RU2632507C1 - Method of heat treatment of whole-rolled railway wheels - Google Patents
Method of heat treatment of whole-rolled railway wheels Download PDFInfo
- Publication number
- RU2632507C1 RU2632507C1 RU2016142588A RU2016142588A RU2632507C1 RU 2632507 C1 RU2632507 C1 RU 2632507C1 RU 2016142588 A RU2016142588 A RU 2016142588A RU 2016142588 A RU2016142588 A RU 2016142588A RU 2632507 C1 RU2632507 C1 RU 2632507C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cooling
- disk
- rim
- wheels
- wheel
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 20
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 57
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 12
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims description 11
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 239000007921 spray Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 235000019362 perlite Nutrition 0.000 description 9
- 239000010451 perlite Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 7
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 7
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 229910001562 pearlite Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102220479482 Puromycin-sensitive aminopeptidase-like protein_C21D_mutation Human genes 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001563 bainite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001567 cementite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- KSOKAHYVTMZFBJ-UHFFFAOYSA-N iron;methane Chemical compound C.[Fe].[Fe].[Fe] KSOKAHYVTMZFBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N D-Glucitol Natural products OC[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)CO FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 1
- 238000005480 shot peening Methods 0.000 description 1
- 239000000600 sorbitol Substances 0.000 description 1
- 238000004901 spalling Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/34—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tyres; for rims
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области термической обработки стальных деталей, имеющих форму тел вращения, преимущественно цельнокатаных железнодорожных колес.The invention relates to the field of heat treatment of steel parts having the form of bodies of revolution, mainly solid-rolled railway wheels.
Наибольшее распространение в мировой практике получила технология термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, включающая в себя их нагрев до температуры несколько выше точки Ac3 для каждой марки колесной стали, выдержку при этой температуре для получения полностью мелкозернистой аустенитной структуры в ободе, диске и ступице. В дальнейшем осуществляется прерывистое охлаждение (закалка) обода при вращении нагретого до полной аустенизации колеса в горизонтальной или вертикальной плоскости водой из охлаждающих устройств, диск и ступица при этом подвергаются нормализации - охлаждаются на воздухе, после охлаждения колеса подвергаются операции отпуска, в основном для уменьшения уровня остаточных напряжений (Бибик Г.А., Иоффе A.M., Праздников А.В., Староселецкий М.И. Производство железнодорожных колес, Москва: Металлургия, 1982, стр. 163-171). Термоупрочненные таким образом ободья колес приобретают структуру тонкодисперсного пластинчатого перлита с избыточным ферритом с повышенными прочностными характеристиками с наибольшим сопротивлением их к износу и контактно-усталостным повреждениям в эксплуатации. Металл нормализованного диска с ферритно-перлитной структурой имеет высокую вязкость, пластичность, упругость, обеспечивающие достаточный уровень конструктивной и усталостной прочности для исключения его усталостных разрушений в процессе длительной эксплуатации.The most widely used technology in the world is the heat treatment of solid-rolled railway wheels, which includes heating them to a temperature slightly above the Ac 3 point for each grade of wheel steel, holding at this temperature to obtain a completely fine-grained austenitic structure in the rim, disk and hub. Further, intermittent cooling (quenching) of the rim is carried out during rotation of a wheel heated to full austenitization in a horizontal or vertical plane with water from cooling devices, the disk and hub are normalized - they are cooled in air, after cooling the wheels are subjected to tempering operations, mainly to reduce the level residual stresses (Bibik G.A., Ioffe AM, Prazdnikov A.V., Staroseletsky M.I. Production of railway wheels, Moscow: Metallurgy, 1982, pp. 163-171). Thus, the wheel rims thus hardened acquire the structure of finely dispersed lamellar perlite with excess ferrite with increased strength characteristics with the greatest resistance to wear and contact fatigue damage in operation. The metal of a normalized disk with a ferrite-pearlite structure has high viscosity, ductility, and elasticity, which provide a sufficient level of structural and fatigue strength to exclude its fatigue failure during long-term operation.
Недостатком данной технологии термической обработки является то, что с повышением скоростей движения, грузоподъемности вагонов и нагрузок на ось, ужесточением условий эксплуатации колес (применение железобетонных шпал, увеличивающих жесткость пути, повышение объема перевозок при температурах до минус 60° и ниже и др.) существенно повысились динамические нагрузки на колесо, уровень усталостной прочности дисков колес перестал удовлетворять требованиям обеспечения надежности на весь срок их эксплуатации - появились случаи разрушения колес под вагонами в результате возникновения на поверхности диска в зоне максимальных напряжений усталостных трещин и их дальнейшего развития до откола части обода.The disadvantage of this heat treatment technology is that with increasing speeds, wagons and axle loads, tougher conditions for the use of wheels (the use of reinforced concrete sleepers that increase the stiffness of the track, increasing the volume of traffic at temperatures up to minus 60 ° and below, etc.) significantly dynamic loads on the wheel increased, the level of fatigue strength of wheel disks ceased to meet the requirements of ensuring reliability for the entire period of their operation - there were cases of destruction of ec below the floor as a result of the surface on the disk in the zone of maximum stress fatigue cracks and their further development to spalling of the rim.
