автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной стойкости подкладок рельсового скрепления путем их объемно-поверхностной закалки

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

ПОВЫЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОДКЛАДОК РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ ПУТЕМ ИХ ОБЪЕМНО-ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ

"Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Мссква 1556

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Краснгго Знамени научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта

Научный руководитель: - кандидат технических наук, ведущий

научный сотрудник В.М.Федия.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Б.К.Ушаков; - кандидат технических наук . Л.Н.Косарев.

Ведущая организация - АО "Саддинский металлургический завод"

Защита диссертации состоится " 199^г. в

часов на заседании Диссертационного совета Д 114.01.04 при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851. Москва. 3-я Мытищинская ул., 10. в,конфе^ ренцзале института. " '¿¡иЛ$М

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ".') " 1996 г.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью. проста направлять в адрес ВНШТ: 129851, Москва, И-164, 3-я Мытицдаская уд., ю.

Ученый секретарь Диссертационного j

совета Д 114.01.04 Г.И. Пенькова

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теки. Изделия из низкоуглеродистых низколегированных сталей сирота используются з народном хозяйстве, в том числе к в келезнодоржном транспорте.'

Рост интенсивности эксплуатации подвижного состаза, увеличение силового воздействия на него приводит к увеличении поврездае-кости деталей верхнего строения пути, з частности подкладок рель» собого скрепления типа КБ, изготавливаемых из стали СтЗ.

Необходимость увеличения срока службы подкладок связана с тек, что данная группа изделий по объему потребления металла на транспорте (1,4 млн т а год) занимает второе место после рельсов, а низкий срок эксплуатации изделия, (порядка 2-3 лет) требует проведения перюдтесют ремонтов, Еаззаякая заменой подкладок, что приводит к. большим .зкоко:.:№гским затратам, связанным с перерывами з дзикении транспорта у. больгом ыассозш расходом стали.

8 связи с' этим представляется актуальным реяение задач по улу-чаемсо эксплуатационных сеойств стали СтЗ при ее массовом потреблении.

Сущэстзувдие способы упрочнения за счет легирования или упрочнения с прокатного нагрева в данном случае н¿приемлемы, так как увеличение степени легирования э условиях массового производства не является экономически выгодным, а использование упрочнения с прокатного нагрева потребует большого выхода из строя металлообрабатывающего инструмента при последующей обработке подкладочной полосы.

В настоящее время наиболее перспективным способом повышения

прочности и эксплуатационной стойкости подкладок КБ65 представляется метод объемно-поверхностной закалки, разработанный: в нааед стране под руководством профессора К.З. Шепедяковского и. успешно, используемый для вирокого круга деталей в автомобильной промышен- * ности, сельхозмашиностроении и на железнодорожном транспорте(кольца вагонных буксовых подшипников, шестерни локомотизов..

Основной предпосылкой для использования метода объемно-поверхностной закалю! являются:создание в результате применения дачного метода термической обработки градиента свойств по сечению подкладки, что обеспечизает возможность получения в изделии эпюры напряжений благоприятной для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок; его экологическая чистота; зозмскнсстъ созмезения установки для объело-поверхностней,закалки с существуюгями линия.41: по производству подкладок и автоматизации процесса.

Цель работы. Несмотря на значительное количество- исследоза-. тельских работ и успепный опыт применен*« метода объемно-поверхностной закалки для 'разнообразных деталей машин (шестерен, подшипников, полуосей, крестовин кардана и др.), сведений о применении, данного метода термической обработки для деталей из низколегированных низкоуглеродистых сталей типа СтЗ в литературе нет.

В связи с этим возникла необходимость в проведении комплекса исследований прокаливаемости, структуры, механический свойств, циклической долговечности и внутренних остаточных напряжений в подкладках рельсового скрепления КБ65 (СтЗ) подвергнутых объемно-поверхностной закалке с использованием этих результатов для разработки и внедрения оптимальной технологии упрочнения подкладок рельсового скрепления типа КБ.

