Спосіб термічної обробки поверхні сталевих рейок

Спосіб термічної обробки поверхні сталевих рейок, який включає нагрів поверхні струменем енергетичного струму, встановлення швидкості 3 від джерела електронів до поверхні рейки, що не допускає при обробці оплавлення поверхні рейки та забезпечує потрібну твердість поверхні та структуру, яка забезпечує підвищену зносостійкість. Нагрів здійснюють шляхом дії електронного струменя у формі циліндру (стрічкова форма пучка); або скануванням електронного струменя у формі аксіального циліндру за декілька проходів променя, який здійснює повернено-поступальний рух, в результаті чого перекривається вся ширина поверхні кочення головки рейки. При обробці параметри роботи електронної гармати вибирають такими, щоб уникнути оплавлення поверхні. При оплавленні поверхні утворюється крупнокристалічний мартенсит, зменшується твердість і дефектність структури, що призводить до зниження довготривалості поверхні кочення. При цьому досягається велика швидкість охолодження 103-104°С/с за рахунок відведення тепла теплопровідністю в сусідні області металу. Параметрами електронного променя є струм променя І, прискорююча напруга U, струм фокусуючої системи Іф, робоча відстань (від центра фокусуючої системи до поверхні рейки) 1, швидкість переміщення електронного променя v, потужність пучка електронів q. Потужність пучка електронів q =IU. При заданій робочій відстані І, струму Іф та потужності можна визначити діаметр променя d, і як наслідок, питому потужність q (Вт/см2), яка є одним з визначальних параметрів процесу: U q 2 d / 4 Величина питомої потужності залежить від хімічного складу металу рейок і знаходиться в інтервалі 0,8-5 Дж/см2. Необхідну питому потужність вибирають такою, щоб за час дії електронного променя відбулось аустенітне та мартенситне перетворення, але було відсутнє оплавляння поверхні рейки. Спосіб реалізується на установці, що складається з вакуумного агрегату, що дозволяє отримати вакуум 1,3 -13 Па, шлюзової камери з вакуумом 1,3-13 Па, електронної гармати, що створює електронний промінь потрібних параметрів, та блоку електропостачання гармати. Обробка реалізується з використанням газорозрядної електронної гармати на основі ВГР, що може працювати умовах низького вакууму 1,3 -13 Па та з подачею реакційних газів (азот), вакуумної камери та шлюзової камери. Прискорююча напруга електронної гармати при обробці у низькому вакуумі U 20-100 кВ. Швидкість пересування рейки - 20-80 см/хв. встановлена експериментально. Потрібну густину струму в електронному пучку, необхідну для нагріву зразка до температури гартування, вибираємо зі співвідношення: a   ,  U де j - густина електричного струму, А/см2  - густина металу, г/см2 а - теплоємність металу, Дж/гград С - коефіцієнт температуропровідності металу, см2/с j  C 57676 4  - тривалість дії пучка електронів, с Т - температура гартування, °С U - прискорююча напруга, В  - множник, приблизно рівний 1. Технічним результатом корисної моделі, що пропонується, є використання енергії електронного пучка для підвищення якості зміцнення робочої поверхні рейок, які піддаються високим ударним навантаженням і інтенсивному зношенню, шляхом забезпечення високої твердості і зносостійкості. Вказаний технічний результат досягається тим, що в способі термічної обробки сталевих рейок, який включає нагрів сталевої поверхні спрямованою дією енергетичного струменя, в якості джерела струменя використовують потік електронів, генерований електронною гарматою. Велика швидкість нагрівання потоком електронів та швидкого відводу тепла сприяє утворенню особливо дрібного зерна мартенситу. Область термічного зміцнення складається з двох умовних зон - загартованої та перехідної. В результаті гальмування дифузійних процесів в зоні контакту з колесом та підвищення міцнісних характеристик приповерхневого шару зносостійкість рейок підвищується. Зростання зносостійкості також пов'язане з закріпленням дислокацій дрібнодисперсними карбідами та утворенням субмікроструктурних неоднорідностей карбідної фази. Переміщення рейки відносно пучка електронів, який здійснює скануючий повернено-поступальний рух відносно поверхні кочення рейки, дозволяє забезпечити необхідну рівномірну твердість поверхні кочення (згідно ГОСТ твердість термозміцнених рейок повинна складати 341-401 НВ), та збільшити