способ термической обработки изделий

Формула изобретения

Способ термической обработки изделий, преимущественно трубчатых, из сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости, включающий индукционный нагрев до температуры закалки, всестороннее охлаждение быстродвижущимся потоком воды и низкий отпуск, отличающийся тем, что осуществляют индукционный нагрев поверхности изделия с удельной мощностью 0,5 1,5 кВт/см² до Ас₁ + 170 300^oС для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и до Ас₃ + 170 350^oС для доэвтектоидных сталей, затем проводят выдержку длительностью, обеспечивающей разогрев внутренней поверхности изделия до Ас₁ + 50 100^oС для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и до Ас₃ + 50 100^oС для доэвтектоидных сталей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термической обработки стали, а именно к закалке трубчатых деталей, в частности полых роликов для подшипников качения, используемых в буксах железнодорожных вагонов и локомотивов.

В настоящее время в буксах подвижного состава железнодорожного транспорта применяется подшипники качения со сплошными роликами. Известно, что долговечность таких подшипников может быть значительно повышена за счет применения полых упруго-податливых роликов (см. "Применение полых роликов для повышения долговечности цилиндрических роликоподшипников" В.П.Давяткин, В.И.Шахов, Р.М.Девин, А.Н.Мирза "Вестник Всесоюзн. научно-исслед. ин-та ж.-д транспорта", 1975, N 3, c. 20-22).

По традиционной технологии ролики подшипников качения изготавливают из стали типа ШХ15, ШХ15СГ и подвергают закалке при сквозном нагреве и охлаждении в масле с последующим низким отпуском (см. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистой стали. М. Машиностроение, 1978, с. 278). При этом достигается сквозное упрочнение всего сечения деталей. Эта технология не обеспечивает требуемой высокой циклической долговечности полых роликов при многократно повторяющихся изгибающих нагрузок, действующих на внутреннюю поверхность полых роликов в эксплуатации. Для длительной безопасной работы полых роликов необходимо их поверхностное упрочнение на твердость HRC 62-66 по наружной и внутренней поверхности при твердости сердцевины стенки HRC 30-45. В этом случае требуемая долговечность достигается за счет высокой контактной выносливости закаленной на высокую твердость подшипниковой стали и высокой циклической долговечности под действием изгибающих напряжений из-за высокой прочности и остаточных сжимающих напряжений в закаленном слое на внутренней поверхности роликов.

Получение требуемого распределения свойств по сечению стенки роликов возможно за счет цементации (см. Трусова И.И. Технология термической обработки в подшипниковой промышленности. В справочнике "Термическая обработка в машиностроении", М. Машиностроение, 1980, с. 599-604). Однако это сопряжено с необходимостью использования дорогостоящих легированных высококачественных цементуемых сталей, специализированного сложного термического оборудования и трудоемких длительных процессов термической обработки (см. Трусова И.И. Дефекты, возникающие при химическо-термической и термической обработке деталей из хромоникелевых сталей, и методы их устранения. "Металловедение и термическая обработка металлов", N 9, 1994, c. 31-34). Эти условия для роликов подшипников массового производства, к которым относятся подшипники для железнодорожных вагонов, на Российских подшипниковых заводах в настоящее время отсутствуют.

Наиболее эффективным и экономическим методом термической обработки полых роликов является выбранный в качестве прототипа известный способ объемно-поверхностной закалки втулок из стали пониженной и регламентированной прокаливаемости при сквозном индукционном нагреве с охлаждением быстродвижущейся водой всех закаливаемых поверхностей (см. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве, М. Машиностроение, 1972, с. 156-161).

Существенным недостатком указанного способа является необходимость применения сталей со строго определенным уровнем прокаливаемости, зависящим от толщины стенок полых роликов. Так, для полых роликов вагонных подшипников с толщиной стенки 10 мм необходима сталь с прокаливаемостью, характеризуемой критической скоростью охлаждения 260-360^oC/o. Известная подшипниковая сталь регламентированной прокаливаемости марки ШХ4 ГОСТ 801-78 имеет большую прокаливаемость, чем это требуется для роликов с указанной толщиной стенки и при объемно-поверхностной закалке по известным режимам ролики закаливаются насквозь по всему сечению стенки.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанного недостатка и разработка такого, основанного на применении объемно-поверхностной закалки, способа термической обработки, который позволил бы обеспечить высокую долговечность и надежность полых роликов вагонных подшипников при использовании стандартной стали ЩХ4.

Поставленная задача решается тем, что детали при объемно-поверхностной закалке согласно изобретению подвергают поверхностному индукционному нагреву с удельной мощность 0,5-1,5 кВт/см² до температуры наружной цилиндрической поверхности A₁ + /170. 350/^oC для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, A₃/40.100/^oC для доэвтектоидных сталей, после чего осуществляют охлаждение всех поверхностей быстродвижущейся водой и последующий низкий отпуск.

Использование поверхностного нагрева с большим градиентом температур между наружной и внутренней поверхностью деталей при объемно-поверхностной закалке не известно и придает закаленным деталям новые свойства, а именно, позволяет при излишне глубокой прокаливаемости стали получить устойчивый эффект создания закаленных слоев по наружной и внутренней поверхности с охранением твердости сердцевины стенки HPC 30-45, что обеспечивает высокую циклическую долговечность деталей при изгибающих нагрузках и возможность их длительной безопасной эксплуатации.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с аналогами и прототипом, изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо без существенных дополнительных трат.