В работе были поставленны следуювде задачи:

-анализ' существующих методов упрочнения изделий из низкоугле-родксгых низколегированных .сталей типа СтЗ и оценка перспектив и возможностей использования метода объемно-поверхностной закалки для упрочнения подкладок рельсового скрепления КБ65;

-разработка и опробование технологии объемно-поверхностного упрочнения подкладок КБ65; ,

-анализ структуры, механических и эксплуатационных свойств подкладок после рбъемно-поверхностного упрочнения;

-оценка возможности уменьшения толщины подкладки КБ65 с последующей термической обработкой на основании результатов стендовых и полигонных испытаний;

-разработка промышленной технологии упрочнения подкладок рельсового скрепления КБ65 в потоке линии Салдинского металлургического завода и технологических требований на проектирование оборудования для массового производства;

-создания нормативно-технической документации на реализацию процесса объемно-поверхностного упрочнения подкладок рельсового скрепления КБ65(СтЗ) и ее применения в качестве упрочняющей технологии с внедрением на транспорте.

Научную новизну данной работы характеризуют следующие основные положения:

- теоретическое обоснование возможности применения обгемно-поверхностной закалки для упрочнения, изделий из низкоуглеродистой низколегированной стали типа СтЗ, в частности подкладок рельсового скрепления КБ65;

- результаты исследования микроструктуры и механических свойств стали СтЗ после обгемно-псверхносгного упрочнения в сравнении со стандартным вариантом термической обработки;

- научные оскозы разработка технологии обгемно-позерхностного упрочнения изделий йз ¿глзлоуглеродистых низколегированных статей типа С?3;

- обоснозение зоэмолност'л укекьаення толцикк кзделгй с после-' дуаауш обгемяо-коЕерхносгкк.! упрочнением.

Все перечисление па:скакия разработаны впервые, меток объем-но-позерхзюстксй закалки для упрочнения изделий из кизкоугдеродис-тых низколегированных сталей до настоящего времени з отечественном • и зарубежном малккостроекии кз применялся.

Практическое значение рабогк 'состоит в том, что впервые разра- ■ богач и опробован з производственны* условиях на Саздияскоы мета.1:-. лургичзском заводе новый технологический процесс обзомко- поьерхно- . сткого упрочнения подкладок рельсового скрепления КБ65 (сталь СтЗ), выполнены исследования упрочненная изделий, показателе' кх существенное преимущество по сразкеки» с педкяадкамк, выпускаемым! по-стандартной технологии.

Апробация работы. Основные результаты работы долокекы на научно-технических советах ео ВНККЕТ и ка Салдинсксм металлургическом зазоде, а текке ка 2-ом ( Пенза, 1994) и 3-ем ( Рязань, 1535) • собраниях Металловедов России. По результатам работы опубликованы .. статьи, материалы использованы при разработке ТУ 14-2Р-298-94 "Подкладки скрепления типа КБ65 упрочненные методом объемной закалки. Опытная партия" к ТУ 1132-006-01124328-95 "Подкладки скрепления типа КБ50, КЕ65 упрочненные методом объемно-поверхностной закалка. Опытная партия".

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит кз введения, пяти глаз, выводов, списка литературы и приложений. Рагота изложена на 153 стр. машинописного текста, содержит 41 ри-

сунок и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава первач содержит анализ повреждаемости подкладок рельсового скрепления КБ55 и обзор основных методов термической обработки, предлагаемых для упрочнения низкоуглеродистых низколегированных сталей типа стали С

Во время эксплуатации подкладки подвергаются воздействию высоких циклических нагрузок.Характерная для циклического нагружения значительная местная пластическая деформация приводит к локальным преобразованиям структуры, в результате чего возникает напряженное состояние, достаточное для зарождения мжротревэт. Микротрещины ппд действием продожавдэгося приложения сил объединяются в макротрещины и, з конечном итоге приводя? к разрушения подкладки.

Установлено, что излом происходит на подрельсовом участке подкладки мезду ребордзга и имеет а ид, характерный для усталостного разруаеиия.

Изломы подкладок приводят к уменьшения надежности соединения рельсов со ¡гпалглш; излом трех подкладок подряд зкзызает угон пути, нарушаются нормальные условия работы рельсовых скреплений и всех элементов верхнего строения пути, что создает угрозу безопасности движения поездов.

