способ термической обработки железнодорожных колес

Формула изобретения

Способ термической обработки железнодорожных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, прерывистое охлаждение поверхностного слоя обода, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, отличающийся тем, что расход охладителя в первые 20 - 40 с увеличивается линейно от 0,001 - 0,003 л/(см² c) до оптимального значения, определяемого содержанием (C + 1/4Mn), где C и Mn-процентное содержание в стали соответственно углерода и марганца.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колос, заключающийся в их нагреве до температуры аустенизации, прерывистом охлаждении поверхности обода при вращении колеса охладителем, расход которого в процессе всего времени охлаждения остается неизменным (см. фиг.1а), последующей выдержке колеса на воздухе.

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. Чтобы получить во внутренних слоях структуру тонкодисперсного пластинчатого перлита, обеспечивающую их высокую износостойкость, необходимо охлаждать поверхностный слой обода со скоростью выше оптимальной, что приведет к образованию в нем структуры типа мартенсита отпуска, склонной к выкрашиванию, обладающей малой износостойкостью.

В способе термической обработки железнодорожных колес, 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 /2/. В дальнейшем подачу охладителя на поверхность колеса производят при постоянном расходе (фиг.1б). При использовании данного способа частично выравниваются свойства металла обода колеса по 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, 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/(см²с) в течении 80-30 с, затем 0,015-0,018 л/(см²с) в течение 50-70 с и далее 0,009-0,01 л/(см²с) (фиг. 1в).

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 особенно при термообработке колес с высоким содержанием углерода, например колес класса "С" по стандарту Ассоциации Американских железных дорог AAR М-107 с содержанием углерода 0,64-0,80%.

Целью предлагаемого решения является повышение износостойкости рабочего слоя обода за счет создания структуры тонкопластинчатого перлита как непосредственно на поверхности, так и на глубине.

Указанная цель достигается тем, что в заявляемом способе термической обработки железнодорожных колес, включающем нагрев до температуры аустенизации, прерывистое охлаждение поверхностного слоя обода, последующую выдержку колеса на воздухе и отпуск, расход охладителя в первые 20-40 с увеличивается линейно от 0,001-0,003 л/(см²с) до оптимального значения, определяемого содержанием (C + 1/4 Mn), где C и Mn - процентное содержание в стали соответственно углерода и марганца, а далее остается неизменным (фиг.1г).

Отличительными признаками заявляемого способа является:

- линейное увеличение расхода охладителя в первые 20-40 секунд;

- увеличение расхода охладителя производится от 0,001-0,003 л/(см²с) до оптимального значения, определяемого значением (C + 1/4 Mn), где C и Mn - процентное содержание в стали соответственно углерода и марганца.

За счет заявляемого решения можно обеспечить близкую 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, в том числе и для колес о высоким содержанием углерода, например колес класса "C" по стандарту Ассоциации Американских железных дорог AAR M-107 с содержанием углерода 0,64-0,80%. 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 20-30 мм также охлаждаются со скоростью, близкой к оптимальной, за счет увеличения подачи охладителя на наружный слой.

Оптимальный расход охладителя определяется предварительно на основании термокинетических диаграмм или опытным путем как расход, требуемый для получения необходимых свойств на глубине 30-50 мм.

Для колес с невысоким содержанием углерода время увеличения расхода охладителя выбирается минимальным, а начальный расход максимальным. Для колес с высоким содержанием углерода время линейного увеличения расхода охладителя выбирается максимальным, а начальный расход минимальным.

Пример выполнения.

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

После нагрева до температуры аустенизации колеса подвергались закалке. Закалка колес производилась при их вращении со скоростью 100 об/мин. Параметры закалки колес по заявляемому способу приведены в таблице 2.

Охладитель для закалки обода подавался через клапан, открываемый электродвигателем за 320-40 с от начала охлаждения. Тем самым обеспечивался линейный рост расхода охладителя от начального значения до оптимального. После закалки колеса подвергались подстуживанию на воздухе и отпуску при оптимальной температуре.

Для получения сравнительных данных параллельно проводилась термообработка железнодорожных колес тех же плавок по способу-прототипу. В таблице 3 и 4 приведены механические свойства колес после термообработки.

У колес, закаленных по известному способу, структура на глубине до 5 мм от поверхности катания для плавок 2 и 3 представляла из себя мартенсит отпуска, а в переходной зоне сорбит с участками сетки феррита, а для плавки 1 на глубине до 20 мм - тонкодисперсный пластинчатый перлит.

У колес, закаленных по заявляемому способу, для всех плавок на глубине до 5 мм тонкодисперсный пластинчатый перлит, равномерно переходящий на глубине 20-30 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 с различным содержанием углерода, например колес класса "C" по стандарту Ассоциаций Американских железных дорог AAR M-107 с содержанием углерода 0,64-0,80%.