зносостійкість поверхні кочення. Твердість зміцненої зони збільшується за рахунок утворення структури дрібнодисперсного голчастого мартенситу, підвищенню густини дислокацій, утворенню сприятливих стискаючих напружень у поверхневому шарі. Перехідний шар складається із структури трооститу і далі вихідного пластинчастого перліту. Вихідна структура головки рейки - сорбітовидний тонкопластинчастий перліт. Застосування способу, що пропонується, дозволяє підвищити твердість і зносостійкість металу поверхні рейки і досягнути економії енерговитрат, при низькій вартості обладнання і екологічній чистоті процесу. Перевагами способу термообробки, що пропонується, є високий коефіцієнт корисної дії процесу, висока поверхнева питома потужність, високі швидкості нагріву в зоні дії електронного променя, можливість точного дозування енергії в просторі і часі, пристосованість параметрів обробки до конкретного виробу. Електронно-променевий нагрів може сполучатися з іншими способами термічної обробки. Суть пропонованої корисної моделі способу термічної обробки сталевих рейок показана на Фіг. - схема вакуумної установки для електроннопроменевої обробки рейок. Схема містить газорозрядну електронну гармату 1, що працює в умовах низького вакууму, вакуумні затвори 2, шлюзові камери 3, вакуумні системи 4, вакуумний насос 5, робочу вакуумну камеру 6, рейку, що обробляється 7. Рейка пере 5 57676 сувається відносно джерела електронного пучка зі швидкістю 20-80 см/хв., швидкість пересування встановлена експериментально та дозволяє здійснити нагрів всієї потрібної поверхні рейки. Технологічна схема термічної обробки з метою підвищення поверхневої твердості та зносостійкості є наступною: 1. Очищення поверхні головки рейки. 2. Завантаження виробів в шлюзову камеру 3 крізь шлюзові затвори 2. 3. Відкачування вакууму за допомогою вакуумної системи 4 до робочого тиску в камері 6. 4. Виведення електронної гармати 1 на робочий режим. 5. Електронно-променева обробка поверхні головки рейки 7. 6. Вивантаження рейки у шлюзову камеру 3 крізь шлюзові затвори 2. Перевагами заявленого способу термічної обробки поверхні рейок є можливість здійснювати вплив електронного високоенергетичного струменя за допомогою газорозрядної електронної гармати у режимі низького вакууму й реалізовувати на основі цього способу різні варіанти модифікування поверхні металу, легування поверхні азотом та іншими реактивними газами та ін. Зниження вакууму призводить до спрощення вакуумного устаткування, скороченню часу технологічного процесу й зменшенню економічних витрат. Проведено дослідження двох зразків, вирізаних з поперечних темплетів гострякової рейки зі сталі М76В. Досліджували вплив електроннопроменевої обробки на механічні властивості М76В у вакуумній камері з застосуванням газорозрядної електронної гармати, у низькому вакуумі Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 6 1,33 Па при прискорюючій напрузі до 100 кВ. Зразки оброблені за однаковими режимами модифікації. При дослідженні на оптичному мікроскопі Neophot-21 виявлений загартований шар товщиною 0,2 мм з отриманням структури дрібноголчастого мартенситу. Перехідна зона, що складається з трооститних структур, переходить в зону вихідного гарячекатаного металу. Проводили механічні випробування властивостей металу рейки на стандартних зразках, вирізаних з оброблених темплетів рейки, та випробування на зношення металу зразка рейки. Ступінь зношення визначали методом утрати ваги - сумарної втрати ваги по всій поверхні тертя. Границя міцності 600-940 МПа Відносне подовження 9% Зношення 0,02 мг/м Твердість поверхневого шару 900-1000 HV. Твердість поверхневого шару за пропонованим способом перевищує твердість за прототипом (800-900 HV). Величина зношення є значно меншою, ніж немодифікованого рейкового металу (0,15-0,2 мг/м). Таким чином, електронно-променева модифікація поверхні зразків рейки дозволяє отримати високі механічні властивості та підвищену зносостійкість металу. Заявлена корисна модель підтверджена експериментами по модифікуванню поверхні сталевих виробів за допомогою газорозрядних електронних гармат і може бути багаторазово реалізованою в електронно-променевих технологічних процесах. Тому корисна модель відповідає критерію «промислова застосовність». Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601