автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение долговечности сердечников крестовин стрелочных переводов статико-импульсной обработкой

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

КОКОРЕВА ОЛЬГА ГРИГОРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СЕРДЕЧНИКОВ КРЕСТОВИН СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ

Специальность 05.02.08 -«Технология машиностроения»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЛАЗУТКИН А.Г.

Научный консультант доктор технических наук,

профессор Орлов В. В.

МОСКВА 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЕРДЕЧНИКОВ КРЕСТОВИН СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ

1.1 Термомеханическая обработка_ 8

1.2 Упрочнение взрывом 1 о

1.3 Накатка_ 12

1.4 Легирование 14

1.5 Ковка и электрогидродинамический удар 18 1.8 Динамический наклеп 21

1.7 Газостатическая ш вакуумная обработка 22

1.8 Цель и задачи исследования 27 Выводы 30

2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ СЕРДЕЧНИКОВ КРЕСТОВИН СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ

2.1 Условия проведения исследований 31

2.2 Техническое обеспечение экспериментальных исследований 34

2.3 Методика планирования эксперимента и обработки данных 38 Выводы 41

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ КРЕСТОВИН СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКОЙ.

3.1 Механизм микроструктурных изменений процесса упрочнения

высокомарганцовистой стали при СИО 42

3.2 Оценка напряженного состояния сердечников крестовин при

упрочнение статико-импульсным методом __49

3.3. Механизм СИО ППД 58

3.4 Определение энергии удара инструмента 62

Выводы 76

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ УПРОЧНЕНИИ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ

4.1 Твердость 77

4.2 Износостойкость ___82

4.3 Микроструктура ___90

4.4 Механические характеристики 106 Выводы 112

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УПРОЧНЕНИЯ

СЕРДЕЧНИКОВ КРЕСТОВИН СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ 5.1 Технологические рекомендации по использованию

статико-импульсной обработки при изготовлении сердечников

крестовин стрелочных переводов 113

5.2 Результаты производственных испытаний 121

5.3 Технико-экономические показатели процесса статико-импульсного упрочнения сердечников крестовин 128

Выводы 131

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 133

ЛИТЕРАТУРА 135

ПРИЛОЖЕНИЯ ___147

ВВЕДЕНИЕ

В условиях снижения объема производства и увеличения стоимости машин одной из важных задач становится повышение их надежности и долговечности. С ростом долговечности деталей машин значительно снижаются расходы на ремонтные работы, сокращается потребность в запасных частях и механизмах, сводятся к минимуму простои оборудования. Предпринято немало попыток улучшить эксплуатационные свойства сердечников крестовин, которые можно условно разделить на три направления. Технологическое, которое предполагает усовершенствование технологии изготовления сердечников и применение упрочнения тяже лона груженных поверхностей, конструкторское - усовершенствование конструкций сердечников, эксплуатационное - использование специальных мер по устранению износа при эксплуатации.

В технологическом направлении улучшения эксплуатационных свойств тяжелонагруженных поверхностей деталей важную роль играет упрочнение методом поверхностной пластической деформации. Исследования в этой области проводили такие ученые как: М.С. Дрозд. A.A. Михайлов, Л.Г. Одинцов, В.В. Орлов, Д.Д. Папшев, В.М. Смелянский, Л .А. Хворостухин, ПА Чепа, Д.Л. Юдин и др. Обработка ППД позволяет получить глубину упрочненного слоя до 30 мм, увеличить микротвердость в 1,5. .2 раза, обеспечивая при этом плавный переход между упрочненным поверхностным слоем и сердцевиной.

Надежность работы любой машины непосредственно связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое характеризуется такими свойствами как - прочность, сопротивление усталости, износостойкость и др. В связи с интенсификацией производственных процессов роль качества поверхностного слоя значительно возрастает. Связь характеристик ка-

чества поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами сердечников крестовин стрелочных переводов требует чтобы тяжелонагруженная поверхность была достаточно твердой, имела сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру и сглаженную форму микронеровностей.

