CC BY
57
Термическое упрочнение ободьев цельнокатаных колес: новая технология
С. Н. КИСЕЛЁВ, докт. техн. наук, МИИТ, А. В. САВРУХИН, докт. техн. наук, МИИТ, А. Н. НЕКЛЮДОВ, канд. техн. наук, МИИТ, Г. Д. КУЗЬМИНА, канд. техн. наук, МИИТ; А. С. КИСЕЛЁВ, докт. техн. наук, ФГУ РНЦ «Курчатовский институт»
Описывается разработанная МИИТом новая технология термического упрочнения ободьев цельнокатаных колес, обеспечивающая повышение их эксплуатационной надежности.
Нормативными документами на изготовление колес вагонов предусмотрена заключительная операция термического упрочнения обода колеса путем закалки и последующего отпуска. Многочисленные эксперименты, направленные на повышение твердости и износостойкости колес в эксплуатации, были связаны с попытками изменения параметров технологии закалки и последующего отпуска. Рассматривались различные варианты расположения спрейеров при закалке, а также возможности изменения температуры отпуска. При этом в основном исследовалась возможность понижения температуры отпуска, что должно приводить к изменению структуры и повышению твердости. Однако практика показала, что при понижении температуры отпуска до 350-400 °С происходит значительное увеличение уровня растягивающих остаточных напряжений в центре обода с последующим возникновением хрупкого разрушения.
Кроме того, при термическом упрочнении обода колеса путем спрейерной закалки в момент окончания закалки в ободе возникает сложная схема собственных напряжений с образованием в отдельных зонах обода двух- и трехосных схем растягивающих напряжений при одновременном образовании закалочных структур. При этом возможность возникновения трещин значительно возрастает. Последующий отпуск не может привести к устранению трещин, возникших в момент окончания закалки. В связи с этим современная концепция совершенствования технологического процесса термического упрочнения ободьев колес заключается в определении таких параметров режима охлаждения, при которых в металле колеса не происходит образование закалочных структур. Упрочнение достигается за счет образования ферритно-це-ментных смесей различной степени
дисперсности с соответствующим уровнем твердости и прочности.
Вопросам формирования структуры и свойств колесной стали при термической обработке посвящены работы ряда специалистов. Так, в работе [1] рассмотрены тепловые процессы и струк-турообразование при термообработке колесных сталей с различным химическим составом. По мере увеличения содержания углерода в колесной стали от 0,54 до 0,65% происходит повышение твердости на 20-40 НВ по всему поперечному сечению. Следует также отметить, что при содержании углерода на верхнем пределе 0,65% твердость на глубине до 60 мм может быть получена на уровне 300 НВ. При содержании С = 0,54% твердость на глубине более 30 мм снижается до уровня 250-260 НВ.
На практике охлаждение колеса при упрочнении обода производится спрейерами при его вращении со скоростью 90-100 об./мин.
В МИИТ разработана новая технология обеспечивающая снижение уровня
временных и остаточных растягивающих напряжений в ободе колеса до безопасного уровня, а также обеспечивающая исключение или минимизацию содержания закалочных структур в структуре при упрочнении обода колеса (Патент № 2353672).
При разработке технологии анализ структурных превращений при термической обработке обода ЦКК производится на основе диаграммы анизотер-мического распада аустенита колесной стали марки 2 с учетом того, что максимальная температура нагрева колеса не превышает 850-900 °С.
Методика позволяет на каждом шаге решения проводить анализ структурного состава на основе значений максимальной температуры нагрева, скорости охлаждения в интервале критических температур, текущего значения температуры и структурного состава на предыдущем шаге, а по структурному составу и температуре в рассматриваемый момент времени определять механические свойства стали в данном КЭ.
Для определения наиболее обоснованных режимов охлаждения в процессе упрочнения обода ЦКК путем закалки
Таблица
была разработана программа, в которой Вариант 1. Время закалки 160 с, а = 3 Вт/см2 "С - const
№ зон Б, % М, % НВ, кг/мм2 аг, МПа <з0, МПа (Те, МПа Oi, МПа еГ,%
1 до 27 до 97 607 0 -1700 -1800 1750 1,6
2 - - 355 -0 +429 +483 400 ~0
3 ДО 24 до 97 607-620 +179 -850 -1300 1300 0,7
4 - - 392 +617 -179 +711 850 -0
5 до 14 до 97 607 -570 0 -1300-+483 1450 0,5-0,7
6 до 14 до 97 607 -900 0 -1300-+254 900 0,5
7 - - 210-320 -40 -179 +26-+254 41 0
8 - - 607 0 -900-+214 -880-+480 1450 0,8
9 4 до 97 607 -1600-+400 0 -1500-+480 1450 1,6
10 4 до 97 607 0 0 -1500- 480 1100 0,8-1
Вариант 2. Время закалки 160 с, а равномерно возрастает от 0 до 3 Вт/см2 "С за 80 с
№ зон Б, % М, % НВ, кг/мм2 Or, МПа о0, МПа (Те, МПа Oi, МПа ЕГ. %
1 до 30 0 447 0 -352 -100 300 0,06
2 0 0 340-310 0 0-+350 +150-+320 250-300 0
3 до 25 до 14,4 470 0 0 + 65 180 0
4 0 0 340 +297 + 100-+175 +400-570 360-490 0
5 0 0 420 -420 0 0 430 0
6 0 0 420 -100 0 0 240 0
7 0 0 310-230 -100 0 - 100- -190 120 0,2
8 25 До 23 470 0 0 +150 240 0,06
9 до 9 0 450 -420 0 +230 490 0,06
10 до 6 0 420 -100 0 +230 370 0
предусмотрены различные варианты параметров режима. В данной статье приводятся результаты компьютерного моделирования тепловых процессов, структурообразования и напряженно-деформированного состояния в момент окончания закалки для двух вариантов.
