автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение служебных характеристик литых деталей автосцепки за счет применения объемно-поверхностной закалки низколегированной стали

кшшстерство путей сообщения рв

всероссийский научно-иссхбдоватешям институт

гелезнодороэого транспорта

На правах рукописи

Шэтапвихи Яков Вкайлович

ПОВЫШЕНИЕ СЛУЖЕБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОСПЕПКИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ОБЪЕМНО-П0ВЕРХЮС1 НОЯ ЗАКАЛКИ НИЗКОЛЕГИРОЕАННОЯ СТАЛИ

Специальность 05.16.01 - Шталловедение и

термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

ШСКВА -159-1

с? <2- г , ¿г

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте яелознодоролсного транспорта и на Люблинской литеоко-механическом заводе ЫПС.Р®

кучный руководитель доктор технических наук, профессор '¿и^^У . В. ВЕС КАКОВ

Научный консультант ' '

клд1шдат технических нгук, ом

стирлзЗ ¡С51Ки2 . сотрудник ¿Р^е*—~7 В.".52Е'ГН

Официальные оппоненты: ^

доктор технических наук.поофессор б.К.УГАКОВ

.Москоескй зечеонгй металл .гаческкй институт

кандидат технических наук В.И.ПАХОВ

Всероссийский научно-зссле довательский институт желе нодорозкого транспорта

Ведущая организация —

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЕУТ£Й СООБЩЕНИЯ.

Зашита диссертации состоятся

/¿5« 1994. г. в

часов на заседании Специализированного Совета Д 114.01.04 при Веере слйском шучнэ-исслэдовательсксм институте яелезнодорозного тракспс еэ адресу: 123851, Москва, 14-164, 3-я Мытнщянская ул., 10 в кокферс зале института.

С диссертацией ькжто сэнакошться в^иблиотеке института. Автореферат разослан

Отзывы ей автореферат в дзре экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в япрес Специализированного совета

Д II '=.01.04.

7чека2 се1фэтарь ^йецеалззирован-

::сго созота Д 11-1.01.04, ,-г/

^.дад^т -гехЕэтгоких наук. г.И.ГЕНЫЛВ/

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость удовлетворения потребностей хозяйственных н пассажирских перевозках приводит к увеличению ассы поездов, нагрузки на ось, интенсивности движения. Увеличение илового воздействия в процессе эксплуатации подвижного состава омывает увеличение повреждаемости тяжело нагруженных деталей, боль-ое количество выходов из строя приходится на литые детали автоцепных устройств.

Задача повышения надежности и долговечности литых дет-лей ав-осцепки традиционно решается в двух направлениях: усилением онструкиии и использованием сталей с повышенными мехаяичес: ими войствами. Однако конструктивные меры по усилении деталей автоцепки за счет изменения их геометрических параметров нарушают ринцип взаимозаменяемости деталей и с учетом весьма большого коли-ества находящихся в эксплуатации деталей могут применяться весьма граниченно.

Повышение механических свойств применяемых сталзй за счет уве-ичения юс легираванности не может в настоящее время и в яерспекти-е обеспечить реальное решение проблемы в связи а дефицитность!), ысокой стоимостьв и требуемым весьма большим объемом потребления олыпинства эффективных легирующих элементов.

В современных условиях наиболее перспективный направлением яс-яется разработка новой технологии термического упрощения литых еталей автосцепки, обеспечивашцей требуемый уровень прочности и згосостойкости при сохранении формы и размеров дета~ей и нспольуо-5нии недефицитной низколегированной стали. Эта технология должнн цевлетворять эксаогнчесюш требования!!. Предварительные исследова-ия и анализ современного уровня техники з данной и смежной облаете показали возможность создания такей технологии путем повышения

-А-

эффективности упрочнения низкоуглеродистой стали за счет применения закалки с интенсивный охлаждением быстродвгасущейся водой и реализации принципов объемно-поверхностной закалки по методу, разработанному в нашей стране под руководством профессора Шепеляковского К.З. и эффективно используемому для широкого круга деталей в автомобильной промышленности, сельхозмашиностроении, на железнодорожном транспорте (кольца вагонных буксовых подшипников, шестерни локомотивов). Работа выполнялась в соответствии с программами НИР и ОКР -рем

концерна "Союзжелдормаш" и Главного управления вагонного хозяйства МПС РФ 1990-1993 гг.

Цель работы. Несмотря на значительное количество исследователь ских работ и успешный опыт применения объемно-поверхнасткей закаляя для разнообразных деталей машин (шестерен, деталей подшипников» полуосей» крестовик кардана и др.) сведений о применении данного метода для литых деталей из низкоуглеродистых промышленных сталей в литературе нет,

В саду особенностей формы, размеров, условий нагрукения, масштаба и условий производства, типа применяемых сталей имевшийся опыт применения сбъемно-поверхностной закалки не может быть однозначно использован для решения поставленной проблемы. В связи с этим возникла необходимость в проведении комплекса исследований прокаливаемости, структуры, механических свойств, износостойкости, циклической долговечности, внутренних остаточныг напряжений в литых деталях из ».изкоуглеродистых сталей, подвергнутых упрочнению по методу объемно-поверхностной закалки с реализ<*цией результатов этих исследований посредством разработки и освоения оптимальной технологии эакяяки литых Деталей автосцепки в заводских условиях.

В работе были поставлены следующие задачи.

I, Анализ металловедческих аспектов решения проблемы упречненю 7.лтых детвлеГ« автсспепяи известными отечественными к зарубежными

методами и оценка перспектив использования метода объемно-поверхностной закалки.