Статистические данные свидетельствуют о том, что за период мехду капитальными ремонтами пути после пропуска 500-600 млн. т брутто выход подкладок в последние годы составляет 400-500 штук на. километр пути.

Основными факторами, влиявшими на эксплуатационную стойкость подкладок следует считать условия эксплуатации (грузонапряженность, скорость движений поездов,осевая нагрузка, загрязненность балласта,-коррозия и*т.д.), качество металла подкладок к прямолинейность подкладки со стороны контакта со шпалой.

Необходимо также отметить роль значительных сжимакщ« натрЕ-хекий, образующихся при затяжке закладных (121 Ша) или клемхянх (59 Ша) болтов.

Таким образе;,;, представляется актуальном реаение задачи г.о повьшенк-з эксплуатационной стойкости подкладок рельсового скрепления путем повышения их прочностных свойств и коррозкоккой стойкости, а таете . создания по сеченк» дета1:;: эгзоры напряжений благоприятной для изделий, работают в условиях цшдхческих нагрузок.

В последние годы "многие исследователи уделяли существенное . внимание вопросам упрочнения низкоуглеродкетых низколегированных сталей типа стата СтЗ (табл. 1). Их внимание било натравлено, главны},! образом, на повышение прочностных свойств проката из стачи СтЗ. Одначо, технология производства подкладок такова,что упрочнять, мсякно только готовое изделие, так как механическая обработка упрочненной подкладочной полосы приведет г. большое/ выходу из строя металлообрабатывающего инструмента.

' Для термической обработки готового изделия удобнее всего использовать закалку погружением в охлаакаяацую среду. Чаце всего в качестве закалочной среды используется вода, реже -раствора солей, щелочей и полимеров. В литературе по данному вопросу сведений о результатах применения солей, щелочей и полимеров для закалки изделий кз сталей типа СтЗ нет.

Таблица 1

Предлагаемые способы упрочнения стали СтЗ

Вид термической обработки

Уровень свойств бв. МПа бг, МПа 6, 7.

Упрочнение в потоке стана

С*прерванная" закалка): охлаждение с температуры прокатки до 520-650°С+самоотлуск или отпуск при 600 °С

Улучшение: закалка от 920 °С в воду -15 мин., отпуск при 650 °С, 1,5 часа

• Микролегировачие ванадием (0,075%)+контролируемая прокатка: нагрев 1150 °С, подстуяивание до 1000 °С, прокатка з 2 прохода с 70 до 50 мм, подсту-. кивание до 750 °С, прокатка в 7 проходов на лист 1?, мм, т|мп|ратура на выходе 740-

Термопдастическая обработка:

Деформационно-термическая обработка: нагрев до 1000 °С, прокатка с обхатием 15-18 X при 1200-950°с, подстуживание да 800°С, обжатие 17-20 2.охлаждение на воздухе

Закалка 900-930°С+отпуск при 500 °С, 1 час:

Закалка с прокатного ( 10501100 °С ) или специального (930±Ю) °С нагрева в воду - 15 с+самоотпуск или отпуск при 500 °С, 1 час

640 470 15,2

550 460 33,0

570 460 21,0

659 б0.2 >380 8,0

531-536 330-375 23-24 484-625 215-254 25-34

460-530 350-450 20-22

На закалке погружением в воду. основаны способы упрочнения подкладок, предлагаемые Л.Г. Чесновой и К. И. Красиковым с сотрудниками. В первом случае было показано, что наибольшая долговечность подкладок* имеет место при следующем химическом состазе стали СтЗ: углерод 0,18-0,26 X, марганец 0,75-1,05 X, хром 0,20-0,40 X, медь 0,20-0,40 после закалки с 500-930 °С в еоду и последующем отпуске при 500 С, 1 ч. При этом гарантируются вьюокие прочностные свойства стали СтЗ (см. табл. 1).

После пропуска 200 ьш.т брутто выхода термообработаннах подкладок не било, в го вргмл как выход нетермосбработанных составил 8,0 х.

