Перепад твердости при различной положительности обрызгивания

Продолжительность обрызгивания, сек	Твердость на глубине 18 мм от поверхности катания	Твердость на глубине 48 мм от поверхности катания	Перепад значений твердости
325	310	291	20
250	296	273	23
175	296	266	30
100	266	229	37

Рис. 214. Влияние продолжительности обрызгивания на распределение твердости по сечению обода колеса (0,59-0,60% С, температура закалки 880, температура воды 20)

Таким образом, обеспечение высокой поверхностной твердо­сти и минимального перепада твердости по сечению обода может быть обеспечено повышением продолжительности обрызгивания.

Увеличение времени обрызгивания необходимо согласовать с получением надлежащих пластических свойств колес и с эконо­мической целесообразностью. Не следует также при выборе режи­ма термической обработки ориентироваться только на поверхно­стную твердость, учитывая большую крутизну падения кривой твердости в наружном слое и последующие многократные переточки колес

С этой точки зрения можно ре­комендовать для промышленного освоения продолжительность обрыз­гивания порядка 175—200 сек.

Многими исследователями [21] пониженная износостойкость колес и, в частности, пониженная стойкость против выщербливания, связывается с пониженным пределом прочности колесной стали. Поэтому приобре­тает особое значение вопрос о воз­можности получения колес с высо­кими прочностными характеристи­ками — пределом прочности, преде­лом текучести и пределом усталости.

Рис. 215. Предел прочности колес в зависимости от содержания углерода и вида термической обработки:

1- закалка со специального нагрева, 2- закалка с прокатного нагрева, 3 - нормализация

На предел прочности значитель­ное влияние оказывают как содер­жание углерода так и вил термической обработки. С повышением содержания углерода предел прочности повышается при всех видах термической обработки.

Средние значения предела прочности по результатам испытания колес, термически обработанных по трем рассмотренным выше вариантам, приведены на диаграмме рис. 215. На оси абсцисс отмечены условные обозначения содержания углерода: 0,5 — со­держание углерода в пределах 0,53-0,60%; 0,6—0,63-0,69%;. 0,7—0,73-0,78% ^.

Влияние термической обработки отчетливо выявляется при рассмотрении графика рис. 210. И повышение содержания углерода в колесной стали и применение закалки со специального на­грева действуют в одном направлении. Поэтому существующая в настоящее время тенденция к понижению содержания углерода в колесной стали с целью уменьшения выщербинообразования при условии сохранения высоких прочностных характеристик может быть полностью удовлетворена при применении закалки со специального нагрева.

Распределение значений предела прочности по сечению обода характеризуется графиками рис. 216. И из этих графиков выявля­ется тенденция к повышению предела прочности с увеличением содержания углерода в колесной стали. Вместе с тем, для колес­ной стали с высоким содержанием углерода значения предела прочности становятся близкими для всех видов термической обра­ботки (кроме закалки с прокатного нагрева без отпуска). При повышенном содержании углерода отмечается наименьшее сни­жение предела прочности в направлении от поверхности катания к средней части обода, т. е. с понижением содержания углерода увеличивается перепад предела прочности от поверхностных сло­ев к глубинным. Наибольшая однородность значений предела прочности по сечению достигается при нормализации, наимень­шая — при закалке со специального нагрева. Однако, значения предела прочности почти во всех случаях и по всему сечению остаются наибольшими при закалке со специального нагрева с последующим самоотпуском.

Рис. 216. Распределение предела прочности по сечению обода колеса в зависимости от состава стали и вида термической обработки:

1-закалка с прокатного нагрева без отпуска, 2-закалка со специального нагрева без отпуска, 3-закалка со специального нагрева с самоотпуском, 4-закалка с прокатного нагрева с самоотпуском, 5- нормализация с отпуском, 6-нормализация без отпуска

Влияние режима термической обработки на величину и рас­пределение по сечению обода предела прочности (и предела те­кучести) также определяется тремя основными технологически­ми параметрами: температурой закалки, температурой воды и продолжительностью обрызгивания. Приведенные на рис. 219 значения предела прочности относятся к следующему режиму термической обработки: температура закалки 850—870°; темпера­тура воды 30—35° и продолжительность обрызгивания 40—50 сек.

Изменение этих параметров позволяет установить их влияние на механические свойства колес. На рис. 217 приведены кривые распределения предела прочности и предела текучести по сечению обода при различных температурах нагрева колес под закалку осуществляемую со специального нагрева. Графики построены для колесной стали с содержанием углерода 0,56—0,58%; темпе­ратура воды 40°; продолжительность закалки 250 сек. В отличие от влияния на твердость повышение температуры закалки значительно повышает пределы прочности и текучести колесной стали. Вместе с тем для более высокой температуры закалки отмечается и больший перепад этих показателей по сечению обода. Таким образом, более низкие температуры закалки способствуют более однородному распределению прочностных характеристик, остаю­щихся все же на всех глубинах меньше характеристик, получаемых при более высоких температурах закалки.