2. Теоретическое и экспериментальное исследована применения метода объемно-поверхностной закалки для деталей из низкоуглеродистой стали 20ГЛ.

3. Разработка и опробование технологии объемно-поверхностной закалки корцуоов и замков автосцепки, корпусов поглощающего аппарата.

4. Исследование структуры у сдавая механических свойств, в том числ' циклической долговечности л износостойкости корпуса автосцепки, износостойкости замка автосцешж и корпуса псглоа^юцего аппарата после объемно-поверхностной закалки.

5. Разработка прокаленной технологии производства литых деталей с упрочнениш по «моду обьеыно-поверхностной закалки и технических требований «а прогггпгревакйо оборудования для кассового проведения процесса терзпеской обработки а промышленных условиях.

Нзучкур новявну работа характеризуй? следующие осноеннз поло-кення, выносикые на зезряу:

- теоретическое ебссйОЕЕйПЭ еозтности и области рационалг-чого признания метода объез^но-поайрхйоетной закалки для литкх деталей,

а частности корпусов автосыепга, з&жов азтосцетсн, корпусов г.огл -щавщего аппарата;

- результаты исследования структуры и кезсяниоесгтх свэйзтв литой низкоуглеродистой стали 20ГЛ после сбьенно-позерхнос^ной закалки б сравнении с другими вариантами тершгчесЕОЙ обработка

- научные осногы разработки технологии объэмно-позерхносгной закалка литых деталей из малоуглеродистых сталей.

Все перечисленные полохекял разработаны впервые, метод объемно-поверхностной зякалки для литых деталей из нкзк углеродистых стало?, до настоящего времени в отечественно:.« и зарубежном мглиностроениа

нэ применялся.

Практическое значение работы состоит в том, что зпервыэ разработан и опробован в производственных условиях на Люблинском лите: но-механическом заводе новый технологический процесс объемно-повер постной закалки литых деталей автосцепного устройства, выполнены испытания деталей, показавшие их существенное преимущество по срав 1шю с деталями, упрочненными по традиционной технологии (закалка в спокойной Еоде с высоким отпуском). Результаты работы использованы

в ГОСТ 22703-91 "Детали литые автосцепного устройства подвижного состава келезных дорог колеи 1520 мы".

АгщоАация работы. Основные результаты работы доложены на науч но-техначеских советах во ВНШШГ и на ЛШ!3, на 7-ом международной конгрессе по термообработке (Москва, 1990 г.). По результатам работы опубликованы 2 статьи, материалы использованы при разработке

ГОСТ 22703-91. ......

Структура л объем Еисуэташта,- Диссертационная работа состоит из ваедения, пяти, глав, выводов, списка^литературы и приложений. Работа излохена на 152 стр. машинописного текста, содержит 65 рисунков и 16 таблип.

ОСНОВНОЕ С0ДЕР2ШЕ РАБОТЫ

Глава первая содержл? анализ повреждаемости корпусов, автосце! кя, приводящей к отцепкам вагонов и текущему.н~плановому ремонту.

Одной из основных причин снижения .ресурса слунбы корпуса авт< сиепкя грузовых вагонов следует считать несоответствие несущей си.

соскоетд корпуса автосцэяки уровню Еагрухенности, что ^одтвердцае' ся саконоиерккма появлениями усталостных трещин в определенных зо; б сх'тре-ствич с распределением напряжений в корпусе автосцепки. Знакопеременное нагруненле корпуса автосцепки при наличии

нагрузок, превышающих в локальных объемах предел текучести ыате риала, создает условия для неравномерного распределения деформаций, накопления односторонней пластической деформации, что проявляется в наличии на дорогах автосцепок с изогнутыми и укороченными хвостовиками, развернутым зевом, изогнутой головкой и другими дефектами. Корпус автосцепки повреждается усталостными трещинами уже в первые годы эксплуатации, а основной вид его разрушений - разрушение по зоне перехода головной части в хвостовик от много- и малоцикловой усталости. Поэточу необходимо обеспечить как статическую прочность, гак и циклическую долговечность.

Основным критерием браковки автосцепного устройства пассажирских вагонов является износ. Износ замыкающей поверхности замка к тяговых поверхностей корпуса автосцепки связан в основном с большим статическим и динамическим прогибом рессорного подвешивания и высокими скоростями движения поездов. Основными видами взноса поверхностей трения этих деталей являются пластическое дефоринровкние вследствие высоких контактных и ударных нагрузок, изнашивание при заедании (абразивное - частицами пыли, а том числе продуктгзл! износа). Другие.вида дефектов, такие как трещины в корцусэ и изгиб хвостовика автосцепки из-за относительно низкого уровня продольных сил встречаются лишь в исключительных случаях, например, при следовании пассажирских вагонов в .'рузовых поездах и маневровых соударениях на сортировочных станциях. Наиболее» часто встречается у-нос корпуса автосцепки по контуру зацепления. Устранение этого дефекта «дяется одной из ссаых трудоемких операций при реыо::те.

Анализ статистических данных показывает, что изготовление лигах де алей из ннзкоуглеродистой сталя типа 20ГЛ при суцествушце 1 технологии термической обработка но обеспечивает требуеыой износостойкости, статической прочности и циклической , элгэвечнсотя аэто-:цепки.

• -g-

Одним из направлений решения проблемы является повышение степени легированности стали при сохранении существующей схемы термической обработки. При этом как в нашей стране, так и за рубежом легирование осуществляет в основном следующими элементами: марганцем (до 1,4 %), кремнием (до 1,7 %), хромом (до 2 55), pese используют молибден (до 0,6 %), титан (до 0,1 %), ванадий (до 0,3 %), бор и РЗМ. Известны случаи увеличения содержания углерода до 0,30 %, однако при этом ухудшается свариваемость и, соответственно, снижается ремонтопригодность деталей.