Для исключения аварийных разрушений колес по этой причине производителями цельнокатаных железнодорожных колес были осуществлены следующие мероприятия:To eliminate accidental damage to the wheels for this reason, the manufacturers of solid-rolled railway wheels carried out the following activities:
- введено обязательное дробеструйное упрочнение поверхности дисков колес для повышения их усталостной прочности, что существенно повысило себестоимость их изготовления;- Mandatory bead-hardening of the surface of the wheel disks was introduced to increase their fatigue strength, which significantly increased the cost of their manufacture;
- разработаны новые конструкции колес с криволинейной формой диска, обеспечивающие меньший уровень эксплуатационных напряжений на его поверхности, изготовление которых менее технологично и более затратно по сравнению с применяемыми ранее конструкциями;- new wheel designs with a curved disk shape have been developed that provide a lower level of operational stresses on its surface, the manufacture of which is less technologically advanced and more costly than previously used designs;
- разработаны и внедрены для повышения уровня механических свойств дисков колес, его усталостной прочности новые марки колесных сталей с большим содержанием легирующих элементов с увеличенной себестоимостью.- new brands of wheel steels with a high content of alloying elements with increased cost have been developed and introduced to increase the level of mechanical properties of wheel disks, its fatigue strength.
Данные изменения были внесены в ГОСТ 10791-2011 «Колеса цельнокатаные. Технические условия».These changes were made to GOST 10791-2011 "Solid-rolled wheels. Technical conditions. "
Однако добиться повышения уровня механических свойств, одновременно как вязких, пластических, так и прочностных и усталостной прочности металла дисков колес можно достичь без указанных мероприятий за счет повышения скорости их охлаждения при вышеприведенной технологии термоупрочнения колес с получением более мелкозернистой ферритно-перлитной структуры с значительно меньшим межпластинчатым расстоянием цементита в перлите.However, to increase the level of mechanical properties, both viscous, plastic, and strength and fatigue strength of the metal of the wheel disks can be achieved without these measures by increasing the cooling rate with the above technology of heat strengthening of the wheels to obtain a finer-grained ferrite-pearlite structure with a significantly smaller interplate the distance of cementite in perlite.
Необходимость этого становится все более актуальным еще и потому, что большинство международных стандартов (кроме стандарта Ассоциации Американских железных дорог AAR M-107/M-208) и требования зарубежных потребителей исключают как использование дробеструйного упрочнения поверхности дисков колес, так и изменение их конструкций. При этом могут существенно повышаться прочностные характеристики металла диска без изменения требований к механическим свойствам обода, удовлетворение которых обычно достигаются за счет изменения химического состава стали путем повышения содержания легирующих элементов, что опять же повышает себестоимость колес и уменьшает их конкурентоспособность.The need for this is becoming more urgent also because most international standards (except for the American Railways Association AAR M-107 / M-208 standard) and the requirements of foreign consumers exclude the use of shot peening on the surface of wheel disks and changes in their designs. In this case, the strength characteristics of the metal of the disk can significantly increase without changing the requirements for the mechanical properties of the rim, which are usually satisfied by changing the chemical composition of the steel by increasing the content of alloying elements, which again increases the cost of the wheels and reduces their competitiveness.
Известен способ термоупрочнения колес, предусматривающий при прерывистой закалке одновременно с охлаждением обода осуществлять и прерывистое охлаждение диска и ступицы водой через спрейерные устройства (Узлов И.Г., Гасик М.И., Есаулов А.Т. и др. Колесная сталь, Киев: Техника, 1985 г., стр. 96-105). Испытания металла дисков опытной партии колес, подвергнутых термической обработке с прерывистым упрочнением всех элементов, показали повышение предела текучести на 40%, предела прочности на 20%, существенно повысилась ударная вязкость, снизился на 20-40°C порог его хладноломкости.There is a method of thermal hardening of wheels, which provides for intermittent quenching simultaneously with cooling the rim and intermittent cooling of the disk and the hub with water through spray devices (Uzlov I.G., Gasik M.I., Esaulov A.T. et al. Wheel steel, Kiev: Technique, 1985, pp. 96-105). Tests of the metal of the wheels of the experimental batch of wheels subjected to heat treatment with intermittent hardening of all elements showed an increase in the yield strength by 40%, tensile strength by 20%, the toughness increased significantly, and the cold-brittleness threshold decreased by 20-40 ° C.
Основным недостатком данной технологии является большая вероятность пропуска в эксплуатацию колес со структурами мартенсита, бейнита в поверхностных слоях диска, что приводит к аварийным разрушениям колес в эксплуатации. Именно из-за случаев разрушения колес в эксплуатации по причине образования на поверхности дисков, подвергнутых прерывистому охлаждению водой, усталостных трещин, многочисленные попытки использования данного способа в промышленном масштабе были приостановлены.The main disadvantage of this technology is the high probability of missing wheels with martensite and bainite structures in the surface layers of the disk, which leads to accidental destruction of the wheels in operation. It is precisely because of the cases of destruction of the wheels in operation due to the formation on the surface of disks subjected to intermittent cooling by water, fatigue cracks, numerous attempts to use this method on an industrial scale were suspended.
