Исследование возможности локального лазерного упрочнения зоны выкружки железнодорожных колес Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.421

С. И. Губенко

Национальная металлургическая академия Украины

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЛОКАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ЗОНЫ ВЫКРУЖКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС

Рассмотрено влияние лазерной обработки на структуру и микротвердость колесной стали с различным исходным состоянием. Исследования проводились для образцов сталей разного химического состава, подвергнутых в лабораторных условиях термообработке на различных режимах. Полученные образцы были подвергнуты металлографическим исследованиям, в ходе которых было изучено влияние режимов лазерной обработки на микроструктуру колесной стали. На основе проведенных исследований были сделаны выводы о перспективности локальной лазерной обработки выкружки колеса с получением бейнитной структуры в режиме непрерывного лазерного излучения, что позволит повысить износостойкость поверхности катания и снизить риск подреза гребней в процессе эксплуатации.

железнодорожные колеса, лазерная обработка, микротвердость колесной стали.

Введение

Проблема повышения надежности и долговечности железнодорожных колес связана как с разработкой колес новых конструкций, новых составов колесной стали, так и с возможностью применения новых методов упрочнения поверхности катания. Железнодорожные колеса подвергаются термической обработке - закалке с отпуском, однако их износостойкость не всегда удовлетворительна. Кроме того, важной проблемой являются подрезы гребней при эксплуатации, что опасно при движении поездов. В связи с этим представляется целесообразным дополнительное упрочняющее воздействие на зону выкружки с помощью лазерной обработки.

В настоящем исследовании не ставилась задача получения рекордно высокой твердости на поверхности катания, поскольку такая задача может решаться при разработке режимов упрочнения пары трения колесо-рельс. Целью настоящей работы явилось исследование структурных изменений при лазерном воздействии на предварительно термически упрочненную колесную сталь.

31

1 Материал и методики исследований

Исследования выполнены на стали следующего химического состава: 0,59C; 0,72Mn; 0,34Si; 0,025S; 0,012P; 0,14Cr; 0,15Ni; 0,20Cu. Предварительную термическую обработку образцов осуществляли в лабораторных условиях по следующим режимам: температуры нагрева под закалку 800, 850, 900, 950 °С, выдержка 20 мин, охлаждение в воде со скоростью 100 °С/с, которая соответствует скорости закалки ободьев (было необходимо получить при закалке структуру дисперсного перлита, что соответствует современным требованиям к структуре колес); для каждого режима закалки проводили отпуск в течение 2 ч при температурах 400, 480, 520, 560, 600 °С. Лазерное облучение стали в режиме непрерывного излучения проводили на установке ЛГ-701 «Кардамон». Мощность излучения составляла 600 Вт, скорость перемещения лазерного луча 20, 15, 10 и 5 мм/с.

2 Результаты исследований и их обсуждение

Микроструктура стали после обычной закалки представляла собой перлит разной степени дисперсности. Дисперсность перлита имеет большое значение для степени упрочнения стали при лазерной обработке. При температуре нагрева под закалку 950 °С получился грубоигольчатай перлит, что связано с ростом аустенитного зерна в процессе выдержки. При более низких температурах нагрева под закалку аустенит получался более дисперсным, что привело к получению более дисперсного перлита. При температуре 800 °С, по-видимому, недостаточно полно происходит гомогенизация аустенита, что влечет за собой химическую неоднородность перлита.

После отпуска при температурах 400, 480 и 520 °С получили отпущенный троостит и дисперсные карбиды, при более высоких температурах - сорбит отпуска и карбиды, причем после отпуска при 600 °С структура стали значительно грубее при всех температурах закалки. Структура отпущенной стали наследует закономерности, связанные с разной температурой закалки. При всех температурах отпуска микроструктура стали после предварительной закалки от 950 °С наименее дисперсна при прочих равных условиях. Размеры цементитных частиц при всех температурах закалки остаются дисперсными при температурах отпуска 400, 480 и 520 °С (3-6 мкм), немного возрастают при температуре отпуска 560 °С и становятся более грубыми при температуре отпуска 600 °С (8-10 мкм). При отпуске закаленной колесной стали ставится задача повысить пластические свойства обода и снизить остаточные напряжения.

Вместе с тем известно, что структура дисперсного зернистого цементита обладает весьма невысокой износостойкостью и низким сопротивлением усталостному разрушению по сравнению со структурой дисперсного

32

пластинчатого перлита*. Лазерную обработку отпущенной стали можно рассматривать как попытку дополнительно повысить ее износостойкость.

Микроструктура зоны лазерной обработки стали, предварительно закаленной и отпущенной, представляет дисперсный мартенсит или бейнит плюс остаточный аустенит и дисперсный цементит (рис. 1, а, б). Характер основной структуры определяется скоростью перемещения лазерного луча: при 20 мм/с, когда скорость охлаждения стали максимальна, получили мартенсит, при остальных режимах лазерной обработки - бейнит.

