Способ термической обработки колес

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 С 21 0 9/3 ТЕН ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Нижнеднепровский трубопрокатный завод им. Карла Либкнехта(56) Термическая обработка и контроль механических свойств цельнокатаных железнодорожных колес, Технологическаяинструкция ТИ 243-П-87. Нижнеднепровский трубопрокатный завод. г. Днепропетровск, 1987,(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТККОЛЕС Изобретение относится к металлургии и совершенствует способ термической обработки цельнокатаных колес,Мировая практика производства и эксплуатации цельнокатаных колес Свидетельствует, что практически во всех странах - производителях колес последние подвергаются термической обработке с целью их упрочнения и, следовательно, повышения срока службы и эксплуатационной надежности как колес, так и подвижного состава в целом.Наибольшее применение получила термическая обработка колес путем закалки обода с последующим отпуском всего колеса, Многочисленными исследованиями установлено, что для повышения служебных характеристик цельнокатаных колес необходимо производить их термическую обработку таким образом, чтобы во всех слоях,9,Ы 21 Т 88046 А 1 я: способ включаратуры аустенитиа при вращении оложении путем кости на поверхющие к ней части половине толщи- тпуск. При охлаждополнительную альную часть боьшением ее расхочению расстояния бода, при этом даваемой охлажет 35 - 40% расхоие к поверхности граней обода. 2(57) Сущность изобретени ет нагрев колеса до темпе зации, охлаждение обод колеса в вертикальном и подачи охлаждающей жид ность катания и примыка боковых граней, равные ны обода, и последующий о дении обода производят подачу охладителя на ост ковых граней обода с умен да пропорционально увели от середины толщины о расход дополнительно по дающей жидкости составля да жидкости на примыкающ катания части боковых табл 1 ил,обода были получены высокодисперные пластинчатые продукты распада аустенита и мелкозернистое строение стали при максимальном подавлении выделений свободного феррита по границам перлитных зерен.Характеристики прочности стали ободьев цельнокатаных железобетонных колес, подвергнутых упрочня ощей термической обработке, согласно ГОСТ 10791-81 должны соответствовать следующим нормам:на глубине 30 мм- временное сопротивление разрыву, кгс/мм - 93 - 113. -- твердость, Нв, не менее - 255 Величина твердости на глубинеЬо мм от поверхности катания в настоящее время является факультативной (п,2,12, ГОСТ 10791- 81), в связи с нестабильностью фактических результатов испытаний.Средний срок службы колес с указанными характеристиками прочности - 10 лет.Известен способ термической обработки цельнокатаных колес, включающий нагрев до температуры аустенитизации, охлаждение обода путем подачи охлаждающей жидкости на поверхности катания и последующий отпуск.Указанный способ имеет существенныйнедостаток, заключающийся в том, что упрочнение обода колеса происходит, в основном, за счет отвода тепла через поверхность катания. Возникающий при таком упрочнении большой температурный градиент в ободе приводит к"возникновению значительных остаточных напряжений, обуславливающих низкую конструктивную прочность колес при ударном нагружении, а также к существенному короблению колес (0,6 - 1,2 мм). При данном способе упрочнения -практически исключена возможность регулировать скорость охлаждения различных слоев обода (особенно внутренних), чтозатрудняет получение заданного комплекса свойств у колес различного химсостава.Все это"приводит к неоДнородности структуры и характеристик прочности по глубине обода (упрочненный слой составляет всего 30 - 35 мм). При эксплуатации указанных колес по мере уменьшения толщины обода степень износа обода резко возра стает, что приводит к снижению срока службы колесНаиболее близким по технической сущ" ности и достигаемому результату к предла" гаемому является способ термическойобработки цельнокатаных железнодорожных колес, включающий нагрев до температуры аустенитизации, охлаждение, обода при вращении колеса в вертикальном положении путем подачи охлаждающей жидкости на поверхность катания и примыкающие кней части боковых граней, равные половинетолщины обода, и последующий отпуск.Недостатком этого способа также является наличие значительного температурного градиента по сечению обода колес. Это приводит к уменьшению степени дисперснОсти продуктовраспада аустенита, снижению характеристик прочности и износостойкости, особенно резко в слое на глубине 4560 мм. Указанный недостаток весьма актуален, учитывая требования ГОСТ 10791-81 по контролю твердости на глубине 50 мм.Цель изобретения - увеличение срокаслужбы колес.