В результате ППД упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, а также удается повысить запас прочности и увеличить срок службы деталей, работающих при переменных нагрузках в 1,54-3 раза

19].

Стрелочные переводы являются наиболее сложной, ответственной и дорогостоящей частью верхнего строения пути. По данным ВНИИЖТ в состав конструкций стрелочных переводов входят до 7,5 тысяч деталей общей массой до 31 тонны[91 ]. Отдельные элементы являются дефицитными, имеют короткий срок службы из-за большой сложности их работы под подвижной нагрузкой. Для обеспечения безопасности движения поездов необходимо дальнейшее совершенствование конструкций и технологий изготовления стрелочных переводов, а также внедрение передовых форм контроля за их содержанием при эксплуатации. Над улучшением существующих и созданием новых конструкций и технологий в настоящее время работают Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ЦНИИ МПС), МГУПС (МИИТ), СПГУПС (ЛИИЖТ), Главное управление пути МПС (ЦП), путеобследовательские станции МПС и другие.

В настоящее время при эксплуатации стрелочных переводов на железных дорогах литая часть крестовины в среднем выдерживает 80 млн. т брутто пропущенного груза. По сравнению с рельсами, которые пропускают 500. . . 8000 млн. т брутто до выхода из строя, срок службы крестовин в 6...10 раз меньше. При этом износ сердечников крестовин составляет до

80% всех видов разрушения литых частей и определяет долговечность крестовины в целом [18]. Интенсивный износ сердечников связан с динамическими нагрузками при перекатывании колес, что приводит к смятию и последующему контактному выкрашиванию сердечников крестовин. Ежегодно из-за износа сердечников заменяется около 10000 крестовин стрелочных переводов. Дефектообразование у крестовин происходит при пропуске 15...60 млн. т груза брутто, в то время как у стрелок после пропуска 100 млн. т брутто [19]. Долговечность крестовин стрелочных переводов определяют дефекты контактно-усталостного происхождения на поверхности катания. К основным специфическим дефектам крестовин относят выкрашивание, наплывы на рабочих поверхностях, седловины в зоне накатывания и др. Продлению срока службы крестовин способствует упрочнение поверхности катания сердечников. При этом за счет увеличения ее твердости достигается повышение работоспособности крестовин по износу и дефектостойкости на 25...35% [19].

Сердечники крестовин работают в условиях циклического силового воздействия, при этом глубина несущего слоя должна выбираться в соответствии с условиями эксплуатации. По данным МПС [19]предельный вертикальный износ сердечников, при котором их снимают с эксплуатации, составляет 6...8 мм в зависимости от назначения путей. Частые замены сердечников увеличивают материальные затраты и снижают пропускную способность железных дорог. В этой связи проблема повышения долговечности сердечников крестовин приобретает первостепенное значение.

Проблемой улучшения свойств высокомарганцовистой стали (ВМС) и повышения эксплуатационных характеристик сердечников крестовин стрелочных переводов занимались такие исследователи как В.И. Власов, Б.Э. Глюзберг, Э.И. Даниленко, Н.Г. Давыдов, В.В. Иванов, Р.З. Кац, А.Г. Коган, Е.Ф. Комолова, М.С. Михалев, В.П. Михайлова, H.H. Путря, Н.Я. Самарин,

Т.М. Соболей ко, Т.С. Тесленко, A.M. Тейтель, М.И. Титаренко, Ю.А. Шуль-те, Е.А. Шур и др.

Существует множество методов упрочнения среди которых термомеханическая обработка, упрочнение взрывом, накатка, легирование, электрогидравлический удар и ковка, динамический наклеп, высокотемпературное газостатирование, вакуумная термообработка, обработка током высокой частоты и другие. При этом указанные методы полностью не обеспечивают необходимой твердости, глубины упрочнения и эксплуатационных характеристик поверхностного слоя. Поэтому в настоящее время проблема поиска наиболее эффективного метода упрочнения сердечников крестовин является актуальной.

