RU2779890C1

RU2779890C1 - Method for hardening parts surfaces with local alternation of properties

Info

Publication number: RU2779890C1
Application number: RU2021135642A
Authority: RU
Inventors: Роман Владимирович Кокорин; Сергей Юрьевич Петров
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-09-14

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, and in particular to methods for surface treatment of friction units of mechanisms, and can be used in the engineering industry. A method for treating a railroad wheel flange includes conducting thermal cycling by pulsed electrical contact processing while passing a pulsed current through a moving electrode pressed against the flange surface to obtain hardened tape zones. With repeated passage of a pulsed current through the ridge pressed against the surface and the moving electrode, the formed hardened tape zones are overlapped with different values of hardness oscillations depending on the structure being formed, and the width and depth of the tape zone, as well as the step of overlapping the tape zones, is controlled by changing the speed of the electrode movement, current, pulse time and pause time.

EFFECT: increase in wear resistance of rubbing surfaces of tread and wheel flanges of rail transport, and also increase the service life of these products.

1 cl, 6 dwg, 1 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области термомеханической обработки металлических изделий, работающих на трение и износ, и предназначено для использования в машиностроительной промышленности для повышения износостойкости трущихся поверхностей механизмов, деталей машин за счет упрочнения поверхностного слоя металла. Преимущественно изобретение относится к упрочнению трущихся поверхностей, в частности упрочнение гребня колес рельсового транспорта.The invention relates to the field of thermomechanical processing of metal products, working on friction and wear, and is intended for use in the engineering industry to increase the wear resistance of the rubbing surfaces of mechanisms, machine parts by hardening the surface layer of the metal. The invention mainly relates to the hardening of friction surfaces, in particular the hardening of the wheel flange of a rail vehicle.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Известен способ лазерной обработки поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар, при этом технический результат изобретения заключается в повышении износостойкости поверхности катания и гребня колесной пары за счет повышения твердости и получения высокодисперсной структуры упрочненной зоны. В свою очередь упрочненные зоны получают при термическом воздействии лазера на поверхность (патент RU 2389805 C1, 20.05.2010). Повышение износостойкости достигается за счет изменения свойств на макроуровне в поперечном сечении ленточной зоны перпендикулярном к направлению движения лазерного луча. Рядом с упрочненной зоной присутствует зона термического влияния (ЗТВ), а затем имеются свойства основного металла. При этом, вдоль упрочненной ленточной зоны свойства не изменяются (например, по твердости больше чем у основного металла).A known method of laser treatment of the tread surface and the crest of railway wheelsets, while the technical result of the invention is to increase the wear resistance of the tread surface and the crest of the wheelset by increasing hardness and obtaining a highly dispersed structure of the hardened zone. In turn, hardened zones are obtained by thermal action of the laser on the surface (patent RU 2389805 C1, 20.05.2010). An increase in wear resistance is achieved by changing the properties at the macro level in the cross section of the ribbon zone perpendicular to the direction of the laser beam. Next to the hardened zone there is a heat-affected zone (HAZ) and then there are the properties of the base metal. At the same time, the properties do not change along the hardened belt zone (for example, the hardness is greater than that of the base metal).

Недостатками данного способа являются: 1) формирование зон упрочнения с постоянными характеристиками по геометрии (глубине и ширине), а также по свойствам со сплошной-однородной структурой вдоль направления движения лазерного луча; 2) высокий уровень остаточных внутренних напряжений при термообработке поверхности колес подвижного состава, что отрицательно может повлиять на надежность в эксплуатации. Дополнительным недостатком данного способа является низкий КПД лазеров, неодинаковое распределение энергии по сечению лазерного луча, сложность в устройстве и обслуживании, энергоемкость производства.The disadvantages of this method are: 1) the formation of hardening zones with constant characteristics in geometry (depth and width), as well as in properties with a continuous-homogeneous structure along the direction of the laser beam; 2) a high level of residual internal stresses during heat treatment of the surface of rolling stock wheels, which can adversely affect operational reliability. An additional disadvantage of this method is the low efficiency of lasers, the uneven distribution of energy over the cross section of the laser beam, the complexity of the device and maintenance, and the energy intensity of production.