Рис. 217. Распределение пределов Рис. 218. Распределение пределов

текучести и прочности по сечению текучести и прочности по сечению

обода колеса в зависимости от обода колеса в зависимости от

температуры воды (0,56-0,58%С, температуры воды (0,58-0,59%С,

температуры воды 40, температуры закалки 880,

продолжительности продолжительности

обрызгивания 250 сек.): обрызгивания 250 сек.):

1-температура закалки 960, 1-температура воды 40,

2-температура закалки 880 2-температура воды 20

Как и температура закалки, температура воды оказывает заметное влияние на пределы прочности и текучести (рис. 218). По­нижение температуры воды приводит к довольно значительному повышению прочностных характеристик. Таким образом, регули­рование температуры воды является активным средством повы­шения пределов прочности и текучести колесной стали. И в этом случае действие рассматриваемого параметра больше сказывает­ся на свойствах поверхностных слоев, чем на свойствах глубин­ных, и перепад характеристик больше для более низких темпе­ратур воды.

Продолжительность обрызги­вания (рис. 219) является наи­более активным фактором. Всего более резко сказывается переход от 100 к 175 сек. Дальнейшее по­вышение продолжительности вре­мени обрызгивания приводит уже к менее значительному увеличе­нию и .

Перепад значений пределов прочности и текучести от поверх­ности к глубинным слоям умень­шается с увеличением продолжи­тельности обрызгивания.

Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод, что в целях обеспечения высоких зна­чений твердости, предела проч­ности и предела текучести жела­телен режим термической обра­ботки, характеризующийся высо­кой температурой закалки, низ­кой температурой закалочной среды и большой продолжитель­ностью обрызгивания.

Оптимальный режим термиче­ской обработки колес представ­ляется следующим: температура нагрева под закалку 880—900°; продолжительность обрызгивании 175 200 сек.; темпера­тура воды 20—25°.

Вместе с тем при выборе режима термической обработки сле­дует ориентироваться на возможности оборудования и экономи­ческую целесообразность применения различных параметров.

Рассмотрим влияние химического состава и термической об­работки колес на пластичность и ударную вязкость.

Сколько-нибудь достоверных данных о влиянии характеристик пластичности на эксплуатационную стойкость цельноката­ных колес не имеется. Между тем многолетний опыт эксплуата­ции цельнокатаных колес на железных дорогах Советского Сою­за указывает, что принятые нормы пластичности металла колес безусловно гарантируют подвижной состав железных дорог от аварий вследствие хрупкого разрушения цельнокатаных колес.

Рис. 219. Распределение пределов текучести и прочности по сечению обода колеса в зависимости от продолжительности обрызгивания (0,59-0,60%С, температуры закалки 880, температуры воды 20)

Рис. 220. Влияние содержания Рис. 221. Влияние содержания

углерода и вида термической обработки углерода и вида термической

на относительное удлинение колесной обработки на относительное сужение

стали: 1-закалка со специального колесной пары: 1-закалка со

нагрева с самоотпуском; 2-закалка с специального нагрева с самоотпуском;

прокатного нагрева с самоотпуском 2- закалка с прокатного нагрева с

3-нормализация с отпуском самоотпуском; 3- нормализация с

отпуском

Стандартом на цельнокатаные колеса предусматривается относительное удлинение ( ) не менее 10% и относительное су­жение не менее 13%. Возможность обеспечения этих норм и является задачей технологии при выборе химического состава колесной стали и способа ее термической обработки.

На рис. 220 и 221 представлены графики зависимости значе­ний соответственно относительного удлинения и относительного сужения от содержания углерода при различных видах термиче­ской обработки колес. Графики дают ясное представление о том, что пластические свойства, требуемые стандартом гарантируются при любом содержании углерода и при всех видах термической обработки. Это относится к данным, полученным; при испытаниях стандартного образца, вырезанного на глубине 30 мм.

О распределении пластических свойств по сечению обода дают представление графики рис. 222 и 223. На этих графиках не наблюдается закономерного изменения пластических свойств по сечению, что можно объяснить обычно значительным разбросом показателей удлинения и сужения при испытании образцов небольшого сечения, вырезанных из сравнительно мало обжатого металла.