Сравнительный анализ описанных в литературе методов упрочнения сердечников крестовин стрелочных переводов позволяет сделать вывод о необходимости поиска новых путей и способов упрочнения. В настоящей работе проблема повышения долговечности сердечников крестовин решается с помощью комбинированной статико-импульсной обработки. Предложенный способ позволит несколько выровнить ресурс работы рельсов и сердечников крестовин стрелочных переводов (СКСП).

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЕРДЕЧНИКОВ КРЕСТОВИН СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДрВ

1.1 Термическая и термомеханическая обработка

Известно [20, 47, 56, 65, 110}, что отливка из ВМС состоит из зерен аустенита и карбидов, количество и размер которых обусловливается такими технологическими факторами, как степень нагрева при заливке, скорость охлаждения, химический составом стали. В зависимости от указанных факторов в структуре литой стали встречаются карбиды в виде тонких оторочек вокруг отдельных аустенитных зерен и мелких вкраплений в зернах, а также в виде сплошной широкой сетки и крупных сферообразных включений.

Целью термической обработки является получение чисто аусте-нитной структуры [98], что повышает твердость и уменьшает пластичность ВМС. Для стабилизации аустенита не требуется больших скоростей охлаждения. Критическая скорость охлаждения этой стали будет определяться процессом выпадения карбидов. Охлаждение в холодной проточной воде обеспечивает необходимую критическую скорость и дает возможность получить аустенит без карбидной фазы.

Закалка после длительного отпуска дает возможность получить зерно аустенита А4...А5 соответствующее ГОСТ 5639-82 вместо А2, АЗ, получаемое при закалке образцов той же стали без предварительного отпуска [98].

В настоящее время на производстве предварительный отпуск отливок не производится. Мелкое зерно стремятся получить, регулируя степень нагрева жидкой стали при закалке. На заводах МПС закалка сердечников стрелочных переводов производится при температуре 1050...1100° С, карбиды содержащиеся в ВМС переходят в раствор при увеличении продолжительности нагрева и выдержки при закапке. Это приводит к улучшению механических свойств ВМС, что объясняется главным образом диффузией элементов и более равномерным их распределением в массе металла, а также более полным растворением карбидов.

Закалка по режимам, принятым для ВМС, не содержащей дополнительных легирующих элементов, не дает возможности получить гомогенную аустенитную среду. Поэтому используется термообработка дополнительно легированной ВМС, с применением карбидообразующих элементов (47].

С целью повышения механических характеристик ВМС на производстве применяется два способа термомеханической обработки [20, 110]. По первому способу металл деформируется при температурах устойчивости аустенита с последующей закалкой, исключающей рекри-сталлизационные процессы, когда устраняется отпускная хрупкость, повышаются прочностные характеристики понижается порог хладноломкости, уменьшается чувствительность стали к трещионобразованию.

Второй способ термомеханической обработки заключается в деформации стали в области относительной устойчивости аустенита при температуре выше мартенситной точки, но ниже температуры рекристаллизации и последующей закалки, что позволяет увеличить прочность и сохранить удовлетворительную пластичность стали.

В результате указанных способов достигается дробление зерен и

фиксация их при закалке [20]. Процесс рекристаллизации в этом случае почти не проходит. При медленном охлаждении заготовок на воздухе и последующем их нагреве наблюдаются рекристаллизационные процессы. Рост зерен при этом неинтенсивен.

На основании изложенного следует, что термомеханическая обработка улучшает механические свойства стали по сравнению с ее литым состоянием, вызывает фазовые превращения, однако не позволяет получить гомогенную аустенитную структуру ВМС, тем самым не удается достичь необходимой твердости и износостойкости поверхностного слоя ВМС.

1.2 Упрочнение взрывом

Одним из способов повышения износостойкости высокомарганцовистых отливок сердечников является упрочнение их рабочих поверхностей энергией взрыва.