Известен способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, независимое прерывистое охлаждение обода, диска и мест перехода диска в обод и ступицу и отпуск, отличающийся тем, что охлаждение диска и мест перехода диска в обод и ступицу начинают по достижении в ободе температуры 480-520°C и производят его со скоростью выше критической (Авторское свидетельство СССР №755862, МПК C21D 9/34, опубликовано 15.08.1980 г.).A known method of heat treatment of solid-rolled railway wheels, including heating to an austenitizing temperature, independent intermittent cooling of the rim, disk and the transition points of the disk into the rim and the hub and tempering, characterized in that the cooling of the disk and the places of transition of the disk to the rim and the hub begin upon reaching the rim temperatures of 480-520 ° C and produce it at a speed higher than critical (USSR Author's Certificate No. 755862, IPC C21D 9/34, published August 15, 1980).
Основным недостатком данного способа является образование по всему сечению диска структуры мартенсита при скоростях охлаждения выше критической. При этом для диффузионного распада мартенсита в диске для гарантированного достижения структуры зернистого перлита в процессе дальнейшего отпуска требуется значительное увеличение либо времени, либо температуры отпуска в отличие от технологии нормализации диска, когда окончательная структура металла диска формируется уже в процессе прерывистого охлаждения до операции отпуска. Повышение времени отпуска снижает производительность процесса термообработки, повышение температуры приводит к разупрочнению металла обода. Также сохраняется риск пропуска колес в эксплуатацию со сдвиговыми структурами распада аустенита в диске.The main disadvantage of this method is the formation of a martensite structure over the entire disk cross section at cooling rates above critical. In this case, for the diffusive decomposition of martensite in the disk, in order to guarantee the achievement of the structure of granular perlite during further tempering, a significant increase in either time or tempering temperature is required, in contrast to the normalization technology of the disk, when the final structure of the disk metal is formed already during intermittent cooling before the tempering operation. An increase in tempering time reduces the productivity of the heat treatment process, an increase in temperature leads to a softening of the rim metal. There is also the risk of skipping wheels in operation with shear structures of austenite decay in the disk.
Известен способ термической обработки диска колес с содержанием углерода в стали 0,58%, марганца - 0,78% с получением при прерывистом охлаждении бейнитной структуры на глубине до 20% толщины диска (Вакуленко И.А., Перков О.Н. Использование термического упрочнения элементов железнодорожных колес с целью повышения эксплуатационной надежности. Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. 2008. №24. Стр. 195-196). Колеса нагревали в печи с температурой
Заключительной операцией был отпуск при температуре 500°C длительностью выдержки 2,5 ч. Анализ комплекса свойств производили на образцах, которые отбирались от диска в местах перехода диска в обод. В результате использованной термической обработки комплекс свойств металла железнодорожного колеса составил следующие значения: предел прочности при растяжении 880 Н/мм2; относительное удлинение и сужение соответственно 19 и 49%. Величина ударной вязкости при температурах испытания +20, -20 и -40°C составила значения 0,8; 0,4 и 0,3 МДж/м2, соответственно. Величина сходимости концов обода после разрезания колеса от гребня к ступице составила значение 2,2 мм, что является достаточным по требованиям нормативно-технической документации.The final operation was tempering at a temperature of 500 ° C with a holding time of 2.5 h. An analysis of the set of properties was performed on samples that were taken from the disk at the places where the disk passed to the rim. As a result of the heat treatment used, the set of properties of the metal of the railway wheel amounted to the following values: ultimate tensile strength 880 N / mm 2 ; elongation and contraction, respectively, 19 and 49%. The impact strength at test temperatures of +20, -20 and -40 ° C was 0.8; 0.4 and 0.3 MJ / m 2 , respectively. The convergence of the ends of the rim after cutting the wheel from the ridge to the hub was 2.2 mm, which is sufficient according to the requirements of normative and technical documentation.
Использование ускоренного охлаждения диска колеса обеспечило повышение конструктивной и усталостной прочности, надежности в эксплуатации за счет достижения высокого комплекса свойств, особенно значений ударной вязкости металла.The use of accelerated cooling of the wheel disk provided an increase in structural and fatigue strength, reliability in operation due to the achievement of a high complex of properties, especially the impact toughness of the metal.
Недостатком данного способа является необходимость разработки параметров охлаждения дисков колес из стали с другими содержаниями углерода и марганца, невозможность их выдерживания в условиях массового производства и высокий уровень риска пропуска колес со сдвиговыми структурами в эксплуатацию с низкой усталостной и конструктивной прочностью диска.The disadvantage of this method is the need to develop parameters for cooling wheel disks made of steel with other contents of carbon and manganese, the inability to withstand them in mass production and the high risk of skipping wheels with shear structures in operation with low fatigue and structural strength of the disk.