В предложенном способе использован кратковременный поверхностный индукционный нагрев с характерной для поверхностной закалки удельной мощностью 0,5-1,5 кВт/см² (см. Термическая обработка в машиностроении. Справочник. Под ред. Ю. М.Лахтина и А.Г.Рахштадта, М. Машиностроение, 1980, с. 256). Нагрев наружных поверхностный слоев осуществляется до оптимальных для данной стали температур, назначаемых по диаграммам преимущественных режимов индукционного нагрева. При временах нагрева 4-10 с, характерных для нагрева со сказанной удельной мощностью, оптимальные температуры нагрева составляют A₁ + /170. 350/^oC для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и A₃ + /170.350/^oC для доэвтектоидных сталей (см. "Физические основы электротермического упрочнения стали" В. Н.Гриднев, Ю.М.Мешков, С.П.Ошкадеров, В.И.Трефилов. Киев "Наукова думка", 1973, с. 117-119). Такой нагрев обеспечивает высокую контактную выносливость и износостойкость наружной поверхности деталей. Этот параметр является основным для долговечности роликов, наружная поверхность которых работает в режиме качения при высоких контактных нагрузках.

После превращения нагрева детали выдерживают перед началом закалочного охлаждения до момента, пока их внутренняя поверхность не разогреется за счет теплопроводности до температур, достаточных для образования аустенита, которые составляют A₁ + /50.100/^oC, для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и A₃ + /50.100/^oC для доэвтектоидных сталей.

Более низкая температура закалки внутренней поверхности снижает прокаливаемость стали в этой зоне и позволяет получать тонкий закаленный слой и высокие остаточные сжимающие напряжения, что обеспечивает высокую циклическую долговечность деталей при изгибающих нагрузках, действующих на их внутреннюю поверхность в процессе работы. Применительно к роликам подшипников их внутренняя поверхность не испытывает контактных нагрузок, а только изгибающие.

Предложенный способ расширяет диапазон возможностей объемно-поверхностной закалки с учетом особенностей характера работы различных зон деталей и эксплуатации и, в частности, создает возможность использования для роликов вагонных подшипников с толщиной стенки 10 мм стали ШХ4, непригодной к силу излишне глубокой прокаливаемости для данных роликов при традиционной технологии объемно-поверхностной закалки с относительно медленным и равномерным нагревом всего сечения деталей при удельной мощности 0,05-0,2 кВт/см².

Предложенный способ был использован при закалке роликов вагонных подшипников из стали ШХ4 следующим образом.

Ролики высотой 52 мм с наружным диаметром 32 мм и диаметром отверстия 12 мм нагревали в одновитковом индукторе при мощности генератора 80-100 кВт и частоте тока 8 кГц. При времени нагрева 10 с температура наружной поверхности ролика достигла 940-950^oC, а температура внутренней поверхности за пределами активно нагреваемого слоя к этому моменту составила 700-710^oC. После прекращения нагрева осуществляли выдержку деталей в выключенном индукторе, в процессе которой в течение 10 с температура по сечению стенки выравнялась путем охлаждения наружных слоев и продолжающегося за счет теплопроводности нагрева внутренних слоев и составила 800-810^oC. Затем ролики переносили в охлаждающее устройство, где охлаждали быстродвижущимся потоком воды в течение 6 с. Последующий низкий отпуск выполняли по обычной технологии в электропечи при 160^oC в течение 3,5 ч.

В результате закалки по предложенному способу на наружной поверхности роликов получен закаленный слой толщиной 2,5 мм с твердостью H C 63-66. Толщина закаленного слоя с той же твердостью по внутренней поверхности составила 1,3 мм, твердость сердцевины стенки H C 34-35.

Параллельно для сравнения выполнили закалку роликов по традиционным режимам объемно-поверхностной закалки, в этом случае ролики нагревали в индукторе при удельной мощности 0,2 кВт/см² до 830-840^oC с изотермической выдержкой 50 с, и охлаждали быстродвижущейся водой. Ролики закалились насквозь на твердость H C 64-65 по всему сечению стенки.

На чертеже представлены термические кривые индукционного нагрева наружной и внутренней поверхности роликов по заявленному и традиционному способам.

В таблице приведены результаты испытания циклической долговечности полых роликов вагонных буксовых подшипников из стали ШХ4, закаленных по различной технологии и отпущенных при 160^oC в течение 3,5 ч.

Стендовые испытания подшипников с полыми роликами, термически обработанные по заявленному способу, показали, что после имитации пробега оснащенных ими вагонов в 250 тыс.км на полых роликах не возникло каких-либо повреждений.

Эксплуатационные испытания вагонных подшипников с полыми роликами проводились на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в течение 4-х лет. Подшипниками с полыми роликами было оборудовано 2 вагона, восемь колесных пар. Под наблюдение были взяты также вагоны с обычными подшипниками (со сплошными роликами). Пробег колесных пар с полыми роликами составил 444 тыс.км под полностью гружеными вагонами, в том числе 200 тыс.км пробега под нагрузкой 21,5 тс/ось и около 200 тыс. км с нагрузкой 25 тс/ось, что эквивалентно пробегу в обычной эксплуатации 1 млн.км.

За учтенный пробег не было забраковано ни одной детали подшипников, работающих с полыми роликами. Выход обычных подшипников по выкрашиванию наружных и внутренних колец за пробег 200 тыс.км при нагрузке 25 тс/ось составил 10%

Таким образом, проведенные испытания подшипников с полыми роликами, закаленными по заявленному способу, показали, что буксовый узел приобретает качественно новые свойства, позволяющие значительно (в 2,85 раза) повысить долговечность подшипников в эксплуатации.