а)

б)

в) г)

Рис. 1. Микроструктура и тонкая структура колесной стали после лазерного воздействия: а, б - х500; в, г - х20 000

Отличаются и параметры зоны лазерной обработки в зависимости от температур предварительной закалки и отпуска, а также скорости перемещения лазерного луча. Наиболее дисперсной получилась структура лазерной

* Колесная сталь / И. Г. Узлов, М. И. Гасик, А. Т. Есаулов, Н. Г. Мирошниченко, Ю. С. Пройдак. - Киев : Техника, 1985. - 168 с.

33

обработки при температуре предварительного отпуска 400, 480 и 520 °С при всех температурах закалки, поскольку, по-видимому, накладывается суммарный эффект диспергирования структуры при увеличении количества обработок. Дисперсность структуры лазерной закалки отпущенной стали возросла по сравнению с закаленной, однако разница степеней дисперсности структуры, существовавшая в исходном состоянии, в зависимости от температуры закалки сохраняется после лазерной обработки.

Глубина зоны лазерной закалки h больше по сравнению с нормализованной сталью, но ниже по сравнению с закаленной сталью при прочих равных условиях. По-видимому, здесь проявляется влияние ориентированности закаленной структуры, позволяющей более глубоко проникать процессу лазерной закалки. При отпуске ориентированность структуры нарушается и величина h снижается по сравнению с исходным закаленным состоянием. Здесь также видно влияние степени дисперсности исходной структуры: величина h резко снижается при повышении температуры отпуска.

Уровень микротвердости на поверхности образца также определяется исходной закаленной и отпущенной структурой стали при одинаковой скорости перемещения лазерного луча. При температурах отпуска 400, 480 и 520 °С уровень микротвердости стали лежит ниже, чем при закаленном состоянии (табл. 1). При повышении температуры предварительного отпуска до 600 °С микротвердость зоны лазерной закалки уменьшается при всех температурах предварительной закалки, влияние которой на значения микротвердости при всех температурах отпуска сохранилось.

ТАБЛИЦА 1. Изменение микротвердости (х10, МПа) зоны лазерной закалки в зависимости от температуры и предварительной закалки

Температура отпуска, °С Температура закалки, °С

800 850 900 950

400 460 440 420 410

480 440 440 410 400

520 430 415 390 400

560 425 400 390 380

600 390 380 370 370

Чем выше дисперсность структуры стали, связанная с режимом предварительной термической обработки, тем выше уровень микротвердости структуры лазерной закалки.

Параметры тонкой структуры стали в зоне лазерного воздействия зависят и от режима предварительного отпуска, который привел к снижению

34

микронапряжений и плотности дислокаций в исходном отпущенном состоянии по сравнению с закаленным (табл. 2).

ТАБЛИЦА 2. Параметры зоны лазерной обработки стали

Температуры закалки и отпуска, °С Скорость перемещения лазерного луча, мм/с Размер блоков х 105, см Микроискажения Аа/а Плотность дислокаций, Рь, см-2

исх. ЛТО исх. ЛТО исх. ЛТО

800, 400 20 15 10 5 1,82 0,31 0,31 0,34 0,33 0,34 0,38 0,37 0,36 0,36 4,7 • 1010 6.3 • 1011 3,6 • 1011 2.4 • 1011 2,3 • 1011

800, 560 15 5 2,04 0,41 0,48 0,30 0,36 0,34 2,1 • 109 1,8 • 1011 9,3 • 1010

850, 400 15 5 1,91 0,36 0,39 0,32 0,38 0,36 3,9 • 1010 2,4 • 1011 2,3 • 1011

850, 600 15 5 2,08 0,79 0,82 0,27 0,33 0,30 2,1 • 109 1,1 • 1011 1,3 • 1010

900, 480 15 5 1,92 0,39 0,41 0,33 0,39 0,36 3,1 • 1010 6,3 • 1011 2,6 • 1011

900, 560 20 15 10 5 2,12 0,61 0,78 0,79 0,84 0,30 0,36 0,36 0,33 0,32 1,9 • 1010 2,9 • 1011 1,3 • 1011 9,8 • 1010 9,1 • 1010

950, 560 5 2,46 1,39 0,28 0,31 1,1 • 1010 0,8 • 1011

Для каждой скорости перемещения лазерного луча при температурах отпуска 400, 480 и 520 °С размеры блоков мозаики в зоне лазерного упрочнения остаются примерно на одном уровне, который несколько выше, чем у предварительно закаленных образцов. Релаксация напряжений в процессе отпуска привела к снижению уровня фрагментации структуры стали в зоне лазерного воздействия по сравнению с закаленным состоянием, что особенно заметно после высоких температур отпуска 560 и 600 °С (см. рис. 1, в, г). Чем более фрагментированной была исходная отпущенная структура, тем меньше размер блоков после лазерной обработки.