Таким образом, более перспективным является технология повышения усталостной прочности дисков колес за счет повышения дисперсности перлитной структуры при его прерывистом охлаждении со скоростями ниже критической, например, сжатым воздухом.Thus, a more promising technology is to increase the fatigue strength of wheel disks by increasing the dispersion of the pearlite structure during intermittent cooling at speeds below critical, for example, compressed air.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес, включающий нагрев под деформацию до 1200-1240°C, последовательное деформирование на прессах и колесопрокатном стане, упрочнение обода колеса путем вертикальной прерывистой закалки, отличающийся тем, что в процессе упрочнения обода колеса производят одно- или двухкратное циклическое охлаждение диска и участков перехода в обод и ступицу при вращении колеса в вертикальном положении в закалочной машине, при этом температура обода колеса перед закалкой составляет 940-780°C, а диска 860-720°C. (Патент RU №2138565, МПК C21D 9/34, опубликовано 27.09.1999 г.)Closest to the claimed invention is a method for the manufacture of solid-rolled railway wheels, including heating under deformation to 1200-1240 ° C, sequential deformation on presses and a rolling mill, hardening of the wheel rim by vertical intermittent hardening, characterized in that during the hardening of the wheel rim produce one - or double cyclic cooling of the disk and sections of the transition to the rim and the hub when the wheel is rotated in a vertical position in the quenching machine, while the temperature of the rim is ENA before quenching is 940-780 ° C, 860-720 ° C and the disk. (Patent RU No. 2138565, IPC C21D 9/34, published September 27, 1999)
При этом циклическое охлаждение диска и участков перехода в обод и ступицу производят сжатым воздухом под давлением 1-3 кгс/см2, причем продолжительность охлаждения соответственно составляет 2,0-0,7 от продолжительности охлаждения обода. Регулирование интенсивности охлаждения диска и участков перехода в обод и ступицу производят за счет изменения расхода сжатого воздуха, причем с увеличением содержания углерода в пределах марки стали расход сжатого воздуха уменьшают.In this case, cyclic cooling of the disk and sections of the transition to the rim and the hub is performed with compressed air under a pressure of 1-3 kgf / cm 2 , and the cooling time, respectively, is 2.0-0.7 of the duration of cooling of the rim. The regulation of the cooling rate of the disk and the transition sections to the rim and the hub is carried out by changing the flow rate of compressed air, and with an increase in the carbon content within the steel grade, the flow rate of compressed air is reduced.
Предлагаемый режим охлаждения диска обеспечивает формирование зерна перлита 7-8 баллов, при этом подавляется выделение массивной сетки избыточного феррита за счет увеличения скорости охлаждения диска. Это обуславливает рост прочностных и пластических характеристик, ударной вязкости и предела выносливости диска колес. Механические свойства дисков колес, изготовленных по предлагаемому способу, выше, чем по технологии с охлаждением диска на воздухе. Временное сопротивление металла диска выше на 5,8 кгс/мм2, относительное удлинение выше на 8%, относительное сужение - на 10%. Ударная вязкость металла диска по предлагаемому способу для всех температур испытания выше, чем по технологии прототипа, так, при температуре испытания +20°C - в 1,9 раза (в среднем по 3 значениям), при 0°C - в 1,8 раза, -20°C - более чем в три раза.The proposed cooling mode of the disk provides the formation of perlite grain 7-8 points, while suppressing the allocation of a massive grid of excess ferrite by increasing the cooling rate of the disk. This leads to an increase in strength and plastic characteristics, impact strength and fatigue limit of the wheel disc. The mechanical properties of the wheel disks made by the proposed method are higher than by the technology with cooling the disk in air. The temporary resistance of the metal of the disk is higher by 5.8 kgf / mm 2 , the elongation is higher by 8%, the relative narrowing is by 10%. The impact strength of the metal of the disk according to the proposed method for all test temperatures is higher than according to the technology of the prototype, for example, at a test temperature of + 20 ° C - 1.9 times (an average of 3 values), at 0 ° C - 1.8 times, -20 ° C - more than three times.
Недостатком данного способа является то, что он применим к технологии термоупрочнения колес с прокатного нагрева - практически все существующие стандарты в настоящее время предусматривают отдельный нагрев колес под термоупрочнение.The disadvantage of this method is that it is applicable to the technology of thermal hardening of wheels with rolling heating - almost all existing standards currently provide for separate heating of wheels for heat hardening.