Задача, которую при этом необходиморешить, заключается в повышении характеристик прочности по всему сечению обода, 45 50 55 510152025 3035 40 Поставленная цель достигается тем, что в способе термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, включающем нагрев до температуры аустенитизации, охлаждение обода при вращении колеса в вертикальном положении путем подачи охлаждающей жидкости на поверхности катания и примыкающие к ней части боковых граней, равные половине толщины обода, и последующий отпуск, согласно изобретению при охлаждении обода производят дополнительную подачу охладителя на остальную часть боковых граней обода с уменьшением ее расхода пропорционально увеличению расстояния от середины толщины обода, при этом расход дополнительно подаваемой охлаждающей жидкости составляет 35 - 40, расхода жидкости на примыкающие к поверхности катания части боковых граней обода.Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.Цельнокатаное железнодорожное колесо нагревают до температуры аустенитизации и передают на закалочную машину, Закалочная машина имеет стол для приемки колес с установленными на нем 3-мя роликами, один из которых является приводным.Для осуществления закалки нагретое колесо укладывают на приемный стол установки, после чего измеряют температуру колес на закалочной машине радиационным пирометром ТЭРА(ГОСТ 6924-74) вталкивают колесо пневматическим толкателем на поворотный стол до контакта с приводным роликом и поворачивают стол вместе с колесом на 90 при вертикальном положении последнего, Охлаждение обода при вращении колеса в вертикальном положении осуществляют водой с помощью спрейерных устройств. Вода на обод колеса поступает из двух спрейеров, Спрейеры установлены по одну и другую стороны приводного ролика. Каждый, спрейер состоит из двух частей. Одна часть охлаждает боковую грань обода с внутренней стороны, а другая - поверхность катания и боковую грань обода с наружной стороны. Расстояние между спрейерами и охлаждаемой поверхностью колеса составляет 35+5 мм. Установка и настройка спрейеров проверяется на горячем бракованном колесе вращающемся в вертикальном положении. Подача охлаждающей жидкости производится на поверхность катания и примыкающие к ней части боковых граней, равные половине тол-. щины обода. Кроме охлаждения указанной., зоны (основной) обода, производят дополнительную подачу охладителя на остальнуючасть боковых граней с уменьшением еерасхода пропорционально увеличению расстояния от середины толщины обода, приэтом расход дополнительно подаваемой охлаждающей жидкости составляет 35 - 40%расхода жидкости на примыкающие к поверхности катания части боковых гранейобода. Это обеспечивается количеством выходных отверстий спрейеров,Места перехода обода в диск (" яблоко" )не должны подвергаться непосредственному охлаждению водой, Температура водыпри закалке должна быть в пределах 27 -35 С. Продолжительность закалки колес взависимости от содержания массовой долиуглерода + 1/4 марганца составляет 140220 с, После окончания закалки колеса краном-тележкой подают в стапелирующее устройство, где собираются в стопы по 6 шт.Собранные стопы колес передают на спе, циальные площадки в кассеты для подстуживания, Продолжительность подстуживания стоп перед отпуском составляет 2550 мин, Затем стопы колес поступают вэлектроколодцы для отпуска при температуре 360 - 520 С, Продолжительность отпускане менее 2 ч 30 мин.На чертеже приведено радиальное сечение обода колес с изображением эпюррасхода охладителя,На чертеже приняты обозначения: 1 -основная зона охлаждения; 2 - зона дополнительной подачи охладителя.Как видно из сущности предлагаемогорешения признаки произведения дополнительной подачи охладителя на остальнуючасть боковых граней обода с уменьшениемее расхода пропорционально увеличениюрасстояния от середины толщины обода,нормирования расхода дополнительно подаваемой охлаждающей жидкости в пределах 35 - 40% расхода жидкости напримыкающие к поверхности катания частибоковых граней обода отличают заявляемоерешение от прототипа и обуславливают соответствие этого решению критерию "новизна",Предложенный способ обеспечиваетповышение характеристик прочности повсему сечению обода и, как следствие, увеличение срока службы колес. Эти новыесвойства способа термической обработкиотличают заявляемое решение от известных и обуславливают ему соответствие критерию "существенные отличия",Введение дополнительной подачи охладителя на части боковых граней обода, примыкающих к поверхности внутреннегодиаметра, обеспечивает увеличение скорости охлаждения по всему сечению обода и10 15 20 25 30 35 40 повышение степени дисперсности продуктов распада аустенита и, соответственно, характеристик прочности и износостойкости.