§ 59. Влияние термической обработки на механические свойства колес

Единственным критерием оценки свойств цельнокатаных ко­лес являются механические свойства, определяемые испытанием одного колеса из партии. Регламентированное стандартом испытание на разрыв с фиксацией предела прочности, относительного удлинения и относительного сужения является весьма условным, так как отражает лишь механические свойства образца, вырезанного из обода колеса на глубине 30 мм от поверхности катания. Характерное же для цельнокатаного колеса изменение механических свойств по сечению обода в радиальном направ­лении не находит отражения при испытании. Вместе с тем цель­нокатаные колеса, как и бандажи, подвергаются в процессе экс­плуатации многократным переточкам с целью восстановления из­ношенного профиля. После каждой переточки в контакт с рель­сом вступает новый слой обода колеса, характеризующийся от­личными от предыдущего рабочего слоя механическими свойст­вами. Эта неоднородность свойств определяется специфичностью термической обработки, осуществляемой путем поверхностной закалки обода колеса.

Сведений об эксплуатационных наблюдениях за службой цельнокатаных колес в течение всего срока их эксплуатации, с учетом произведенных переточек, не имеется. Это затрудняет оценку правильности установленных стандартом показателей ме­ханических свойств. И если повышение твердости и предела прочности безусловно желательно с точки зрения работы коле­са в контакте, то необходимость в обусловленных стандартом требованиях к пластическим свойствам металла колес обоснова­на недостаточно.

Известны случаи длительной безаварийной эксплуатации цель­нокатаных колес изготовления 1935—36 гг. с пониженными пла­стическими свойствами.

Безусловным является лишь то, что гарантия высокой стой­кости колес во все периоды эксплуатации может быть обеспе­чена лишь более или менее однородными механическими свойст­вами по сечению обода.

В Научно-исследовательском трубном институте (НИТИ) были проведены исследования механических свойств в различ­ных точках обода колес, подвергшихся различным видам термической обработки по различным режимам. Исследования, проведенные Р. Л. Сойфер при участии автора, проливают свет на возможность получения более или менее однородных механиче­ских свойств по сечению обода колеса.

К числу основных показателей механических свойств, суще­ственно влияющих на эксплуатационную стойкость против всех видов разрушения поверхности катания, относятся прочностные характеристики: предел прочности, предел текучести и твердость.

Выше было показано, что максимальная твердость в сочета­нии с требуемыми пластическими свойствами обеспечивается за­калкой со специального нагрева. Но помимо вида термической обработки, в получении высоких абсолютных значений твердости и однородности ее распределения по сечению обода значитель­ную роль играет режим термической обработки.

Основными параметрами режима термической обработки, влияющими на механические свойства, являются: температура нагрева под закалку, температура охлаждающей среды и продол­жительность закалки⁷.

Влияние температуры нагрева под закалку на твердость колес и ее распределение по сечению обода иллюстрируется диаграммой рис. 212. Закалка колес производилась при двух температурах нагрева — 880 и 960°. Остальные факторы, влияющие на меха­нические свойства, — продолжительность обрызгивания и темпера­тура воды—были одинаковыми для обеих температур нагрева: продолжительность обрызгивания 250 сек., температура воды 20°. выбранные температуры 880 и 960° охватывают возможные пре­делы варьирования этим фактором. Если нижняя температура гарантирует переход в твердый раствор, то верхняя определяет более полное растворение пограничных выделений в твердом растворе, интенсивное развитие процесса диффузии и большую однородность зерна аустенита по составу. Увеличение размеров зерна и однородности состава аустенита увеличивают способность его к переохлаждению.

Как видно из графика рис. 212 более высокая температура нагрева под закалку способствует получению несколько более вы­сокой твердости по всему сечению обода. Расположение кривых изменения твердости по сечению свидетельствует о несколько меньшей тенденции к снижению твердости по мере удаления от поверхности катания в колесах, закаленных от более высокой температуры. Вместе с тем снижение твердости по сечению обода к обоих случаях велико.

В большей степени, чем, температура закалки, влияет на твердости температура воды. На диаграмме рис. 213 показаны кривые распределения твердости по сечению обода при температуре воды в 22 и 42°. Закалка производилась от 880° при продолжи­тельности обрызгивания в 250 сек. Разность в твердости при закалке в воде с температурой 22 и 42° колеблется на разной глу­бине в пределах 5—18 Нв, составляя в среднем 11 —12 Нв. Обе кривые очень круто падают в слое глубиной около 15 мм, да­лее — более полого. Общее снижение твердости в обоих случаях значительно.

Рис. 212. Влияние температуры Рис. 213. Влияние температуры

нагрева колес под закалку на закалочной среды на распределение

распределение по сечению обода твердости по сечению обода колеса

колеса (0,59-0,60%С, температура (0,59-0,60%С, температура закалки

воды 20, продолжительность 880, продолжительность

обрызгивания 250сек.) обрызгивания 250 сек.)

1-температура закалки 960, 1- температура воды 22,

2-температура закалки 800 2- температура воды 42

Следует отметить, что при первой после формирования обточ­ке колесных пар глубина снимаемого слоя составляет в среднем 6—7 мм по радиусу. Это свидетельствует о том, что наиболее твер­дый, а следовательно, и наиболее износостойкий слой практически не используется при эксплуатации колес.

Проведенное исследование позволяет установить, что регули­рование температуры закалочной среды позволяет изменять аб­солютные значения твердости и (в небольших пределах) — харак­тер ее распределения по сечению обода.

Фактором, наиболее активно действующим на распределение твердости, является продолжительность обрызгивания. Увеличение ее способствует более глубокой закалке и снижает темпера­туру самоотпуска, что ведет к повышению твердости. Влияние продолжительности закалки на величину и распределение твер­дости представлено па диаграмме рис. 214. Наиболее резкое из­менение твердости наблюдается при переходе от продолжитель­ности обрызгивания в 100 сек. к 175 сек. Дальнейшее увели­чение времени обрызгивания с 175 до 250 сек. почти не из­меняет твердости по сечению обода, но заметно повышает твердость наружной корочки (удаляемой при первой об­точке).

Дальнейшее резкое повы­шение времени закалки до 325 сек. приводит к повышению твердости всех слоев обо­да и заметно сглаживает раз­ницу в твердости поверхности катания и глубинных слоев. Практически же это приводит к получению слабо отпущен­ного колеса, т. е. к значитель­ному снижению пластических свойств.

С увеличением, продолжи­тельности обрызгивания умень­шается перепад в твердости наружных и глубинных слоев обода, что хорошо иллюстри­руется данными табл. 35.

Таблица 35