Испытании ка ЭК ВНИИЙТ подкладок после закалки со специального нагрева при 930'С или нагрева, моделирующего прокатный (1050-1100°С) показали, что при пропуске £40 млн.т брутто выход закалек-ных подкладок сап в два раза меньше, чем горячекатаных. ,

В 50-х годах профессором К.З. Шепеляковским с сотрудниками был разработан метод объемно-поверхностной закалки, который к настоящему времени широко применяется в промышленности для большого числа тяхелокагруженяых деталей машин(шестерен, полуосей,крестовин карданных передач автомобилей,колец вагонных буксовых подшипников).

Метод обгемно-поверхнссгной закалки основан на согласовании прокаливаемости стали с размерами упрочняемых сечений детали, при этом прок&ливаемость стали ограничивается таким образом, чтобы при глубинном (сквозном) нагреве и резком охлаждении на мартенсит закаливался лишь поверхностный слой требуемой толвдны; при этом аус-тенит в глубинных слоях претерпевает эвтектоидный распад.

Анализ особенностей и опыта применения объемно-поверхностной закалки позволяет сделать вывод о возможности применения данного

метода термической обработки для упрочнения подкладок КБ65 исходя из следующих предпосылок:

- возможность получения за один цикл нагрева и охлаждения вы- • сокопрочного поверхностного слоя в сочетании с глубинным слоем, имеющим тонкую ферритно-перлитную структуру. Такое сочетание структур способствует созданию градиента свойств по сечению изделия и, следовательно, формированию в поверхностных слоях высоких остаточных сжимающих напряжений;

- использование как печного, так и индукционного нагрева, что вахно с учетом большого объема производства данного вида продукции на действующих предприятиях;

- ислользовангэ в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды, что создает условия для получения максимальной твердости поверхности и практически полного подавления самоотпуска мартенсита поверхностных слоев в процессе его образования.

Ввиду того,что сталь СтЗ относится к низкоуглеродистым сталям с большими критическими скоростями охлаждения,то даже при объемно-поверхностной закалке не удается получить в поверхностных слоях чисто мартенситну» структуру. Поэтому далее применительно к изде- . лиям из данной группы сталей будет использоваться термин "объемно- поверхностное упрочнение";

- процесс органично вписывается в существующую схему механической обработки подкладок и представляется весьма удобным для создания полностью автоматизированного экологически чистого производства.

Применение указанного метода термической обработки для подкладок КБ65 вызывает необходимость проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований ввиду следующего:

- к настоящему времени метол реализован в промышленности для специально разработанных сталей регламентированной и пониженной прокаливаемости с содержанием углерода 0,4-1,05 2, теоретические-разработки и опыт применения метода объемно-поверхностной закалки для упрочнения изделий из сталей типа СтЗ отсутствует;

- для деталей с необработанной ("черной") поверхностью метод до настоящего времени не. применялся;

- специфика метода обуславливает необходимость теоретического ■ и экспериментального определения параметров нагрева и охлаждения,

а также конструкции закалочного устройства для упрочнения подкла- •' док с учетом требований к их свойствам и особенностей производства данного вида продукции. .

Вторая глаза содержит описание методик исследований и испытаний, использованных в работе.

Подкладки для исследований поставлялись АО "Салдинский метал-, лургический завод" в стандартном (горячекатаном) состоянии.

Химический состав стали стали всех использованых в работе подкладок определялся с помощью. установки "Spektrolab 5" и соответствовал требованиям'ГОСТ 380-88.

Изучение микроструктуры стали СтЗ проводилось на образцах вырезанных перпендикулярно поверхности как горячекатаных подкладок, так и подкладок после объемно-поверхностного упрочнения. При проведении исследований использовались микроскопы МИМ-8М h"QUANTIMET" при увеличениях 100 и 500.

Для исследования тонкой структуры стали после объемно-поверх-костной закачки применяли электронную микроскопию на фольгах из различна гон сечения детали. Просмотр структур проводили на элек-трс.чнсм .микроскопе Tesla ВЗ-540 при увеличениях Q000 и 20300.

Определяли объемные доли структурных составляющих.

Субструкгурные изменения в поверхностных слоях оценивали по изменению ширины линий (110) и (211).

Содержание углерода в мартенсите поверхностных слоев определяли по методике,разработанной в МИСиС. Расчет рентгеноструктурных параметров выполнен с помощь. ПЭВМ по программе EXPRESS (ШСиС).