Известно опробование аналогичного способа прерывистого охлаждения дисков применительно к термоупрочнению колес с отдельного нагрева (Г.А. Филиппов, А.В. Сухов, В.А. Тарасова, А.А. Яндимиров, B.C. Максакова, Опыт увеличения усталостной прочности диска колеса путем принудительного охлаждения, Москва, СТАЛЬ, №9, 2007 г.). Двухстороннее охлаждение диска и мест его перехода в обод и ступицу колес сжатым воздухом из 2 щелевых форсунок длиной 150 мм с шириной щели 5 мм с продолжительностью охлаждения от 130 до 200 секунд при давлении воздуха 50 Па привело к повышению значений предела прочности металла дисков колес на 30-50 Н/мм2, твердости по сечению диска на 15-26 НВ, относительного удлинения до 4-6% (абс.), относительного сужения на 18-44%, ударной вязкости на 41-48% по сравнению с результатами испытаний колес с нормализованным диском. Результаты сравнительных испытаний на усталостную долговечность образцов из дисков, подвергнутых принудительному охлаждению сжатым воздухом и нормализации, показали, что число циклов нагружения до их разрушения в зависимости от величины приложенных напряжений увеличивается в 1,62-2,1 раза.It is known to test a similar method of intermittent cooling of disks as applied to heat strengthening of wheels with separate heating (G.A. Filippov, A.V. Sukhov, V.A. Tarasova, A.A. Yandimirov, BC Maksakova, Experience in increasing the fatigue strength of a wheel disk by forced cooling, Moscow, STEEL, No. 9, 2007). Double-sided cooling of the disk and the places of its transition into the rim and wheel hub with compressed air from 2 slotted nozzles 150 mm long with a slot width of 5 mm with a cooling duration of 130 to 200 seconds at an air pressure of 50 Pa led to an increase in the tensile strength of the metal of the wheel disks by 30 -50 N / mm 2 , hardness along the cross section of the disk by 15-26 HB, elongation up to 4-6% (abs.), Relative narrowing by 18-44%, impact toughness by 41-48% compared to wheel test results with a normalized drive. The results of comparative tests for fatigue life of samples from disks subjected to forced cooling with compressed air and normalization showed that the number of loading cycles before they break, depending on the magnitude of the applied stresses, increases 1.62-2.1 times.
Недостатком данного способа принудительного охлаждения диска с использованием щелевых форсунок является повышенный расход сжатого воздуха, при работе одновременно нескольких закалочных машин суммарный расход не обеспечивается заводской магистралью сжатого воздуха, требуется установка дополнительного компрессора. Также при обдуве диска через щелевые форсунки резко увеличивается уровень шума на производственном участке (с 60 до 100-120 дБ), что выше нормативного уровня (80 дБ), установленного Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-96, а в зоне диска, прилегающего к ободу, создаются области разряжения, при этом отраженная от боковых поверхностей обода охлаждающая вода попадает на диск колеса. Последнее чревато возможностью образования на поверхностных слоях диска у обода локальных участков со сдвиговыми структурами распада аустенита, резко уменьшающих его усталостную прочность и создающих угрозу аварийных разрушений колес в эксплуатации.The disadvantage of this method of forced cooling of the disk using slotted nozzles is the increased consumption of compressed air, when several quenching machines are running at the same time, the total consumption is not provided by the factory line of compressed air, the installation of an additional compressor is required. Also, when the disk is blown through slotted nozzles, the noise level at the production site sharply increases (from 60 to 100-120 dB), which is higher than the normative level (80 dB) established by the Sanitary norms SN 2.2.4 / 2.1.8.562-96, and in the zone a disk adjacent to the rim, a vacuum region is created, while cooling water reflected from the side surfaces of the rim enters the wheel disk. The latter is fraught with the possibility of the formation on the surface layers of the disk near the rim of local sections with shear structures of the decomposition of austenite, which sharply reduces its fatigue strength and creates the risk of accidental destruction of the wheels in operation.
Техническим результатом изобретения является повышение конструктивной и усталостной прочности колес за счет повышения одновременно прочностных, пластических и вязких характеристик металла их дисков, уровня сжимающих напряжений в колесе без увеличения себестоимости, снижения производительности технологического процесса термической обработки, ухудшения условий труда, при этом обеспечивается удовлетворение повышенных требований стандартов на колеса.The technical result of the invention is to increase the structural and fatigue strength of the wheels by simultaneously increasing the strength, plastic and viscous characteristics of the metal of their disks, the level of compressive stresses in the wheel without increasing cost, reducing the productivity of the heat treatment process, and worsening working conditions, while satisfying the increased requirements wheel standards.
Указанный технический результат достигается тем, что при термической обработке цельнокатаных железнодорожных колес, включающей нагрев колес до полной аустенизации, прерывистое трехстороннее охлаждение обода вращающегося в вертикальной плоскости колеса водой из спрейерных устройств, отпуск, производят двухстороннее принудительное охлаждение диска и мест перехода диска в обод и ступицу сжатым воздухом из не менее двух форсунок с каждой стороны, присоединенных к общей воздушной магистрали, при этом соседствующие форсунки с каждой из сторон охлаждения располагаются друг относительно друга на расстоянии, при котором пятна обдува от форсунок перекрываются на величину их радиусов, а давление воздуха в воздушной магистрали поддерживается в пределах 4-5 атмосфер, время охлаждения диска и мест перехода диска в обод и ступицу составляет 0,8-1,5 от заданного времени охлаждения обода. При этом существенно уменьшается межпластинчатое расстояние цементита в перлите и объемная доля структурно-свободного феррита по сечению диска, что и позволяет обеспечить достижение технического результата.The specified technical result is achieved by the fact that during the heat treatment of solid-rolled railway wheels, including heating the wheels to full austenization, intermittent three-sided cooling of the rim of the wheel rotating in the vertical plane of the water from spraying devices, tempering, make two-sided forced cooling of the disk and the places of transition of the disk to the rim and hub compressed air from at least two nozzles on each side connected to a common air line, while adjacent nozzles from each of cooling torons are located relative to each other at a distance at which the blowing spots from the nozzles overlap by the value of their radii, and the air pressure in the air line is maintained within 4-5 atmospheres, the cooling time of the disk and the transition points of the disk to the rim and hub is 0.8 -1.5 of the specified rim cooling time. At the same time, the inter-plate distance of cementite in perlite and the volume fraction of structurally free ferrite along the disk cross section are significantly reduced, which makes it possible to achieve a technical result.