Предпринималась корректировка режимов закалки и отпуска, в частности для стали 20ГЛ рекомендована температура закалки 920 -940 °С и отпуска 600-650 °С, известны попытки снижения температуры отпуска до 550 °С, что привело к некоторому повьаекко предела текучести и циклической долговечности.

Однако данное направление не налшо широкого практического применения ввиду недостаточною уровня свойств и-экономической нецеле-сооо'раэности значительного легирования стали.

Для деталей автосцепок пассажирских вагонов находит применение индукционная наплавка высокохромистыы чугуном, что позволяет существенно повысить износостойкость коитактируккткх поверхностей деталей. Для более нагруженных автосцепок грузовых Еагоков применение этой технологии требует дополнительных исследований венду возможного разупрочнения основного металла и действия л кального концентратора напряжений в зоне наплавки.

Такил образом, анализ литературных данных показывает, что су-пествуасше способы повышения механических свойств корпуса автосцепки .за с"ет легирования, изменения режимов закалки и отпуска, а vai-Kc лекального упрочнения (способствующего лучшей износсстойксс-."■■'.i кэ релглг проблема и не обеспечивают решение задачи обеспечения и особенно перспективных требований эксплуатации (увеличе-

ния предела текучести стали до 700 МПа и износостойкости в 1,5 2 раза).

В 50-х годах профессором К.З.Шепеляковским с сотрудниками был разработан метод объемно-поверхностной закалки, который к настоящему времени широко применяется в промышленности для сольгаогэ тяжелонагруженных деталей машин, таких как шестерни, полуоси, крестовины карданных передач автомобилей, кольца вагонных буксовых подшипников и др.

Анализ особенностей и опыта применения данного метода позволил выявить слздущие предпосылки его эффективного применения для литых деталей автосцепки:

• I. Возможность получения за один цикл нагрева и охлаждения высокопрочного, закаленного на мартенсит поверхностного слсл в сочетании с упрочненными на структуру тонкой феррито-перлитной смеси глубинными слоями. Такое сочетание перспективно длг обеспечения высокой прочности и износостойкости конструкции, а также высокой циклической долговечности за счет формзфования з поверхностных слоях высоких остаточных сжимающих напряжений.

2. Использование как индукционного, твж и печного нагрева, тго весьма важно с учетом: большой массы и сложной формы деталей автосцепки и условий нх производства на действующих предприятиях.

3. Использование з качестве закалочной среды быстродЕИлсущегося потока воды, что создает условия для получения максимальной твердости за счет мартенсигного превращена а исключения сгноогпуска мартенсита в процессе его образования. Денная среда яв..-етс: благоприятной в экологическом отнесении.

.применение какого метода для литых деталей автосцепки зыз. -вает необходимость широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований ввиду следувщего:

. -10-

1. К настоящему времени метод реализован в промышленности с использованием специально разработанных сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости, содержащих 0,42-1,05 % углерода; теоретические разработки и опыт применения метода на деталях из промышленных низкоуглеродистых сталей с весьма выгэкими критическими скоростями охлаждения отсутствуют. -

2. Для литых деталей с необработанной поверхностью, как это имеет место в. автосцепке-, метод до настоящего времени не применялся .

3. Промышленный опыт применения объемно-поверхностной закалки при печном нагреве весьма ограничен и относится только к кольцам крупногабаритных подшипников качения из стали ШХ4, содержащей 0,95-1,05 % углерода, что не отвечает тицу стали и характеру производства литых деталей автосцепки.

4. Специфика метода предопределяет необходимость теоретической и экспериментальной разработки термических параметров нагрева и охлаждения и конструкции закалочных устройств для конкретных деталей с учетом требований к их свойствам и особенностей производства и эксплуатации.

Во зтоэой главе представлен теоретический анализ возможности и условий реализации метода обьемко-поверхностной закалки для корпуса автосцепки. Данный раздел связан с необходимостью согласования прокаливаемости стали с размерами упрочняемых сечениГ деталей, что составляет принцип метода. .

По методике, предложенной Б.К»Ушаковым, иыло рассчитано распределение скорости охлаждения по сечению стальной пластины толщиной 23 км, что соответствует толщине наиболее нагруженного сечения корпуса автосцепки. Расчет был выполнен для двух вариантов охлаждения: з сгсхсЛноК водо (эффективный коэффициент теплоотдачи принят 43СС Зт/(ь^".К) и о'ыстродвга^ущимся пстокоц воды (46400 ВтАм2Л) ►

Сопоставление подученных зависимостей с данными по прокпливаемести стали марок 2С. 20ГЛ, опубликованными в работах Н.Н.Качонова и справочной литературе, показало возможность получения эффекта объемно-поверхностной закалки на деталях из стали 20ГЛ с обеспечением твердости поверхности НРС 45-52 и сердцевины НРС 21-35 при условии охлаждения бистродвюкущимся потоком воды.

