Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали

Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии обработки высоконагружаемых железнодорожных колес и может быть использовано для упрочняющей термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес различной формы с целью повышения физико-механических свойств и ресурса. В настоящее время колеса из углеродистых сталей с перлитной структурой исчерпали возможности дальнейшего повышения уровня механических свойств и стойкости в эксплуатации, в связи с чем актуальным является разработка способов термоупрочнения колес из новых экономно легированных марок сталей с получением другого типа микроструктуры стали с достижением новых уникальных характеристик продукции.

Известен способ упрочнения рабочей поверхности колеса низкотемпературной плазменной дугой прямого действия. В качестве плазмообразующего газа используют аргон, смесь аргона с гелием, смесь аргона с углеродосодержащими газами, при этом нагрев осуществляют с магнитной осцилляцией дуги с треугольной формой импульса напряжения, амплитудой сканирования 20-45 мм и дистанцией обработки 10-30 мм. Упрочненный поверхностный слой состоит из нескольких субслоев: на глубине 0,2-0,8 мм - структура мартенсита с вкраплениями верхнего бейнита, от 0,8 до 1,8 мм - троосто-мартенситная структура, от 1,8 до 2,5 мм - сорбито-мартенситная структура, от 2,5 до 3 мм - сорбит, более 3 м - структура основного металла феррито-перлитная. Способ поверхностного плазменно-дугового упрочнения железнодорожных колес позволяет значительно повысить производительность процесса упрочнения, повысить износостойкость, снизить вероятность развития водородной хрупкости металла и склонность к хрупкому разрушению (Патент RU 2430166, МПК C21D 9/34, C21D 1/09, опубликован 27.09.2011).

Данный способ имеет ряд недостатков: крайне малая глубина упрочненных слоев, а также высокая стоимость газоплазменного оборудования и его эксплуатации.

Известен способ обработки железнодорожных колес, в котором для обеспечения требуемых механических свойств стали и увеличения срока службы колес сначала колесо нагревают для формирования аустенита по всем участкам обода и диска (от 700 до 950°С в зависимости от состава стали). Выдерживают колеса при этой температуре в течение времени, достаточном для достижения полностью аустенитной структуры всей стали. Затем колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внешнем участке диска. Колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внутреннем участке обода. Колесо охлаждают для формирования микроструктуры бейнит/мартенсит на внешнем участке обода. Этапы охлаждения выполняют последовательно, чтобы создать сжимающие остаточные напряжения на внешнем участке обода. При этом внешний участок диска охлаждают при закалке в течение 2-10 мин, внутренний участок обода охлаждают при закалке в течение 2-15 мин, а внешний участок обода охлаждают при комнатной температуре или альтернативно подвергают отпуску в течение 1-4 час. Колеса выполнены из стали, содержащей (% масс): углерод 0,05-0,30; марганец 3,00-5,00; кремний 0,45-1,85; железо - остальное. (Патент RU 2495144, МПК C21D 9/34, опубликован 10.10.2013). Показаны механические свойства сталей бейнитно-мартенситной микроструктуры: твердость 306-414 НВ; динамическая ударная вязкость 70,7-77,2 МПа⋅м^1/2.

Недостатком данного способа является низкая производительность процесса, сложность в организации дифференцированного охлаждения различных элементов колеса и гарантированном обеспечении необходимого уровня остаточных сжимающих напряжений в ободе.

