способ термической обработки стальных рельсов

Формула изобретения

Способ термической обработки стальных рельсов, включающий нагрев стальной поверхности перемещаемого изделия с большой скоростью направленным воздействием высокотемпературной плазменной струи и последующее охлаждение, отличающийся тем, что нагрев осуществляют воздушной плазменной струей при силе тока 160-180 А, напряжении 160-180 В, скорости перемещения изделия 25-100 см/мин, а расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия составляет 30-50 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам плазмохимического упрочнения длинномерных стальных изделий сложной формы и может быть использовано при термообработке ответственных деталей верхнего строения пути - остряковых и рамных рельсов.

Надежность и безопасность железнодорожного транспорта в большей мере определяется качеством деталей, формирующим путь и колесную пару движущего состава. К этим деталям предъявляются требования по износостойкости и контактно-усталостной прочности. Важным резервом экономии материальных ресурсов является применение поверхностного упрочнения высококонцентрированными источниками нагрева, позволяющего резко повысить срок службы изделий, улучшить их эксплуатационные характеристики, снизить стоимость ремонта.

Известен способ термической обработки остряковых и рамных рельсов и устройство для его осуществления (Патент RU 2135607, МКИ 6 С21D 9/04 «Способ термической обработки остряковых и рамных рельсов и устройство для его осуществления», авторы Федин В.М., Ушаков Б.К., Никитин A.M., Розин Л.Ш., Хорошеева Н.Н., Белофастов В.Н.). Рельс нагревают за счет двухсторонней схемы установки индукторов для одновременного нагрева головки и подошвы рельса пламенем горелки с последующим одновременным охлаждением.

При сгорании газообразной смеси с кислородом образуется высокотемпературное пламя, которое направляют на изделие, разогревая участок его поверхности на глубину 2-4 мм до температур аустенитной области. Затем на разогретый участок через отверстия в охлаждающейся части закалочного наконечника подают под давлением воду.

Недостатком известного способа является неоправданно сложная конструкция оборудования для осуществления способа, которая однако не обеспечивает точной регулировки толщины и температуры закаливаемого слоя, опасность сильного перегрева вплоть до плавления.

Известен способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления (Патент РФ 2121514, МКИ 6 С21D 9/01 «Способ плазменной термической обработки изделий и устройство для его осуществления», авторы Лыков A.M., Матвеев Ю.И.), включающий нагрев поверхности плазменной дугой, создаваемой вращающимся охлаждаемым анодом и охлаждаемым катодом, направленной под углом к поверхности изделия с размещением анодного пятна на аноде и воздействие на электрическую дугу постоянным магнитным полем. Анодное пятно размещают на расстоянии 1,0-250 мм от поверхности изделия, перемещаемого относительно дуги со скоростью 0,01-25,0 см/с с поддержанием тока плазменной дуги 50-600 А.

Недостатком изобретения является очень широкий диапазон заявляемых параметров, что не обеспечивает получение стабильных оптимальных результатов. Для выбора оптимального режима необходимо провести дополнительные исследования. Кроме того, к недостаткам следует отнести:

- не указаны геометрические параметры зоны упрочнения за один проход (ширина, глубина);

- увеличение ширины зоны упрочнения посредством колебательного движения плазменного потока не учитывает возможности перекрытия зон упрочнения, что приводит к снижению твердости;

- необходимо применять автоматизацию данного способа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ упрочнения поверхности головки рельса (Патент RU 2218430, МКИ 6 С21D 9/04 «Способ и устройство для упрочнения поверхности головки рельса», авторы Никулин Н.Н., Неживляк А.Е., Трофимов А.Н.), включающий нагрев плазменно-аргоновой струей при силе тока 110-140 А, напряжении 18-50 В при скорости упрочнения 80-85 м/ч и последующее быстрое охлаждение.

Последовательность процесса упрочнения поверхности головки рельса включает:

- обеспечение температуры рельса и окружающей среды не менее +10°С;

- очистку рельс от грязи и смазки;

- закрепление рельса стяжными винтами;

- установку к торцу рельса вспомогательного рельса небольшой длины для выравнивания режимов упрочнения;

- установку на рельс тележки на роликах с помощью винта-указателя и закрепление роликов тележки установочными винтами;

- установка плазмотронов под углом 90° к боковой поверхности головки рельса на расстоянии 15_-2 ⁺¹ мм;

- включение движения плазмотронов и установку скорости движения 80-85 м/ч;

- постепенный переход на прямую дугу;

- установку силы тока 110-140 А, напряжение 18-50 В, корректировку расхода газа на ширину дорожки 12-15 мм путем регулирования тока электромагнита.

