CC BY
14
УДК 621.785.616
СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Р.И. Сержаиов, A.B. Богомолов, H.A. Романов Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
* Известны три способа окончательной термической обработки крановых колес: нормализация с отпуском, закалка поверхности катания с отпуском и объемная закалка, предусматривающая упрочнение всех элементов колеса с последующим отпуском. Необходимо отметить, что выбор той или иной технологии окончательной термической обработки должен определяться конкретными условиями эксплуатации.
За рубежом колеса подвергают в основном двум видам окончательной термической обработки: нормализации с отпуском или закалке с отпуском. Нагрев осуществляют до 800 - 860°С в функции состава стали с последующим регулируемым охлаждением. Охлаждение, как правило, на спокойном воздухе обеспечивает получение пластинчатого сорбита во всех элементах колеса. Дисперсность карбидной фазы определяется фактической скоростью охлаждения элемента колеса. Чем тоньше сечение (диск), тем интенсивнее идет охлаждение на спокойном воздухе, тем при более низких температурах происходит распад переохлажденного аустенита, тем тоньше продукты распада. Охлаждение на спокойном воздухе также обеспечивает более или менее равномерное охлаждение всего колеса, что приводит к значительному уменьшению остаточных напряжений.
Закалка с отпуском колес за рубежом осуществляется по различным вариантам: закалка обода путем спрейерного обрызгивания водой одновременно всей поверхности катания вращающегося в горизонтальной плоскости колеса; прерывистое охлаждение части обода путем обрызгивания при вращении колеса в горизонтальной плоскости, или путем погружения части обода в бак с водой при вращении колеса в вертикальной плоскости и, наконец, объемная закалка колеса погружением в масляный бак.
Чаще закалку осуществляют путем спрейерного охлаждения водой, схема которой приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Закалка колеса путем спрейерного охлаждения
Практически лишен указанных недостатков способ вертикального прерывистого упрочнения обода, схема которого приведена на рисунке 2.
1 - приводной ролик; 2 - колесо; 3 - вода. Рисунок 2 - Схема вертикального упрочнения обода - для двухреборд-
ного кранового колеса.
Для объемного упрочнения цельнокатаных колес характерна большая разница в скорости охлаждения различных элементов колеса - в наибольшей степени при этом упрочняется диск, а известно, что условия эксплуатации требуют более значительного упрочнения обода.
Традиционная технология термоупрочнения колес включает в себя их нагрев до 840 - 870°С равномерно по всем поверхностям, передачу нагретого колеса, к закалочной машине с минимальным промежутком во времени,
термоупрочнение (охлаждение водой) обода колеса в течение 100 - 200с в зависимости от содержания в стали углерода и марганца. Использование такой технологии обеспечивает невысокий уровень прочностных свойств металла и износостойкости обода в эксплуатации.
В настоящее время на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе им. К. Либкнехта успешно применяют прерывистую закалку цельнокатаных колес, вращающихся в вертикальной плоскости. Колеса нагреваются под закалку в кольцевых печах до 800-850 °С [1].
На Выксунском металлургическом заводе используют способ термической обработки стальных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, дифференцированное охлаждение обода водой и отпуск, отличающийся тем, что охлаждение до температуры Мн + (30-50°С) ведут водой со скоростью близкой критической скорости закалки на мартенсит, далее до 240-300°С со скоростью 1-2°С/с, а отпуск проводят при 300 ±50°С.
Реализация данного способа термообработки позволяет регулировать структурообразование поверхностных, приповерхностных и глубинных слоев ободьев колес с высокими прочностными характеристиками при сохранении уровня пластических характеристик и способных подвергаться последующим пластическим деформациям и ударным нагрузкам без рекристаллизации поверхностного слоя, что обеспечивает высокую износо- и термостойкость обода колеса, особенно при эксплуатации в условиях повышения скорости движения состава и нагрузки на ось [2].
В настоящее время изготовление и термообработка крановых колес осуществляется на следующих предприятиях: ООО «УралТрейд», «УралРемДеталь», ООО «Ласмет», Запорожский завод тяжелого краностроения, ЧелябПромДеталь.
С целью снижения остаточных напряжений цельнокатаные колеса после закалки подвергают отпуску в интервале 400 - 600 °С. Исследования, проведенные ИЧМ, показали, что оптимальным режимом отпуска является температура 480 - 520 °С, продолжительность выдержки 2 ч с последующим охлаждением на воздухе или более замедленным.
Средний балл неметаллических включений в стали ободов и дисков (кроме недеформирующихся силикатов) по ГОСТ 1778-70 не должен превышать 4, оксидных строчечных включений - не более 1.
Вода является дешевым и широко распространенным охладителем, применяемым при закалке изделий. Обладая достаточно высокой скоростью охлаждения, в интервале температур перлитного превращения (650 - 550° С) вода позволяет получать необходимую твердость и прокаливаемость крупногабаритных изделий. Однако большая скорость
охлаждения в интервале температур мартенситного превращения вызывает возникновение значительных напряжений в закаливаемых изделиях и, как следствие, деформации и трещинообразование.
Охлаждающая способность воды резко изменяется в зависимости от ее температуры; если эту способность при 18° принять за единицу, то при 74° она будет иметь коэффициент 0,05.
