Термическая обработка железнодорожных колес

Железнодорожные колеса принадлежат к наиболее напряженным элементам железнодорожных транспортных средств. Они несут нагрузку до 25 тонн и более, направляют поезд по всем изгибам рельсового пути, подвергаясь износу при движении по рельсам. Колеса передают ускорения и замедления от  вагона к рельсам, испытывают термические напряжения при проскальзывании по рельсу и при торможении тормозными колодками.

Элементы железнодорожного колеса

Различные функциональные элементы колеса, такие как ступица, диск, обод или реборда (рисунок 1) выполняют различные задачи и поэтому имеют различные требования к механическим свойствам их материалов. Эти свойства зависят главным образом от химического состава колесной стали, режимов горячей деформационной обработки каждого элемента и – в значительно степени – от режима термической обработки элементов колеса.

zheleznodorozhnoe-kolesoРисунок 1 – Функциональные элементы железнодорожного колеса:
1 – ступица. 2 – диск, 3 – обод и 4 – реборда (гребень)

Стандарты на железнодорожные колеса

Железнодорожные колеса обычно изготавливают из нелегированных или низколегированных сталей повышенной степени чистоты. Ведущими национальными и международными стандартами, которые задают марки колесной стали и частично технологию изготовления колес являются следующие: UIC 812-3V, ГОСТ 10791, AAR M107 и EN 13262.

Требования к колесной стали Европейского стандарта EN 13262

Европейский стандарт EN 13262 определяет четыре марки стали, содержание углерода в которых не превышает 0,60 %; содержание марганца – до 0,80 % и кремния – до 0,40 %.

В зависимости от марки стали стандарт предъявляет различные требования к механическим свойствам колес, например:
1) Предел прочности обода при растяжении – от 780 до 1050 МПа.
2) Ударная вязкость обода – не менее 9 Дж для U-надреза при комнатной температуре.
3) Остаточные напряжения  — сжимающие напряжения в ободе готового колеса.
4) Прочность при растяжении диска – на 100-130 МПа ниже, чем в ободе.
5) Усталостная прочность механически обработанного диска – не менее 450 МПа при 107 циклах испытаний.

Микроструктура колесной стали

Микроструктура стали является тем «носителем», который определяет перечисленные выше механические свойства. Мелкозернистые стали с мелкодисперсной феррито-перлитной структурой обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств, износостойкости и термической устойчивости. Поэтому в Европе в железнодорожных колесах применяются преимущественно именно феррито-перлитные стали. В последние годы, правда, происходит интенсивное исследование бейнитных сталей с целью их применения в железнодорожных колесах.

Термическая обработка железнодорожных колес

Термическая обработка железнодорожных колес является важнейшей технологической операцией, которая обеспечивает им необходимые механические свойства. Практически для всех железнодорожных колес термическая обработка представляет собой процесс термического упрочнения обода. После аустенитизации при температуре около 900 °С быстрому охлаждению до температуры около 300 °С подвергается только обод. Обычно это производится с помощью воды. После окончания закалки обода диск и ступица находятся еще при температуре близкой к нижней критической температуре. Дальнейшее охлаждение колеса производится на воздухе, что обеспечивает ободу высокую прочность и сжимающие остаточные напряжения. Конечной операцией является отпуск всего колеса при температуре около 500 °С. Этот отпуск производится для снижения общего уровня остаточных напряжений, но без существенного изменения микроструктуры и механических свойств материала колеса.

Термокинетическая диаграмма превращения аустенита в колесной стали

На рисунке 2 представлена термокинетическая диаграмма превращения аустенита нелегированной стали с содержанием углерода около 0,50 %. Эта сталь хорошо соответствует типичной колесной стали по EN 13262.

zakalka-zheleznodorozhnogo-kolesaРисунок 2 — Термокинетическая диаграмма превращений аустенита нелегированной стали
с содержанием углерода около 0,50 % при различных режимах охлаждения (1, 2 и 3) и
соответствующие этим режимам типы микроструктуры стали.

На диаграмме рисунка 2 показаны три режима охлаждения стали и соответствующие этим режимам микроструктуры стали. Желательный режим охлаждения для закалки обода колеса находится где-то левее режима 2. Кривая охлаждения пересекает перлитную область с минимальной долей свободного феррита и не заходит в бейнитную и  мартенситную области.

Различные контролируемые скорости охлаждения в различных функциональных элементах колеса приводят к различным механическим свойствам. Это дает в принципе возможность управлять свойствами материала в элементах колеса с учетом будущих условий эксплуатации колеса.

Цель термобработки железнодорожного колеса

Главной целью термической обработки железнодорожного колеса является высокая однородность микроструктуры в ободе, причем, как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. Это необходимо для обеспечения равномерного износа поверхности катания и предотвращение образования некруглости колеса. Кроме того, сводятся к минимуму такие дефекты эксплуатации колес как усталостные повреждения поверхности катания.

Закалка обода железнодорожного колеса

Контролируемое охлаждение колеса является самым важным этапом их термической обработки. Именно на этом этапе формируется микроструктура и механические свойства, а, следовательно, и качество колеса.

Процесс закалки — ускоренного охлаждения — управляется путем варьирования:

  • охлаждающей средой,
  • расходом охлаждающей среды и
  • длительностью воздействия охлаждающей среды (рисунок 3).

Режим термической обработки колес должен обеспечивать:

  • выполнение заданных требований по механическим свойствам в ободе, диске и ступице колеса;
  • выполнение требований по типу микроструктуры в различных элементах колеса (например, чисто феррито-перлитная структура без каких-либо других структурных составляющих);
  • создание в ободе вблизи поверхности катания сжимающих тангенциальных (окружных) остаточных напряжений.

mashina-zakalki-zheleznodorozhnogo-kolesaРисунок 3 – Закалка железнодорожного колеса
в современной автоматической закалочной машине

Источник: AFT Advanced Forging Technology, Германия