автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Остряки стрелочных переводов из новой марки стали и упрочненные двухсторонней закалкой

На правах рукописи

<г,."3 од

¿.'■г

БОРЦ Алексей Игоревич

ОСТРЖИ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ ИЗ НОВОЙ МАРКИ СТАЛИ И УПРОЧНЕННЫЕ ДВУХСТОРОННЕЙ ЗАКАЛКОЙ

Специальность 05.16.0! Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ).

Научный руководитель доктор технических наук

Федин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Одесский Павел Дмитриевич кандидат технических наук Прокошкина Вера Георгиевна

Ведущее предприятие - Новосибирский стрелочный завод

ес>

Защита состоится 2000 г. в ' часов на заседании дис-

сертационного совета Д 114.01.04 при Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ГУП ВНИИЖТ) по адресу. 129851, Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10, Малый конференц - зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП ВНИИЖТ. Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан СТ711 " Л^^лгШ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 114.01.04,

кандидат технических наук ^^/¡¿¿¿..г- /с^А, __ Г.И. Пенькова

/-/-с ¿Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Анализ состояния стрелочного хозяйства на железных дорогах России показывает, что, ресурс эксплуатации остряков стрелочных переводов оказывается ниже нормативного.'

Анализ литературных данных по повреждаемости стрелочных переводов показывает, что при наработке среднесетевого нормативного тоннажа 320 млн. тонн брутто из главных и приемо-отправочных путей в порядке одиночной замены изымается 43,3 % стрелок. Наиболее распространенная причина изъятия стрелок связана с состоянием остряков. Около 65% остряков изымается по причине недостаточных прочностных свойств и несовершенства технологии изготовления.

Основными причинами снижения срока службы остряков являются: повышенный боковой износ, выгиб в процессе эксплуатации, контактно-усталостные выкрашивания в острой части и разрушения головки от продольных трещин на поверхности катания.

Интенсивность бокового износа на отдельных наиболее интенсивно эксплуатируемых стрелочных переводах достигает 10 мм/10 млн. тонн брутто (при норме 6-8 мм), а пропущенный до изъятия тоннаж составляет 12-22 млн. тонн брутто.

Низкие прочностные свойства и твердость поверхности катания остряков из серийной стали марки М73В (ГОСТ 9960) приводят к образованию гребнеобразного наплыва и его последующего выкрашивания в тонких сечениях головки остряка шириной 12-20 мм. По данным путеобследовательских станций образование подобного дефекта отмечается уже после пропуска 1520 млн. т .брутто. Срок службы остряков с указанной выше интенсивностью развития дефектов не превышает нескольких месяцев.

Остро стоит и проблема выгиба остряков в эксплуатации. Существующая технология термической обработки остряков - закалка сжатым воздухом с индукционным нагревом с предварительным упруго-пластическим изгибом и последующей холодной механической правкой приводит к короблению остряков в эксплуатации за счет неблагоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений, интенсивность которого возрастает под воздействием осевой нагрузки. Отмечены случаи коробления остряков, характеризующиеся неприлеганием подошвы остряка к стрелочным подушкам величиной до 14,5 мм при норме 1 мм.

Таким образом, прочностные свойства, износостойкость и сопротивление выгибу остряков не соответствуют современным требованиям эксплуатации, а работа по повышению их эксплуатационной стойкости является актуальной.

Цель работы:

Повышение стойкости остряков в части износа и выгиба в эксплуатации за счет внедрения новой марки стали и технологии двухсторонней индукционной поверхностной закалки без предварительного изгиба.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ повреждаемости остряков в эксплуатации, выявление наиболее массовых видов дефектов и причин их образования.

2. Теоретическое обоснование выбора двухсторонней индукционной закалки и легирования хромом как наиболее эффективных способов повышения эксплуатационной стойкости остряков.

3. Сравнительный анализ микроструктуры, прочностных свойств, износостойкости, прокаливаемости и циклической долговечности остряков из сталей марок 76ХСФ и М73В.

4. Моделирование технологии двухсторонней закалки на пробах остряков на опытной установке.

5. Исследование влияния двухсторонней закалки на механические свойства остряков, упрочненных на опытной установке.

6. Разработка промышленной технологии для реализации процесса двухсторонней закалки остряков без предварительного изгиба в производственных условиях стрелочных заводов.

7. Разработка нормативной документации на остряковые рельсы из стали 76ХСФ и на остряки, упрочненные двухсторонней поверхностной закалкой.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились путем моделирования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния в головке остряка при наличии трещины критической глубины в процессе одностороннего индукционного нагрева с изгибом и двухстороннего нагрева без изгиба. Расчет напряженно-деформированного состояния проводился с использованием ПЭВМ в системе программ "COSMOS".

Расчет прокаливаемое™ остряков из сталей 76ХСФ и \[73В при двухсторонней индукционной закалке проводился по специально разработанной методике, включающей расчет распределения скоростей охлаждения в головке и подошве остряка путем решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье конечно-разностным методом с использованием ПЭВМ и определение прокаливаемости стали на торцовых образцах по методу коэффициентов - делителей стандарта S АЕ J406 (США).

При проведении экспериментальных исследований использовались следующие методы: .метод спектрального анализа для определения химического состава стали на установке "Spectrolab S"; методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (ГОСТ 9012, ГОСТ 9013, ГОСТ 2999) для измерения твердости; определение механических свойств при разрыве стандартных цилиндрических образцов (ГОСТ 1497), ударной вязкости - при испытаниях на ударный

изгиб стандартных образцов (ГОСТ 9454); метод торцовой закалки для определения прокаливаемости стали (ГОСТ 5657); метод АБТМ Е 1245 для анализа неметаллических включений на анализаторе изображения "ЬЕСО"; метод Амслера для сравнительных испытаний на износостойкость; метод тен-зометрических датчиков для определения внутренних остаточных напряжений; испытания на циклическую долговечность полнопрофильных проб остряков по методу трехточечного изгиба при коэффициенте асимметрии цикла 0,1 и частоте нагружения 5 Гц.

Научная новизна работы

1. Дано теоретическое и практическое обоснование возможности развития поверхностных трещин при индукционном нагреве остряков с предварительным изгибом.

2. Разработана методика расчетной оценки прокаливаемости с учетом геометрических характеристик изделия и условий охлаждения.

2. Впервые показана эффективность применения рельсовой стали с содержанием хрома 0,35 - 0,55% для производства остряков без термического упрочнения.

3. Изучено влияние термической обработки на физико-механические свойства остряков из стали 76ХСФ и определены основные требования к процессу термической обработки остряков из этой стали.

4. Показана эффективность влияния двухсторонней поверхностной закалки на механические свойства, микроструктуру, внутренние остаточные напряжения в остряках из сталей 76ХСФ и М73В, обеспечивающая повышение их долговечности.

Практическая ценность работы

По результатам проведенных исследований разработаны и оформлены технические условия на остряковые рельсы из стали 76ХСФ и на остряки из

сталей 76ХСФ и М73В, упрочненные двухсторонней поверхностной закалкой.

Выпущена опытная партия остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения. Эксплуатационные испытания проводятся на ЗападноСибирской и Северной железных дорогах.

Разработана технология двухсторонней индукционной закалки остряков и основные требования к оборудованию для реализации этого процесса.

На участке термической обработки Новосибирского стрелочного завода (НСЗ) сооружена и запущена в эксплуатацию опытно-промышленная установка для двухсторонней индукционной закалки остряков.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на 4-ом Собрании металловедов России (г. Пенза, Приволжский Дом знаний, 1998 г.); на III

Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении - 2000" (г. Пенза, Приволжский Дом знаний, 2000 г.); на Конференции аспирантов и молодых ученых по проблемам железнодорожного транспорта (г. Щербинка, ВНИИЖТ, 2000 г.).

Разделы диссертационной работы ежегодно (1997 - 2000 г.г.) обсуждались на научно-технических совещаниях комплексного отделения Транспортного металловедения ВНИИЖТ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Оформлены технические условия на сталь для остряков и технологический процесс двухсторонней поверхностной закалки остряков.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 123 источников, приложения, изложена на 194 страницах, включая 47 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Анализ состояния вопроса

В настоящее время на НСЗ и ОАО "Муромский стрелочный завод" (ОАО "МСЗ") используется закалка поверхности катания остряков сжатым воздухом с индукционным нагревом с предварительным упруго-пластическим изгибом остряков головкой вверх. После остывания до температуры цеха остряк подвергается холодной механической правке на штемпельном прессе.

