Дюсенова Д.К. магистрант, Канаев А.Т., д.т.н., профессор

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина

Астана, Республика Казахстан

Исследование влияния режимов плазменной закалки на прокаливаемость и трещиностойкость бандажной стали

Плазменная поверхностная обработка является достаточно эффективным и производительным методом упрочнения стальных деталей с целью повышения их износостойкости. При этом нагрев под закалку осуществляется высокоэнтальпийной плазменной струей, стелящейся вдоль нагреваемой поверхности при встречном относительном перемещении детали. Нагретая зона охлаждается сразу при выходе из плазмы, в основном, за счет отвода тепла в тело массивной стальной детали и конвективного теплоотвода с поверхности.

На ремонтном локомотивном депо (г.Усть-Каменогорск) проведена серия экспериментов по исследованию влияния режимов плазменной закалки поверхностного слоя гребней на глубину упрочненной зоны и повышение трещиностойкости [1.2].

При этом плазменной закалке подвергались бандажи локомотивных колес, изготовленные из углеродистой стали марки 2, таблица 1 (ГОСТ Р 52366-2005)

Таблица 1 - Химический состав бандажной стали, (%)

№	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	V	Mo
1	0.610	0,820	0,370	0,014	0,020	0,042	0,053	0,012	0,024	˂ 0,005
2	0,620	0,820	0,400	0,015	0,016	0,042	0,053	0,009	0,030	˂ 0,005

Механические свойства бандажей ( таблица 2) в состоянии поставки (��, δ, Ψ по ГОСТ 1497 на образце диаметром 15 мм с расчетной длиной 60 мм; ударная вязкость- KCU на образцах типа 1 по ГОСТ 9454; твердость по Бринеллю - НВ по ГОСТ 9012 шариком диаметром 10 мм при нагрузке 29430 Н или 3000 кгс)

Таблица 2 - Механические свойства бандажей

№	��, Н/мм^2	δ, %	Ψ, %	KCU. Дж/см^2	HB на глубине 20 мм	HB гребня
1	1017	15,5	32	36	285	288
2	1044	14,5	31	35	295	300

При режиме плазменного упрочнения: сила тока 275А, напряжение электрической дуги 120 В, расход аргона 5л/мин, частота вращения колесной пары 0,143 об/мин., расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности 10 мм – определена глубина закаленной зоны.

Микротвердость на расстоянии 15-20 мкм от края образца составляет 8 ГПа, до глубины 1000 мкм находится на этом уровне и далее плавно снижается до 6 ГПа на глубине 2500 мкм.

Микротвердость исходной структуры колеблется в интервале 3,7- 4,1 ГПа.

Таким образом, глубина закаленной зоны (упрочненного слоя) вместе с зоной термического воздействия при данном режиме упрочнения составляет ~ 2500 мкм.

В ходе экспериментов установлено важное значение обеспечения равномерного прогрева по всей зоне контакта высокотемпературной струи с обрабатываемой поверхностью, который позволяет существенно улучшить прокаливаемость и трещиностойкость упрочненного слоя. Для этого необходимо обеспечить плавное нарастание процесса распространения теплоты, которое обуславливается зависимостью теплопроводности, теплоемкости и соответственно температуропроводности стали от температуры. Поскольку в тепловых процессах температуропроводность характеризует собой скорость изменения температуры, то чем больше температуропроводность, тем меньше температурная разность в отдельных точках внутри тела при одинаковых условиях нагревания и охлаждения. Для углеродистых сталей с повышением температуры теплопроводность уменьшается, а температуропроводность возрастает. Так, коэффициент теплопроводности углеродистой стали 60 ( аналог бандажной стали марки 2) с 68 Вт/(м ⁰С) при Т = 100 ⁰С уменьшается до 36 Вт/(м ⁰С) при 400 ⁰С. температуропроводность углеродистых сталей возрастает с 0,13 см²/с при Т=20⁰ С до 0.56 см²/с при Т=2200⁰ С. Это обстоятельство приводит к тому, что при резком интенсивном тепловом воздействии тонкие приповерхностные слои стали за очень короткое время прогреваются до высоких температур, ограничивают проникновение тепла во внутрь и перегреваются. Поэтому характер нарастания теплового потока через закаливаемую поверхность должен согласовываться с теплофизическими свойствами обрабатываемой стали [2.3].