К недостаткам способа следует отнести использование дорогостоящего плазмообразующего газа, сложность контроля за силой тока и напряжением, расстоянием между соплом плазмотрона и упрочняемой поверхностью головки рельса, не допуская оплавления и изменения ширины упрочняющей дорожки. Использование двух плазмотронов при упрочнении верхней части рельса ведет к перекрыванию зон термоупрочнения и, как следствие, снижению качества термообработки, к разупрочнению.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества упрочнения рабочей поверхности рельсов, подвергающихся высоким ударным нагрузкам путем обеспечения высокой твердости и износостойкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе термической обработки стальных рельсов, включающем нагрев стальной поверхности направленным воздействием высокотемпературной плазменной струи с обеспечением больших скоростей нагрева и последующее охлаждение, согласно изобретению нагрев осуществляют воздушной плазмой при силе тока 160-180 А, напряжении 160-180 В, скорости перемещения изделия 25-100 см/мин, а расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия 30-50 мм.

Сущность изобретения процесса модифицирования состоит в направленном воздействии высокотемпературной воздушной плазменной струи с обеспечением больших скоростей нагрева и охлаждения поверхностного слоя, установлении скорости перемещения изделия относительно плазмотрона и расстояния от плазмотрона до изделия, не допускающие при обработке оплавления поверхности металла.

Режимы модифицирования: ток 160-180 А, напряжение 160-180 В, скорость перемещения изделия V=25-100 см/мин, расстояние от среза сопла до поверхности изделия Н=30-50 мм - установлены экспериментально.

Установленная скорость плазменной обработки (V=25-100 см/мин) при расстоянии от среза сопла до поверхности изделия Н=30-50 мм позволяет быстро прогреть поверхность на максимальную глубину и ширину, а переход от зоны с повышенной твердостью к переходной зоне происходит более плавно.

При обработке поверхности образца в (V=30 см/мин, Н=50 мм, рабочий ток 180 А) оптимальном режиме глубина упрочненной зоны достигает более 2 мм, а микротвердость в упрочненной зоне возрастает в несколько раз по сравнению с исходной (˜350 НВ), при этом ширина термоупрочненной зоны более 14 мм.

Способ осуществляют непосредственно на рельсосварочном поезде, изделие (рельс) подается в зону термической обработки посредством рольганга. Перемещение рельса производится относительно плазмотрона (диаметр сопла плазмотрона D=6-40 мм) со скоростью 25-100 см/мин, обеспечивающей необходимую твердость поверхности катания. Согласно ГОСТ Р 51685-2000 твердость термоупрочненных рельсов должна составлять 341-401 НВ, увеличение твердости на 15-20% позволяет увеличить величину износостойкости поверхности катания без нежелательных последствий (выкрашивания, трещинообразования).

Регулирование скорости перемещения изделия относительно плазмотрона происходит за счет контроля величины твердости с использованием бесконтактных датчиков измерения твердости модифицируемой поверхности. На поверхности образца образуется термоупрочненный слой глубиной от 2 мм и шириной от 12 мм.

Проведено исследование двух образцов: 4с-1-образец стали М76-1, 4с-2 образец стали М76-2.

Образцы обработаны при одинаковых технологических режимах модификации (V=30 см/мин, Н=30 мм, J-160-180А, U-160-180 В).

В исследованном образце рельса (4с-1) область термического влияния (ОТВ) состоит из двух условных зон: закаленной, в которой произошли мартенситные превращения и пограничной, обеспечивающей равномерный переход к исходному материалу. ОТВ имеет форму сегмента с максимальной глубиной в центре и постепенным уменьшением ее до нуля по мере приближения к краю. Замеры производились (с шагом 0,05 мм при нагрузке 100 г) в поперечном сечении обработанных образцов по центру зоны в направлении от поверхности до исходной структуры (глубина) и на поверхности образцов в направлении, перпендикулярном направлению обработки (ширина). Результаты измерений показали, что ширина упрочненной зоны ˜12,0 мм, максимальная глубина зоны упрочнения ˜2,05 мм.