Данные о повреждаемости остряков и рельсов различных производителей показывают, что на остряках и рельсах, упрочненных по этой технологии (НСЗ, ОАО "МСЗ", "Азовсталь"), наблюдаются разрушения от поверхностных трещин, развившихся от металлургических дефектов на поверхности катания (типа волосовин) при индукционном нагреве с предварительным изгибом. Глубина таких трещин на поверхности катания достигает 3,0-4,8 мм. На объемно - закаленных рельсах производства ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат" (ОАО "КМК") и АО "Нижнетагильский металлургический комбинат" (АО "НТМК) разрушения от подобных дефектов не встречаются.

Проведенный в работе расчет напряженно-деформированного состояния остряка при индукционном нагреве с выгибом показал, что в процессе нагрева в поверхностных слоях головки остряка формируются растягивающие напряжения величиной до 770 МПа (420 МПа от изгиба, 350 МПа от индукционного нагрева). Превышая величины предела текучести всех используемых для производства остряков марок сталей, составляющие 560 МПа для стали М73В, 600 МПа для стали М76В и 760 МПа для стали

76ХСФ, указанные напряжения приводят к раскрытию и углублению поверхностных трещин.

В работе показано, что индукционная закалка с выгибом, не обеспечивая необходимой прямолинейности остряков, вынуждает прибегать к последующей механической правке на штемпельном прессе, приводящей к образованию внутренних остаточных растягивающих напряжений в головке или подошве. Подобное распределение внутренних остаточных напряжений приводит к короблению остряков в эксплуатации.

Проведенными в работе исследованиями показано, что применяемая в настоящее время для производства остряков сталь М73В (ГОСТ 9960) не обеспечивает необходимой для эксплуатации твердости поверхности, глубины упрочненного слоя и прочностных свойств по сечению остряков. Это обуславливает интенсивный боковой износ остряков в эксплуатации и образование выкрашиваний в строганной части остряков. По данным путеобследова-тельских станций выкрашивания глубиной свыше 5 мм в сечениях головки шириной 12-20 мм образуются уже после пропуска 15-30 млн. т. брутто.

Анализ технологий производства рельсов основными зарубежными производителями показал, что ведущие предприятия Франции, Германии. Японии, Канады используют для производства рельсов низколегированные стали в частности стали с содержанием хрома до 0,5 - 0,6 %, обладающие повышенными прочностными характеристиками и прокаливаемостью.

Изучение различных вариантов индукционной поверхностной закалки показало, что для получения прямолинейного остряка закалку необходимо проводить по схеме двухстороннего непрерывно-последовательного индукционного нагрева и охлаждения сжатым воздухом, обеспечивающей компенсацию термических напряжений и уменьшение деформации.

Расчет напряженно-деформированного состояния в головке остряка с использованием метода конечных элементов при двухстороннем нагреве по-

казал, что растягивающие напряжения в головке при нагреве составляют около 300 МПа, что не способствует развитию поверхностных трещин.

По результатам проведенных исследований для повышения эксплуатационной стойкости остряков были предложены два технологических варианта:

1. Производство остряков из низколегированной стали марки 76ХСФ без дополнительного термического упрочнения.

2. Двухсторонняя непрерывно-последовательная индукционная закалка остряков из различных рельсовых сталей.

В табл. 1 приведены марочные и плавочные составы сталей 76ХСФ и М73В, используемых при проведении исследований в данной работе.

3. Сравнительные исследования физико-механических свойств остряков из сталей 76ХСФ и М73В

Комплекс сравнительных исследований остряков из опытной стали 76ХСФ и серийной М73В включал в себя:

- определение прокаливаемости экспериментальным и расчетным методом;

- определение механических свойств;

- исследования микроструктуры;

- анализ неметаллических включений в сталях;

- сравнительные испытания на износ;

- испытания циклической долговечности.

Предварительно был проведен анализ возможности увеличения толщины закаленного слоя в остряках из серийной стали за счет повышения температуры нагрева под закалку с 850 до 1050 °С.

Проведенные исследования показали, что изменение режима термической обработки остряков из стали М73В не может привести к значительному и равномерному по всей длине остряка повышению твердости поверхности,

Таблица 1

Химический состав сталей 76ХСФ и М73В

| Марка Вариант стали состава Содержание основных элементов, масс. %

С Мп Б! Б Р Сг V

76ХСФ ТУ 09210381124328-96 0,69 0,80 0,70 1,00 0.50 0,70 <0,030 <0,025 0,35 0,55 0,05 0,09

фактический 0,76 0,74 0,54 0,011 0,017 0,48 0,07

ГОСТ9960 0,67 0,78 0,70 1,00 0,50 0,70 0,040 0,035 - 0,03 0,06

М73В фактический 0,70 0,96 0,37 0,025 0,012 0.06 1 0,04 ! 1 |

толщины и прочностных свойств закаленного слоя по причине недостаточной прокаливаемости этой стали. При этом в упрочненном слое наблюдалось ухудшение микроструктуры: увеличение размера зерна с №9 по №4 стандартной шкалы ГОСТ 5639; образование видманштеттова феррита вследствие перегрева.

Экспериментальное определение прокаливаемости по методу торцовой

закалки показало, что прокаливаемость стали 76ХСФ, оцененная по твердости полумартенситной зоны (НК.С 53), составляет 8-10 мм против 5-6 мм для стали М73В, то есть превышение составляет 1,6 раза.

Расчетная оценка прокаливаемости остряков из сталей 76ХСФ и М73В в условиях двухстороннего закалочного охлаждения сжатым воздухом была выполнена по разработанной методике, включавшей в себя моделирование тепловых процессов охлаждения на теплотехнических моделях: цилиндре диаметром 64 мм (головка остряка) и пластине толщиной 20 мм (подошва остряка); расчет распределения скоростей охлаждения и твердости по длине торцового образца методом коэффициентов-делителей стандарта SAE J406 (США) и построение распределения твердости на различном расстоянии от поверхности по сечению цилиндра (головки остряка) и пластины (подошвы остряка) на основе сопоставления полученных на предыдущих этапах расчета данных. Результаты расчета показали, что при переходе к стали 76ХСФ глубина упрочненного слоя в головке увеличивается на 57% и составляет 11 мм против 7 мм для стали М73В. В подошве глубина упрочненного слоя возрастает на 67% и составляет 5 мм против 3 мм для стали М73В. Твердость на поверхности катания остряка составляет HRC 42 для стали 76ХСФ и HRC 39 для стали М73В; твердость на поверхности подошвы — HRC 39 для стали 76ХСФ и HRC 37 для стали М73В.

Основные исходные данные для расчета были приняты следующими: расчет проводился в интервале температур 720 - 550 °С; значения коэффициента теплоотдачи для охлаждения потоками воздуха — 750 и 500 Вт/(м2-К) для головки и подошвы, соответственно; коэффициент температуропроводности стали 0,044 см^/с, коэффициент теплопроводности 23,2 Вт/(м-К).

По результатам сравнительного исследования прокаливаемости сталей 76ХСФ и М73В была проведена корректировка режима закалки остряков из стали 76ХСФ. Во избежание образования участков мартенсита в закаленном слое давление охлаждающего воздуха было снижено с 0,40 МПа до 0,20 - 0,05 МПа в зависимости от изменения ширины сечения головки по длине остряка.

Результаты испытаний механических свойств в зонах поверхностей катания остряков из различных сталей представлены в табл. 2.

Анализ данных показывает, что значения прочности и твердости остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения сопоставимы с аналогичными значениями для остряков из серийной марки стали, упрочненных

Таблица 2

Механические свойства опытных и серийных остряков

Марки стали, термическая обработка ст„, МПа о0.2, МПа §5> % % кси. МДж/м2 Твердость на поверхности катания, НВ

76ХСФ, индукционная закалка 1170 835 6,4 18,1 0,12 400-410

76ХСФ, без термообработки 1100 765 5,8 16,5 0,10 350-370

М73В, индукционная закалка ¡142 795 11,0 40,9 0,31 340-370

М73В, без термообработки ] 963 560 8,3 24,3 „ 0,15 _ 260-280

Примечание. В табл. приведены средние значения механических свойств по результатам 10 испытаний для каждого варианта. Образцы изготавливали из головок остряков на расстоянии 8 мм от поверхности катания вдоль направления прокатки.

индукционной закалкой, и превосходят свойства серийных остряков без термообработки (на 32-34 % по поверхностной твердости, на 14 % по временному сопротивлению, на 39 % по пределу текучести). Это послужило основанием для проведения эксплуатационных испытаний остряков из стали 76ХСФ без термической обработки в одинаковых с серийными термообработанными остряками условиях эксплуатации.