Известен способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, включающий их нагрев до температуры аустенизации, вертикальную прерывистую закалку и отпуск («Оборудование термических цехов, технологии термической и комбинированной обработки металлопродукции». Большаков В.И., Долженков И.Е., Зайцев А.В., Днепропетровск, РИА «Днепр-VAL», 2010 г., стр. 395-400). При закалке осуществляют трехстороннее охлаждение обода, вращающегося в вертикальной плоскости колеса, водой из спрейерных устройств. При этом с целью обеспечения заданного уровня механических свойств колес продолжительность охлаждения при закалке, параметры отпуска устанавливают в зависимости от суммарного содержания в стали колес углерода плюс 1/4 марганца. Любая марка стали по данному показателю с учетом диапазона содержания С и Mn делится на несколько групп по назначенным режимам прерывистой закалки и отпуска. Продолжительность закалки колес с минимальным и максимальным содержанием в стали (С + 1/4 Mn) масс. % может отличаться до двух и более раз. Все это приводит к нарушению ритмичности работы производственных цехов, исходя из необходимости поплавочной обработки и приемки колес, к усложнению организации поплавочного потока в них, браку колес при их отставании от потока. Существенным недостатком также является то, что, несмотря на такое разделение колес по группам в пределах каждой марки стали, не удается достичь одинакового уровня механических свойств на колесах различных плавок.

Известен способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес из непрерывнолитых слитков (патент RU №2119841 МПК В21Н 1/04, C21D 9/34, С21С 7/00, опубл. 10.10.1998 г.). Способ включает выплавку ряда плавок конвертерной стали, внепечную обработку колесной стали с доведением суммы (С + 1/4 Mn) до определенной величины, непрерывную разливку в слитки, прокатку колес, термообработку путем нагрева колес до температуры термического упрочнения, охлаждение в течение определенного времени и отпуск. В процессе внепечной обработки сумму (С + 1/4 Mn) в стали доводят до постоянной величины для всех плавок, равной 0,815-0,864. Термическую обработку колес разных плавок ведут по единому режиму термоупрочнения с постоянным временем охлаждения и отпуска. На всех стадиях изготовления цельнокатаных железнодорожных колес одновременно используют слитки, полученные из разных плавок. Технический результат - обеспечение снижения брака колес, повышение и стабилизация уровня механических свойств колес, повышение срока их службы.

Недостатком способа изготовления колес из непрерывнолитых заготовок по патенту RU №2119841 является то, что при разбросе значений величины суммы (С + 1/4 Mn) в 0,05% и более для нивелирования влияния разброса содержания углерода и марганца и обеспечения необходимого уровня и стабилизации механических свойств сталь на практике дополнительно легируют ванадием, хромом, молибденом. Следует также отметить, что способ по данному патенту относится к изготовлению колес из стали марки 2 по ГОСТ 10791-2011 и не может быть применен при изготовлении колес с более высокими прочностными характеристиками обода.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ изготовления колес по патенту JP 2005-350769 A, МПК С22С 38/00, В60В 17/00, опубл. 22.12.2005. В данном патенте представлено колесо, в котором его поверхность катания имеет структуру, составленную бейнитной структурой, структурой мартенсита отпуска или смешанной структурой из бейнита и мартенсита отпуска. Для изготовления колес используется сталь следующего химического состава в мас. %: углерод 0,35-0,55; марганец 0,40-0,80; кремний 0,10-0,60; ванадий 0,005-0,30; фосфор ≤0,030; сера ≤0,030; молибден 0,20-0,60; никель 0,05-1,0; хром 0,50-1,5; медь 0,05-1,0; алюминий 0,005-0,10; титан 0,005-0,30; ниобий 0,005-0,30; железо - остальное.

Предпочтительный способ производства стали - вакуумная дегазация и непрерывная разливка. Термообработка колес производится нагревом до температуры аустенизации с выдержкой при этой температуре. Закалку обода проводят при непрерывном охлаждении водой, либо изотермическим превращением аустенита при погружении колеса в соляную ванну до формирования в ободе мартенситной или бейнитной, или смешанной мартенситно-бейнитной структуры с последующим отпуском.