Для изучения остаточных напряжений на поверхности подкладки и их распределения, по сечению изделия после объемно-поверхностного упрочнения и в горячекатаном состоянии использовали рентгеновский метод sin2 V.

Измерение твердости проводили на образцах, вырезаных перпендикулярно поверхпос-ц горячекатаных подкладок . и подкладок после объемно-поверхностного упрочнения. Измерение твердости по Виккерсу проводилось с нагрузкой на индентор 10 кг и шагом 1,0 мм.

Для измерения микротвердости использовался микротвердомер ШТ -ЗМ. Нагрузка на ::ндснтор состазляла 50 г, яаг 0,2 мм на глубину 2,0 мм, далее - 0,5 мм.

Определение размера зерна проводилось на образцах, вырезанных из подкладок подвергнутых нормализации с температур 800, 950,100О, 1050 и 1100 °С с помощью прибора "EPIQUANT" при увеличении 500, расчет среднего значения размера зерна осуществлялось на ПЭВМ с помощью программы EPI (ШСиС) по результатам замера 500 зерен для каждого температурного режима.

Макроскопические исследования изломов проводились невооруженным глазом согласно существующим методикам и с помощью микроскопа МБС-9 при увеличениях 2-13.

Микро$рактографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JXA-50A (РЭМ) и микроскопе Сомевах S 50

в режиме вторичных электронов.

Длп исследований использовались изломы горячекатаных подкладок и подкладок после объемно-поверхностного упрочнения после испытаний на ударную вязкость и усталостных испытаний.

Статические испытания на одноосное растяжение проводились на испытательной махине ИР-5057 согласно ГОСТ 1487-84 "Методы испытаний на растяжение" на образцах диаметром 6 мм ( тип III по ГОСТ 1487-84).

Образку для испытаний вырезались из среднего сечения горячекатаных подкладок и подкладок.после объемно-поверхкостного упрочнения в направлении вдоль' и поперек прокатки. В каждом направлении вырезалось не менее. 3-х образцов.

Динамические испытания на ударную вязкость проводились по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре КМ-03 мощностью 300 Дж при +20°С. Площадь сечения образцов составляла 10x10.мм, концентратор напряжений, имел радиус закругления 2,0 мм. Образцы вырезались вдоль и поперек направления прокатки не менее,чем-по 3 образца в каждом направлении.

Для проведения испытаний использовали стандартные подкладки и подкладки после объемно-поверхностного упрочнения.

Испытания на циклическую долговечность проводили согласно ГОСТ £860-65 и "Методике усталостных испытаний" на натурных изделиях на гидравлическом пульсаторе ЦДМ-ЮОПУ с нагрукениеи по схеме трехточечного изгиба. Расстояние между опорами составляло 200 мм, цикл кагружения-аснмметричный с коэффициентом асимметрии Rj0,2, частота нзгрухения 5 Гц, базовое число циклов нагружения 5х10б. Значения максимальных и минимальных нагрузок рассчитывалось по известным формулам сопротивления материалов.

Испытания проводили на горячекатаных подкладках и подкладках

после объемно-поверхностного упрочнения.

По аналогичной схеме проводили коррозионно-механические испытания. Коррозионная среда (3 Х-ный раствор НаС1) подавалась каплями в зону максимального нагружения и распространялась по поверхности подкладки с помощью поролонового жгута,опоясывающего деталь.

Для оценки износостойкости подкладок в горячекатаном состоянии и после объемно-поверхностного упрочнения использовали способ Шпинделя.

При проведении испытаний число оборотов диска составляло 50 оборотов, зремя проведения испытаний - 10 минут, нагрузка на диск - 14 н,-

При изучении коррозионной стойкости подкладок использовался метод снятия поляризационных потенциодиначических анодных и катодных кривых, которые измерялись со скоростью развертки потенциала 0,25 мЗ/с по трехэлектродной схеме-.рабочий электрод, хлорсеребряный электрод сразнения и электрод для поляризации из платиновой проволоки.

При снятии кривых с поверхности образцов использовалась нестандартная ячейка,которая прикреплялась к рабочему электроду. По- • ляризуемая площадь составили 7 си2.