Результаты измерения твердости по сечению головок остряков из сталей 76ХСФ и М73В, представленные на рис. 1, показывают в закаленных остряках увеличение глубины упрочненного слоя с 7 мм (для остряков из стали М73В) до 13 мм (для остряков из стали 76ХСФ) и повышение

450 400 о 350

V"

С зоо

200 150

О 5 10 15 20 25

Расстояние от поверхности катания, мм

Рис. 1. Распределение твердости в головке остряков:

1 - сталь 76ХСФ, индукционная закалка;

2 - сталь М73В, индукционная закалка;

3 - сталь 76ХСФ, без термообработки;

4 - сталь М73В, без термообработки

максимальной твердости на поверхности катания с 373 до 415 НУю в остряках из сталей М73В и 76ХСФ, соответственно.

В пределах упрочненного слоя головки (до 13 мм от поверхности катания) структура металла остряка из стали 76ХСФ представляет собой троосто-

сорбит закалки (микротвердость Н50=3970-4395 МПа). В закаленном слое головки остряка из стали М73В структура представлена сорбитом закалки " (микротвердость Н50=3300-3700 МПа). - ____________________

Структуры переходной зоны и сердцевины для двух марок сталей практически однотипны: грубодисперсньш сорбит с участками перлита в переходной зоне и пластинчатый перлит в сердцевине.

Исследование тонкого строения микроструктур опытных и серийных остряков проводили с использованием РЭМ системы «СатеЬах» при увеличениях х4000 и х 10000. Результаты исследования показали, что при идентичности морфологии исследованных структур, наблюдаются отличия в их дисперсности. Так средняя величина межпластиночного расстояния в пределах упрочненного слоя для стали 76ХСФ составляет 0,15 мкм, а для стали М73В - 0,2 мкм. Межпластиночное расстояние в перлите сердцевины составляет 0,3 мкм для стали 76ХСФ и 0,4 мкм для стали М73В.

Получение в хромистой стали более тонкодиеперсртой структуры объясняется закономерностями влияния хрома на кинетику диффузионного распада аустенита. Увеличивая устойчивость переохлажденного аустенита, хром способствует снижению температуры перлитного превращения, что и приводит к получению феррито-цементитной смеси с большей степенью дисперсности

Анализ загрязненности неметаллическими включениями сталей марок

М73В и 76ХСФ, проведенный по методу АБТМ Е 1245 на анализаторе изображения 1А - 3001 фирмы "ЬЕСО" на 112 полях зрения при площади поля зрения 640000 мкм2, показал, что по степени загрязненности неметаллическими включениями сталь 76ХСФ, выплавленная в электрояуговой печи на ОАО "КМК", характеризуется более низким качеством, чем сталь серийной марки, выплавленная мартеновским способом. Так загрязненность стали 76ХСФ, оцененная по средней суммарной площади, занимаемой включениями данного типа, превышает загрязненность стали М73В: по сульфидам в

1,36 раза; по оксисульфидам в 26 раз; по глобулярным оксидам в 2 раза. Только по оксидам алюминия загрязненность стали 76ХСФ ниже по сравнению со сталью М73В в 1,7 раза.

Результаты сравнительные испытания на износостойкость по методу Амслера на роликах из стали М73В с твердостью НЛС 37, роликах из стали 76ХСФ с твердостью НЯС 37 и 44 и контрроликах из колесной стали с твердостью НВ.С 32 при продольном проскальзывании 10%, угле разворота роликов 0°, нагрузке 950 Н (давление в контакте 595 МПа) и скорости вращения 500 об/мин представлены на рис. 2.

0,7 0,6 0,5 0,4

о

0

1 0,3 0,2 0,1

О

0 20 40 60 80

Количество оборотов, тыс.

Рис. 2. Результаты испытаний на износ роликов:

1-сталь М73В (ШС 37);

2 - сталь 76ХСФ (ШС 37);

3-сталь 76ХСФ (НЯС 44) Видно, что в рамках проведенного эксперимента износостойкость образцов остряков из стали 76ХСФ без термической обработки примерно оди-

накова с износостойкостью образцов остряков из стали М73В после индукционной закалки (ролики с твердостью Ш1С 37). Это подтвердило целесообразность проведения эксплуатационных испытаний остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения.

Испытания по оценке циклической долговечности проводили по схеме трехточечного изгиба при нагрузке 300 кН/ссчение при расстоянии между опорами один метр на полнопрофильных пробах остряков. Испытывали остряки: из стати 76ХСФ без термической обработки (образец №1); из стали 76ХСФ, закаленный по стандартному режиму (РВОзл=0,4 МПа) (№2); из стали 76ХСФ, закаленный по скорректированному режиму (Р„ш= 0,20 МПа) (№3;: из стали М73В, закаленный по стандартному режиму (РВ01Д= 0,4 МПа) (№4). Значения циклической долговечности составили: для образца №1 - 71 тыс., №2 - 161 тыс., №3 - 162 тыс., №4 - 145 тыс циклов нагружения. Наибольшей циклической долговечностью при заданном уровне нагрузки характеризуются остряки из стали 76ХСФ, подвергнутые термической обработке.

Количество циклов до разрушения образцов закаленных остряков из стали 76ХСФ на 12% превысило значение для остряков, изготовленных по серийной технологии. Однако при анализе изломов остряков было обнаружено расслоение между закаленным слоем и сердцевиной, которое, явившись концентратором напряжений, привело к развитию усталостной трещины в головке. Наличие данного расслоения показывает, что индукционная закатка с выгибом не применима к острякам из стали 76ХСФ.

Проведенные исследования показали перспективность применения остряков из стали 76ХСФ без термической обработки. Показан высокий уровень прочностных свойств и износостойкости остряков из стали 76ХСФ после индукционной закалки. Однако односторонняя закатка с предварительным упруго-пластическим выгибом не применима к острякам из стали 76ХСФ, так как приводит к образованию расслоения между закаленным слоем и сердцевиной.

4. Моделирование технологии двухсторонней закалки остряков

Моделирование технологии двухсторонней закалки проводили на специальном стенде, разработанном на базе установки по упрочнению сварных стыков стрелочных переводов. Для этого существующая установка была дополнительно оснащена спрейером для охлаждения сжатым воздухом подошвы остряка с возможностью автономного регулирования давления воздуха со стороны головки и подошвы. Нагрев проб остряков длиной 1,2-1,5 м осуществлялся пятивитковым индуктором. Температура нагреваемой поверхности головки и подошвы составила 850 - 900 °С. Питание осуществлялось от одного машинного генератора при напряжении генератора 800 В, мощности 160 кВт и частоте тока 2400 Гц. Индуктор был подключен к вторичной обмотке трансформатора с коэффициентом трансформации Ктр=6. Скорость движения образцов через индуктор составляла 5-6 мм/с. В процессе нагрева и охлаждения коробление образцов обнаружено не было.

Результаты исследования механических свойств остряков после двухсторонней закалки показали, что в головке и подошве остряка реализуется градиент твердости и прочностных свойств. Распределение твердости в головке и подошве образцов остряков из сталей 76ХСФ и М73В представлено на рис. 3. Анализ данных показывает, что в подошве остряков сформировался упрочненный слой толщиной 6 мм для стали 76ХСФ и 4 мм для стали М73В со структурой сорбита закалки. Микроструктура в упрочненном слое головок остряков из сталей 76ХСФ и М73В представляет собой троостосорбит и сорбит закалки, соответственно. Коробления проб остряков длиной 1,2-1,5 м после опытной закалки не обнаружено.

Исследование внутренних остаточных напряжений в остряках из сталей 76ХСФ и М73В после закалки по серийной технологии и двухсторонней закалки без выгиба проводили методом вырезки темплета с предварительно

наклеенными тензометрическими датчиками марки 2 ПКБ-10.100 В с электросопротивлением R=99,70-99,99 Ом.

В результате исследования было установлено, что после двухсторонней закалки на опытной установке получены напряжения сжатия в головке и подошве остряка величиной 100-150 МПа, в то время как типичная эпюра

450

400

5 350

>

X

¡3 300

о

а

ф

о 250

200

150

0 5 10 15 20 25

Расстояние, мм

1

щ? 'aíü4

хС Л ^^^ ' к. 3 •- - - "

4 "' п i

Рис. 3. Распределение твердости в головке и подошве остряков:

1 - головка остряка, сталь 76ХСФ;

2 - подошва остряка, сталь 76ХСФ;

3 - головка остряка, сталь М73В;

4 - подошва остряка, сталь М73В

внутренних остаточных напряжений при закалке с выгибом характеризуется наличием растягивающих напряжений (до 120 МПа) в подошве.