Известен так же способ, при котором на сопрягающихся поверхностях колеса и рельса нарезают две овальные канавки, расположенные на удалении от касательной центральной части реборды колеса и головки рельса (патент RU 2080231 C1, 27.05.1997). При этом канавки заполняют индукционно металлургическим способом (ИМС) расплавленным металлом, имеющим температуру более 1100°С.There is also known a method in which two oval grooves are cut on the mating surfaces of the wheel and rail, located at a distance from the tangential central part of the wheel flange and the rail head (patent RU 2080231 C1, 27.05.1997). While the grooves are filled induction metallurgical method (IMS) with molten metal having a temperature of more than 1100°C.

Недостаток данного способа заключается в том, что в данном способе, так же вдоль канавки свойства остаются постоянными, а в поперечном сечении свойства изменяются. В районе канавок создается высокий уровень остаточных внутренних напряжений, что может приводить к выкрашиванию расплавленного металла при воздействии касательных усилий во время взаимодействия колеса и рельса. Дополнительным недостатком данного способа является увеличение трудоемкости и стоимости работ за счет нарезания канавок и использованием дополнительных материалов и оборудования.The disadvantage of this method is that in this method, also along the groove, the properties remain constant, but in the cross section the properties change. In the region of the grooves, a high level of residual internal stresses is created, which can lead to spalling of the molten metal when subjected to tangential forces during the interaction of the wheel and rail. An additional disadvantage of this method is the increase in labor intensity and cost of work due to grooving and the use of additional materials and equipment.

Известны способы упрочнения поверхностей электроконтактной термообработкой (патент RU 2158313 C1, 27.10.2000; RU 2153008 C1, 20.07.2000), включающие нагрев пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой поверхности под давлением, охлаждение зоны нагрева, в результате чего получают полосы с модифицированной структурой. При этом уровень остаточных напряжений может намного уменьшится за счет изменения давления на контактные элементы.Known methods for hardening surfaces by electrocontact heat treatment (patent RU 2158313 C1, 10/27/2000; RU 2153008 C1, 07/20/2000), including heating by passing electric current through contact elements pressed against the treated surface under pressure, cooling the heating zone, resulting in strips with modified structure. In this case, the level of residual stresses can be significantly reduced due to a change in pressure on the contact elements.

Однако, ряд недостатков этого способа также остаются, то есть в зонах нагрева формируется однородная модифицированная структура в продольном сечении с постоянной геометрией.However, a number of disadvantages of this method also remain, that is, a homogeneous modified structure in the longitudinal section with a constant geometry is formed in the heating zones.

Известен способ упрочнения поверхностей деталей путем создания полос с модифицированной структурой переменной ширины и глубины при использовании электроконтактного упрочнения (патент RU 2534885 C2, 10.12.2014). Для повышения износостойкости трущихся поверхностей колеса и увеличения срока эксплуатации колес на поверхности катания и гребня создают полосы с модифицированной структурой, имеющие механические свойства, отличные от механических свойств основного металла, при этом упомянутые полосы создают переменной ширины и глубины по периметру гребня колеса.A known method of hardening the surfaces of parts by creating strips with a modified structure of variable width and depth using electrocontact hardening (patent RU 2534885 C2, 10.12.2014). To increase the wear resistance of the rubbing surfaces of the wheel and increase the service life of the wheels, strips with a modified structure are created on the tread surface and the flange, having mechanical properties different from the mechanical properties of the base metal, while the said strips are created with a variable width and depth along the perimeter of the wheel flange.

Недостатком данного способа является то, что как и в предыдущих авторских изобретениях - формируются полосы с однородной структурой в продольном сечении упрочненной полосы. Данный способ принят в качестве прототипа заявленного изобретения в результате ряда преимуществ.The disadvantage of this method is that, as in the previous author's inventions, strips with a uniform structure are formed in the longitudinal section of the hardened strip. This method is accepted as a prototype of the claimed invention as a result of a number of advantages.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является увеличение износостойкости трущихся поверхностей металлических изделий, в частности поверхности катания и гребня колес рельсового транспорта, и как следствие, повышение срока эксплуатации изделия за счет чередования свойств в поперечном и продольном сечениях упрочненной зоны.The objective of the invention is to increase the wear resistance of the rubbing surfaces of metal products, in particular the tread surface and the crest of the wheels of rail transport, and as a result, increase the service life of the product due to the alternation of properties in the transverse and longitudinal sections of the hardened zone.