Учитывая возможность применения данной технологии для литых деталей из низкоуглеродистых сталей с различной толщиной упрочняемого сечения, а также необходимость сокращения затрат на электроэнергию, приобретение, установку и эхитлуатацив насосов для подачи закалочной воды была заполнена оценка минимально допустимо.! скорости потока вода для закалки деталей из стали 20ГЛ с различней толщиной стенки. Для расчета были использованы экспериментальные дгуш!-'е К.З.Шепеляковского по скорости охлаждения поверхности стальных образцов в зависимости от скорости потока воды. С испльзоваиием известных зависимостей теории теплопроводности, содержащихся в работах НЛ.Тайца, были определены зависимости скорости охлаждения поверхностей интервал^700-500 от толщины стальной пластины при различных значениях коэффициента теплоотдачи Из сопоставления этих данных с критической скоростью охлаждения стали 20ГЛ {220 °С/с) получены значения минимальной скорости потока воды < 1/ , м/с) длЛ закалки на максимальную твердость деталей лз стали 20ГЛ с различной толщиной стенки ( в , ш), определяемые по выражении:

V « 0,67- 5

Отсюда следует, что для эффективной закалки корпуса азтосиепки кз стали 20ГЛ скорость потока воды в охлаждайте» устройстве должна быть не менее 1,85 а/с. Данные выполненного зализа были использованы при п^ектироганки охлаздакдях ус?ро:(ат? и выборе производительности насосов для подачи воды в устройства.

Третья глава содержит химические составы плавок стали 20ГЛ для отливки деталей автосцепки и методики исследований и испытаний, использованных в работе.

Выплавку стали осуществляли на Люблинском литейно-механическоы заводе в основной мартеновской печи. Химический состав всех использованных в работе плавок определялся на установке " SpectroLßB 5 " и соответствовал требованиям ТУ 24-05-486-82 (0,17-0,25 % С; 1,10-1,40 %Мп ; 0,30-0,50 %Si ; 0,02-0,0£ % AI; примеси не более 0,040 S Р, 0,040 %S , 0,30 % Cr , 0,30 %Ni , 0,30 %Си ).

Изучение микроструктуры сталей проводилось на оптическом микроскопе "НЕОФОТ 21" с испс 'ьзованием химического и электролитического травления на установке " Lectrofioß " с помощью электролите фирмы " Steuers содержащих хромовую кислоту.

Для исследования тонкой структуры сталей после стандартной термической обработки а объемно-поверхностной зекалки применяли электронную микроскопов на фольгах из различных зон сечения деталей Просмотр структуры проводили на электронном микроскопе Tesßa B5-54Q при увеличениях 9000 и 2Q3QQ. Определяли объешые доли структурных составляющих, размер" мартенситных пакетоз ы реек.

Субструктурные изменения в мартенсите оценивали по изменению сирины ли"кй (НО) и (211).

Микрофрактографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе J^M-SOA в режиме вторичных электронов и установке " ComeSax SX-50". Применение данного оборудования дает возможность получения представления о микромеханиэмах процесса разрушения.

Ма.:роскопические исследования изломов выполняли невооруженным с лаг-ом и о помощью микроскопа МБС-9 при увеличениях от 2 до 13.

Müxpo- и микрофрактографическис исследования проводили на об-

-ib-

разцах исследуемых сталей после различных вариантов термической обработки по сечрнию детали после испытаний на циклическую долговечность.

Статические испытания плоских образцоа на одноосное растяжение проводили на универсальных испытательных машинах UTS и МТ5-505 с максимальной нагрузкой 100 кН. Оснащение машины датчиком и компьютером обеспечивало автоматическую выдачу на печать диаграммы растяжения и распечатки значений механических свойств.

Для определения ударной вязкости применяли маятниковый копер КМ-03, мощность которого 300 Дж. 3 ка' ?стве образца при определении ударной вязкости применяли образец типа I (при полукруглом надрезе глубиной 2 ш).

Вырезку образцов проводили по сеченив изделия, то есть из поверхностного слоя, сердцевины и с внутренней стороны корпуса автосцепки после различных вариантоз' термической обработай.

Для оцеЕКЗ" . износостойкости использовали способ Шпинделя, который заключается в измерении длины лунки, образуемой врэщакщимся диском большого диаметра (около 300 мм), толщиной 2-3 мы из мягкой стали на пластине из испытуемого материала за определенное число оборотов.

Бысокая производительность метода определяется тем, что при небольшой массе продуктов изгзшивекия длина дукки достигает болыих размеров и легко замеряется обычной линейкой, к тему же ист-^зяис начинается при больна давлениях, что yíisяьз&ет пс-р^од пр??р<и5стзм.

При специальной подготовка образдеэ а дяека (агафозание не-Посрадс?ЕОннз на стенда) пёрябд Срйрабогки отсутствует по->.ссгш. Вся прцедура испытания абйкнаб? 10 мин. Другое прегоузгстзо этого способа - гез1«0£ность исгалания больших партий образцов без смены диска.

Испытпния на циклическую долговечность хвостовой части корпусу

ся автосцепки проводили при трехточечноы изгибе на бпяе 5.10 циклов нагружения на гидравлическом пульсаторе ЦЩ1-2Э0ПУ с максимальным усилием 2000 кН. Испытание выполняли при знакопостоянном цикдо напряжений (асимметричный цикл напряжений, изменяющихся только по величине). Частота при всех режимах нагружения постоянная и раина 5 Гц. Коэффициент асимметрии цикла постоянный и равен 0,1. Значение максимальной и минимальной нагрузок рассчитывала по известным формулам сопротивления материалов. Расстояние между опорами было выбрано 500 мм. На образцах (хвостовая часть корпуса автосцепки) в зоне растяжения наносили' надрез специальным резцом из твердого сплава ТТ10К8Б. Размеры концентратора: радиус при вершине 0,8 ым; глубина 3,0 мы. Обсчет результатов испытаний проводили с использованием программы "ДИСПИУС".