Недостатком данного способа термообработки стали указанного состава является то, что способ непрерывного охлаждения обода носит декларативный характер, исходя из описания не может быть реализован на практике, а при термообработке с погружением в соляную ванну значительно усложняется процесс производства колес, снижается производительность и увеличивается себестоимость. Также существенным недостатком является то, что при содержании в стали углерода, хрома ближе к верхнему пределу возможно образование структур бейнита/мартенсита в дисках колес по обоим вариантам термообработки, что может снизить их усталостную прочность, надежность и безопасность в эксплуатации по сравнению с дисками с перлитной структурой. При содержании углерода, хрома, марганца, ванадия ближе к нижним пределам низка вероятность получения заявленной в патенте микроструктуры. Высокие содержания хрома, молибдена, ванадия, ниобия, никеля, меди из-за повышения себестоимости колес делают их неконкурентоспособными. Также невозможно получение сжимающих напряжений в ободе, так как получение мартенситной или смешанной мартенситно-бейнитной структуры в отличие от перлитной идет с увеличением объема вследствие меньшей удельной массы.

К недостаткам способа можно отнести и широкий диапазон содержания элементов стали, который не позволяет осуществлять ее непрерывную разливку сериями плавка на плавку - при серийной разливке в начале разливки сталь каждой плавки перемешивается с остатком стали в промежуточном ковше от предыдущей плавки. При определенной разнице в содержании элементов в плавках при серийной непрерывной разливке по длине полученных непрерывнолитых заготовок можно получить такой разброс содержания элементов, который при термообработке колес каждой плавки по единому режиму приведет к браку по их несоответствию требуемому уровню свойств.

Задачей настоящего изобретения является разработка технологии термоупрочнения колес, изготовленных из экономно легированной стали определенного химического состава, при которой достигается существенное повышение уровня механических и эксплуатационных свойств колес (износостойкость, контактно-усталостная выносливость металла обода, предел выносливости диска, возможность использования колес под грузовыми вагонами при больших нагрузках на ось). Задачей изобретения является также значительное упрощение технологии производства колес, повышение производительности и снижение себестоимости их производства.

При использовании заявляемого изобретения достигается следующий технический результат:

- повышение уровня прочностных характеристик обода (твердость по сечению, временное сопротивление разрыву) на - не менее 10%, износостойкости на - не менее 50% по сравнению со стандартными колесами для грузовых вагонов;

- повышение предела контактно-усталостной выносливости металла обода не менее чем на 25%, предела выносливости диска до 50% по сравнению со стандартными колесами;

- обеспечение уровня пластических и вязких характеристик металла колес на уровне значений или выше, чем у стандартных;

- возможность непрерывной разливки колесной стали сериями плавка на плавку и термоупрочнение изготовленных из них колес по единым параметрам нагрева, закалки и отпуска, повышения при этом производительности, снижения затрат и стабилизации уровня свойств колес;

- возможность повышения нагрузок на ось грузовых вагонов с 22,5 до 27 т.с.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, изготовленных из легированной стали, включающей нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре, прерывистую закалку обода водой, последующее охлаждение колес и отпуск, при этом колеса изготавливают из стали, содержащей следующие компоненты, масс. %: углерод 0,46-0,54, кремний 0,25-0,45, марганец 0,85-1,2, хром 0,80-1,10, ниобий 0,01-0,05, ванадий 0,08-0,20, молибден не более 0,05, титан не более 0,01, фосфор не более 0,030, серу не более 0,020, никель и медь не более 0,25 каждого, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,0002, закалку обода водой осуществляют путем трехстороннего его охлаждения из спрейерных устройств в течение 290-330 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах увеличивают от нуля до 0,07-0,09 МПа в течение 75-85 секунд с дальнейшим охлаждением

при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм, последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов.

Колеса изготавливают из стали, содержащей 0,49-0,52 масс. % углерода, при этом содержания углерода и марганца связаны соотношением, масс. %: углерод +1/4 марганца = 0,75-0,78.

Выбор прерывистой закалки обода обусловлен тем, что она с точки зрения простоты технологии, производительности и себестоимости процесса, стабильности в получении необходимой структуры и уровня механических свойств является наиболее оптимальной. Химический состав стали для колес, термоупрочняемых по заявляемому способу, подобран с учетом того, что при охлаждении на воздухе в диске колес скорости охлаждения не будут ниже критических во всем диапазоне содержания элементов, чем гарантируется феррито-перлитная структура стали, обеспечивающая высокую усталостную прочность дисков.