Перед снятием кривых рабочий электрод выдерживали в течение 1-1,5 часов до установления стационарного значения потенциала в дзух специально выбранных растворах: 3 7. N801 и 3 2 НаоЗО^, имитирующих соответственно морскую и промышленную атмосферы.

Испытания проводили на образцах, вырезаных из горячекатаной подкладки и подкладки после объемно-поверхностного упрочнения.

Обработка статистических данных по результатам определения, механических свойств, ударной вязкости, износостойкости и твердое-

ти проводилась с помощью известных формул математической статистики.

В третьей главе представлен расчет параметров нагрева и охлаждения пбдкладки КБ65, требуемых для реализации метода объемно-поверхностного упрочнения,приведено описание экспериментальной установки для отработки режима объемно-поверхностного упрочнения подкладок, дач анализ структуры и свойств стали СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения.

По методике, предложенной Б.К. Ушаковым, было рассчитано распределение скорости охлаждения по сечению стальной пластины толщиной 15,5 мм, что соответствует тощине подкладки КЕ65. Расчет был выполнен для "быстрого потока воды" ("эффективное" значение коэффициента теплоотдачи 100000 ккат/(мг*°С*час)) с учетом колебаний химического состава стали СтЗ в пределах марочного и без. Обе полученные зависимости практически полностью совпадаот, что подтвер-. ждает возможность применения метода объемно-поверхностной закалки для упрочнения стали СтЗ с обеспечением твердости поверхности порядка 40-48 ННС и твердости сердцевины 20-25 НРС при охлаждении быстродвкжущимся потоком воды.

Учитывая возможность применения данной технологии упрочнения для различных деталей из низкоуглеродистых низколегированных сталей, а также необходимость наиболее экономичной эксплуатации насосов для подачи закалочной воды, была выполнена оценка минимальной допустимой скорости движения потока воды при упрочнении изделий из старей типа СтЗ с различной толщиной сечения.

Для расчета были использованы дачные по скорости охлаждения цилиндрических образцов в зависимости от скорости движения воды, полученные К.З.Шепеляковсккм. С использованием зависимостей теории

теплопроводности, приведенных в работах Н.Ю.Тайца, были определены зависимости скорости охлаждения стальных пластин различной толщины при различных значениях коэффициента теплоотдачи в интерзале температур 700-500 °С.

Из сопоставления этих данных с критической скоростью охлаждения стали СтЗ (400 °С/с) получена зависимость минимальной скорости дз'лг.ен'Ля потока воды (V, м/с) необходимой для упрочнения на максимальную твердость деталей из стали СтЗ от толщины сечения (Б, мм), описываемая эмпирической формулой:

,66*5°-6

Для реализации эффекта объемно-поверхностного упрочнения подкладки КВ65 толщиной 15,5 мм скорость потока охлаждающей воды должна быть не менее 3,4 м/с, а время охлаждения, определенное по формуле предложенной Н.И. Ксбаско для расчета времени необходимого для достижения в поверхностном слое максимальных сжимающих напряжений - не менее 17 с.

Данные выполненного анализа были использованы при проектировании охлаждающего устройства и выборе,производительности насосоз для подачи воды при охлаждении. Для отработки режима' процесса объемно-позерхностного упрочнения подкладок рельсового скрепления ис-

¥

пользовалась установка состоящая из дзух насосов общей производительностью 150 м3/час, расходного бака объемом 3 м3, служащего емкостью для размещения закалочного устройства и закалочной воды. При массовом процессе закалки используется градирня, служащая для поддержания температуры закалочной воды на уровне не более 50 °С.

Нагрев под закалку осуществляли в печи сопротивления Н-80 до температуры (&Ю±15) °С. Нагрев можно также производить с помощью индуктора. В качестве источника питания при индукционном нагрев«

используется машинный генератор мощностью 100 кВт, частотой 2,5 Гц.

Принцип работы установки заключается в следующем. Охлаждение нагретой детали осуществляется потоком воды, подаваемым насосами под избыточным давлением 0,8 МПа. Закалочная вода забирается насо- ■ сами из нижней части расходного бака и через нагнетательный трубопровод подается к закалочному устройству, где размешается нагретая деталь. Выходящая из закалочного устройства вода вновь собирается в нижней части расходного бака,то есть циркуляция воды осуществляется по замкнутому контуру.

