ИНДУКЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБОДА КОЛЕСА
Иванов И.А., Жуков Д.А., Соболев А.А. (ПГУПС, г.Санкт-Петербург, РФ)
This article is dedicated to the induction treatment of the rolling surface’s profile of the wheel during the repairs.
Проведенные в ПГУПСе теоретические и экспериментальные исследования по изменению структуры колесной стали для улучшения ее обрабатываемости путем двухимпульсного нагрева и регулируемого охлаждения дали возможность выявить закономерности, знание которых необходимо для разработки методов повышения износостойкости поверхностного слоя обода колеса [1].
Индукционная термообработка обеспечивает повышение долговечности колесных пар за счет стабилизации твердости поверхностного слоя металла профиля катания в диапазоне 340…380НВ без существенного изменения других физико-механических характеристик металла, недостаточно повышает сопротивление колесной стали износу и образованию дефектов контактно-усталостного происхождения, особенно при больших нагрузках на ось. Этот способ незначительно изменяет зерно в стали и поэтому не повышает сопротивление пластической деформации металла. Выбор времени охлаждения в момент соответствующий началу промежуточного превращения приводит к образованию нулевых или растягивающих остаточных напряжений технологического происхождения. Сформированные в верхних слоях поверхности катания нулевые или растягивающие напряжения являются фактором снижающим износостойкость стали, кроме того,эти напряжения нежелательны и из-за возможности их суммирования с дополнительными напряжениями растяжения от напрессовки, что может привести к разрушению колес и бандажей особенно при наличии даже незначительных концентраторов напряжений.
Разработанный в ПГУПСе новый способ термообработки имеет целью повысить износостойкость металла за счет формирования мелкозернистой структуры стали в сочетании с остаточными напряжениями сжатия в поверхностном слое металла. Цель достигается термоциклической обработкой с ускоренным охлаждением до начала промежуточного структурного превращения.
Помимо того, время начала ускоренного охлаждения при первых двух циклах термообработки выбирают исходя из получения минимального по абсолютному значению уровня остаточных напряжений технологического происхождения от термообработки, а при третьем цикле термообработки время начала ускоренного охлаждения выбирают исходя из получения остаточных напряжений сжатия и твердости металла не выше максимального 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. Кроме измельчения зерен перлита происходит также дробление ферритной сетки. Выделение феррита избыточного становится все дисперснее при переходе от первой к последней индукционной термообработки. Измельчение структуры проявляется и в постепенном уменьшении межпластиночного расстояния в перлите, эвтектоид при переходе от первого к последнему режиму термообработки становится более дисперсным.
Следует отметить, что применение нескольких циклов при индукционной термообработке приводит к накоплению фазовых и термических напряжений, что проявляется в дроблении мозаики с образованием большеугловых блоков. Последний фактор препятствует протеканию пластических микросдвигов, что в свою очередь способствует упрочнению стали.
Выбор времени начала ускоренного охлаждения при первых двух циклах термообработки на минимум, по абсолютному значению, величины остаточных напряжений необходим для минимума градиента фазовых и термических напряжений в поверхностном и нижележащем слоях, для осуществления процесса дробления зерна в равнонапряженном рабочем поверхностном слое колеса. Третий цикл термообработки еще больше измельчает зерно, а выбор времени начала ускоренного охлаждения, исходя из условий получения сжимающих остаточных напряжений, также дополнительно повышает сопротивление колесной стали износу и образованию дефектов контактно-усталостного происхождения, и в том числе за счет получения повышенной твердости металла.
На основании теории дробления зерна можно записать, что 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 является нецелесообразным. Так Кдр1=3,5, при втором цикле Кдр=7-8 (вместо 10-13), при третьем - Кдр=10-11 (вместо 42-43 по теории), а при четвертом цикле Кдр=11-13 (вместо 148-150).
Разница Кдр теоретического и практического обусловлена заметным влиянием процесса слияния зерен аустенита при нагреве выше Ас1, особенно для мелкозернистых сталей на третьем и четвертом циклах.
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 500МПа, 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 еще значительнее.
Литература
1. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар: Учебное пособие/. А.Ф.Богданов, И.А.Иванов, М.Ситаж. –СПб.: ПГУПС, 2000. -128 с.