Подобранные параметры закалки и отпуска позволяют получить в ободе колес из стали данного химического состава на всю глубину рабочего слоя мартенситно-бейнитно-трооститную структуру, что значительно повышает по сравнению с стандартными колесами механические и эксплуатационные свойства колес (повышенную прочность, твердость в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью, высокую износостойкость и выносливость к контактно-усталостным повреждениям). При этом гарантируется создание в ободе колес напряжений сжатия, препятствующих зарождению и распространению в его глубь усталостных трещин с поверхности катания.

Более низкое содержание молибдена, ниобия, меди, хрома, никеля, ванадия по сравнению со сталью, представленной в прототипе, существенно снижает себестоимость стали и изготавливаемых колес, и одновременно является достаточным для достижения технического результата при заявляемом способе термоупрочнения. Ограничение содержания водорода не более 0,0002 мас. % связано с тем, что при таком его содержании сталь приобретает иммунитет против образования флокенов.

Использование стали в более узком диапазоне содержания углерода в пределах 0,49-0,52 (мас. %) и значениях углерод +1/4 марганца (масс. %), равным 0,75-0,78, позволяет значительно упростить технологию производства колес за счет возможности непрерывной разливки стали сериями плавка на плавку и термообработки изготовленных из них колес по единым режимам нагрева, прерывистой закалки и отпуска.

Использование спрейеров и регулирование давления во время закалки положительно сказывается на поддержании постоянной температуры охлаждающей среды и равномерности охлаждения поверхности колеса, причем повышение давления охлаждающей воды в спрейерных устройствах в течение первоначальных 75-85 секунд за счет равномерности скорости охлаждения металла по сечению обода препятствует появлению с поверхности катания грубой мартенситной структуры. Время закалки в зависимости от температуры охлаждающей воды в 290-330 секунд, температура отпуска 500-550 градусов в течение не менее 2 часов выбраны экспериментальным путем, доказано, что технический результат достигается только в пределах указанных выше диапазонов.

На фиг. 1 приведена микроструктура металла обода и диска железнодорожного колеса из опытной стали марки Б, где:

1 - на глубине 5 мм от поверхности катания микроструктура представлена мелкоигольчатым мартенситом и трооститом;

2 - на глубине 15 мм от поверхности катания микроструктура представлена мелкоигольчатым мартенситом, бейнитом и трооститом;

3 - на глубине 30 мм от поверхности катания микроструктура представлена бейнитом и трооститом;

4 - на глубине 50 мм от поверхности катания микроструктура представлена перлитом и ферритом по границам бывших аустенитных зерен;

5 - микроструктуры диска и ступицы представлены перлитом и ферритом по границам бывших аустенитных зерен.

Пример конкретного выполнения.

Была получена опытная плавка стали с заявляемым химическим составом, приведенным в таблице 1, условно названной маркой Б.

Термоупрочнение колес

Колеса нагревали под закалку до температуры 850°С в течение 2 часов до образования аустенитной структуры. Термоупрочнение обода осуществляли путем трехстороннего спрейерного охлаждения ободьев колес водой в течение 300 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах пропорционально увеличивали до 0,07-0,09 МПа в течение 80 секунд с дальнейшим охлаждением при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм, последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов.

Охлаждение диска производили на воздухе до температуры 300-450°С. Отпуск колес осуществляли при температуре 500-520°С в течение 2,5 часа. Микроструктура по сечению обода и диска колес из стали марки Б представлены на фиг. 1. Полученные при испытаниях механические свойства колес и для сравнения колес по ГОСТ 10791-2011 представлены в Таблице 2. Характеристики колес, определяющие их эксплуатационные свойства, представлены в Таблицах 3, 4, 5, 6.