При изучении распределения остаточных напряжений на корпусе автосцепки после различных ¿ариантов термической обработки использовали рентгеновский метод . Этот метод не требует кропотливого изготовления эталона и при съемке на дкфрактометре обеспечивает наибольшую для всех разработанных рентгеноструктурных методов точность определения остаточных напряжений.

Четвертая глаза содержит результаты исследования структуры и свойств стали 20ГЛ после упрочнения по методу объемно-поверхностной закалки. Все исследования выполнены либо на натурных деталях, либо на образцах, моделирующих" реальные наиболее нагруженные сечения яити.т деталей автосцепки.

Для отработки режимов и осуществления объемно-поверхностной зака.:л1! .-.'.^дельных оораьцов была использована экспериментальная уста-г.сяы ?ШШЛ', включающая следующее оборудование:

: октрспечь камерную типа СН0-32.б.2.5/ЮЬ с максимальной .'■'г ч ' -.^о!' 1000 °С;

-/5- индукционнуя нагрев-тельнутэ установку с маканным преобразователем частот^ мощностью 100 хЬт и частотой 2500 Гц;

- закалочное устройство, состоящее из расходного водяного бака объемом 3 м', служащего емкостью для закалочной воды и размещения о>:~ лаждакзяс устройств; насосов производительностью СО и 00 м3/ч и д'.г--лением до ! К1<а;

- индивидуальные охлаждающие устройства для различных видов закаливаемых образцов и деталей;

- подъемно-транспортное устройство для переметешь массивных нагретых деталей, б охлаэдагше устройства.

При отработке процесса объемно-поверхностной закалки моделышх образцов корпуса автосцепки использовали печной нагрев до температуры 950^1 С°С, охлаждение осуществляли одним или двумя насоса!.«;:, что обеспечило скорость охлаящения поверхности соответственно 50 з Г50^с/с в интервале изменение температуры 700-500°С. Скорости охлаждения былл определены экспериментально путем записи терютческнх кривых от термопар, приваренных к поверхности охлаядаеынх ззделий.

При объемно-поверхностной закалке замков азтосцешта использовали как печной, так я индукционный нагрев.

Вретля закалочного охлаждения ЕЫбиралз такта образои, чтобы исключить процессы самоотпуска.

Наиболее подробные исследования выполнены ш образцах, вырезанных из наиболее ЕагрузеЕНОЙ хвостовой части корпуса автосцепки.

Бее исследования выполняли в сравнении со стандартными, гримс— елемъ-ми в настоящее время.режимами термической обр* б эти::.

Исследование ьтшеро структуры образцоз после рззлгчнкх вариа:-гггз термической обработки показало, что закалка с охлаждением быстр'-движущимся потоком воды со скоростью 150°с/с Обеспечила получение в поверхностном слое структуры, состоящей на Эс'* зз кристаллов мартенсита с размерена пакетов ч пределах 8-16 ыкм. По мере

-/б -

удаления от поверхности объемная доля, занимаемая пакетным мартенситом, несколько уменьшается, однако даже на глубине 10 мм она составляет 90 "?>, остальной объем представляет собой полигонкзиро-вянный структурно свободный феррит с высокой плотностью дислокаций, участки тростита и вырожденного перлита.

Применяемое при стандартной термической обработке охлаждение е спокойной воде не приводит к эффективной зякялке, структура в поверхностном слое представляет собой феррито-лерлитную смесь с игольчатым характером феррита, по мере удаления от поверхности количество феррита возрастает и смесь становится все более огрубленной.

Изменение ширины рентгеновской интерференционной линии (211)

показало, что в поверхностном слое образцов после объемно-поверх-

II -2

ностной закалки плгтность дислокаций составляет 2.10 см , тогда

Q -2

как при стандартной закалке она не превышает (6-8).10" см . По мере удаления от поверхности ширина линии монотонно убывает, однако и на глубине 10 ым она значительно выше у образцов, подвергну тых объемнО'ПОБерхностной закалке,

Не рис. I приведены результаты дпределения твердости по сечению стенки хвостовой части корпусов автосцепки из стали 20ГЛ после различных режимов термической рбрабеткк, Врднр, что интенсивное охлаждение со скоростью 150 53/с привело к эффективному упрочнению всего сечения стенки, при этом твердость поверхности превь!сила 45 HRC, что соответствует мак5им£льнд.. твердости стали при практически полностью мартекситной структуре, Сердцевина упрочнена на твердость 35 КйС, что соответствует твердости полумартенситной зоны для стали 20ГЛ.

Закалка при скорости охлаждения 50 °С/с обеспечила твердость поверхности свыше 40 HPjC с резким ее снижением оа пределами 4 мм от поверхности до уровня 20 ERC в сердцевине сечения стенки. Охлаж-

Твердость га сечению стенки корпусов автосцепки пос.:е различных вариантов термической обработки

КУ

10 450

400

350 300

250 200 150

■ \ г

/

1 у

■ у /

• ^^ ч

НВСэ 45

40

35

30

25

20 15 10.

4 8 12 16 20 Расстояние от наружной поверхности , мм

Режимы термической обработки:

1 - объемно-поверхностная закалка с охлаждением со скоростью

150 °С/с ;

2 - объемно-поверхностная закалка с охла.иением со скорос-ьп

50 °С/с ;

3 - стандартный резгам ЛИЗ бгз отщгсяа ;

4 - стандартный режим JLHM3 ( закалка с высоким отпуском 5

Рис. I

-П-

Д9нке по стандартному режиму (в спокойной йоде) фактически не обеспечивает закалки с получением мартенситкой структуры, эффективность упрочнения при этом весьма невелика и характеризуется твердостью 20-30 HRC на наружной поверхности и 12-17 НИС з глубинных слоях и на внутренней поверхности сечения.

