Фазовые превращения при термоциклической обработке металла поверхности катания колеса Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.4.027.1 1

Д. А. Жуков, А. А. Соболев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛА ПОВЕРХНОСТИ

КАТАНИЯ КОЛЕСА

Большое влияние на надежность и долговечность колес оказывают профиль поверхности катания и его физико-механические свойства. Предложен способ термообработки металла обода колеса с помощью формирования мелкозернистой структуры в сочетании с остаточными напряжениями сжатия в его поверхностном слое.

Проведенные исследования показали, что в результате тройной индукционной термообработки происходит измельчение зерна перлита более чем в 10 раз, в поверхностном слое формируются остаточные напряжения сжатия величиной до 500 МПа, а износостойкость упрочненного слоя при лабораторных испытаниях повышается даже на глубине 4-7 мм не менее чем на 15 %.

цельнокатаные колеса, индукционная термоциклическая обработка, фазовый наклеп, микроструктура.

Введение

Большое влияние на надежность и долговечность колес оказывает профиль поверхности катания, который регламентируется стандартами на геометрические размеры и физико-механические свойства материала. Существующие способы ремонта поверхности катания колеса восстанавливают лишь геометрические параметры согласно чертежным размерам. Термоциклическая обработка, в зависимости от режима, позволяет сформировать комплекс требуемых свойств колеса в процессе ремонта.

1 Результаты экспериментальных исследований

У нового колеса фазовый состав представляет собой смесь почти кубической a-фазы с очень низким содержанием углерода (примерно 0,1 %) и тонкопластинчатых карбидов. Твердость стали в этом случае колеблется от 248 до 320 НВ для марок колесной стали 1, 2, Т, Л на глубине 30 мм. Такое

38

состояние колесной стали не является равновесным ввиду превышения содержания углерода в фазе и получается искусственным путем в результате объемной термообработки при первичном изготовлении колес.

В процессе эксплуатации колеса его металл у поверхности может претерпевать следующие изменения:

- во-первых, при нормальной эксплуатации за счет износов и обточек рабочим становится подстилающий, менее твердый металл, что приводит к повышенному износу и сокращению периодов между обточками, вплоть до выбраковки колеса как маломерки;

- во-вторых, механический наклеп a-фазы, что незначительно повышает плотность дислокаций и поднимает до 360.. .380 НВ в тонком слое металла (0,5...1 мм). Это усиливает износостойкость стали, но в то же время повышает ее склонность к трещинообразованию, выколам и т. д. при перенаклепе металла. В этом положении сталь довольно неустойчива и при разогреве до 200.300 °С в режиме колодочного торможения наклен почти полностью исчезает в результате аннигиляции дислокаций в a-фазе, причем пластическая деформация в металле накапливается от каждого цикла упрочнение-разупрочнение и приводит к шелушению и т. д.;

- в-третьих, в момент юза металл поверхности катания нагревается примерно до 1000 °С, что значительно снижает его прочность, вследствие чего протекает значительная пластическая деформация с образованием новых зерен в a-фазе. При прекращении юза резкое охлаждение на массу колеса приводит к термомеханическому упрочнению с образованием пятен (ползунов), имеющих твердость 900.1000 HV. Эти ползуны при недопустимых размерах исключают дальнейшую эксплуатацию колеса без обточки и сильно затрудняют механическую обработку, приводя к повышенному расходу дефицитного твердосплавного инструмента и снижению ресурса колеса из-за увеличения глубины резания при обточке.

Дополнительно следует отметить, что в колесной стали у поверхности катания изменяется эпюра остаточных напряжений, причем довольно трудно предсказать вероятные направления изменения, т. к. действует одновременно несколько противоречивых факторов. В настоящее время ясно одно: при возникновении остаточных напряжений растяжения с величиной примерно 1/3 ов заметно повышается вероятность полного разрушения обода колеса.

Перечисленные сложности вынуждают при восстановлении профиля поверхности влиять на физико-механические свойства металла колеса, т. е. перед обточкой улучшать обрабатываемость, а после - повышать работоспособность.