Получение благоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений после двухсторонней закалки (сжатие в головке и подошве до 100-150 МПа)

является фактором повышения циклической долговечности опытных остряков.

5. Промышленное внедрение стали 76ХСФ и двухстороннего поверхностного упрочнения остряков

По результатам проведенных исследований на остряковые рельсы из стали 76ХСФ разработаны технические условия № 0921-038-01124328-96 «Рельсы остряковые».

НСЗ изготовил опытную партию остряков типа Р65 длиной 8300 мм из стали 76ХСФ. Два остряка из опытной партии, упрочненные индукционной закалкой с выгибом по скорректированному режиму, были уложены на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ (ЭК ВНИИЖТ). При испытаниях движение осуществлялось в пошерстном направлении. Средние статические осевые нагрузки подвижного состава составляли 270 кН на ось, скорость движения опытного поезда 70 км/ч.

После пропуска 31, 4 млн. т. брутто (при среднесетевом нормативе 320 млн. т. брутто) один остряк вышел из строя по причине образования трещины в головке и шейке. После пропуска 58,3 млн. т. брутто второй опытный остряк был изъят по причине образования выкрашивания закаленного слоя в корневой зоне, размеры которого на момент изъятия достигли предельно допустимых значений. Проведенные лабораторные исследования показали, что основными причинами образования указанных дефектов послужили: низкое металлургическое качество стали (наличие в очаге разрушения неметаллических включений, обогащенных кремнием, кальцием и алюминием) и расслоение между закаленным слоем и неупрочненной сердцевиной, обусловленное выгибом остряков перед закалкой и последующей механической правкой, создающей неблагоприятную эпюру внутренних остаточных напряжений.

Последнее обстоятельство говорит о том, что для остряков из стали 76ХСФ односторонняя индукционная закалка с выгибом не применима.

Для оценки эксплуатационной стойкости- остряков из стали , марки 76ХСФ без термического упрочнения проводятся сравнительные эксплуатационные испытания на Западно-Сибирской и Северной железных дорогах. Твердость опытных остряков составляет НВ 350-370.

Основными критериями оценки уровня потребительских свойств остряков являются их долговечность и надежность. В процессе испытаний проверяются износостойкость (замеры ширины головки остряков з контрольных сечениях 20, 50 и 68,4 мм) и сопротивление выгибу (замеры величины неприлегания подошвы остряков к стрелочным подушкам). Для сравнительной оценки используются серийные остряки из стали М73В, подвергнутые индукционной закалке с выгибом, эксплуатирующиеся в одинаковых с опытными остряками условиях.

Предварительные результаты эксплуатационных испытаний опытных остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения показывают, что преимущество по интенсивности износа составляет в среднем 36%. Анализ неприлегания подошвы опытных остряков к подушкам стрелочных переводов не зафиксировал вертикального выгиба опытных остряков в эксплуатации, что обусловлено высоким уровнем прочностных свойств по сечению остряков из стали 76ХСФ и менее жесткими режимами правки за счет отказа от закалки с выгибом. Образование выкрашивания в строганной части остряков с шириной сечения головки 12-20 мм происходит как на опытных, так и на серийных остряках. Глубина выкрашивания достигает 4-7 мм, длина выкрашивания 200 - 340 мм. Отсутствие значительного повышения контактно-усталостной прочности опытных остряков обусловлено низким металлургическим качеством стали 76ХСФ. повышенной загрязненностью стали 76ХСФ неметаллическими включениями по сравнению со сталыо М73В.

Среднее повышение эксплуатационной стойкости опытных остряков составляет 20 %.

По результатам проведенных исследований и разработки технологических основ двухстороннего поверхностного упрочнения на остряки из сталей марок М73В и 76ХСФ, упрочненные двухсторонней закалкой, разработаны и оформлены технические условия № 1132-075-01124328-98 «Остряки для стрелок, упрочненные двухсторонней закалкой с нагрева токами высокой частоты»; совместно с УралНИТИ разработана конструкторская документация на установку для двухсторонней индукционной закалки остряков, получен патент на новый способ термической обработки остряков и устройство для его осуществления.

Основными технологическими узлами оборудования для двухсторонней закалки служат приводная тележка для подачи остряка в зону закалки и пост двухстороннего индукционного нагрева остряков под закалку в потоке сжатого воздуха.

Пост двухстороннего нагрева остряка включает два оппозиционно расположенных контурных индуктора для нагрева головки и подошвы рельса. Индуктор для нагрева подошвы остряка подключен к вторичной обмотке трансформатора. Для охлаждения сжатым воздухом поверхности головки и подошвы используются оппозиционно расположенные спрейерные устройства.

По разработанной конструкторской документации изготовлена и смонтирована на НСЗ опытно-промышленная установка для двухсторонней закалки остряков. Проведена отработка режима термического упрочнения по новой технологии. Изготовлены опытные остряки для проведения полигонных испытаний на ЭК ВНИИЖТ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ повреждаемости остряков в эксплуатации, показавший, что основными видами повреждений остряков являются боковой износ, выгиб и образование выкрашивания в острой части.

2. Установлено, что используемая в настоящее время технология индукционной закалки остряков с выгибом не обеспечивает их прямолинейности. Последующая механическая правка приводит к формированию неблагоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений (растягивающие напряжения подошве остряка до 150 МПа), способствующей выгибу остряков в эксплуатации.

3. Выполнена расчетная оценка возможности развития поверхностных трещин в головках остряков при индукционной закалке с выгибом. Показано, что в процессе нагрева в поверхностном слое головки остряка создаются растягивающие напряжения, общий уровень которых достигает 770 МПа (420 МПа от механического изгиба, 350 МПа от действия температурного поля). Данные напряжения превышают предел текучести всех используемых марок сталей (М73В - 560 МПа, М76В - 600 МПа, 76ХСФ - 760 МПа) и способствуют развитию трещин в головке остряка от имеющих место на поверхности катания волосовин.

При двухстороннем индукционном нагреве под закалку без выгиба величина растягивающих напряжений в поверхностном слое головки в зоне нагрева не превышает 300 МПа, что устраняет фактор развития поверхностных трещин от волосовин.

4.Установлено, что для повышения стойкости остряков против износа и выгиба необходимо увеличение глубины закаленного слоя в головке, твердости и прочностных свойств по сечению изделия. Этого не удалось достичь

путем увеличения температуры закалки с 850 до 1050 °С ввиду недостаточной прокаливаемости стали М73В и фактической выработки ресурса ее упрочнения в рамках существующей технологии термообработки.

5. Обоснована и доказана экспериментально перспективность изготовления остряков из легированной стали 76ХСФ с содержанием хрома 0,35 -0,55 %, характеризующейся по сравнению со сталью М73В повышением прокаливаемости на торцовых образцах в 1,6 раза; увеличением глубины упрочненного слоя в головке остряков с 7 до 13 мм; повышением временного сопротивления, предела текучести и твердости поверхности, соответственно на 5, 5 и 17 % для термически упрочненных остряков (в сравнении с закаленными серийными остряками) и на 14, 39 и 34 % для нетермообработанных

' остряков (в сравнении с остряками из стали М73В без термобработки). При этом уровень указанных свойств для остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения и закаленных остряков из стали М73В весьма близок, что делает перспективным применение остряков из 76ХСФ без термической обработки.

6. Эксплуатационные испытания остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения на Западно-Сибирской и Северной железных дорогах показали их преимущество в сравнении с серийными остряками по интенсивности износа на 36 % и по сопротивлению выгибу на 50%, вследствие более высокого уровня прочностных свойств по сечению. Низкое металлургическое качество стали 76ХСФ не позволило обеспечить высокое сопротивление контактно-усталостным дефектам.

7. В результате стендовых и полигонных испытаний остряков из стали 76ХСФ, упрочненных по серийной технологии, установлено, что индукционная закалка с выгибом не может быть рекомендована вследствие образования расслоения между закаленным слоем и сердцевиной в головке остряка.

8. Сформулированы следующие основные принципы технологии термической обработки остряков из стали 76ХСФ:

- закалка остряков может осуществляться только по схеме двухстороннего индукционного нагрева и охлаждения; - давление в-системе-подачи- охлаждающего воздуха при закалке должно регулироваться в пределах 0,20-0,05 МПа в зависимости от уменьшения ширины сечения головки.