За счет такого перекрытия пятен обдува обеспечивается равномерность охлаждения диска колеса. Давление сжатого воздуха в 4-5 атмосфер обеспечивается цеховой магистралью, что не требует установки дополнительного компрессора. При времени охлаждения диска менее 0,8 от времени охлаждения обода степень измельчения перлита уменьшается, а охлаждение более 1,5 от времени охлаждения обода уже не оказывает влияния на дальнейшее изменение структуры. Необходимую скорость охлаждения, обеспечивающую оптимальную микроструктуру металла диска для каждой марки колесной стали, устанавливают путем подбора количества форсунок, их расстояния до поверхности диска, времени охлаждения - ее значение всегда ниже критической.Due to such overlapping of the blowing spots, the cooling of the wheel disk is uniform. Compressed air pressure of 4-5 atmospheres is provided by the workshop line, which does not require the installation of an additional compressor. When the disk cooling time is less than 0.8 of the rim cooling time, the degree of grinding of perlite decreases, and cooling more than 1.5 of the rim cooling time no longer affects the further structure change. The required cooling rate, which ensures the optimal microstructure of the disk metal for each grade of wheel steel, is established by selecting the number of nozzles, their distance to the surface of the disk, and cooling time — its value is always below critical.
Сущность изобретения поясняется чертежами на Фиг. 1 и Фиг. 2. Трехстороннее прерывистое охлаждение обода вращающегося в вертикальной плоскости колеса 1 осуществляется водой, подаваемой из четырех спрейерных устройств 2, два из которых охлаждают обод с поверхности катания, два - с боковых поверхностей обода с наружной и внутренней стороны колеса. Двухстороннее прерывистое охлаждение диска и мест перехода диска в обод и ступицу сжатым воздухом осуществляется через форсунки 3 с общим подводом воздуха из единой магистрали через штуцер 5. Основание 4 предназначено для механического крепления форсунок на закалочной машине.The invention is illustrated by drawings in FIG. 1 and FIG. 2. Three-sided intermittent cooling of the rim of the wheel rotating in the vertical plane 1 is carried out by water supplied from four
Пример реализации изобретения.An example implementation of the invention.
Для термической обработки были отобраны колеса плавки №6043 диаметром 918 мм, изготавливаемые в соответствии с требованиями стандарта Индийских железных дорог IRS R 19/93, часть II, редакция 4, Поправка №1. Ранее указанные колеса изготавливались без требований, изложенных в Поправке №1. Требования стандарта IRS R 19/93, часть II, редакция 4, Поправка №1 и стандарта IRS R 19/93, часть II, редакция 4 представлены в Таблице 1. В соответствии с требованиями Поправки №1 существенно повысились предел прочности металла диска и твердость в точке A в месте перехода диска в обод. Так как механические свойства нормализованной колесной стали определяются ее химическим составом, Поправкой №1 увеличено содержание марганца и ванадия (Таблица 2), что создает условия для удовлетворения указанного повышения прочностных характеристик, но при этом увеличивается себестоимость изготовления колес.For heat treatment, casting wheels No. 6043 with a diameter of 918 mm were selected, manufactured in accordance with the requirements of the Indian Railways Standard IRS R 19/93, part II,
Химический состав стали плавки 6043 представлен в Таблице 2.The chemical composition of smelting steel 6043 is presented in Table 2.
Часть колес плавки 6043 прошла термическую обработку по действующей технологии (без охлаждения диска сжатым воздухом), другая часть колес была термообработана с применением двухстороннего прерывистого охлаждения диска сжатым воздухом через воздушные устройства с 3-мя форсунками с каждой стороны в течение всего времени трехстороннего охлаждения обода колеса водой через спрейерные устройства. Режимы термической обработки колес плавки 6043 представлены в Таблице 3. Отпуск колес проводили при температуре 500-520°C в течение 130 минут.A part of the casting wheels 6043 was heat-treated using the current technology (without cooling the disk with compressed air), another part of the wheels was heat-treated using double-sided intermittent cooling of the disk with compressed air through air devices with 3 nozzles on each side during the entire time of three-sided cooling of the wheel rim water through spray devices. The heat treatment modes of the casting wheels 6043 are presented in Table 3. The wheels were tempered at a temperature of 500-520 ° C for 130 minutes.