В варианте № 1 (рис. 1-4, табл. вар.1) рассмотрен случай спрейерного охлаждения поверхности катания, гребня и боковых поверхностей обода серийного колеса при условии, что коэффициент теплоотдачи в течение всего времени охлаждения (160 с.) соответствует максимальному значению 3 Вт/см2с. В варианте № 2 (рис. 5-6, табл. вар. 2) рассмотрен случай равномерного увеличения коэффициента теплоотдачи от 0 до 3 Вт/см2с. за 80 °С с последующим охлаждением до 160 с при максимальном коэффициенте теплоотдачи. Рассмотрены также случаи изменения коэффициента теплоотдачи по более сложному закону, отличному от линейного.
Получены термические циклы в точках, расположенных на разной глубине от поверхности: 0,7 мм, 5 мм, 10 мм, 20 мм, 30 мм, 60 мм.
Во всех случаях рассмотрена колесная сталь с содержанием углерода 0,65%, что соответствует химическому составу стали, применяемой для изготовления колес повышенной твердости.
Для проведения анализа представлены распределения температур, распределение структурных составляющих, распределение твердости, ассоциированные с распределением структурных составляющих на разных глубинах, распределение компонентов напряжений, интенсивности напряжений, интенсивности пластических деформаций в момент окончания закалки. Также представлены термические циклы в вышеуказанных точках на разной глубине от поверхности катания и изменение скоростей охлаждения.
При проведении анализа полученных результатов критериями оценки целесообразности технологического варианта спрейерного охлаждения являлось обеспечение минимального уровня растягивающих напряжений в различных зонах обода в момент окончания закалки и обеспечения минимального уровня интенсивности пластических деформаций.
Полученные данные позволяют нам сделать следующие выводы: при равномерном изменении коэффициента теплоотдачи при закалке обода ЦКК в пределах от 0 до 80 с. (вариант № 2) количество мартенсита в различных зонах по сравнению с вариантом № 1
|
| гпцдг |
мн - • ' 1-4 51е-ми №№ V*! 12£+-ЭП2 4<чЗ в ■ ■■ ■ 5—Э Н "X. :-■ : НЕЦци 7-м
э-ч««он
9»»5 :>': ■ Нй
:!-■<: ееечйЕ \2**7
МАЯ ■ 2
| | 1 \\
Рис. 1. Распределение температуры в колесе в момент окончания закалки (вариант № 1) и зоны анализа напряженно-деформированного и структурного состояния
Рис. 2. Распределение мартенсита в ободе колеса в момент окончания закалки, вариант № 1.
5ТЕР-1ГГ
Рис. 4. Распределение окружных напряжений в колесе в момент окончания закалки, вариант № 1.
|:1еичо
Рис. 5. Распределение мартенсита в ободе колеса в момент окончания закалки, вариант № 2.
(охлаждение при постоянном максимальном значении коэффициента теплоотдачи) снижается от 80% практически до нуля (рис. 5). Незначительное количество мартенсита в вершине гребня и в зоне внешней фаски поверхности катания не имеют существенного значения, тем более что заключительной операцией изготовления ЦКК является механическая обточка поверхности обода колеса. Кроме того, происходит уменьшение величины интенсивности пластической деформации в различных зонах обода и снижение компонентов растягивающих напряжений на некоторой глубине под поверхностью катания и в основании гребня (зоны 2 и 4, рис.1) от +450...400 МП а до +390...300 МПа. Аналогичные результаты могут быть получены при более сложном, чем линейный, законе нарастания во времени коэффициента теплоотдачи. Следует предположить, что для практической реализации более целесообразным является вариант с равномерным увеличением теплоотдачи во времени.
Таким образом, технология термической обработки ЦКК, разработанная в МИИТ, новизна которой подтверждена патентом, основывается на том, что путем изменения интенсивности теплоотдачи и выбора рациональных параметров можно исключить образование закалочных структур в момент окончания закалки и до 50% снизить уровень остаточных растягивающих напряжений, а также интенсивности пластических деформаций, при обеспечении необходимого уровня твердости в пределах размера по толщине обода, минимально допустимого в эксплуатации. Это снижает вероятность возникновения трещин в момент окончания закалки и повышает надежность колес в эксплуатации.
Литература
1. Углов В.И. Разработка процессов термической обработки, повышающих прочность и надежность железнодорожных колес: Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / Днепропетровск, 1984.
2. Моисеева Л. А., Узлов И. Г., Умеренкова Н. А., Бабаченко А. И, Химченко В. А. Моделирование взаимосвязей вязкости разрушения с прочностными и пластическими характеристиками и микроструктурой углеродистой стали // Металлофизика и новейшие технологии. — Т. 19, № 7 (1997). — С. 72-78.
3. Узлов И. Г., Бабаченко А. И, Умеренкова Н. А., Моисеева Л. А. Исследование влияния термического упрочнения среднеуглеродис-тых сталей на вязкость разрушения // Сталь. — №5 (1997). — С. 57-59.