Микроструктура центральной части закаленной зоны (максимальная глубина ˜0,85 мм, ширина ˜9,5 мм, HV 800-900) представлена в виде игольчатого мартенсита. По мере приближения к краю закаленной зоны игла мартенсита становится мельче, но появляется троостит (HV 600-800).

Микроструктура пограничной зоны (от центра к периферии зоны упрочнения) постепенно изменяется: троостита становится все больше, в структуре появляется пластинчатый перлит и остается небольшое количество игольчатого мартенсита.

Ширина пограничной зоны ˜0,6 мм, HV 300-425.

Таким образом,

1. Микротвердость после плазменной обработки головки рельса в поверхностном слое HV₁₀₀ 800-900 при исходной микротвердости HV₁₀₀ 270.

2. Поперечное сечение зоны плазменного упрочнения имеет форму сегмента. Ширина упрочненной зоны 12,0 мм, максимальная глубина зоны упрочнения 1,45 мм.

3. Структура упрочненного слоя состоит из зоны игольчатого мартенсита и зоны троостита, структура переходного слоя ˜0,6 мм состоит в основном из троостита, пластинчатого перлита и небольшого количества игольчатого мартенсита. Исходная структура образца рельсовой стали - сорбитообразный тонкопластинчатый перлит (HV 226-316).

Микротвердость образца (4с-2) после плазменной обработки головки рельса в поверхностном слое НМ₁₀₀ 700-800 при исходной микротвердости HV₁₀₀ 270.

Поскольку плазменная модификация используется для повышения износостойкости деталей, проводилась ее оценка в зависимости от режимов и технологии обработки. При этом методика испытаний на износостойкость назначалась в соответствии с условиями эксплуатации упрочняемых деталей, т.е. имитировались условия трения «металл по металлу с абразивной прослойкой», характерные для эксплуатации многих деталей различных узлов и механизмов.

Исследовалось влияние плазменного упрочнения на механические свойства стали М76 при исходной микротвердости 300-400 НВ (˜3000-4000 МПА). Обработка осуществлялась без оплавления поверхности.

Испытания модифицированных образцов были проведены на установке для испытаний на износостойкость в условиях абразивного износа.

Абразивный материал (электрокорунд-100) из емкости через направляющую воронку поступает в зону трения. Линейная скорость скольжения образца по диску при испытаниях составляет 1,6 м/с.

Длительность цикла испытаний одного образца до появления материала основы составляла, в среднем, около 2 мин. Через каждые 20 с проводилось взвешивание образцов.

Проведенные испытания дают качественное представление о процессе изнашивания для данного типа установок.

Результаты испытаний представлены на чертеже в виде прямолинейных зависимостей износа от времени испытаний.

Поскольку на графике представлены зависимости убыли массы испытываемых образцов от времени испытания, то для данного эксперимента основным показателем является ширина ТУЗ, глубина износа для всех образцов определялась величиной наибольшей глубины ТУ3 - 2 мм.

Образец Ст. М76-1 - немодифицированный, микротвердость 380 НВ, контрольный.

Образец Ст. М76-2 - обработан азотной плазмой, диаметр сопла плазмотрона D=6 мм, ширина ТУ3-8 мм, глубина 0,45 мм, V=30 см/мин, Н=30 мм.

Образец Ст. М76-3 - обработан воздушной плазмой, диаметр сопла плазмотрона В=6 мм, ширина ТУ3-10 мм, глубина ТУ3 - 0,7 мм, V=30 см/мин, Н=30 мм.

Образец Ст. М76-4 - обработан воздушной плазмой, диаметр сопла плазмотрона D=12 мм, ширина ТУ3-12 мм, глубина ТУ3-2 мм, V=30 см/мин, Н=30 мм.

Образец Ст. М76-5 - обработан воздушной плазмой, диаметр сопла плазмотрона D=12 мм, ширина ТУ3-14 мм, глубина ТУ3-1,5 мм, V=25 см/мин, Н=50 мм.

Образцы стали М 76-4 показали наибольшую износостойкость за счет наибольшей величины микротвердости (микротвердость более 1400 НВ) и ширины термоупрочненной зоны (14 мм).

Таким образом, поверхностная плазменная модификация позволяет значительно повысить твердость поверхностного слоя и на значительную глубину, что соответствует повышению эксплутационных свойств стальных поверхностей.