Результаты механических испытаний колес плавки 6043 представлены в Таблице 4The mechanical test results of the casting wheels 6043 are presented in Table 4
По результатам замеров разрывных образцов из дисков определяли значения относительного сужения, для колеса №00125 оно составило 38,7%, для колеса №00006 - 50,8%. Дополнительно были проведены испытания образцов из диска на ударный изгиб при температуре +20°C, при этом на колесе №00125 значение ударной вязкости составило 49 Дж/см2, а на колесе №00006 - 72 Дж/см2.According to the results of measurements of discontinuous samples from the disks, the values of relative narrowing were determined, for wheel No. 00125 it was 38.7%, for wheel No. 00006 it was 50.8%. Additionally, the samples from the disk were tested for impact bending at a temperature of + 20 ° C, while the impact strength on wheel No. 00125 was 49 J / cm 2 and 72 J / cm 2 on wheel No. 00006.
Уровень шума, замеренный на рабочих местах, составил 70-75 дБ.The noise level measured at the workplace was 70-75 dB.
Исследование микроструктуры металла дисков опытного колеса 00006 и сравнительного колеса №00125 проводили по всему их сечению. Фотографии микроструктур приведены на Фиг. 3-8. При исследовании микроструктуры использовались возможности программно-аппаратного комплекса Thixomet Pro. Подробное описание микроструктуры металла дисков опытного и сравнительного колеса приведено в таблице 5. Результаты исследований показали, что микроструктура металла диска опытного колеса №00006 плавки 6043 по сравнению с микроструктурой сравнительного колеса №00125 имеет более мелкое зерно 8; 8,5; 7,5; 7 н по ASTM E 112, более дисперсную перлитную составляющую (межпластинчатое состояние перлита соответствует сорбитообразному и скрытопластинчатому 1 и 2 б по ГОСТ 8233) и меньшее содержание феррита. В колесе, термоупрочненном по текущей технологии без обдува диска воздухом, величина зерна 6, 6,5 н, перлит имеет строение от скрытопластинчатого до мелкопластинчатого (от 2 до 5 б). В микроструктуре металла по всему сечению диска опытного колеса структур, отличных от перлитного превращения, не наблюдается (бейнит, мартенсит).The study of the microstructure of the metal discs of the experimental wheels 00006 and comparative wheels No. 00125 was carried out over their entire cross section. Photographs of the microstructures are shown in FIG. 3-8. In the study of the microstructure, the capabilities of the Thixomet Pro hardware-software complex were used. A detailed description of the microstructure of the metal discs of the experimental and comparative wheels is given in table 5. The results of the studies showed that the microstructure of the metal of the disk of the experimental wheel No. 00006 of melting 6043 has a finer grain 8 compared to the microstructure of the comparative wheel No. 00125; 8.5; 7.5; 7 n according to ASTM E 112, a more dispersed pearlite component (the interlamellar state of perlite corresponds to sorbitol and crypto-lamellar 1 and 2 b according to GOST 8233) and a lower ferrite content. In a wheel heat-strengthened according to current technology without blowing the disk with air, the grain size is 6, 6.5 n, perlite has a structure from crypto-plate to small-plate (from 2 to 5 b). In the microstructure of the metal over the entire cross section of the disk of the experimental wheel, structures other than pearlite transformation are not observed (bainite, martensite).
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволило за счет повышения дисперсности перлитной структуры и уменьшения доли феррита в металле диска повысить без изменения химического состава стали как прочностные, так и пластические, вязкие характеристики: предел прочности диска - на 54 Н/мм2, твердость в точке A - на 11HBW, относительное удлинение - на 20,5%, относительное сужение - на 31,2%, ударную вязкость - на 46,9%, значение сходимости обода после огневой порезки - на 40% без увеличения себестоимости, снижение производительности технологического процесса термической обработки. При этом удовлетворены полностью возросшие требования стандарта Индийских железных дорог IRS R 19/93, часть II, редакция 4, Поправка №1 к уровню механических свойств колес.Thus, the use of the claimed invention made it possible, by increasing the dispersion of the pearlite structure and reducing the fraction of ferrite in the metal of the disk, to increase without changing the chemical composition of steel both strength and plastic, viscous characteristics: ultimate strength of the disk - 54 N / mm 2 , hardness at a point A - by 11HBW, elongation - by 20.5%, relative narrowing - by 31.2%, impact strength - by 46.9%, the convergence value of the rim after fire cutting - by 40% without increasing the cost, reducing the productivity of the process eskogo heat treatment process. At the same time, the fully increased requirements of the Indian Railways Standard IRS R 19/93, part II,
Уровень шума, замеренный на рабочих местах, составил 70-75 дБ, что не превышает нормативного уровня, установленного Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-96.The noise level measured at the workplace was 70-75 dB, which does not exceed the normative level established by the Sanitary norms SN 2.2.4 / 2.1.8.562-96.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016142588A RU2632507C1 (en) | 2016-10-28 | 2016-10-28 | Method of heat treatment of whole-rolled railway wheels |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016142588A RU2632507C1 (en) | 2016-10-28 | 2016-10-28 | Method of heat treatment of whole-rolled railway wheels |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2632507C1 true RU2632507C1 (en) | 2017-10-05 |