Была выполнена оцен.;а оптимальности полученных вариантов упрочнения с использованием метода "эффективной твердости", предложенного И.Н.Шкляровым. Полученные значения "эффективной твердости" соответствуют HV 400 для закалки при скорости охлаждения 150 °С/с, HV270 для скорости охлаждения 50 °С/с и HV 220 для стандартного режима обработки. Эта данные показывают эффективность варианта закалки при скорости охлаждения 150 °С/с в отношении обеспечения высокой статической и усталостной прочности деталей при изгибающих нагрузках.

Подобные результаты были подучены и при закалке рабочих поверхностей замков автосцепки. При объемно-поверхностной закалке с охлаждением быстродвижуцимся потоком воды твердость поверхности составила HV 480, сердцевины - HV 280, при стандартной термической обработке HV 160-180 по всему сечению стенки деталей.

Механические свойства при испытаниях на растяжение определяли на плоских образцах, вырезанных из Хвостовой части автосцепок в заная, расположенных вблизи наружной, внутренней поверхности и в сердцевине стенки. Результаты испытаний, усредненные по пяти образцам на точку, приведены в табл. I. Видно, что по сравнению со стандартной термической обработкой объемно-поверкностная закалка с весьма интенсивным охлаждением обеспечила повышение предела прочности смлк в 1,3-2 раза Сн различна* зеках по сечению стенки), предела текучести в 1,4-2,2 раза при относктел&нозг удлинении 9-13 £ Зти результаты близки к требуемому уровню свойств для деталей перспективной автосцепки, единой для четыре::- к восьмиоскых вагонов

Таб-г/ца I

¡механические свойства по сечению стенки корпуса автосцепки из стали 20 ГЛ после различных вариантов термической обработки

Резким термической обработки (эО05 ,МПа ёР12 ,М.Па б"в ,МПа о , , Место вырезки образна

Стандартная термическая обработка ЛЯ'.З (закалка с высоким отпуском) 352,0 309,0 • 325,5 408,0 410,5 400,0 620,5 596,2 • 580,3 12,0 18,0 14,0 Наружная поверхность Сердцевина Внутренняя поверхность

Стандартная термическая обработка ЛШ'З без отпуска : 527,8 498,1 464,4 726,7 697.6 663.7 11,4 7,2 6,7 Нарушая поверхность Сердцевина Внутренняя поверхность

Сбъеыко-поБерхпостная закалка со скоростью охлаждения поверхности 50 °С/с (одним насосом) 485,0 420,0 435,5 613,2 467,9 520,5 708,5 810,5 9,5 15,5 11,0 Наружная поверхность ^ Сердцевина Внутренняя поверхность

Объемно-поверхностная закалка' со скоростью охлаждения 150 °С/с (двумя насосами) 657,5 458,0 622,2 895,5 574,3 580,2 1208,0 803,5 836,5 10,0 13,0 9,0 Наружная поверхность Сердцевина Внутренняя поверхность

Обработка полученных данных показала, что в широком диапазоне изменения твердости (от 1500 до 4500 МПа) наблюдается несколько участков линейных зависимостей бв и (э02 от НУ , что связано с принципиально различным структурным состоянием стали при разных уровнях твердости. При твердости не выше 2500 МПа, что соответствует феррито-перлитной структуре стали, значение коэффициента пропорциональности в выражении соответствует 0,33;

при преобладающ^мартенситной структуре с твердостью свыше 3600 МПа значение коэффициента увеличивается до 0,62. В промежуточной области при твердостях 2500-3600 МПа наблюдается весьма слабая зависимость между <оь и ИУ и значение коэффициента составляет 0,12. Примерно тот же характер зависимости наблюдается и для значений предела текучести.

В целом полученные результаты показыврют возможность существенного повышения прочности стали до требуемого уровня при сохранении удовлетворительной пластичности за счет применения объемно-поверхностной закалки с весьма интенсивным охлавдением без последующего стцуска. Установленные корреляционные связи свойств с твердостью могут быть использованы для текущего неразруагющего контроля качества деталей после термической обработки.

При испытаниях ударной вязкости образцов, вырезанных кз различных зон по сечению хвостовика корпуса автоспецки, обработанноп

/

по стандартному варианту, значения К О! составили 18,3-35,5 Дж/су' при^-40 °С, для варианта объемно-поверхностной закалки эти значения находятся в пределах 9,7-18,6 Дж/ск^. При температуре -60 °С различие в ударной вязкости для обоих вариантов обработки уменьшается, значения К Си ;,ля стандартной термической обработки

о <

8,5-32,0 Дж/см , для объемно-поверхностной закалки 8,0-19,7 Дт/си1 Махно отметить, что ударная вязкость после объемно-поверхностной закалки является достаточно высокой и соответм ует вязкое харак

'вру разрушения даже при весьма низких температурах, что Лио подт-1ерздено результатами фрактографических исследований.

В табл. 2 приведены результаты сравнительных испытаний по спо-;обу Шпинделя износостойкости поверхностных слоев корпуса автосцепки [ корпуса поглощающего аппарата после различных вариантов термической 1бработки.

Таблица 2

Износостойкость поверхностных слоев корпуса автосцепки и корпуса поглопшэдшего аппарата ШГГМ

Режим термической обработки

тавдартный режим

бъемно-поверхностная закалка со коростыо охлаждения 50°с/с

! Интенсивность износа, длина ; ! лунки, мм_[

! корпус авто- ' корпус по.лощаюг ! сцепки | иего аппарата <

35 га

30 28

бъемлэ-поз ерхно стная закалка

о скоростью охлаждения 150°с/о .15 12

римочание: приведены средние значения по результатам замеров трех лунок.