Вместе с тем можно отметить высокий уровень значений, уд­линения и сужения на различной глубине обода при закалке со специального нагрева и при нормализации, в отличие от менее устойчивого при закалке с прокатного нагрева. Это следует при­писать влиянию перекристаллизации, способствующей выравни­ванию пластических свойств по сечению обода.

Рис. 222. Распределение относительного удлинения по сечению обода колеса в зависимости от состава стали и вида термической обработки:

1-закалка с прокатного нагрева без отпуска; 2-закалка со специального нагрева без отпуска; 3-нормализация без отпуска; 4- закалка с прокатного нагрева с самоотпуском; 5-закалка со специального нагрева с самоотпуском; 6-нормализация с отпуском

Рис. 223. Распределение относительного сужения по сечению обода колеса в зависимости от состава стали и вида термической обработки:

1-закалка с прокатного нагрева без отпуска; 2-закалка со специального нагрева без отпуска; 3-нормализация без отпуска; 4- закалка с прокатного нагрева с самоотпуском; 5-закалка со специального нагрева с самоотпуском; 6-нормализация с отпуском

Для относительного сужения заметна тенденция к снижению его значений по направлению вглубь обода колеса, хотя эта тен­денция неустойчива. Можно лишь отметить, что применение различных способов личных способов термической обработки колес гарантирует требуемые пластические свойства по всему работающему сечению обода.

Рассмотрим влияние различных технологических факторов на пластические свойства металла колес для случая закалки со специального нагрева. К числу этих факторов следует отне­сти температуру нагрева колес под закалку, температуру воды и продолжительность обрызгивания.

График рис. 224 иллю­стрирует распределение зна­чений относительного удли­нения, относительного суже­ния и ударной вязкости по сечению обода колеса в за­висимости от температуры нагрева под закалку. Ход кривых позволяет сделать вывод о том, что с повыше­нием температуры закалки относительное удлинение и относительное сужение уменьшаются, причем для поверхностных слоев это сни­жение больше, чем для глу­бинных. На ударную вяз­кость изменение температуры закалки не оказывает за­метного влияния.

При выбранных химиче­ском составе колесной стали (0,56—0,58% С) и режиме термической обработки (темпера­тура воды 40°; продолжительность обрызгивания 250 сек.) вы­сокая пластичность гарантируется при любой температуре за­калки во всех точках обода.

Рис. 224. Распределение пластичности и ударной вязкости по сечению обода колеса в зависимости от температуры закалки (0,56-0,58% С, температура воды 40, продолжительность обрызгивания 250сек.):

сплошная линия – температура закалки 950;

пунктирная линия – температура закалки 880

Изменение температуры воды более резко сказалось на зна­чениях характеристик и на их распределении по сечению обода (рис. 225). Относительное удлинение при обрызгивании водой с температурой 20° находится вблизи предельно допускаемых зна­чений. Близки к предельным значения и относительного сужения. Особенно низки значения удлинения и сужения в поверхностных слоях. Значения ударной вязкости также резко снижаются с по­нижением температуры воды, особенно в поверхностных слоях.

Регулирование времени закалки, как было показано выше, дает возможность изменять прочностные характеристики в широ­ком диапазоне. Поэтому представляет интерес проследить влия­ние этого фактора на пластичность и ударную вязкость.

На графике рис, 226 показано распределение по сечению обо­да относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости. Что касается удлинения и сужения, то увеличение про­должительности обрызгивания заметно снижает эти показатели и для продолжительности в 250 сек. приближает их к предельно допустимым значениям. Закономерного изменения ударной вяз­кости не замечается.

Рис. 225. Распределение пластичности и ударной вязкости по сечению обода колеса в зависимости от температуры воды (0,56-0,58% С, температура закалки 880, продолжительность обрызгивания 250сек.):

сплошная линия – температура воды 40;

пунктирная линия – температура воды 20

Рис. 226. Распределение пластичности и ударной вязкости по сечению обода колеса в зависимости от продолжительность обрызгивания

Останавливаясь на значении ударной вязкости для оценки свойств колесной стали, следует отметить, что ее определение не входит в комплекс испытаний, предусмотренных стандартом. Вместе с тем при проведении специальных исследований опреде­ление этого показателя представляет значительный интерес, по­скольку колесо испытывает в пути значительные динамические воздействия и поскольку имеется тенденция к дальнейшему уве­личению нагрузки на ось.

Проведенные в НИТИ испытания колесной стали различного химического состава на ударную вязкость позволили установить связь между содержанием углерода и ударной вязкостью. С по­вышением содержания углерода ударная вязкость снижается в значительной степени. Это хорошо иллюстрируется графиками рис. 227: при понижении содержания углерода на 0,2% ударная вязкость повышается в среднем в 2—3 раза.