Время охлаждения подкладки потоком воды составляет 20 с.

Все исследования структуры и сгойств подкладок после объемно-поверхностного упрочнения проводились в сравнении с горячекатаными (стандартными) изделиями.

Исследование микроструктуры стати СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения показало, что дачные условия охлаждения обеспечивают получение на глубине 1,5-2,0 мм мелкодисперсной структуры игольчатого типа, имеющей твердость порядка 460 HV и повышенную плотность дефектов - около 2,8*10n см-2.

Более детальное исследование структуры упрочненной зоны показало, что основной структурной составляющей (75-80 Z) поверхност- ■ ного сдоя на глубине 0,5-0,6мм является смешанная мартекситно-бей-нитнач структура; 20-25 2 объема слоя кз данной глубине составляют небольшие участки троостита и феррита. По мере удаления от поверхности (к центру) объемная доля ферритных и трооститных участков увеличивается, а количество мартенситно-бейнитной составляющей падает. Кроме того, меняется строение этих составляющих: в бейнитно-мартенситных участках все более проявляются эффекты отпуска,вплоть до появления сорбита отпуска на глубине 2,5-3,0 им.На глубине сеы-

ше 2,0 мм от поверхности объемная доля бейнитных участков составляет меньпе половины.

В целом структура упрочненной зоны неоднородна: бейнит, мар- • тенсит отпуска, сорбит отпуска, троостит, структурно-свободный феррит,участки с вырожденным перлитом. Структурно-свободный феррит полигонизирозач, наблюдается эффекты старения в феррита.

В центральной зоне упрочненной подкладки наблюдаются все вышеперечисленна структурные составляющие. Различие проявляется в огрублении структуры за счет укрупнения карбидов и в появлении участков с вырожденным перлитом. Плотность дефектов в ферритной составляющей тзгасе уменьшается и не превышает 1,4*1010 см"2.

В горячекатаном состоянии подкладка имеет ферритно-перлитную структуру по всему сечении образца с сильно выраженной вытянуто-стьп зерен в направлении прокатки. В некоторых участках сечения наблюдается полосчатая структура.

Таким образом, использование объемно-поверхностного упрочнения подкладок рельсового скрепления из стали СтЗ позволяет частич-'но подавить процессы самоотпуска и получить в тонком поверхностном слое мартенситоподобнуи структуру высокой твердости.

' На рис. 1 приведены результаты замера твердости по сечению образца стали СтЗ после объемно-позерхностного упрочнения и в горячекатаном состоянии.

Из представленных зависимостей видно, что при объемно-поверхностном упрочнении подкладок возникает градиент свойств по сечению детали. Твердость поверхности достигает 460 НУ, в то время как твердость середины находится на уровне 220 НУ. При этом твердость неупрочненной подкладки р?л:-::мерна по сечению и не превышает 200 Н'Л

Распределение твердости по сечению образца стали СтЗ

600 иу10

500 400

зоо 200

100 0 1 2 3 А 5 6 7 8

Расстояние от поверхности,мм

1. подкладка после объемно-поверхностного упрочнения;

2. горячекатаная подкладка

•

1 . 1 .

" г

Глубина упрочненного слоя составляет порядка 1,5-2,5 мм, что согласуется с теоретическим значением глубины прокаливаемости ( 2,320 - 3,875 мм).

Следовательно, объемно-поверхностное упрочнение позволяет повысить уровень поверхностной твердости в 2-2,5 раза по сравнению с горячекатаным состоянием, при этом, как показали исследования, колебания химического состава стали СтЗ в пределах марочного влияют в большей степени на величину поверхностной твердости.а не на глу- • бину закаленного слоя.

Влияние температуры нагрева под закалку на закаливаемость и прокаливаемость стали СтЗ обусловдекно тем,что увеличение температуры нагрева под закалку приводит к выравниванию концентрации аус-тенитного раствора и росту зерна от 10,9 мкм при 950 С до 16,2 мкм при 1100 °С, что, в свою очередь, приводит к увеличению прокали-ваемости. Проведенные исследования показали, что в интервале температур 950-1100 °С размер аустенитного зерна влияет, в основном, на величину позерхностной твердости (460-500 НУ соответственно), 'глубина закаленного слоя остается практически неизменной (на уровне 2,5 мм). |

Механические свойства стали СтЗ после объемно-поверхностного

(

упрочнения изучали на образцах диаметром 6 мм, вырезанных из среднего сечения подкладок.