Анализ влияния скорости движения лазерного луча на параметры зоны лазерной обработки отпущенной стали позволил установить, что с увеличением скорости движения луча, т. е. с уменьшением времени лазерного воздействия, глубина упрочненной зоны уменьшается при всех режимах отпуска. По сравнению с закаленным состоянием глубина упрочненной зоны отпущенной

35

стали меньше при всех режимах отпуска, что связано с ориентационным влиянием исходной структуры закаленной стали и отсутствием такового в отпущенной стали. При всех температурах отпуска наименее глубокий слой лазерного упрочнения получился при температуре предварительной закалки 950 °С. При всех температурах закалки глубина упрочненного слоя при температурах отпуска 400, 480 и 520 °С находится примерно на одном уровне, несколько снижается при 560 °С и значительно уменьшается при 600 °С, что также определяется ориентационным и напряженным влиянием исходной структуры стали.

Микротвердость и твердость упрочненного лазерной обработкой слоя при всех температурах отпуска с увеличением скорости движения лазерного луча возрастает, что связано с увеличением внутренних напряжений и плотности дефектов кристаллического строения. Влияние температур предварительных закалки и отпуска влияет на уровень лазерного упрочнения. При всех скоростях перемещения лазерного луча микротвердость закаленной стали выше, чем отпущенной.

Закономерности изменения параметров тонкой структуры отпущенной стали после лазерной обработки заключаются в том, что при всех температурах отпуска с увеличением скорости перемещения луча блоки мозаики становятся мельче, а микроискажения в решетке возрастают, возрастает и плотность дислокаций. Это связано с развитием частичной релаксации напряжений при уменьшении скорости перемещения лазерного луча.

Зона термического влияния при лазерной обработке микроструктурно выражена слабо. Она представляет собой дополнительно отпущенные с высокой скоростью продукты предварительного отпуска. Размеры цементитных частиц в этой зоне наследуются от исходного состояния. Лазерная обработка привела к появлению дополнительных напряжений в зоне термического влияния. Уровень микротвердости в зоне термического влияния ниже, чем в зоне лазерной закалки, но выше, чем в исходном состоянии, что и объясняется дополнительными напряжениями, возникшими при лазерной обработке. Для отпущенной стали микротвердость от поверхности снижается плавно в пределах зон лазерной закалки и термического влияния, скачки на кривых появляются при переходе от светлой зоны лазерной закалки к зоне термического влияния из-за резкой границы между этими зонами (табл. 3).

При одних и тех же скоростях перемещения лазерного луча и температуре предварительной закалки повышение температуры отпуска от 480 до 600 °С привело к падению значений микротвердости во всех зонах. При одинаковой предварительной термической обработке увеличение скорости движения лазерного луча привело к увеличению микротвердости и уменьшению глубины упрочненной зоны. При одинаковой температуре отпуска и скорости перемещения лазерного луча повышение температуры предварительной закалки привело к уменьшению и микротвердости, и глубины упрочненного слоя.

36

ТАБЛИЦА 3. Изменение микротвердости отпущенной стали от поверхности в глубь образца после лазерной обработки

Скорость перемещения лазерного луча, мм/мин Температуры закалки и отпуска, °С Расстояние от поверхности образца h, мкм

0 100 200 300 400 500 600 700

5 850, 480 440 430 420 320 300 300 290 290

5 850, 600 380 380 280 280 280 280 280 280

20 850, 480 550 530 360 310 310 300 290 290

5 950, 480 400 400 360 300 280 270 270 270

Таким образом, при непрерывном лазерном излучении поверхностный слой колесной стали упрочняется в результате значительного диспергирования структуры, увеличения плотности дефектов кристаллического строения, дробления блоков мозаики и роста микроискажений в кристаллической решетке. Изменение скорости движения лазерного луча позволяет варьировать уровень упрочнения стали и глубину упрочненной зоны, а также характер структуры стали: поскольку мартенситная структура на поверхности катания недопустима, представляется перспективной бейнитная структура лазерной закалки. При этом твердость на поверхности изменяется в довольно широком диапазоне.

Исходное состояние микроструктуры стали существенно влияет на структуру упрочненного слоя. Предварительная термическая обработка позволяет получить более однородную структуру упрочненного слоя и более высокий уровень упрочнения по сравнению с исходным нормализованным состоянием.

Заключение

Исследование структурных изменений в зоне лазерной обработки колесной стали, подвергавшейся предварительной традиционной термической обработке, показало возможность варьирования характера и параметров структуры лазерной закалки. Режимы термической и лазерной обработки определяют эффект лазерного упрочнения колесной стали.

Представляется перспективной локальная лазерная обработка выкружки с получением бейнитной структуры в режиме непрерывного лазерного излучения, что не только позволит повысить износостойкость поверхности катания железнодорожных колес, но и снизит риск подреза гребней в процессе эксплуатации.

© Губенко С. И., 2014

37