9. Разработана новая производственная технология закалки остряков, исключающая операцию упруго-пластического выгиба и ее отрицательные последствия за счет двухстороннего нагрева и охлаждения остряка, обеспечивающих компенсацию термических напряжений и деформаций и сохраняющих его прямолинейность. Показано, что предлагаемая технология обеспечивает прямолинейность остряков на выходе и наличие внутренних остаточных напряжений сжатия в головке и подошве остряка до 150 МПа.

10. Разработаны и оформлены технические условия на остряки из стали 76ХСФ без термической обработки и упрочненные двухсторонней закалкой.

12. На Новосибирском стрелочном заводе смонтирована опытно-промышленная установка по двухсторонней закалке остряков, выполнена отработка технологического режима, изготовлены остряки для проведения полигонных испытаний на ЭК ВНИИЖТ.

Применение для остряков новой марки стали и технологии двухсторонней закалки одобрены Департаментом пути и сооружений (письмо Л« ЦПТ-9/51 от 04.11.98) и Межведомственной рельсовой комиссией (г. Новосибирск, 1997 г.)

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Борц А.И., Федин В.М. Влияние легирования хромом на механические свойства остряков стрелочных переводов // 4-е Собрание металловедов России. Сб. материалов. Ч II. - Пенза, 1998. - С. 32 - 33.

2. Борц А.И., Федин В.М. Двухсторонняя закалка как средство повышения прочностных свойств и улучшения технологии производства остряков

стрелочных переводов// 4-е Собрание металловедов России. Сб. материалов. Ч И. - Пенза, 1998. - С. 48 - 49.

3. Борц А.И. Легирование хромом как средство повышения эксплуатационной стойкости остряков стрелочных переводов // Проблемы железнодорожного транспорта. - М,1999.-С.13-18.

4. Борц А.И., Кривоногов В.Г. Математическая оценка возможности развития поверхностных трещин при термической обработке остряков // Проблемы железнодорожного транспорта. - М, 1999. - С. 4 - 8.

5. Комплексная методика оценки прокаливаемости применительно к рельсовым маркам стали / Б.К. Ушаков, В.М. Федин, А.И. Борц // Тезисы докладов конф. аспирантов и молодых ученых по проблемам железнодорожного транспорта. - М.: ГУП ВНИИЖТ, 2000. - С. 23 - 24.

6. Федин В.М., Борц А.И. Остряки стрелочных переводов: перспективы повышения срока службы // III Всероссийская научн. - практ. конф. Современные технологии в машиностроении - 2000. Сб. материалов. ЧII. - Пенза, 2000.-С. 185- 187.

7. Ермаков В.М., Федин В.М, Борц А.И. Оценка качества и совершенствование элементов верхнего строения пути // Путь и путевое хозяйство, №3,2000, С. 20-23.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ОСТРЯКОВ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ И РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ОСТРЯКОВ.

1.1 Анализ повреждаемости и причины недостаточной стойкости остряков в эксплуатации.

1.1.1 Основные аспекты эксплуатации и повреждаемость остряков.

1.1.2 Особенности серийной технологии производства остряков и связанные с ней дефекты.

1.2 Метод индукционной поверхностной закалки как технология упрочнения рельсов и остряков стрелочных переводов.

1.2.1 Основные особенности и общие принципы метода индукционной поверхностной закалки и ее влияние на свойства закаленной стали.

1.2.2 Упрочнение железнодорожных рельсов и остряков стрелочных переводов с индукционным нагревом. Принцип двухстороннего термического упрочнения рельсов.

1.3 Предпосылки и принципы разработки нового состава стали для остряков.

1.3.1 Общие принципы легирования. Влияние различных легирующих элементов на физико-механические свойства углеродистой стали.

1.3.2 Предпосылки применения низколегированных рельсовых сталей.

Выводы.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Исследуемые марки стали.

2.2 Определение химического состава сталей.

2.3 Исследование макро- и микроструктуры.

2.4 Исследование твердости.

2.5 Определение механических свойств и ударной вязкости.

2.6 Определение прокаливаемости сталей различных марок.

2.6.1 Экспериментальный метод определения прокаливаемости сталей.

2.6.2 Расчетная методика определения прокаливаемости сталей.

2.7 Исследование неметаллических включений в сталях 76ХСФ и М73В.

2.8 Испытание на износостойкость.

2.9 Определение внутренних остаточных напряжений.

2.10 Математическая оценка напряженного состояния в головке остряка.

2.11 Испытания на циклическую долговечность.

2.12 Статистическая обработка экспериментальных данных.

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСТРЯКОВ ИЗ СТАЛЕЙ МАРОК 76ХСФ И М73В.

3.1 Анализ возможности повышения толщины закаленного слоя на стали М73В.

3.2 Прокаливаемость остряков из сталей марок 76ХСФ и М73В.

3.2.1 Экспериментальное определение прокаливаемости.

3.2.2 Оценка прокаливаемости расчетным методом.

3.3 Механические свойства остряков из сталей марок 76ХСФ и

М73В.

3.4 Макро- и микроструктура остряков из сталей марок 76ХСФ и М73В.

3.5 Исследование неметаллических включений в сталях М73В и 76ХСФ.

3.6 Сравнительные испытания на износ.

3.7 Испытания на циклическую долговечность.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ДВУХСТОРОННЕГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ОСТРЯКОВ.

4.1 Обоснование необходимости внедрения двухстороннего термического упрочнения остряков.

4.1.1 Математическая оценка возможности развития поверхностных трещин при термической обработке остряков по различным технологиям.

4.1.2 Металлографическое исследование поверхностных дефектов остряков после индукционной закалки с выгибом.

4.2 Моделирование технологии двухстороннего термического упрочнения остряков и результаты испытаний.

Выводы.

5. РАБОТЫ ПО ПРОМЫШЛЕННОМУ ВНЕДРЕНИЮ СТАЛИ 76ХСФ И ТЕХНОЛОГИИ ДВУХСТОРОННЕГО ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ОСТРЯКОВ.

5.1 Сравнительные полигонные и эксплуатационные испытания остряков из сталей 76ХСФ и М73В.

5.2 Работы по внедрению двухстороннего термического упрочнения остряков.

Выводы.

В техническом комплексе путевого хозяйства стрелочные переводы представляют собой ответственную, сложную и дорогостоящую часть верхнего строения пути. Повышение эффективности эксплуатации стрелочных переводов является одним из важнейших факторов, лежащих в основе нормального, соответствующего современному уровню технико-экономических требований, функционирования сети железных дорог.

Главным аспектом технико-экономической эффективности работы стрелочных переводов считается их срок службы [1], который зависит от качества проектирования, изготовления и эксплуатации стрелочных переводов.

Направлениями повышения срока службы стрелочных переводов в целом и их отдельных элементов является создание новых прогрессивных конструкций, совершенствование технологии упрочнения отдельных элементов стрелочных переводов, введение для изготовления различных частей стрелочных переводов новых марок сталей, обладающих повышенными прочностными характеристиками. Общий срок службы стрелочного перевода зависит от долговечности элементов его конструкции, из которых наиболее ответственными и напряженно работающими являются остряки.

Вследствие жестких требований по взаимному положению остряка и рамного рельса [2], смена остряка влечет за собой и смену рамного рельса, а в некоторых случаях и металлических элементов стрелки в целом. Из-за конструктивных особенностей стрелки излом остряка, а также износ или выкрашивание остряка в острой части могут привести к сходу подвижного состава.

Анализ повреждаемости остряков стрелочных переводов показывает, что при наработке среднесетевого нормативного тоннажа 320 млн. тонн брутто из главных и приемо-отправочных путей в порядке одиночной замены изымается 43,5 % остряков. Интенсивность бокового износа на отдельных наиболее интенсивно эксплуатируемых стрелочных переводах составляет 10 мм/10 млн. тонн брутто (при норме бокового износа остряка 6-8 мм), а пропущенный до изъятия тоннаж - 12 - 22 млн. тонн брутто.