Содержание водорода в стали составило 1,7 ppm или 0,00017%. Величина соотношения С +1/4Mn составила 0,77%.

Формирование в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм в процессе термоупрочнения колес из легированной стали марки Б позволяет получать повышенную по сравнению с стандартными колесами прочность, твердость в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью, а феррито-перлитная структура диска обеспечивает его высокую усталостную прочность и надежность колес в эксплуатации.

Твердость обода опытных колес, изготовленных по заявляемому способу из стали марки Б, находится на высоком уровне по всей рабочей толщине обода и достигает: в гребне - до 400 НВ, на глубине 10 мм от поверхности катания - до 396 НВ, на контрольной глубине 30 мм - до 346 НВ, на глубине 50 мм - до 321 НВ, превосходит колеса из стали марки Т - на 12%, из стали марки 2 - на 26%.

По износостойкости опытные колеса превосходят колеса из стали марки 2 более чем в 2 раза, из стали марки Т - более чем в 1,5 раза.

Предел выносливости диска опытных колес по сравнению с колесами из стали марки 2 больше в 1,65 раза.

По пределу контактно-усталостной выносливости колеса из стали марки Б превосходят колеса из стали марки 2 в 1,5-2 раза, из сталей марок Т и Л - на 25-50%.

Ударная вязкость обода и диска опытных колес значительно превышает минимально допустимый уровень по ГОСТ 10791-2011 для всех приведенных в стандарте марок сталей.

Трещиностойкость (вязкость разрушения) опытных колес соизмерима с аналогичным показателем колес из серийных сталей марок «Т» и «2» (57 и 66 МПа×м^1/2 соответственно), удовлетворяет требованиям ГОСТ 10791-2011.

По результатам усталостных испытаний предел выносливости дисков колес из стали марки «Б» составил 1200 кН, что в 1,65 раза превышает аналогичный показатель для стандартных колес из стали марки «2» по ГОСТ 10791-2004 при идентичной схеме нагружения (726 кН), что удовлетворяет требованиям ГОСТ 10791-2011 для цельнокатаных колес грузовых вагонов, рассчитанных на эксплуатацию с предельной осевой нагрузкой 27 тс.

Металлографическими исследованиями подтверждена феррито-перлитная структура металла в диске и смешанная мартенситно-бейнитно-трооститная структура в ободе на всю рабочую глубину в 30 мм от поверхности катания.

Полученные результаты испытаний показывают, что заявляемый способ термической обработки колес из предложенной экономно легированной стали обеспечивают достижение технического результата изобретения.

1. Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, изготовленных из легированной стали, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку при этой температуре, прерывистую закалку обода водой, последующее охлаждение колес и отпуск, отличающийся тем, что колеса изготавливают из стали, содержащей следующие компоненты, мас.%:

углерод 0,46-0,54

кремний 0,25-0,45

марганец 0,85-1,2

хром 0,80-1,10

ниобий 0,01-0,05

ванадий 0,08-0,20

молибден не более 0,05

титан не более 0,01

фосфор не более 0,030

серу не более 0,020

никель не более 0,25

медь не более 0,25

остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,0002, закалку обода водой осуществляют путем трехстороннего его охлаждения из спрейерных устройств в течение 290-330 секунд, при этом давление воды в спрейерных устройствах увеличивают от нуля до 0,07-0,09 МПа в течение 75-85 секунд с дальнейшим охлаждением при постоянном давлении до формирования в ободе мартенситно-бейнитно-трооститной структуры на глубине рабочего слоя до 30 мм, последующее охлаждение колес осуществляют на воздухе до образования в диске и ступице феррито-перлитной структуры, а отпуск проводят при температуре 500-550°С в течение не менее 2 часов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что колеса изготавливают из стали, содержащей 0,49-0,52 мас.% углерода, при этом содержания углерода и марганца связаны соотношением, мас.%: углерод +1/4 марганца = 0,75-0,78.