Технический результат заключается в следующем: обеспечивается изменение свойств не только в поперечном сечении упрочненной зоны, но и чередование свойств на локальном уровне в ее продольном направлении за счет формирования переменной/чередующейся структуры.The technical result is as follows: a change in properties is provided not only in the cross section of the hardened zone, but also the alternation of properties at the local level in its longitudinal direction due to the formation of a variable/alternating structure.

Технический результат достигается путем получении модифицированной износостойкой высокодисперсной переменной структуры с чередующимися свойствами за счет выбора параметров режима термоциклирования.The technical result is achieved by obtaining a modified wear-resistant highly dispersed variable structure with alternating properties by choosing the parameters of the thermal cycling mode.

Для достижения вышеуказанного технического результата предложен способ упрочнения поверхностей деталей с локальным чередованием свойств за счет использования термоциклирования и протекание высокоскоростных процессов нагрева и охлаждения с формированием модифицированной износостойкой высокодисперсной структуры с механическими свойствами, отличающийся тем, что выбирают режим термоциклирования, обеспечивающий формирование изменяющихся структур и свойств вдоль упрочненной ленточной зоны за счет термического воздействия от импульсного нагрева при различном сочетании параметров режима.To achieve the above technical result, a method is proposed for hardening the surfaces of parts with local alternation of properties through the use of thermal cycling and the occurrence of high-speed heating and cooling processes with the formation of a modified wear-resistant finely dispersed structure with mechanical properties, characterized in that a thermal cycling mode is selected that ensures the formation of changing structures and properties along hardened belt zone due to thermal effects from pulsed heating with different combinations of mode parameters.

Согласно настоящему изобретению величина осцилляции свойств изменяется за счет управления перекрытием участков локальных зон термического влияния.According to the present invention, the amount of property oscillation is changed by controlling the overlap of portions of local heat-affected zones.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На Фиг. 1 Расположение участков в локальной зоне с различной структурой при единичном импульсе нагрева в пятне контакта электрод-деталь.On FIG. 1 Location of sections in a local zone with different structures at a single heating pulse in the electrode-part contact patch.

На Фиг. 2 Формирование ленточной зоны упрочнения путем перекрытием локальных зон при движении концентрированного импульсного источника энергии.On FIG. 2 Formation of a belt hardening zone by overlapping local zones during the movement of a concentrated pulsed energy source.

На Фиг. 3 Зависимость осцилляции свойств - ΔHV от шага перекрытия - Δ_пр в продольном сечении ленточной зоны упрочнения: а) формирования сплошной упрочненной ленточной зоны ΔHV≈0; б-в) увеличение осцилляции твердости - ΔHV≠0.On FIG. 3 Dependence of the oscillation of properties - ΔHV on the overlap step - Δ _pr in the longitudinal section of the tape hardening zone: a) the formation of a continuous hardened tape zone ΔHV≈0; b-c) increase in hardness oscillation - ΔHV≠0.

На Фиг. 4 Вид структуры и изменение твердости в сплошной упрочненной ленточной зоне ΔHV≈0.On FIG. 4 Type of structure and change in hardness in a continuous hardened belt zone ΔHV≈0.

На Фиг. 5 Вид структуры и изменение твердости вдоль упрочненной ленточной зоны при ΔHV≠0.On FIG. 5 Type of structure and change in hardness along the hardened belt zone at ΔHV≠0.

На Фиг. 6 Зависимость изменения величины осцилляции ΔHV от шага перекрытия Δ_пр.On FIG. 6 Dependence of the change in the magnitude of the oscillation ΔHV on the overlap step Δ _pr .