Family
ID=60040773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016142588A RU2632507C1 (en) | 2016-10-28 | 2016-10-28 | Method of heat treatment of whole-rolled railway wheels |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2632507C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110317943A (en) * | 2019-08-12 | 2019-10-11 | 马鞍山钢铁股份有限公司 | A kind of two-sided quenching cooler of train wheel |
| CN112275977A (en) * | 2020-10-16 | 2021-01-29 | 北京机电研究所有限公司 | Disc rolling forming system and method |
| RU2778038C1 (en) * | 2021-11-25 | 2022-08-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" | Method for thermomechanical hardening of a railway wheel flange |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1433992A1 (en) * | 1987-04-13 | 1988-10-30 | Институт черной металлургии | Method of heat treatment of railway vehicle wheels |
| RU2138565C1 (en) * | 1998-12-01 | 1999-09-27 | ОАО "Выксунский металлургический завод" | Seamless rolled railway wheel manufacture method |
| US6394793B1 (en) * | 2001-01-13 | 2002-05-28 | Ladish Company, Incorporated | Method and apparatus of cooling heat-treated work pieces |
| RU2451093C2 (en) * | 2010-03-29 | 2012-05-20 | Открытое акционерное общество "ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат" (ОАО "ЕВРАЗ НТМК") | Railroad wheel heat treatment method |
| RU2495144C2 (en) * | 2007-06-19 | 2013-10-10 | КьюАр ЛИМИТЕД | Treatment of railway wheels |
-
2016
- 2016-10-28 RU RU2016142588A patent/RU2632507C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1433992A1 (en) * | 1987-04-13 | 1988-10-30 | Институт черной металлургии | Method of heat treatment of railway vehicle wheels |
| RU2138565C1 (en) * | 1998-12-01 | 1999-09-27 | ОАО "Выксунский металлургический завод" | Seamless rolled railway wheel manufacture method |
| US6394793B1 (en) * | 2001-01-13 | 2002-05-28 | Ladish Company, Incorporated | Method and apparatus of cooling heat-treated work pieces |
| RU2495144C2 (en) * | 2007-06-19 | 2013-10-10 | КьюАр ЛИМИТЕД | Treatment of railway wheels |
| RU2451093C2 (en) * | 2010-03-29 | 2012-05-20 | Открытое акционерное общество "ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат" (ОАО "ЕВРАЗ НТМК") | Railroad wheel heat treatment method |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110317943A (en) * | 2019-08-12 | 2019-10-11 | 马鞍山钢铁股份有限公司 | A kind of two-sided quenching cooler of train wheel |
| CN112275977A (en) * | 2020-10-16 | 2021-01-29 | 北京机电研究所有限公司 | Disc rolling forming system and method |
| RU2778038C1 (en) * | 2021-11-25 | 2022-08-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" | Method for thermomechanical hardening of a railway wheel flange |
| RU2832041C1 (en) * | 2024-04-24 | 2024-12-18 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" | Method of heat treatment of railway wheels and device for differential cooling of railway wheels for implementation of method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Viáfara et al. | Unlubricated sliding wear of pearlitic and bainitic steels | |
| US4082577A (en) | Process for the heat treatment of steel | |
| CN101821414B (en) | Treatment of railway wheels | |
| US20170101692A1 (en) | Rail and method for manufacturing same | |
| CN104087836B (en) | Vanadium Cr microalloying ultra-fine pearlite rail | |
| Zeng et al. | Influence of solid solution strengthening on spalling behavior of railway wheel steel | |
| KR101016594B1 (en) | Hot forging equipment | |
| CN101868556A (en) | Steel heat treatment method | |
| US20140182751A1 (en) | Heat treatment method of turnout track and the turnout track | |
| Rezende et al. | Effect of niobium and molybdenum addition on the wear resistance and the rolling contact fatigue of railway wheels | |
| BR112019018681A2 (en) | apparatus for cooling a rail and method for making a rail | |
| CN109355482A (en) | Post-weld heat treatment method for hypoeutectoid rails | |
| RU2632507C1 (en) | Method of heat treatment of whole-rolled railway wheels | |
| Atroshenko et al. | Failure analysis of pearlitic rail steel with internal macrocrack after long-term operation | |
| CN104388660A (en) | Rolling bearing heat treatment technique | |
| RU2616756C1 (en) | Method of heat treatment of solid-rolled railroad wheels from alloyed steel | |
| EA016135B1 (en) | Method for the local fixing of railway wheel-sets | |
| Wang et al. | Effect of inhomogeneity on crack initiation for wear-resistant U75V rail treated by laminar plasma | |
| WO2022154807A1 (en) | Dual step quenched martensite for bearing applications, and bearing produced according to this method | |
| CN106222365A (en) | A kind of Wear-resistant Treatment technique improving transmission line hardware | |
| RU2124056C1 (en) | Method of heat treatment of steel wheels | |
| CN104117830A (en) | Gear production technology facilitating gear surface quality and segregation degree | |
| Ławrynowicz | Plastic deformation and softening of the surface layer of railway wheel | |
| CN115058579B (en) | High wear-resistant bainite wheel and tread cooling and quenching method and preparation method | |
| RU2825657C1 (en) | Method of heat treatment of railway wheels made of steel |