Температурные условия испытания также оказывают значи­тельное влияние на ударную вязкость. С понижением температу­ры испытания до минус 30—40° ударная вязкость стали всех марок резко снижается. Однако абсолютные значения ударной вязкости стали с пониженным содержанием углерода остаются значительно более высокими, чем стали с повышенным содержа­нием углерода.

Вид термической обработки также сказывается на результа­тах испытания на ударную вязкость. Так, при закалке колес со специального нагрева значения ударной вязкости выше, чем при нормализации и закалке с прокатного нагрева.

Содержание углерода и температура испытания настолько резко влияют на значение ударной вязкости колесной стали, что никакое состояние структуры, обусловленное термической обра­боткой, не предотвращает снижения ударной вязкости с повы­шением содержания углерода и с понижением температуры ис­пытания.

Такое поведение колесной стали в условиях низких темпера­тур заставляет особо внимательно отнестись к выбору химиче­ского состава стали для колес, эксплуатируемых на дорогах се­верных районов.

То обстоятельство, что при низких температурах одновремен­но снижается ударная вязкость колесной стали и увеличивается склонность к образованию выщербин, свидетельствует о необхо­димости учитывать влияние динамических воздействий на обра­зование выщербин при эксплуатации колес в условиях суровой зимы.

Рис. 227. Ударная вязкость колес из стали с различным содержанием углерода при различных видах термической обработки:

0,5% С – закалка со специального нагрева, нормализация;

0,6% С - закалка со специального нагрева, закалка с прокатного нагрева, нормализация;

0,7% С - закалка со специального нагрева, закалка с прокатного нагрева, нормализация;

На основании всех рассмотренных материалов можно сделать вывод, что наиболее благоприятная совокупность механических свойств колес обеспечивается закалкой их со специального на­грева с последующим самоотпуском. С точки зрения создания благоприятных условий работы колес в период суровой зимы предпочтительно применение колес из стали с пониженным со­держанием углерода, закаленных на возможно более высокую твердость.

Преимуществом этого вида термической обработки является возможность получения необходимой твердости и прочности по сечению обода колеса из углеродистых сталей довольно широкого диапазона по содержанию углерода. В то же время этот вид термической обработки позволяет получать с запасом и необходимые пластические свойства.

Применение термической обработки со специального нагрева Позволяет легко контролировать и регулировать режим термиче­ской обработки и оперировать технологическими факторами, определяющими микроструктуру, механические свойства и твердость колесной стали.

Возможность регулирования режима термической обработки имеется и при осуществлении ее с прокатного нагрева. Это отно­сится к регулированию температуры закалки путем выдержки колеса перед закалкой на закалочных столах или на специаль­ных стеллажах и главным образом к регулированию продолжительности обрызгивания. Учитывая, что впредь до реконструкции существующего цеха цельнокатаные колеса будут подвергаться термической обработке почти исключительно с прокатного нагре­ва, рассмотрим влияние этих двух факторов на механические свойства колес.

В работе Р. Л. Сойфер и др. приводятся данные о регулиро­вании процесса термической обработки колес с прокатного на­грева. Режимы термической обработки и значения полученных механических свойств колес приведены в табл. 36.

Снижение температуры закалки колес в сочетании с после­дующим посадом в нормально нагретый колодец для самоотпус­ка давало удовлетворительные результаты по пределу прочно­сти и по характеристикам пластичности. При посаде колес, за­каленных от низкой температуры, в слабо нагретый колодец, что характерно для поточного производства при низких темпе­ратурах конца деформирования и для выдержки колес перед закалкой, пластические свойства снизились до величин, значи­тельно ниже требуемых по стандарту. Этот опыт показал, что регулирование температуры закалки колес путем выдержки их перед закалкой нецелесообразно.

Повышенная продолжительность обрызгивания—160 сек. вместо принятых 110 — дала весьма удовлетворительное сочета­ние механических свойств. Было достигнуто желаемое повыше­ние предела прочности при сохранении пластических свойств в нужных пределах. Полученные результаты свидетельствуют о том, что глубокая закалка даже при пониженном отпуске (по­сад в слабо нагретый колодец) обеспечивает высокий предел прочности и достаточные пластические свойства.

Наоборот, снижение продолжительности обрызгивания при­вело к понижению предела прочности при посаде в нормально нагретый колодец и к получению низких пластических характе­ристик при посаде в слабо нагретый колодец. Полученные меха­нические свойства вполне согласуются с микроструктурой этих колес. В структуре наблюдается грубая ферритная сетка и плас­тинчатый перлит, что свидетельствует о 'том, что колеса не про­калились на должную глубину.

Таблица 36