CC BY
39
УДК 621.771.294.64:621.785.55
И. А. ВАКУЛЕНКО (ДИИТ), О. Н. ПЕРКОВ (ИЧМ НАНУ, Днепропетровск)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
В статп розглядаетъся виршення актуально! науково-техшчно! проблеми - розробка технологи змщню-ючо! термiчноl обробки залiзничних кол1с.
В статье рассматривается решение актуальной научно-технической проблемы - разработка технологии упрочняющей термической обработки железнодорожных колес.
In the article the solution of urgent scientific and technical problem is considered - the development of technology of hardening thermal treatment of railroad wheels.
Эксплуатационная надежность железнодорожного колеса во многом определяется уровнем ударной вязкости материала диска, а также стойкостью обода к зарождению термических трещин по поверхности катания. Основными видами разрушения колес в эксплуатации по элементам являются усталостные повреждения диска с зарождением трещин в приободной части на внутренней стороне колеса и разрушение обода вследствие распространения термических трещин. Уровень ударной вязкости стали, особенно её хладостойкость, в значительной степени определяется структурным состоянием, формируемым при термической обработке колеса. Известно, что стойкость обода к распространению термических трещин
Увеличение скорости охлаждения, например как в случае термической обработки элементов железнодорожных колес (обод, диск, места перехода диска к ободу и ступице), сопровождается, одновременно с диспергированием перлитных колоний, уменьшением объемной доли структурно свободного феррита за счет форми-
существенно повышается при наличии в нём сжимающих тангенциальных остаточных напряжений [1].
На основе анализа нормативно-технической документации [2] большинство производителей железнодорожных колес используют углеродистые стали с содержанием углерода в интервале 0,55... 0,65 %. В горячекатаном состоянии или после отжига, структура указанных сталей с учетом стехиометрии может включать до 25 % структурно свободного феррита. Указанная структурная составляющая располагается в виде сетки по границам бывших аустенитных зерен или отдельных зерен, после достаточно медленного охлаждения (рис. 1а).
рования псевдоэвтектоида. Однако, для указанных содержаний углерода (0,55.0,65 %) даже при достижении максимально возможных скоростей охлаждения (ограничение геометрическими размерами обода) их все же недостаточно для полного исчезновения избыточного феррита. Оптимальной структурой для дости-
а б в
Рис. 1. Структура стали с 0,6 % С после нормализации (а), изотермического распада при температуре 650 °С (б), формирования бейнита и последующего отпуска при 650 °С (в),
(увеличение а - 800; б, в - 2000)
жения требуемого комплекса свойств в ободе железнодорожного колеса является структура пластинчатого сорбита с прерывающейся сеткой структурно свободного феррита (рис. 1б). Полученные данные относительно оптимального структурного состояния углеродистой стали, предназначенной для изготовления железнодорожных колес, вместе с известными техническими решениями по технологии термического упрочнения позволили разработать [3] и успешно использовать в настоящее время упрочняющую обработку как полностью железнодорожного колеса, так и отдельных его элементов.
Учитывая возникновение достаточно сложного напряженного состояния в металле диска при эксплуатации, что обусловлено конструктивными особенностями, эпюрой напряжений, можно полагать, что использование упрочняющей термической обработки элементов диска окажет существенное влияние на напряженное состояние других элементов колеса, например обода.
В условиях промышленного производства железнодорожных колес поиск оптимальных параметров термического упрочнения позволил определить влияние интенсивности охлаждения на процессы структурных превращений в металле колес. Так, использование принудительного охлаждения диска, особенно в местах его перехода к ободу и ступице, при длительности 10...15 с и интенсивности подачи охладителя 0,08...0,12 м3/(м2-с), позволило достигнуть скорости охлаждения 20.60 °С/с с образованием бейнитной структуры на глубине от поверхности теплоотвода до 20 % толщины диска. С другой стороны, увеличение интенсивности подачи охладителя более 0,12 м3/(м2-с) привело к излишнему охлаждению поверхностного слоя до температур ниже Мн. В этом случае не достигаются условия разогрева охлажденного метала, за счет тепла внутренних объёмов, до требуемого уровня. Разогрев должен быть адекватным влиянию на процессы структурообра-зования отпуска при 600.650 °С. Такого нагрева достаточно, даже при коротких выдержках, для формирования глобулярных структур (рис. 1в). Уменьшение интенсивности подачи охладителя менее чем 0,08 м3/(м2-с) привело к снижению скорости охлаждения поверхностного слоя. В этом случае формирование преимущественно перлитных структур с пластинчатым строением карбидной фазы не обеспечивало достижения необходимого уровня хладостойкости.
На основании проведенных исследований была разработана технология термоупрочнения железнодорожных колес, которая прошла опробование на серийно изготовляемых, в колесопрокатном цеху Нижнеднепровского трубо-
прокатного завода, цельнокатаных колесах диаметром 957 мм из стали с 0,58 % С и 0,78 % Мп. Колеса перед термической обработкой обтачивали на номинальные размеры по [4] (толщина диска в месте перехода в обод составляла 17 мм, а в ступицу - 24 мм). Колеса нагревали в печи с температурой 850 °С в течение 2,5 ч. Ободья всех колес принудительно, прерывисто охлаждали в закалочной машине в течение 140 с с интенсивностью подачи воды 0,12 м3/(м2-с). Одновременно металл диска и места его перехода в обод и ступицу подвергали охлаждению с интенсивностью подачи воды 0,10 м3/(м2-с) в течение 12 с.
Заключительной операцией был отпуск при температуре 500 °С, длительностью выдержки 2,5 ч. Анализ комплекса свойств производили на образцах, которые отбирались от диска в местах перехода диска в обод. В результате использованной термической обработки комплекс свойств металла железнодорожного колеса составил значения: предел прочности при растяжении 880 Н/мм2 ; относительное удлинение и сужение соответственно 19 и 49 %. Величина ударной вязкости при температурах испытания +20, -20 и -40 °С составила значения 0,8; 0,4 и
0.3.МДж/м2 , соответственно. Величина остаточных напряжений в ободе колеса, определяемая по методике сходимости концов обода после разрезания колеса от гребня к ступице, составила значение 2,2 мм, что является достаточным по требованиям нормативно-технической документации.
Таким образом, использование ускоренного охлаждения элементов колеса, как составляющей общего технологического процесса производства, обеспечивает повышение конструктивной прочности и надежности за счет достижения высокого комплекса свойств, особенно значений ударной вязкости металла, с одновременно высокой стойкостью обода к зарождению и распространению термических трещин.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ларин, Т. В. Пути повышения надежности и долговечности цельнокатаных колес [Текст] / Т. В. Ларин, Ю. М. Парышев // Железнодорожный транспорт. - 1973. - С. 56-59.
2. ГОСТ 10791. Колеса цельнокатаные. Технические условия [Текст].
3. Данченко, Н. И. Зависимость усталостной прочности и ударной вязкости колесной стали от ее структурного состояния [Текст] / Н. И. Данченко, О. Н. Перков, Т. А. Гладкова. - В кн.: Теория и практика термической обработки проката. - М.: Металлургия, 1984. - С. 43-45.
4. ГОСТ 9036. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры [Текст].
Поступила в редколлегию 26.08.2008.