Проведенные в ПГУПС исследования по изменению структуры ко -лесной стали для улучшения ее обрабатываемости путем двухимпульсного индукционного нагрева и регулируемого охлаждения позволили выявить закономерности, необходимые для разработки способа повышения износо-

39

стойкости рабочего слоя обода колеса. Специфика фазовых превращений при скоростном нагреве колесной стали играет важную роль при разработке технологии термообработки.

Разработанный способ термообработки имеет целью повысить износостойкость металла за счет формирования мелкозернистой структуры в сочетании с остаточными напряжениями сжатия в поверхностном слое металла. Цель достигается термоциклической обработкой с ускоренным охлаждением до начала промежуточного превращения [1] - [3].

Помимо того, время начала ускоренного охлаждения выбирают, исходя из получения минимального по абсолютному значению уровня остаточных напряжений технологического происхождения от термообработки, а при третьем цикле термообработки - исходя из получения остаточных напряжений сжатия и твердости металла не выше допустимой по техническим условиям на колесные пары данного типа.

Циклическая обработка индукционным нагревом способствует образованию множества центров аустенитизации при нагреве, что приводит к измельчению в конечной структуре перлитных зерен с частичной сферои-дизацией карбидной фазы. Происходит также дробление ферритной сетки, а выделение структурно свободного феррита становится все дисперснее при переходе от первой к последней стадии термообработки, при которой повышается дисперсность перлита, что проявляется в уменьшении межпластиночного расстояния в его структуре.

На основании теории дробления зерна при циклической термообработке процесс измельчения зерна подчиняется следующей зависимости:

где Кдр - коэффициент дробления зерна при циклической термообработке; Кдр1 - коэффициент дробления зерна при первом цикле термообработки; Кц -количество циклов термообработки.

Однако, как показали проведенные исследования, процесс дробления зерна при данных условиях нагрева и охлаждения [1] резко замедляется после третьего цикла термообработки, поэтому введение последующих циклов нецелесообразно.

Разница теоретического и практического результатов обусловлена заметным влиянием процесса слияния зерен аустенита при нагреве выше Ас1, особенно для мелкозернистых сталей на третьем и четвертом циклах.

Следует отметить, что проведение нескольких циклов индукционной термообработки приводит к накоплению структурных и термических напряжений, проявляющихся в дроблении мозаики с образованием большеугловых блоков. Это препятствует протеканию пластических микросдвигов, способствуя упрочнению стали.

40

При этом твердость металла можно поднять до 360.. .380 НВ за счет фазового, а не механического наклепа. Фазовый наклеп обусловлен изменением удельного объема из-за полиморфного превращения. Упрочнение сохраняется при нагреве до 600.700 °C. Небольшая глубина слоя (5.7 мм) мало влияет на общую конструктивную прочность обода.

Заключение

Проведенные исследования показали, что в результате тройной ин-аукционной термообработки происходит измельчение зерна перлита более чем в 10 раз, в поверхностном слое формируются остаточные напряжения сжатия величиной до 500 МПа, а износостойкость упрочненного слоя при лабораторных испытаниях повысилась даже на глубине 4.7 мм не менее чем на 15 %. Повышение износостойкости вышележащих слоев металла обода колеса было еще более значительным.

В ходе выполненных работ показаны широкие возможности индукционной термообработки для придания материалу обода колеса требуемых свойств. Это позволяет при необходимости эффективно применять индукционную термообработку на различных стадиях процесса ремонта колес.

Библиографический список

1. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар : учеб. пособие / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, М. Ситаж. - СПб. : ПГУПС, 2000. - 128 с.

2. Особенности термической обработки стали для цельнокатаных колес при индукционном нагреве в процессе ремонта / А. Ф. Богданов, Д. А. Жуков, А. А. Соболев // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей: сб. науч. тр. - СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 55-60.

3. Структура колесной стали после индукционного нагрева в процессе ремонта / А. М. Будюкин, Д. А. Жуков, И. А. Иванов, А. А. Соболев, С. В. Урушев // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. науч. тр. - СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 60-65.

© Жуков Д. А., Соболев А. А., 2014

41