Исследование комплекса прочностных и эксплуатационных свойств остряков показало, что применяемая в настоящее время технология упрочнения поверхности катания остряков сжатым воздухом с индукционного нагрева с предварительным упругим выгибом остряков головкой вверх и последующей холодной механической правкой, а также серийные марки стали М73В и М73Т, используемые для производства остряковых рельсов, не обеспечивают необходимого уровня эксплуатационной стойкости в части бокового износа и создают предпосылки к возникновению и развитию ряда дефектов (поверхностные трещины в головке, выгиб остряков в процессе эксплуатации). Это приводит к уменьшению срока службы остряков (на отдельных, наиболее интенсивно эксплуатируемых стрелочных переводах до нескольких месяцев) и соответствующим затратам на ремонт, преждевременную замену и закупку новых остряков. Только в 1996 году МПС затратило около одного млрд. руб. на закупку остряков.

В связи с вышеизложенным, целью данной работы является повышение эксплуатационной стойкости остряков, то есть создание в изделии уровня свойств, позволяющего увеличить срок службы остряка в эксплуатации.

Наиболее эффективным решением вопроса повышения эксплуатационной стойкости остряков в части бокового износа и выгиба под колесной нагрузкой представляется разработка и внедрение перспективной технологии двухстороннего термического упрочнения с индукционным нагревом без предварительного упругого выгиба и новой качественной износостойкой марки стали 76ХСФ с содержанием хрома 0,35-0,55 %.

Мировой опыт закалочного охлаждения рельсов (Япония, Франция, Канада) подтверждает правильность выбранного направления при принятии технического решения по двухсторонней закалке. Применение износостойких низколегированных марок сталей также является приоритетным направлением в производстве рельсовой продукции на ведущих зарубежных предприятиях производителях. Данные направления улучшения технологии производства остряков получили одобрение в решениях Межведомственной рельсовой комиссии (г. Новосибирск, 1997 г.) [3].

В настоящей работе решаются следующие задачи:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ повреждаемости остряков в эксплуатации, показавший, что основными видами повреждений остряков являются боковой износ (интенсивность до 10 мм/10 млн. т. брутто), выгиб (величина неприлегания подошвы остряка к стрелочным подушкам до 14,5 мм при норме 1 мм), образование и выкрашивание гребнеобразного наплыва в острой части (пропущенный тоннаж до образования дефекта 15-20 млн. т. брутто).

2. Установлено, что практикуемая в настоящее время технология индукционной закалки остряков с выгибом не обеспечивает их прямолинейности. Последующая механическая правка приводит к формированию неблагоприятной эпюры внутренних остаточных напряжений (растягивающие напряжения в головке или подошве остряка до 150 МПа), приводящей в свою очередь к выгибу остряков в эксплуатации.

3. Представлено расчетное обоснование возможности развития поверхностных трещин при индукционном нагреве с выгибом. Показано, что при закалке остряка типа Р65 длиной 12600 мм с выгибом в процессе нагрева в поверхностном слое головки реализуются растягивающие напряжения, общий уровень которых составляет 770 МПа (420 МПа от механического изгиба, 350 МПа от действия температурного поля индуктора). Данные напряжения превышают предел текучести всех используемых марок сталей (М73В - 560 МПа, М76В -600 МПа, 76ХСФ - 760 МПа) и приводят к развитию трещин в головке глубиной до 4,8 мм от имеющих место на поверхности катания волосовин.

При двухстороннем индукционном нагреве под закалку без выгиба величина растягивающих напряжений в поверхностном слое головки составляет 300 МПа, что не создает условий для развития поверхностных трещин от волосовин.

4. В целях повышения стойкости остряков против износа и выгиба необходимо увеличение глубины закаленного слоя в головке, твердости и прочностных свойств по сечению изделия. Эксперименты по увеличению температуры нагрева под закалку с 850 до 1050 °С показали, что на стали серийной марки М73В это не представляется возможным вследствие ее недостаточной прокали-ваемости и фактической выработки ресурса упрочнения в рамках существующей технологии термообработки.

5. Применена новая марка стали для остряков 76ХСФ с содержанием хрома 0,35 - 0,55 %, характеризующаяся по сравнению со сталью серийной марки М73В: повышением прокаливаемости на торцовых образцах в 1,6 раза; увеличением глубины упрочненного слоя в головке остряков с 7 до 13 мм; повышением временного сопротивления, предела текучести и твердости поверхности для термически упрочненных остряков на 5, 5 и 17 % соответственно (в сравнении с закаленными серийными остряками) и для нетермообработанных остряков (в сравнении с остряками из стали М73В без термобработки) на 14, 39 и 34 % соответственно. При этом уровень указанных свойств для остряков из стали 76ХСФ без термического упрочнения и закаленных остряков из стали: М73В соизмерим, что делает перспективным применение остряков из 76ХСФ без термической обработки.

6. Эксплуатационные испытания «хромистых» остряков без термического упрочнения на Западно-Сибирской и Северной железных дорогах показали, что их износостойкость сопоставима с износостойкостью серийных остряков после индукционной закалки, а сопротивление выгибу превышает аналогичную характеристику для серийных остряков, вследствие более высокого уровня прочностных свойств по сечению.

7. Результаты стендовых (усталостных) и полигонных испытаний «хромистых» остряков, упрочненных по серийной технологии, показали, что индукционная закалка с выгибом не применима к острякам из новой марки стали вследствие образования расслоения между закаленным слоем и сердцевиной в головке остряка.

8. По результатам проведенных исследований влияния термической обработки на физико-механические свойства остряков сформулированы основные требования к технологии термической обработки остряков из новой марки стали:

- закалка остряков из стали 76ХСФ может осуществляться только по двухсторонней схеме закалочного нагрева и охлаждения;

- при закалке остряков из стали 76ХСФ давление охлаждающего воздуха должно быть снижено до 0,05-0,20 МПа в зависимости от ширины сечения головки.

9. Разработана новая технология двухсторонней закалки остряков, исключающая операцию упруго-пластического выгиба и ее отрицательные последствия за .счет двухстороннего нагрева и охлаждения остряка, обеспечивающих компенсацию термических напряжений и деформаций и сохраняющих его прямолинейность.

10. По результатам исследования влияния двухсторонней закалки на свойства образцов остряков показано, что предлагаемая технология обеспечи-. вает прямолинейность на выходе и наличие внутренних остаточных напряжений сжатия в головке и подошве остряка до 150 МПа. '

11. Проведенными исследованиями показано, что технология двухсторонней закалки универсальна и применима ко всем маркам сталей, используемым при производстве остряков, включая сталь 76ХСФ.

1. Симон A.A., Столярова Т.А. Некоторые вопросы дальнейшего повышения эффективности применения стрелочных переводов// Труды ЛИИЖТ.-1971.-вып. 328.-С. 134-143.

2. ТУ 32 ЦП-114-77.Соединения и пересечения путей железных дорог. Общие технические условия. 62 с.

3. Материалы Межведомственной рельсовой комиссии, Новосибирск, 1997 г.-5 с.

4. Волошко Ю.Д., Орловский А.Н. Как работают стрелочные переводы под поездами,- М.: Транспорт, 1987. 120 с.

5. Фришман М.А. Как работает путь под поездами. М.: Транспорт, 1969.- 117 с.

6. Правила технической эксплуатации железных дорог Союза ССР М.: Транспорт. 1987. - 141 с.

7. Безопасность движения // ЦНИИТЭИ МПС 1997, вып. 5 - С. 37.

8. C.B. Амелин. Стрелочные переводы для высокоскоростной'линии // Путь и путевое хозяйство. 1993. - №1. - С. 12-16.

9. Донец В.Г., Киселева Т.Н. Эксплуатационная стойкость остряков стрелочных переводов в условиях метрополитена // Надежность стрелочных переводов,- М.: Транспорт, 1988.- С. 95-100.

10. Титаренко М. И. Исследование работы стрелочных переводов типа Р75//Надежность стрелочных переводов.- М.: Транспорт, 1988. С. 51-58.

11. H.A. Колонина стрелочные переводы на железобетонных брусьях // Надежность стрелочных переводов.- М.: Транспорт, 1988. С. 59-69.

12. Киселева Т.Н., Великанов A.B. Исследование усталостной прочности подошвы остряков // Вестник ВНИИЖТ.-1979.- N3. С. 49-50.

13. Классификация дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов. Каталог дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов.

14. Признаки дефектных и остродефектных элементов стрелочных переводов // Дополнения к НТД/ЦП-1,2,3-93. М.: Транспорт, 1996. - 64 с.

15. Классификация дефектов рельсов. Каталог дефектов рельсов. Признаки дефектных и остродефектных рельсов // НТД/ЦП-1,2,3-93. М.: Транспорт, 1993.- 63 с.

16. Шур Е.А. Конструктивная прочность стали и термическая обработка железнодорожных рельсов: Автореф. дис. .докт. техн. наук. М., 1980. -33 с.