Примеси в воде по-разному влияют на охлаждающую способность. Добавка поваренной соли и едких щелочей в количестве 5-10% заметно повышает охлаждающую способность воды; 5 - 7%-ый водный раствор марганцовокислого калия уменьшает скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения (дает среднюю скорость охлаждения между чистой водой и маслом). Скорость охлаждения стали в водных растворах показана в таблице 1.
Водные растворы щелочей, солей и глицерина все шире применяют в термических цехах, так как они обеспечивают интенсивное охлаждение в перлитном интервале температур и замедленное и равномерное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения [3].
Таблица 1 - Скорость охлаждения стали в водных растворах
Закалочная среда Скорость охлаждения, °С/С при температурах, °С
ВОДА ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ, "С: 650—550 330—200
18 600 270
28 500 270
50 100 270
10%-ый раствор ИаОН в воде при 18 °С 1200 300
10 %-ный раствор МаС1 в воде при 18 °С 1100 300
Минеральное масло 100—150 20—50
Спокойный воздух 3 1
Щелочи химически нейтральны по отношению к охлаждаемому металлу, поверхность которого остается чистой и последующая очистка не требуется (светлая закалка).
В интервале температур мартенситного превращения (обычно используют интервалы 300 - 200 °С или 300 - 100°С). Выбор этого
интервала важен потому, что здесь основное количество аустенита превращается в артенсит, что сопровождается возникновением внутренних напряжений и опасностью возникновения закалочных трещин.
Замедленное охлаждение в указанном интервале приводит к релаксации внутренних напряжений и частичному самоотпуску мартенсита в процессе его образования и в результате предотвращает образование трещин.
В последние годы установлено, что при очень интенсивном охлаждении сильным водяным душем или быстродвижущимся потоком воды под давлением образования трещин также не происходит, что связывают с равномерностью охлаждения различных участков поверхности деталей сложной формы [4].
На основе этих представлений было введено понятие о кривой идеального закалочного охлаждения с быстрым понижением температуры в верхнем интервале и медленным - в нижнем (рисунок 3).
Рисунок 3 - Кривая идеального закалочного охлаждения
Для углеродистых сталей с содержанием углерода более 0,6% температура конца мартенситного превращения находится ниже нуля и при закалке в воде в структуре стали сохраняется остаточный аустенит (рисунок 4). Если такую сталь после закалки охлаждать до температуры точки Мк, то это вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, благодаря чему твердость и износостойкость изделия повысятся, а его размеры стабилизируются [5].
Рисунок 4 - Мартенситные кривые маргонцовистых сталей: 1 - 0,64% С, 1,0% Мп; 2 - 0,62% С, 5,1% Мп; 3 - 0,60% С, 8,6% Мп
Возможна также закалка крановых колес в масле. Основным достоинством масел как закалочных жидкостей является небольшая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает опасность возникновения закалочных дефектов и приводит к постоянству закаливающей способности в широком интервале температур среды (20— 15 0° С). Охлаждающая способность закалочных масел зависит от их вязкости. Повышение температуры закалочного масла уменьшает вязкость и тем самым увеличивает охлаждающую способность. Для индустриальных масел 12,20 и 20В, широко применяемых для закалки деталей, наилучшая охлаждающая способность обеспечивается в интервале температур 40—80°С [6].
К основным недостаткам масла относят: дефицитность, необходимость в регенерации, пожароопасность, узкий интервал скоростей охлаждения, необходимость дополнительной операции отмывки и обезжиривания поверхности закаленных изделий.
Вывод
Охлаждение потоком воды широко применяют при объемно-поверхностной закалке деталей, которая обеспечивает последующий самоотпуск. Интенсивное охлаждение непрерывным потоком воды со скоростью 10-30 м/с в охлаждающей камере создает условия, обеспечивающие равномерное охлаждение в различных участках поверхности деталей и предотвращает образование закалочных трещин даже в деталях весьма сложной формы.
Литература
1 Башнин Ю.А. Технология термической обработки / Ю.А.Башнин, Б.К.Ушаков, А.Г.Секей. - М. : Металлургия, 1986. - 426с.
2 Способ термической обработки стальных колес: пат. 97109706 Рос. Федерация: C21D9/34 / Сидоров И.П., Антипов Б.Ф., Калинин А.Б., Баринова Г.П., Мазурин В.В., Королев С.А., Яндимиров А.А., Пашолок ИЛ., Волков A.M., Седышев И.А., Ефимов И.В., Цюренко В.Н., Харитонов В.Б.; заявитель и патентообладатель АО Выксунский металлургический завод. - заявл. 1997.06.10; опубл. 1999.05.20
3 Гуляев А.П. Металловедение. - М. : Металлургия, 1978. — 647с.
4 Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. - М. : Металлургия, 1981,- 648с.
5 Бернштеин МЛ. Металловедение и термическая обработка стали: справочник / МЛ.Бернштеин, А.Г.Рахштадг. — М.: Металлургия, 1983. - 368с.
6 Филинов С.А. Справочник термиста / С.А.Филинов, И.В.Фиргер. - М. : Машиностроение, 1975. - 352с.
Тушндеме
Мащлада кран донгальщтары мысалга алынган, осесимметрияльщ белшектерд1 термиялык, бектгу тэЫлдершщ салыстармалы талдау нэти-желер1 келпиршген.
Resume
In article it is introduced results comparative analysis of ways of termal hardening of axis symmetry ware on an example crane wheels.