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На примере использования электроконтаткного способа упрочнения термоциклирование достигается использованием импульсоного тока, обеспечивающий протекание высокоскоростных процессов нагрева и охлаждения (путем отвода тепла в глубину металла за счет теплопроводности и дополнительно за счет охлаждения упрочняемой поверхности - водой). При воздействии одного импульса получают локальную зону упрочнения. Локальная зона упрочнения формируется в результате протекания импульса тока в контакте электрод - деталь. Ряд одиночных импульсов формируют ленточную зону упрочнения (на колесе - кольцевую). В единичном импульсе нагрева в пятне контакта системы электрод-деталь в конце его действия формируется локальная зона термического влияния (Фиг. 1), имеющая участки различной структуры в зависимости от достижения критических температур: - закалочные структуры при нагреве выше A_c3(t); - при нагреве металла между температурами A_c1(t)-A_c3(t) существует участок неполной закалки и ниже A_c1(t) - участок отпуска. При движении концентрированного источника энергии и повторяющихся/периодических нагревах на локальном уровне, локальные зоны термического влияния перекрываются и получают ленточную зону упрочнения (Фиг. 2). Нагрев в локальной зоне термического влияния осуществляется за счет пропускания импульсного тока через прижатый к поверхности роликовый электрод. Перекрытие локальных зон термического влияния, определяется параметрами режима, в частности, соотношением времени паузы и импульса, величиной тока, скоростью движения источника и т.п.On the example of using the electrocontact hardening method, thermal cycling is achieved by using a pulsed current, which ensures the occurrence of high-speed heating and cooling processes (by removing heat into the depth of the metal due to thermal conductivity and additionally by cooling the hardened surface with water). When exposed to one pulse, a local hardening zone is obtained. The local hardening zone is formed as a result of the flow of a current pulse in the electrode-workpiece contact. A number of single pulses form a belt hardening zone (an annular zone on the wheel). In a single heating pulse in the contact patch of the electrode-part system at the end of its action, a local heat-affected zone is formed (Fig. 1), which has sections of different structure depending on the achievement of critical temperatures: - hardening structures when heated above A _c3 (t); - when the metal is heated between temperatures A _c1 (t)-A _c3 (t) there is an incomplete hardening section and below A _c1 (t) - a tempering section. With the movement of a concentrated energy source and repetitive/periodic heating at the local level, the local heat-affected zones overlap and get a tape hardening zone (Fig. 2). Heating in the local heat-affected zone is carried out by passing a pulsed current through a roller electrode pressed against the surface. The overlap of local zones of thermal influence is determined by the mode parameters, in particular, the ratio of the pause time and the pulse, the magnitude of the current, the speed of the source, etc.

При упрочнении поверхности трения гребня железнодорожных колес, получить неравномерность свойств можно путем изменения, например времени паузы - t_п=var (при постоянной скорости - V, силе тока-I, времени импульса - t_и). Таким образом, в зависимости от расположения/(шага перекрытия Δ_пp=V⋅t_п) можно получать различный локальный перепад/осцилляцию свойств - ΔHV в продольном сечении ленточной зоны упрочнения (Фиг. 3).When hardening the friction surface of the crest of railway wheels, it is possible to obtain uneven properties by changing, for example, the pause time - t _p \u003d var (at a constant speed - V, current strength - I, pulse time - t _and ). Thus, depending on the location/(overlapping pitch Δ pp = _V⋅t _p ) it is possible to obtain a different local drop/oscillation of properties - ΔHV in the longitudinal section of the tape hardening zone (Fig. 3).

При варианте формирования сплошной упрочненной ленточной зоны (Фиг. 3, участок а), распределение твердости остается практически постоянной ΔHV≈0 (Фиг. 4). В этом случае участок отпуска перекрывает 2 участка полной и неполной закалки. С увеличенным времени паузы между локальными зонами упрочнения (Фиг. 3., участки б-в) расстояние - Δ_пр увеличивается, что приводит к возрастанию величины осцилляции твердости - ΔHV (Фиг. 5). При этом участок отпуска перекрывает только один участок полной закалки, т.е появляются участки со структурой неполной закалки (Фиг. 3., участок б). В том случае, когда участок отпуска перестает перекрывать участок полной закалки (с температурой нагрева выше A_c3(t)) формируется максимальная величина осцилляции ΔHV (Фиг. 3., участок в) в плоть до образования отдельных локальных зон термического влияния (Фиг. 6).With the option of forming a continuous hardened belt zone (Fig. 3, section a), the hardness distribution remains almost constant ΔHV≈0 (Fig. 4). In this case, the tempering section covers 2 sections of complete and incomplete hardening. With an increased pause time between local hardening zones (Fig. 3., sections b-c), the distance - Δ _CR increases, which leads to an increase in the magnitude of hardness oscillations - ΔHV (Fig. 5). In this case, the tempering section covers only one section of complete hardening, i.e., sections with an incomplete hardening structure appear (Fig. 3., section b). In the case when the tempering section ceases to overlap the complete hardening section (with a heating temperature above A _c3 (t)) the maximum oscillation value ΔHV is formed (Fig. 3., section c) up to the formation of separate local heat-affected zones (Fig. 6 ).

