СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке литых деталей, в частности боковых рам тележек грузовых вагонов, выполненных из сталей марок 20 ГЛ, 20 ГФЛ, 20 ГТЛ, с содержанием углерода в диапазоне 0,17…0,25%.

Известен способ термической обработки боковых рам и надрессорных балок согласно ГОСТ 32400-2013 «Рама боковая и балка надрессорная. Технические условия», в соответствии с которым рамы и балки должны быть подвергнуты термической обработке - нормализации или нормализации с отжигом первого рода. Этот метод предусматривает остывание на воздухе после нагрева и выдержки детали в печи. Для рам рекомендуется проводить вторую термическую обработку, при этом общее число термических обработок должно быть не более трех. Число отжигов первого рода не ограничено. Следует отметить, что нормализация не предполагает упрочнения термообрабатываемых деталей, но снимает внутренние напряжения.

Известен способ термоциклирования или циклической нормализации литых деталей из низкоуглеродистых легированных сталей, при котором осуществляют двухступенчатую нормализацию с нагревом, выдержкой и охлаждением со скоростью 0,2-0,4°С/с и последующий отпуск, при этом на первой ступени нагревают до температуры 930-980°С, выдерживают 2,5-3 часа и охлаждают до 450-600°С, на второй ступени нагревают до температуры 900-950°С, выдерживают в течение 2,5-3 часа и охлаждают до 450-600°С, причем отпуск ведут при 500-680°С, в течение 2-2,5 часа с последующим охлаждением до температуры не выше 80-100°С (RU 2598021 C1, C21D 1/28, 20.09.2016). Указанная термообработка приводит к повышению ударной вязкости боковых рам тележек грузовых вагонов в 1,3 раза по сравнению с обычной нормализацией за счет измельчения зерна.

К недостаткам термоциклической обработки следует отнести большой расход электроэнергии за счет ее продолжительности, кроме того, улучшая механические свойства основного объема материала рамы, этот метод не позволяет дополнительно повысить прочностные характеристики наиболее нагруженных участков боковых рам при циклических и статических нагрузках, которым они подвергаются в эксплуатации.

Известным из уровня техники является термоупрочнение элементов подвижного состава путем объемно-поверхностной закалки (ОПЗ) изделий из низкоуглеродистых сталей посредством быстродвижущихся струй или потока воды. Учитывая, что низкоуглеродистые стали не поддаются закалке обычным погружением в воду, предложено применять различные закалочные устройства, обеспечивающие эффект закалки за счет регулирования скорости потока воды относительно закаливаемой поверхности (RU 2100451 - закалка автосцепки, RU 2489498 - закалка фрикционных клиньев, RU 2547375 - закалка бандажей). Все эти детали характеризуются относительно простой формой и относительно небольшими размерами. Влияние скорости охлаждающей воды изучено в работе Шепеляковского К.З. «Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве», М., 1982 г. Учитывая сложную конфигурацию, значительную площадь поверхности боковой рамы, необходимость обеспечения высокой скорости охлаждающего потока воды, следует отметить техническую сложность метода ОПЗ для упрочнения таких изделий.

Известен способ упрочнения стальных отливок из низкоуглеродистых легированных сталей, в частности отливок тележек грузовых вагонов, преимущественно боковых рам и надрессорных балок. Данный способ раскрыт в авторском свидетельстве СССР №659635, C21D 1/56, 30.04.1979, который принят в качестве ближайшего аналога настоящему изобретению. Способ включает нагрев до температуры 900…930°С, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе. Для повышения прочности и долговечности в эксплуатации, зоны наиболее высоких рабочих напряжений охлаждают со скоростью, на 5…25°С в минуту большей, чем скорость охлаждения смежных зон, до температуры смежных зон 650…550°С. Кроме того, охлаждение зон деталей, подвергаемых наиболее высоким эксплуатационным напряжениям, осуществляется сжатым воздухом или водовоздушной смесью.

Применение данной технологии обеспечивает перераспределение напряжений в процессе общего охлаждения детали за счет ускоренного охлаждения отдельных зон изделия. Разница в скорости охлаждения создает в зонах ускоренного охлаждения остаточные напряжения сжатия, которые обуславливают повышение предела усталости и, соответственно, долговечность деталей.

Однако известный способ не обеспечивает упрочнения указанных нагруженных зон на максимальную твердость (на мартенсит), литейных сталей типа 20 ГЛ из-за недостаточной скорости охлаждения. В соответствии с термокинетической диаграммой распада аустенита для сталей типа 20 ГЛ при охлаждении образование закалочных структур (мартенсита) будет происходить в случае, если охлаждение в интервале температур 900-420°С осуществляется не более чем за 0,5 сек (М.Е. Блантер. Фазовые превращения при термической обработке стали. М.: «Металлургиздат», 1962 г. Термическая обработка в машиностроении. Справочник под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. М.: «Машиностроение», 1980. - 783 с. ).