17. Шур Е.А. Структура и контактно-усталостная прочность стали // МиТОМ.-1978. N8. - С. 37-43.

18. Ларкин A.B. Основные направления повышения качества производства стрелочной продукции для железных дорог России: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., ВНИИЖТ. - 1998. - 30 с.

19. Гордюк Ю.В. Способ закалки рельсов и стрелочных остряков и за-. кал очный стенд для осуществления способа. Авторское свидетельство №121464 // Бюллетень изобретений. 1959. - №15. - С. 28-29.

20. ГОСТ9960. Рельсы остряковые. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1986. - 12 с.

21. ГОСТ 24182. Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75, Р65 и Р50 из мартеновской стали. Технические условия. М.: Издательство стандартов , 1980. - 16 с.

22. ГОСТ 21014. Прокат черных металлов. Термины и определения дефектов поверхности. М.: Издательство стандартов, 1989. - С. 3 - 7.

23. Качество поверхности металла / Строганов А.И., Хасин Г.А., Черни-ченко А.И., Дробышевский A.C. М.: Металлургия, 1985. - 126 с.

24. Кривоногое В.Г. Исследование особенностей численного решения задач термопластичности и ползучести применительно к оценке прочности термонапряженных конструкций: Автореферат дис. . канд. техн. наук. М., МИИГА. - 1983,- 22 с.

25. Конечно элементные модели расчета железнодорожного пути на прочность и устойчивость // Сб. научн. статей по ред. Э. П. Исаенко. - М.: Гудок, 1997.-С. 19-38.

26. Шур Е.А. Повреждения рельсов М.: Транспорт, 1971. - 109 с.

27. Конюхов А.Д. Остаточные напряжения в железнодорожных рельсах // Остаточные напряжения и прочность железнодорожных рельсов / Сб. трудов ЦНИИ МПС. М.: Транспорт. - 1973. - Вып. 491. - С. 10-26.

28. Влияние технологии на остаточные напряжения в объемно-закаленных рельсах / А. Д. Конюхов, Д. М. Рабинович, И. Я. Винокуров и др. // Сталь.-1969.-№6.-555 с.

29. Шур Е.А., Пан A.B. Рельсы будущего // Железнодорожный транспорт. 1998. - №4. - С. 57-60.

30. Шахунянц Г. М., Никонов А. М. Остаточные напряжения в закаленных рельсах Р65 // Остаточные напряжения и прочность железнодорожных рельсов. Сб. трудов ЦНИИ МПС. М.: Транспорт. - 1973. - Вып. 491. - С. 2729.

31. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочность твердых тел. М.: Металлургия, 1971. - 167 с.

32. Носков М. М., Раузин Я. Р. О контактной усталости и износостойкости рельсовой стали // Вестник ВНИИЖТ. 1967. - №4. - 46 с.

33. Kepple R. К., Mattson R.L. Paper.// Amer. Soc. Mech. Eng. 1969. - №2.-P. 2.

34. Кудрявцев И.В. О влиянии остаточных напряжений на усталостную прочность стали. М.: Машгиз. - 1959. - 5 с.

35. Гликман JT. А. Устойчивость остаточных напряжений и их влияния на механические свойства металла и прочность изделия // Качество поверхности и долговечность деталей машин. НИС - ЛИЭН. - 1956. - С. 145.

36. Aida S., Kimura D., Ito T. Residual Stress in the rail // Yavato Techn. Report. 1963. - №244. - P. 85-123.

37. Технологическая инструкция по выправке вертикального выгиба остряков стрелочных переводов № ЦП-1-97. М. - 1997, 16 с.

38. Легейда В.Н. Разработка новых технологических параметров термического упрочнения железнодорожных рельсов с индукционного нагрева: Авто-реф. дис. . .канд. техн. наук. Днепропетровск, ИЧМ. - 1992. - 20 с.

39. Производство и термическая обработка железнодорожных рельсов / Под ред. В.В.Лемпицкого и Д.С.Казарновского.- М.: Металлургия, 1972. 272 с.

40. Поляков В.В., Великанов A.B. Основы технологии производства железнодорожных рельсов. М.: Металлургия, 1990. - 416 с.

41. Лошкина H.A. Уточнение состава стали и усовершенствование терNмической обработки железнодорожных рельсов: Автореф. дис. .канд. техн. наук. Днепропетровск, ИЧМ. 1971. - 24 с.

42. Коротких Н.К. Особенности разрушения термоупрочненной рельсовой стали при циклическом нагружении: Автореф. дис. .канд.техн. наук. Новокузнецк, СМИ. 1982г. - 24 с.

43. Лошкина H.A., Великанов А.Б., Рабинович Д.М. Повышение работоспособности объемно-закаленных рельсов путем корректировки химического состава и технологии термической обработки // Труды ВНИИЖТ.- 1971.- вып. 434. С.129-135.

44. Упрочнение углеродистой стали микролегированием и термомеханической обработкой / К.И. Тушинская, Л.И. Тушинский, Л.Б. Тихомирова и др. / Труды ВНИИЖТ.-1968. вып. 71. - 112 с.

45. Носков М.М., Раузин Я.Р. Пути повышения контактной выносливости рельсовой стали//Труды ВНИИЖТ.-1971. вып. 434. С.70-79.

46. Шур Е.А., Бычкова Н.Я., Марков Д.П., Кузьмин Н.Н. Износостойкость рельсовых и колесных сталей // Трение и износ, Том 16, №1, С. 80-90.

47. Великанов А.В. Причины повреждаемости в пути закаленных рельсов из легированных сталей // Вестник ВНИИЖТ. 1980. - №6. - С. 51-54.

48. Вологдин В. П. Поверхностная закалка индукционным способом. -М.: Металлургиздат, 1939. -244 с.

49. Вологдин В. П. Поверхностная индукционная закалка. М.: Оборон-гиз, 1947.-291 с.

50. Шепеляковский К. 3. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. М.: Машиностроение, 1972. - 287 с.г

51. Шепеляковский К. 3. Поверхностная и объемно поверхностная закалка стали как средство упрочнения ответственных деталей машин и экономии материальных ресурсов // МиТОМ. - № 11. - 1993. - С. 8 - 14.

52. Головин Г. Ф., Замятнин М. М. Высокочастотная термическая обработка. Л.: Машиностроение, 1968. -228 с.

53. Кидин И. Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1969. - 376 с.

54. Лозинский М.Г. Промышленное применение индукционного нагрева.- М.: АН СССР, 1958. 472 с.

55. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева.- Л.: Энергия, 1974. 264 с.

56. Головин Г. Ф., Замятнин М. М. Высокочастотная термическая обработка. Л.: Машиностроение, 1990. - 239 с.

57. Термическая обработка в машиностроении // Справочник под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. М.: Машиностроение, 1980. - 783 с.

58. Ахматов A.C., Фокин Н.Ф. Влияние нагрева стали ТВЧ на ее износ // Трение и износ в машинах, т. 1, АН СССР, 1947. 412 с.

59. Алексеенко В.В., Лифшиц С.Л. Индукционный нагрев при термической обработке стали. М.: Оборонгиз, 1953. - 263 с.

60. Леванов В.Л., Кущ Э.В. Усталостная прочность зубчатых колес, закаленных с нагревом ТВЧ // Промышленное применение ТВЧ. М.: Машиностроение, 1968.-С. 86-91.

61. Термически упрочненные рельсы / Под. Ред. А.Ф. Золотарского. М.: Транспорт, 1976. - 264 с.

62. Щапов Н.П. Поверхностное упрочнение деталей подвижного состава и пути // Труды ВНИИЖТ.- 1954. вып. 82. - С.4 - 9.

63. Свойства рельсов, подвергнутых закалке с индукционного нагрева /-Д.С. Казарновский, B.C. Точиленко, А.Н. Заннес и др. // Производство железнодорожных рельсов и колес. 1973. - вып. 1. - С. 65 - 69.

64. Вологдин В.П. Поверхностная индукционная закалка токами высокой частоты. С.: Металлургиздат, 1941. - 18 с.

65. Геллер В. Производство рельсов в Англии, США, Канаде и Японии и тенденции улучшения их качества // Черные металлы. № 17. - 1970. - С. 3640.

66. Binzeisler Н., Schmedders Н., Wick К. Moderne Schienener zeugung bei der "Thyssen Stahl AG" // Thyssen Technische Berichte. №1. - 1988. - S. 147159.