Таким образом, управляя перекрытием локальных зон термического влияния и ее циклов можно получать чередование свойств вдоль ленточной зоны упрочнения, а в конечном итоге приводит к чередованию свойств как в продольном так и поперечном сечениях ленточной зоны упрочнения, то есть к формированию триботехнического рисунка как на поверхности, так и в приповерхностных слоях колеса. Это приводит к снижению интенсивности изнашивания и увеличению долговечности, и срока службы.Thus, by controlling the overlap of local heat-affected zones and its cycles, it is possible to obtain an alternation of properties along the tape hardening zone, and ultimately leads to an alternation of properties both in the longitudinal and cross sections of the tape hardening zone, that is, to the formation of a tribotechnical pattern both on the surface, and in the near-surface layers of the wheel. This leads to a decrease in wear intensity and an increase in durability and service life.

Возможность использования предлагаемого технического решения проверяли путем проведения исследований на упрочненных железнодорожных колесах, изготавливаемых из стали марки 2. Оценивалось влияния параметров режима на чередование структуры в продольном сечении упрочненной зоны.The possibility of using the proposed technical solution was checked by conducting studies on hardened railway wheels made of grade 2 steel. The influence of the mode parameters on the alternation of the structure in the longitudinal section of the hardened zone was evaluated.

Для создания чередующих свойств ленточной зоны, имеющей большую и меньшую ширину/глубину, задавалось два блока импульсного тока различной величины, отличающиеся по времени, паузы и количеству импульсов, соответственно. Так, использован блок циклов первого тока I₁=4 750 А с временем импульса t_и1=0,14 секунды и временем паузы между импульсами t_п1=0,08 секунды с количеством импульсов N=10. После блока импульсов первого тока, задавался блок импульсов второго тока I₂=3500 А, t_и2=0,08 секунды и t_п2=0,10 секунды с количеством импульсов N=4. В результате металлографических исследований получено чередование свойств представленное на (Фиг. 5). Установлено, что размер ленточной зоны (большей и меньшей ширины/глубины) зависит не только, но и от параметров режима (скорости движения источника нагрева, величины тока времени импульса и паузы), но и от количества импульсов. Получены мелкодисперсные структуры как результат термоциклирования металла, что позволяет увеличивать совокупность всех механических свойств металла.To create the alternating properties of a band zone with a larger and smaller width/depth, two blocks of pulsed current of various sizes were set, differing in time, pause, and number of pulses, respectively. So, the block of cycles of the first current I ₁ =4 750 A was used with the pulse time t _i1 =0.14 seconds and the pause time between pulses t _p1 =0.08 seconds with the number of pulses N=10. After the block of impulses of the first current, the block of impulses of the second current I ₂ =3500 A, t _i2 =0.08 seconds and t _p2 =0.10 seconds was set with the number of impulses N=4. As a result of metallographic studies, the alternation of properties presented in (Fig. 5) was obtained. It has been established that the size of the band zone (greater and smaller width/depth) depends not only on the mode parameters (velocity of the heating source, the magnitude of the pulse and pause time current), but also on the number of pulses. Finely dispersed structures are obtained as a result of thermal cycling of the metal, which makes it possible to increase the totality of all mechanical properties of the metal.

Claims

A method for processing a railroad wheel flange, which includes thermal cycling by pulsed electrical contact processing by passing a pulsed current through an electrode pressed to the surface of the flange and a moving electrode to obtain hardened tape zones, characterized in that by repeatedly passing the pulsed current through the electrode pressed to the surface of the ridge and the moving electrode, overlapping of formed hardened tape zones with different values of hardness oscillations depending on the formed structure, moreover, the width and depth of the tape zone, as well as the step of overlapping of the tape zones, is controlled by changing the speed of the electrode, the current strength, the pulse time and the pause time.