ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА КОЛЕСНОЙ СТАЛИ ПРИ РЕМОНТЕ

 

THE EFFECT OF THERMAL TREATMENT ON THE PROPERTIES OF WHEEL STEEL AT REPAIR

 

Воробьев А.А., Жуков Д.А., Соболев А.А. (ПГУПС, Санкт-Петербург, РФ)

Vorobiev A.A., Zhukov D.A., Sobolev A.A. (Petersburg State Transport University, Saint-Petersburg, RF)

 

Статья посвящена индукционной обработке профиля поверхности катания колеса при ремонте

The article is dedicated to the induction treatment of the rolling surface profile of the wheel during the repair

 

Ключевые слова: цельнокатаные колеса, индукционная термоциклическая обработка, микроструктура.

Key words: solid-rolled wheels, induction thermocyclic treatment, microstructure

 

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 позволяет, в зависимости от режима, сформировать комплекс требуемых свойств колеса в процессе ремонта.

У нового колеса фазовый состав представляет собой смесь почти кубической α-фаза с очень низким содержанием углерода (примерно 0,1%) и тонкопластинчатых карбидов. Твердость стали в этом случае колеблется от 248НВ до 320НВ для марок колесной стали 1, 2, Т, Л на глубине 30 мм. Однако, такое 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 α-фазы, что незначительно повышает плотность дислокаций и поднимает до 360–380НВ в тонком слое металла (0,5 – 1 мм). Это повышает 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 200–300ºС в режиме колодочного торможения оно почти полностью исчезает в результате аннигиляции дислокаций в α-фазе, но 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 1000ºС, что значительно снижает его прочность, вследствие чего протекает значительная пластическая деформация с образованием новых зерен в α-фазе. При прекращении юза резкое охлаждение на массу колеса приводит к термомеханическому упрочнению с образованием пятен (ползунов), имеющих твердость 900–1000HV. 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 только одно: при возникновении остаточных напряжений растяжения с величиной примерно 1/3 σв 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 ПГУПСе исследования по изменению структуры колесной стали для улучшения ее обрабатываемости  путем двухимпульсного индукционного нагрева и регулируемого охлаждения позволили выявить закономерности, необходимые для разработки способа повышения износостойкости 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 [1,2,3].

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 время начала ускоренного охлаждения – 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 сфероидизацией карбидной фазы. Также происходит дробление ферритной сетки, а выделение структурно свободного феррита становится все дисперснее при переходе от первой к последней стадии термообработки. При переходе от первой к последней стадии термообработки 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;

Кцколичество 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 является нецелесообразным.

Разница теоретического и практического 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, проявляемых в дроблении мозаики с образованием большеугловых блоков. Это препятствует протеканию пластических микросдвигов, способствуя упрочнению стали.

При этом твердость металла можно поднять до 360 – 380 НВ, за счет фазового наклепа, а не механического наклепа. Фазовый наклеп обусловлен изменением удельного объема из-за полиморфного превращения. Упрочнение сохраняется при нагреве до 600–700°С. Небольшая глубина слоя (5 – 7 мм) мало влияет на общую конструктивную прочность обода.

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 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.

 

Список использованных источников

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

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

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