67. Rail Engineering International. №3. - P. 25-30.

68. Дьяченко A.3., Кац P.3., Швецова M.H. Поверхностная закалка рамных рельсов и остряков // Путь и путевое хозяйство. 1969. - №12.- С. 35-36.

69. Исследование структуры и свойств рельсов, закаленных по всей длине с индукционного нагрева / Раузин Я.Р., Великанов A.B., Гордюк Ю.В., Шур Е.А. // Сталь. 1965. - №12. - С. 1122-1126.

70. Hoffman G. Oberflachenvergutung von Normalschienen durch induktive mittelfrequenz-Erwarmtung // Deutsche Eisenbahntechnik. 1959. - ig. 7. - №1, S. 37-43.

71. Некоторые вопросы поверхностной закалки железнодорожных рельсов по всей длине / Головин Г.Ф., Кущ Э.В., Смирнов В.И., Сучкоусов В.П.// Применение токов высокой частоты в электротермиии. JL: Машиностроение, 1968.-С. 128-136.

72. Прямой метод измерения остаточных напряжений в термически обра- -ботанных рельсах / Головин Г.Ф., Кущ Э.В., Мещеряков И.В., Смирнов В.И. // Промышленное применение токов высокой частоты. М. - Л.: Машиностроение, 1966. - вып. 7. - С. 240-245.

73. Головин Г.Ф. Остаточные напряжения, прочность и деформации при поверхностной закалке токами высокой частоты. Л.: Машиностроение, 1973. - 144 с.

74. Конюхов А.Д. Изменение остаточного напряженного состояния головок рельсов при эксплуатации // Труды ЦНИИ МПС. 1966. - вып. 314. - С. 195-201.

75. Скворцов О.С., Шварц Ю.Ф. Искривляемость концов объемно закаленных рельсов // Вестник ВНИИЖТ. 1972. - №1. - С. 36-38.

76. Головин Г.Ф., Зимин Н.В. Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева. Л.: Машиностроение, 1979. - 120 с.

77. Щапов Н.П., Маханек А.С. Способ упрочнения рельса против излома // Авторское свидетельство №54425, 1939. 1 с.

78. Induction heating keeps BSC Cumbria relies on sensible heat as only energy source // Steel Times. 1988. - V. 216. - №5. - P. 255.

79. Perr-in J.L. High strength rails with optimised residual stresses // Wheel/rail interface, IHHA Conference Proceedings, Moscow. 1999. - P.245-253.

80. Федин B.M. Закономерности объемно-поверхностного упрочнения деталей железнодорожного транспорта: Дис. .док. техн. наук.- М., ВНИИЖТ, 1996.-445 с.

81. Великанов А.В. О принципах легирования высокоуглеродистых конструкционных сталей // МиТОМ. 1980 . - №7. - С. 14-18.

82. Бейн Э. Влияние легирующих элементов на свойства стали. М.: Ме-таллургиздат, 1945. - 330 с.

83. Гуляев А.П. Прочность стали и проблема легирования // МиТОМ. -1961. №7. - С. 23.

84. Гуляев А.П. Теория предельного легирования // МиТОМ. 1965. - №8. - С. 20.

85. Браун М.П. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Киев: Гостехиздат УССР, 1962. - 189 с.

86. Браун М.П. Комплекснолегированные конструкционные стали. Киев: Наукова думка, 1965. - 292 с.

87. Делле В.А. Легированная конструкционная сталь. М.: Металлургиз-дат, 1953.-243 с.

88. Садовский В.Д., Чупракова Н.П. Труды института металлофизики и металлургии, вып. 6, УФАИ СССР, 1945.

89. Гольдштейн Я.Е. Низколегированные стали в машиностроении, 1963. -271 с.

90. Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия, 1966. - т. 1. - С. 512-734.

91. Меськин В. С. Основы легирования стали. М.: Металлургиздат, 1959.-688 с.

92. Качанов H. Н. Прокаливаемость стали. М.: Металлургия, 1978.190 с.

93. Вязников Н. Ф. Легированная сталь. М.: Металлургиздат, 1963.271 с.

94. Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: Металлургия, 1982. - 182 с.

95. Стародубов К. Ф. , Борковский Ю. 3., Некрасова С. 3. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита конструкционных "сталей // Упрочняющая термическая обработка проката. М.: Металлургия, 1966. - Вып. 24. - С. 29-40.

96. Раузин Я.Р. Термическая обработка хромистой стали. М.: Машиностроение, 1978. - 277 с.

97. RapatzF., Mirt О. / Stahl u. Eisen. 1954. - H. 19. - S. 1195-1202.

98. Узлов И.Г., Мирошниченко Н.Г. Термическое упрочнение проката. -М.: Металлургия, 1969. Вып. 30. - С.

99. Исследования по производству рельсов из легированных сталей разного состава /Э.П. Колосова, В.И. Сырейщикова, Е.А. Муравьев и др. // Производство железнодорожных рельсов и колес: Сб. научн. трудов. Харьков, 1977. -С. 64-67.

100. Изыскание составов сталей и исследования основных параметров технологии производства рельсов высокой прочности / Д.С. Казарновский, H.H.

101. Разинькова, А.П. Бабич и др. // Производство железнодорожных рельсов и колес: Сб. научн. трудов. Харьков. 1977. - вып. 5. - С. 49-54.

102. Разработка, освоение и внедрение низколегированной стали для железнодорожных рельсов тяжелых типов/Д.С. Казарновский, М.А. Гершгорн, Ф.Ф. Свириденко и др.// Сталь, 1965, №4, С. 355-357.

103. Линев С.А. Результаты эксплуатационных испытаний опытных рельсов // Труды ЦНИИ МПС 1966. - вып. 314. - С. 20-89.

104. Комплексная методика оценки прокаливаемости применительно к рельсовым маркам стали / Б.К. Ушаков, В.М. Федин, А.И. Борц // Тезисы докладов конф. аспирантов и молодых ученых по проблемам железнодорожного транспорта. М.: ГУП ВНИИЖТ, 2000. - С. 23 - 24.

105. Люты В. Закалочные среды. Справочник. Челябинск: Металлургия, 1990.-90 с.

106. Zakharov S., Komarovsky I., Zharov I. Wheel flange/rail head wear-simulation // Wear. 1998. - v. 215. - P. 18-24.r

107. Clayton P. Tribological aspects of wheel-rail contact: A review of recent experimental research // Wear . 1996. - v. 191. - P. 170-183.

108. Bolton P.J., Clayton P. Rolling-sliding wear damage in rail and tyre steels //Wear 1984.-v. 93,- P. 145-165.

109. Danks D., Clayton P. Comparison of the wear process for eutectoid rail steels: Field and laboratory tests // Wear 1987. - v. 120. - P. 233-250.

110. Krause H., Poll G. Wear of wheel-rail surfaces // Wear 1986. - v. 113.-P. 103-122.

111. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978. - 304 с.

112. Шведков Е.Л. Элементарная математическая статистика в экспериментальных задачах материаловедения. Киев: Наукова думка, 1975. - 111 с.

113. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 247 с.

114. Борц А.И., Федин В.М. Влияние легирования хромом на механические свойства остряков стрелочных переводов // 4-е Собрание металловедов России. Сб. материалов. Ч II. Пенза, 1998. - С. 32 - 33.

115. Борц А.И. Легирование хромом как средство повышения эксплуатационной стойкости остряков стрелочных переводов // Проблемы железнодорожного транспорта. М, 1999. - С. 13 - 18.

116. Федин В.М., Борц А.И. Остряки стрелочных переводов: перспективы повышения срока службы // III Всероссийская научн. практ. конф. Современные технологии в машиностроении - 2000. Сб. материалов. Ч II. - Пенза, 2000. -С.185- 187.

117. Конструкционные стали / Под ред. Н.Т. Гудцова // Справочник. М., 1947.-482 с.

118. Борц А.И., Кривоногов В.Г. Математическая оценка возможности развития поверхностных трещин при термической обработке остряков // Про- -блемы железнодорожного транспорта. М, 1999. - С. 4 - 8.г

119. Борц А.И., Федин В.М. Двухсторонняя закалка как средство повышения прочностных свойств и улучшения технологии производства остряков стрелочных переводов// 4-е Собрание металловедов России. Сб. материалов. Ч II.-Пенза, 1998.-С. 48 -49.

120. Способ термической обработки остряковых и рамных рельсов и устройство для его осуществления / В.М. Федин, Б.К. Ушаков, A.M. Никитин и др. // Патент РФ №2135607 1998. - 3 с.161