Установлено, что за счет ориентации высокотемпературной струи под углом 30-60⁰ к обрабатываемой поверхности, изменения силы тока, скорости вращения колесной пары, а также при расстоянии от среза сопла до обрабатываемой поверхности, равном 10 мм, можно обеспечить увеличение доли тепла, передаваемой на нагрев материала и требуемый характер нарастания плотности теплового потока, обеспечивающий необходимую глубину закалки и повышение трещиностойкости (максимальное усилие разрушения). Влияние угла встречи струи с обрабатываемой поверхностью и скорости вращения колесной пары на глубину закаленной зоны гребней представлены в таблице 3

Таблица 3 - Зависимость глубины закалки от угла встречи струи и скорости вращения

№	Угол встречи струи с поверх- ностью, град.	Скорость вращения колесной пары, см/с	Глубина закалки, мм	Максималь- ное усилие разрушения, кН	Микротвер- дость на поверхности, ГПа
1	20	1,6	0,35	7,7	5,8
2	30	4,6	1,75	8,2	7,9
3	45	5,1	2,0	8,6	9.0
4	60	4,65	1,8	8,1	8,9
5	75	3,2	1,25	6,9	9,1
6	90	2,00	1,00	6,0	9,1

Плазменной закалке (упрочнению) подвергалась зона перехода от рабочей поверхности гребня к поверхности катания. Зона упрочнения начинается на расстоянии 2-3 мм от вершины гребня и имеет ширину 25-26 мм. Контроль качества упрочненного слоя на поверхности гребня на наличие трещин, пор, отслоений и др. дефектов производился внешним осмотром до и после упрочнения. Трещины и другие недопустимые дефекты при этом не обнаружены. В то же время следует отметить, что при промышленном внедрении технологии поверхностной плазменной закалки необходимо проводить дефектоскопию гребня бандажа. Параметры шероховатости поверхности гребня до плазменного упрочнения не определяются, поскольку считается, что требования к качеству поверхности бандажей соответствует требованиям ГОСТ 3225-80, ГОСТ 11018-87.

На рисунке 1 представлена макроструктура гребня бандажа локомотивного колеса после плазменной закалки вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями, при ширине упрочненного слоя 25 -26 мм, глубине упрочненного слоя до 2,0 - 2,5 мм.

Рисунок 1 - Макроструктура гребня бандажа, упрочненного плазменной закалкой

Как видно из рисунка 1, упрочненный слой распространяется по всей рабочей поверхности гребня (включая выкружку) и глубина его составляет 2,0-2,5 мм, что важно, так как упрочненный слой дольше сохраняется от обточки до обточки колеса при его эксплуатации. По-видимому, глубина упрочненного слоя, включая зону термического воздействия, 2,0 -2,5 мм и ее ширина 25-26 мм является оптимальной при принятом режиме упрочнения [4].

Литература

1. Kanayev A.T., Nekushev S.,Jusin V. Increasing the wear resistance of wheelset Flanges using the plasmatic quenching V111 International congress MACHINES,TECHNOLOGIES, MATERIALS 2011.Va r n a, Bulgaria, 2011, p.103-105

2.Kanayev A.T., Kanayev A. A. Plasma Surtace Hardening of Crests of Wteels of a Rolling Stocr. Materialy 1V Mezinarodnivedecko-praktickaconference VEDA TEORIE A PRAXE-2008, Praha, 2008, c.56-60

3.ЛыковА.К., РедькинЮ.Г., ГлибинаЛ.А. Различныеметодыплазменнойзакалки. Локомотив, 2000, №1, с.27-28

4.Канаев А.Т., Богомолов А.В., Сарсембаева Т.Е. Повышение износостойкости гребней колесных пар упрочнением плазменной закалкой. Международный научно – технический журнал «Сталь», 2012, № 6, стр.58 – 61