбинацию различных режимов индукционного нагрева, характеризуемых различными частотами тока.

Профилированная стальная проволока с высокими механическими характеристиками, стойкая к водородному охрупчиванию // 2533573

Изобретение относится к производству профилированной проволоки из низколегированной углеродистой стали, предназначенной для использования в качестве компонента в гибких трубах для морской нефтедобычи.

Защитное покрытие для сталей и сплавов // 2533509

Изобретение относится к защитным покрытиям для сталей и сплавов от окисления при технологических нагревах. Технический результат изобретения заключается в создании защитного покрытия, обладающего повышенной до 1250°C рабочей температурой, и увеличении времени работоспособности его при нагревах до 1250°C.

Способ термической обработки стальных заготовок // 2532874

Изобретение относится к области металлургии. Способ термической обработки заготовок под холодную пластическую деформацию, преимущественно для сталей с машин непрерывного литья, предусматривает аустенитизацию при температуре Ас3+(100-150°С), выдержку, охлаждение со скоростью более 20°С/мин до температуры 680-700°С, диффузионное превращение переохлажденного аустенита при различных температурах по схеме 680-660-640-600°С с выдержкой при каждой температуре 60-80 минут с завершением охлаждения на воздухе.

Высокоизносостойкие лезвия для гранулятора и способ их заточки // 2532206

Изобретение относится к инструментам, в частности к ножам для гранулирования термопластичных полимеров и способу их заточки. Нож выполнен из инструментальной стали для холодной обработки, имеющей твердость менее 65 единиц по шкале С Роквелла.

Защитное покрытие для сталей и сплавов // 2530283

Изобретение относится к защитным покрытиям для сталей и сплавов от окисления при технологических нагревах. Технический результат изобретения заключается в уменьшении сцепления покрытия к сталям и увеличении вязкости покрытия при сохранении температуроустойчивости до 1150°C.

Упрочненная структура титанового сплава для применения в зубчатых колесах трансмиссий // 2529322

Изобретение относится к области обработки металлических изделий для упрочнения путем изменения их физической структуры и может быть использовано для получения дисперсионно-упрочненной структуры металлического сплава зубчатого колеса трансмиссии.

Стенд лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг // 2527979

Изобретение относится к устройствам термообработки стальных изделий непосредственным действием волновой энергии и может быть применено в серийном производстве газовых центрифуг на рабочем месте выполнения технологической операции лазерной закалки торцевой поверхности малогабаритной опорной иглы.

Способ термической обработки штампов и пресс-форм // 2527575

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки штампов из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости, к примеру 5ХНМ и 4Х5МФС, а также пресс-форм из стали 4Х5МФС.

Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев // 2527511

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности металлических материалов с помощью формирования наноразмерных покрытий путем воздействия лазерного излучения и может быть применено в различных отраслях промышленности для получения износостойких и антифрикционных покрытий.

Способ термической обработки инструмента из быстрорежущей стали // 2535817

Изобретение относится к области термической обработки быстрорежущих сталей и может быть использовано преимущественно для термической обработки длинномерного инструмента и инструмента сплошной формы. Способ термической обработки инструмента из быстрорежущей стали включает нагрев инструмента до температуры закалки, выдержку, охлаждение до температуры окружающей среды и отпуск. После нагрева до температуры закалки и выдержки при этой температуре инструмент охлаждают в соляной ванне при температуре 810-860°C с выдержкой 1,9-2,0 сек/мм, но не более 1 минуты. Дальнейшее охлаждение до температуры окружающей среды инструмента с толщиной или диаметром его рабочей части не более 20 мм проводят на воздухе, а для инструмента с толщиной или диаметром рабочей части более 20 мм - охлаждение проводят в жидких средах. Затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Техническим результатом является снижение закалочных напряжений и, как следствие, устранение коробления, уменьшение вероятности трещинообразования, и повышение работоспособности инструмента.