По оценке специалистов ЗНИИ2Г спосоо Шпинделя обеспечивает хоро-¡уа сопоставимость с результатами эксплуатационных испытаний .литых де-■алей вагоноз, подвергающихся интенсивному износу.-С учетом этого ре-¡ультаты испытания показывают, что объемно-поверхностная закалка позво-епт решить проблему повышения износостойкости литнг деталей вагонов.

Испытания на цнишческув долговечность выполняли на х^-остовых час-'ях корпуса автосцепки посла различных режимов термической. обработка [рис.2).

Как видео на рис.2 объемнс-поворхностная закалка-д-а зесь^а лнтон-:ивнсм охлаждении (150°С/с) привела к повы-дзнию предела выносливости деталей с 141 до 167 МПа, т.е. на 19?. Уцрочкенге при сбьемнсы:э-герхностной закалке о недостаточным схладдзнсем г^лее иютнсльнэ з этом случае прирост значоная предела гыюслцзостз ссставлаз? ТЪ>

Кретые усталости по результатам испытания серия корпусов автосцепки ( хвостовые части) с концентраторами напряжения

лл? Г i«<

-vr if) 1!

HI

Its rts m m m tx m m

Mt

«7

as

HI

m

fSI

'S' IS!

rs> IS! t4> »г m

«3

tti !Ы

\

-4

if. 4 Г

«» f«

W « <tt iM<<3 V i> f)W

Чисжо uutjot. fj'fO*

Режимы термической обработки :

I - стандартная термическая обработка по режиму МЫЗ ( закалка с высоким отпуском );

2.» объемно-поверхностная закалка при схорости охлаждения поверхности 50 °С/с ;

3 - объемно-поверхностная закалка при скорости охлаждения поверхности 150 °С/с

т

tii

Рис. 2

ю сравнению со стандартным режимов термической обработка на ,ШЛЗ. Весь-ш важно, что детали, подвергнутые объемно-поверхностной закалке, при дк-•енсивном охлаждении разрушались не по искусственно нанесенному концент-Iактору напряжения, что можно объяснить блокированием концентратора а счет высоких остаточных сжимающих напряжений на поверхности деталей, [еталл становятся практически нечувствительными к наличию концентраторов апряжений, как правило, всегда присутствующих на реальных деталях в ксплуатации.

Исследование на РЭМ изломов деталей при испытаниях выявило в дета-ях после объемно-позерхноотной закалки болео мелкокристаллический, рель-фкнй, энергоемкий характер излома.

Изучение характера распределения и уровня остаточных напряжений оказало, что в поверхностных слоях деталей после объемно-поверхностно* акалки присутствуют наврязанзя сжатия величиной до 200 МПа, в то время ак после стандартного режима термической обработки сжимающие напряжения рактически отсутствуют.

. Выполненный комплекс исследований структуры и механических сбойслз итых деталей автосцепок из стали 20ГЛ показал возможность реализации ффекта .объемно-поверхностной закалки, высокую эффективность данного етода б повыЕении прочности, износостойкости и циклической долгозечвос-и деталей и послужи:, основанием для организации на ЛЛМЗ опытного произ-одства корпусов автосцепки с упрочнением по новой' технологии.

В пятой глава изложены результата разработки технологии я осво— гая опытно-промыпленкого производства литых деталей г>втосцегкн с ис-ользозанием объемно-поверхностной закалка. .

Технология объемно-поверхностной закалки заккоз авг "»сдаиет к орпусоз поглошавпего аппарата была отработана на устанозк-э ВНЖС, ыдано НПС ЗКИТИ техническое задание ез 1ГОоекти?огангз автсжг-«псс~о2 пнии по упрочнению зажав автосцепки на Г СО "Уралваго азгзод*.

Полигонные испытания заыков автосцепки показали, что их рабочие характеристики по износостойкости выше, чем заыков, упрочненных электроимпульсной обработкой, и находятся на уровне характеристик ; ков, упрочненных ивдукционно-металлургическиы способом, где в качес ве наплавочного материала используются хромоникелевые порошки и пог тому стоимость упрочнения значительно выше по сравнению с объемно-поверхностной закалкой.

Выявлено значительное повышение.срока службы (в процессе продс кающихся испытаний) корпусов поглощающих аппаратов типа Ш1Ш и Е23. Испытания проводятся в опытном маршруте под вагоном с повышенной ос вой нагрузкой.

Для опытно-промышленной отработки процесса объемно-поверхностной закалки полноцрофильных корпусов автосцепки на ЛЕ'.З спроектиро! на и изготовлена установка, включающая охлаждающее устройство, расходную ванну с водой, три центробежных насоса, пневмогидравлические краны и систему трубопроводов с запорными вентилями.

Для выбора оптимальной температуры нагрева под закалку было в$ полнено исследование, которое показало, что в.литой стали 20ГЛ-иете сиеный рост зерна (до В 3-2 ГОСТ 5639-82.) и образование видаакштетт вой структуры начинается при нагреве свыше 1000 °с.

Црн обьеьно-повзрхностной. закалке корпусов автосцепки нагрев выполняли в толкатвльной печи с газовым обогрезоы. Темп толкания «оставлял 18-20 .мин.» в печи одновременно находились 9 поддонов. Теыперат5ра печи по зонам: I - 840 - 860 °С; П - 940-960°С; Ш -1Ю0-П50ОС. . . .