Исследования упрочнения ВМС взрывом были начаты в Институте гидродинамики Сибирского отделения АН СССР совместно с Новосибирским стрелочным заводом. Известны в этой области работы Волгоградского политехнического института, Московского института стали и сплавов, Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта.

Сущность упрочнения деталей взрывом [32, 67] заключается в том, что рабочая поверхность отливок подвергается кратковременному воздействию (10"9 с) высоких давлений (30...40 МПа) возникающих при детонации различных видов взрывчатых веществ (ВВ). При этом поверхностная твердость достигает 340...450 НВ. Существенно возрастает прочность и предел текучести ВМС (примерно в 1,5...2,0 раза). Ударная

вязкость, относительное удлинение и сужение при этом снижаются. В качестве взрывчатого вещества применяется порошкообразный гексо-ген, аммониты, детонит, тетрил, метабел листовой, пластические ВВ различных типов [24].

Результаты лабораторных экспериментов и промышленных испытаний отливок, упрочненных взрывом [24, 30, 31, 42, 67, 88], показали, что износостойкость сердечников повышается на 1,5.. 2 раза, а долговечность возрастает в 1,3..1,8 раза.

Оптимальная износостойкость соответствовала твердости 340...380 НВ. Дальнейшее увеличение твердости стали приводило к снижению ее износостойкости. Это объясняется тем, что под действием сверхвысоких давлений происходит равномерная и мгновенная деформация металла с образованием множества дефектов упаковки кристаллов, сопровождающихся скольжением. При увеличении давления (силы взрыва) эти дефекты становятся более дисперсными и равномерно распределяются по сечению упрочняемой детали, повышая твердость и предел текучести, а, следовательно, и износостойкость стали. Однако дальнейшее повышение давления приводит к образованию в металле очагов напряжений и ультрамикроскопических трещин, которые в условиях ударно-абразивного изнашивания являются первоначальными источниками разрушения металла. Эти напряжения и трещины значительно снижают износостойкость стали при твердости свыше 380 НВ. Оптимальная твердость получается при взрывном упрочнении ее гексогеном [30].

Наиболее эффективно взрывом упрочняется ВМС стандартного состава, наличие легирующих добавок снижает ее пластичность, действуя как концентраторы напряжения.

На результаты упрочнения взрывом ВМС влияют количество и свойства взрывчатого вещества, величина заряда, способ нанесения ВВ

на упрочняемую поверхность, направление распространения ударной волны, число взрывов.

Таким образом, метод взрыва позволяет получить глубину упрочнения до 6 мм, повысить твердость до 380...450 НВ, увеличить износостойкость в 1,5. .2 раза и улучшить механические характеристики.

Однако метод не обеспечивает плавного регулирования энергии взрыва ВВ, что приводит к образованию на поверхности крестовин микротрещин. Работа обслуживающего персонала на участках упрочнения взрывом сопряжена с опасностью получения травм, а необходимые меры предосторожности усложняют и удорожают технологию упрочнения сердечников крестовин взрывом, требуют больших капитальных вложений.

1.3 Метод накатки

Одним из методов упрочнения поверхности сердечников крестовин стрелочных переводов является накатка роликами. Как показал анализ [21, 25, 32, 55, 67], этот способ упрочнения позволяет повысить усталостную прочность сердечников крестовин в два раза, при этом твердость на поверхности накатанных сердечников на 40% выше по сравнению с исходным металлом, а глубина слоя упрочненного накаткой составляет 3...4 мм. Увеличение давления на инструмент до 5000 Н позволяет получить толщину упрочненного слоя в 3...5 мм.

Повышение усталостной прочности сердечников крестовин объясняется повышением прочностных свойств поверхностного слоя и появлением благоприятных остаточных напряжений. Однако существенным недостатком метода накатки является небольшая глубина упрочнения, а также недостаточная микротвердость упрочненного сердечника.

В качестве деформирующего элемента для накатки применяются также ша