Проведение указанной дополнительной подачи охлаждения дифференцированно с уменьшением расхода охлаждающей жидкости пропорционально увеличению расстояния от середины толщины обода, обеспечивает уменьшение температурного градиента в ободе при его охлаждении и снижение уровня остаточных напряжений,Нормирование расхода охлаждающей жидкости, подаваемой на части боковыхграней обода, примыкающие к поверхности внутреннего диаметра в пределах 35 - 40% от объема охлаждающей жидкости, подаваемой на части боковых граней, примыкающие к поверхности катания обеспечивает наиболее эффективное охлаждение указанных частей обода.При уменьшении расхода охлаждающей жидкости менее 35 онаблюдается некоторое снижение характеристик прочности и износостойкости на глубине 50 мм от поверхности катания.Увеличение расхода охлаждающей жидкости более 40 освязано с повышением температурного градиента между элементами колеса и переохлаждением места перехода из обода в диск и приободной части диска, что повышаетуровень остаточных напряжений.П р и м е р 1. Цельнокатаные железнодорожные колеса диаметром 950 мм из стали с содержанием 0,55(нижний предел по ГОСТ 10791-81) и марганца 0,68 нагревали до температуры аустенитизации (860 С) и помещали в установку для прерывистого охлаждения обода при вращении колеса в вертикальном положении, Скорость вращения колеса в машине - 100 об/мин. Давление воды в спрейерных коробках - 2 -3 атм, 45 Удельный расход воды 60 - 70 мз/ч, при. этом на части боковых граней, примыкающие к поверхности внутреннего диаметра подавали 37% от объема воды, подаваемой на части боковых граней, примыкающие к 50 поверхности катания, с уменьшением расхода воды пропорционально увеличению расстояния от основной зоны охлаждения, что обеспечивалось количеством и площадью выходных отверстий спрейеров.55 Продолжительность закалки составляла220 с. После подстуживания колес в течение 30 мин проводили отпуск колес в течение 2,5 ч при 460 С.П р и м е р 2. Цельнокатаные железнодорожные колеса диаметром 950 мм из ста1788046 Таблица 1 Характери прочнос Пример 1а глубине 30 ммвременное сопрразрыву, кгс/смтвердость, НВна глубине 50 мтвердость, НВПример 2а глубине 30 ммвременное сопрразрыву, кгс/смтвердость, НВна глубине 50 мтве дость ли с содержанием углерода 0,65% и марганца 0,82% нагревалй до температуры аустенитизации (830 С) и помещали в установку для прерывистого охлаждения обода при вращении колеса в вертикальном и ол о жении. Скорость вращения колеса - 100 об/мин. Давление воды в спрейерных коробках - 2 - 3 атм, Удельный расход воды 50 - 60 м /ч, при этом на части бокозвых граней, примыкающие к поверхности внутреннего диаметра подавали 37 О/, от объема воды. подаваемой на части боковых граней, примыкающие к поверхности катания с уменьшением расхода воды пропорционально увеличению расстояния от основной зоны охлаждения, что обеспечивалось количеством и площадью выходных отверстий спрейеров, Продолжительность закалки составляла 140 с, После подстуживания в течение 20 мин проводили отпуск колеса в течение 2,5 ч при 520 С,Результаты контроля характеристик прочности металла обода колес, подвергнутых термическому упрочнению по предлагаемому способу, приведены в табл,1, Здесь же приведены результаты контроля сравнительных колес этих же плавок, обработанных по способу прототипа,Для исследования износостойкости металла были вырезаны образцы из слоя на глубине 50 мм от поверхности катания опытных и сравнительных колес, Результаты приведены в табл,2,Таким образом, установлено, что благодаря повышению прочности глубинных слоев(на глубине 30 и 50 м), а также повышения дйсперсности структур по всему сечению обода стойкость колес, обработанных по предлагаемому способу, повышается на 11 - 16 О/5 Годовая экономическая эффективностьпрйменения предлагаемого способа может быть подсчитана за счет прироста прибыли при производстве продукции улучшенного качества.10 Э (Ц 2 Ц 1) х А 2,где Ц 1 и Цг - цена 1 колеса до и после внедрения мероприятия, Аг - объем производства. 15Формула изобретения Способ термической обработки колес,включающий нагрев до температуры аустенизации, охлаждение обода при вращении 20 колеса путем подачи охлаждающей жидкости на поверхность катания и примыкающие к ней части боковых граней, равные половине толщины обода, и последующий отпуск, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью 25 увеличения срока службы колес за счет повышения прочностных характеристик по сечению обода, производят дополнительную подачу охладителя на остальную часть боковых граней обода с уменьшением ее 30 расхода пропорционально увеличениюрасстояния от середины толщины обода, при этом расход дополнительно подаваемой охлаждающей жидкости составляет 35 - 40% расхода жидкости на примыкающие к 35 поверхности катания части боковых гранейобода.1788046 10 Таблица 2 Составитель В. ОзиминТехред М.Моргентал Корректор Л. Лукач ктор е нно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 из Заказ 50 Гираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5