Нагретые детали перемещалась краном из печи к. охлаждающему ус: ройстзу опускалась в каызру охлаждения, закрываемую массивной крышкой. Включением пневмогцдргздических кранов открывался доступ воды б камеру озит;. дендя и детали подвергалась интенсивному охлаждению потокок води в точок2с 2-3 мин., что обеспечивало практэтоекз

шкое охлаждение деталей до температуры воды (20-30°С).

В процессе отработки режимов закалка были опробованы различные |нструкции охлаждающей камеры, различающиеся способом подачи водн охлаждаемые поверхности деталей. Установлена недостаточная инте::-вность охлаэдения при подаче воды струя?,а через отверстия диаметром мм при скорости движения воды в отверстиях 5,2 м/с. ебуемая равномерность и интенсивность охлаждения была обеспечена в тройстве с организованны;.! направленным потоком воды вдоль поЕзрхкос-■ охлаждаемой детали при избыточном давлении в камере охлаждения за ет ограничения выхода воды.

Учитывая значительное подстуяивание корпусов автосцепки при реносе из печи з охла-здаящее устройство был опробован вариант закал-деталей с повышенной до 1050 °С температурой нагрева. Так как птзи

тьэ з земляные формы в корпусах автосцепки возникает значительное лячество литейных дефектов как поверхностных, так и внутренних, ртззя корпусов была отобрана о цаличиетл внутренних дефектов, вьгязлен-х с помощьэ переносного вихретокозого дефектоскопа ва-12н5. Исгшта-я. на циклическую долговечность показали, что несмотря на крупнозер-стую структуру, возникнув в результате Ьерегрева, и наличие лзте^-х дефектов, предел выносливости деталей, упрочненных объемно-поверх-стной закалкой, оказался на выше, чем у корпусов, упрочненных серийной технолог л?..

На ЛЛМЗ разработан проект организации прсмкщденного произзодст-корпусов автосцеша с обьемно-поверхЕостной закалкой. На участке здусмотреко слодутеее оборудование: кольцевая печь для нагрева ::сд галку, карусельная установка с манипулятором загрузки з вкгрузгс: галей, охлаждающее устройство, водяной бак с трубопроводам, насоли и системой управления подачей воды з охлахдзксев устройство.

Разработана технологическая инструкция ка 0б1е»г:0-Е0верх:юи'г-

нуя закалку корпуса автосцепки и тягового хомута на опытно-про-м^шиенной установке.

Еьшолнен расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения упрочнения замков и корпусов автосцепки, корпусов погло-щешего аппарата методом объемно-поверхностной закалки, который составляет свыше 20 ылн.{.ублей (в ценах декабря 1992 г.).

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчетной оценки возможности реализации эффекта объемно-поверхностной закалки деталей из низкоуглеро-д/.стой стали с различной толщиной упрочняемых сечений. Показана возможность эффективного упрочнения деталей из стали марок 20 и 2СГД :ри применении объемно-поверхностной закалки с охл?ждением потоком воды, движущимся со скоростью Т/ = 0,67-б0'3* , где

( 7/ - скорость потока, м/с; 5 - толщина упрочняемого сечения детали, км.),

2. Б результате выполненного комплекса исследований и испытали! впервые установлена эффективность щдо,$двагягметода объемно-поверхностной закалки для упрочнения литых деталей автосцепки из стали 20ГЛ с получением уровня СеойСТВ, гарантирующих высокую надежность

и долговечность деталей в эксплуатации в условиях интенсивного высокоскоростного движения* Твердость поверхности деталей повышается до НУ 450, при этом прочность достигает 1200 !.'.Ля при относительном удлинении _ . 10 %, По сравнению с существующей технологией (закалка в спокойной воде с еысокии отпуском) объемно-поверхностная закалка обеспечивает повышение износостойкости в 1,7-3,0 раза, циклической-долговечности на 19 % (по пределу выносливости) .

3« Резка скгаи гтся чувствительность к литейным дефектам и другим концентратора*; напряжения при циклических натр: :ках, разрушение

деталей при испытаниях, как правило, происходит не по концентраторам напряжений, что связано о наличием в поверхностных слоях деталей остаточных сжимающих напряжений (200 МПа).

4. Исследованиями на РЭМ выявлена большая мелкокристалличность, рельефность и энергоемкость изломов образцов и деталей, упрочненных объемно-поверхностной закалкой.

5. Разработана и реализована на опытно-промышленной установке технология объемно-поверхностной закалки корпусов и замков автосцепки, корпусов.поглощающего аппарата с использованием печного или индукционного нагрева, охлаждения быстродвижушейся.водой в специальных закалочных устройствах без последующего отпуска.

6. Выполнена объемно-поверхностная закалка и проведены натурные испытания-деталей автосцепки, показавшие их '.требуемую высокую работоспособность.

' .7. Разработано техническое задание на проектирование промышленной установки для объемно-поверхностной закалки замков автосцепки на Уралвагонзаводе.

8. Результата работы использованы при разработке ГОСТ 22703-91

"Детали литые автосцепнсго устройства подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм". .'■ \

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Девяткин В.П., Зедин В.М., Шоташзлли Я.М. Применение метода объои-но-поверхностнай закалка для деталей из- низкоугяеродзстых л низколегированных сталей. Материалы 7-го Ьлггдународнсго кое. рессз со термообработке. ¡А., 1990, т.З, с.44-53.

2. ГОСТ 22703-91 "Детали литые автосцепного устройства подвижного состава.железных дорог колеи 1520. Сбтав технические услогая".

3. Федин В.М., Шоташзлли Я.М.. Пути решения- задач по узелтяета- срока слтхбы литых деталей подвижного состава. // Вестник ВНЪТ,

й 5, с.25-23.