Задачей изобретения является формирование закалочных структур при охлаждении с последующим распадом на феррито-цементитные смеси в результате процессов самоотпуска и образование после окончания охлаждения в этих зонах остаточных напряжений сжатия, сложение которых в эксплуатации с рабочими напряжениями растяжения приводит к уменьшению суммарных напряжений, что при циклических воздействиях в эксплуатации на боковую раму увеличивает ее ресурс.

Для этого в способе термической обработки литой детали из низкоуглеродистой легированной стали, включающем нагрев детали в термической печи до температуры от Ас3 до Ас₃+100°С, выдержку при указанной температуре и последующее охлаждение, выдержку при температуре от Ас₃ до Ас₃+100°С осуществляют в течение 60-90 мин, затем деталь перемещают в термосе в закалочное устройство для последующего охлаждения, при этом охлаждение осуществляют в два этапа, причем на первом этапе в течение первых 0,5 секунд выполняют интенсивное охлаждение поверхности детали со скоростью 890…1180°С в секунду с температуры Ас₃ до температуры окончания мартенситного превращения (Мк) путем объемного душирования дисперсной водовоздушной смесью, а затем на втором этапе продолжают плавное охлаждение струями воды поверхности детали до температуры не более 200°С в течение 8-10 мин с обеспечением снижения скорости охлаждения наиболее нагруженных в эксплуатации мест детали в 8-10 раз по сравнению с остальными частями детали.

В результате объемно-поверхностного упрочнения на первом этапе охлаждения и самоотпуска на втором этапе охлаждения с меньшей интенсивностью обеспечивается повышение усталостной прочности боковой рамы, снижается вероятность образования трещин и, соответственно, увеличивается долговечность изделия.

Пример.

Указанные способ опробован для термической обработки литых деталей железнодорожного подвижного состава, в частности боковых рам тележек грузовых вагонов, изготовленных из сталей с химическим составом, соответствующим маркам 20 ГЛ, 20 ГФЛ, 20 ГТЛ и содержанием углерода в диапазоне 0,17…0,25%. Боковая рама тележки представляет собой объект сложной геометрической формы, сочетающей в себе элементы, сечение которых существенно отличается по толщине. Это предъявляет особые требования к процессу нагрева. Для достижения технического результата в момент окончания нагрева во всех сечениях боковой рамы тележки должна отмечаться однородная структура аустенита. Принимая во внимание химический состав марок стали 20 ГЛ, 20 ГФЛ, 20 ГТЛ и содержание углерода в диапазоне 0,17…0,25%, боковая рама в момент окончания нагрева должна быть нагрета до температуры в интервале от Ас₃ до Ас₃+100°С (Ас₃ определяется по диаграмме Fe-Fe₃C), и выдержана в печи в течение 60-90 минут.

Боковая рама, изготовленная из стали 20 ГФЛ, нагревается в камерной печи до температуры 940°С и выдерживается в печи в течение 60 минут. После нагрева и выдержки в электропечи деталь перемещают в термосе в специальное закалочное устройство. Последующее охлаждение производят в два этапа, причем в течение первых 0,5 секунд выполняют интенсивное охлаждение поверхности детали с температуры 840°С до температуры 250°С в специальном закалочном устройстве за счет объемного душирования дисперсной водовоздушной смесью высокой плотности, в ходе которого обеспечивают скорость охлаждения поверхности детали 1180°С в секунду, а затем продолжают плавное охлаждение струями воды поверхности детали до температуры не более 200°С за время 8-10 минут. На начальном этапе охлаждения в поверхностных слоях образуются закалочные структуры. При последующем охлаждении за счет теплообменных процессов происходит самоотпуск - распад закалочных структур с образованием феррито-цементитных смесей. Реализация ступенчатого охлаждения позволяет сформировать на поверхности изделия в наиболее часто повреждаемых в эксплуатации зонах полей остаточных напряжений сжатия в совокупности со структурами, обеспечивающими повышение усталостной прочности.

Снижение скорости охлаждения наиболее нагруженных в эксплуатации мест деталей в 8-10 раз по сравнению с остальными частями изделия приводит к последующему распаду закалочных структур с образованием феррито-цементитных смесей, имеющих дисперсность зерна в интервале 7-10 баллов, за счет теплообменных процессов со смежными более нагретыми областями сечения. Образование закалочных структур в совокупности с неравномерным распределением температур по сечению боковой рамы при охлаждении приводит к образованию остаточных напряжений сжатия на поверхности после завершения охлаждения за счет структурных и фазовых превращений и обеспечивает снижение суммарных напряжений, возникающих в этих зонах от действия эксплуатационных нагрузок и, как следствие, повышение сопротивления усталостному разрушению. При таких режимах охлаждения уровень остаточных напряжений в зонах радиуса R55 составляет не ниже 140 МПа, что по данным натурных усталостных испытаний боковых рам, подвергнутых термической обработке приведенным способом, повышает предел выносливости деталей не ниже чем на 15%. Использование данного способа позволило увеличить гарантийный срок безотказной эксплуатации литых деталей тележек грузовых вагонов железнодорожного подвижного состава.