Испытания на ударную вязкость проводили при +20 °С на образцах с концентратором напряжений с радиусом закругления 2,0 мм.

Результаты испытаний на растяжение, ударную вязкость и износостойкость приведены в табл.2.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предел прочности стали СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения

увеличивается в 1,3-1,4 раза, износостойкость упрочненной поверхности возростает в 1,5 раза.

Таблица 2

Результаты испытаний на растяжение, ударную вязкость и износостойкость стали СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения

Вид термообработки б» б02 а, X ,МДх/м Длина лунки,

МПа мм

Стандартная 455 * 291 31,7 ' 2,54 • 31,8

(горячекатаная) 429 284 30,0 0,75

Объемно-поверхностное 700 527 16,5 0,36 18,25

упрочнение 1 664 471 13,1 0,27.

х В числителе приведены значения вдоль направления прокатки, в

знаменателе - поперек.

Основным критерием оценки работоспособности упрочненных подкладок служили испытания на цикл вескую долговечность при трехточечном изгибе. Испытания проводились как в воздуиной, так и в коррозионной (3 2 НаС1) среде. Результаты испытаний приведены на рис.- 2.

Как следует из приведенных зависимостей, объемно-поверхностное упрочнение подкладок КБ65 способствует повышению предела выносливости изделия как в воздушной, так и в коррозионной среде.

Предел выносливости в воздушной среде увеличивается в 1,6 раза от 350 до 520 МПа. В коррозионной среде значение условного предела выносливости подкладки после объемно-поверхностного упрочие-

Результаты испытаний подкладок КБ65 в воздушной и коррозионной (3 X ИаС1) средах

ООО б^МПа £00

-700 600 500 400

500 200

0,01 0,02 ЦО^ 0,1 0,2 0/10,61,0 до^оедаою

пМО6

1. подкладка после объемно-поверхностного упрочнения, воэдупная среда;

2. подкладка после объемно-поверхностного упрочнения, . -ЗХ-ный раствор N301;

3. горячекатаная подкладка, воздушная среда;

4. горячекатаная подкладка, 3 7.-ный раствор N301

1

К

— 1 г гПТ

А [з| т 1

ГГП

- -

ния ниже: 450 МПа, однако соотношение между, пределами выносливости горячекатаной и упрочненной подкладок сохраняется.

Полигонные испытания на ЗК ВЮШГГ в кривой радиусом 400 м показали, что после пропуска 700 млн. т брутто по излому вышла всего одна подкладка после объемно-поверхностного упрочнения, в то время как выход горячекатаных подкладок составил 42 штуки.

Таким образом, объемно-поверхностное упрочнение способствует увеличению срока" эксплуатации подкладок в 3-5 раз, что позволяет увеличить период между капитальными ремонтами пути и уменьшить экономические затраты,связанные с перерывами в движении транспорта во время проведения ремонта. ' •

В четвертой главе приведены результаты исследования 'прочностных и эксплуатационных свойств подкладок КВ65 уменьшенной толщины.

Для определения минимальной . толщины подкладки, при

которой возможно сохранение необходимого уровня свойств, был проведен ряд статических испытаний,испытаний на циклическую долговечность и исследованы механические, свойства подкладок уменьшенной толщины. '•■'•..'

Для проведения испытаний использовались подкладки толщиной 15,5 (стандартная толщина), 14,5; 13,5; 12,5 и 11,5 мм. Уменьшение толщины изделия проводилось фрезерованием опорной поверхности подкладки. Режим закалки - печной нагрев до 950 С, охлаждение потоком воды, подаваемым под избыточным давлением 0,2 МПа двумя насосами общей производительностью 150 м3/час.

Анализ результатов по оценке статической прочности показывает, что уменьшение толщины подкладки до 11,5 мм с последующей объемно-поверхностной закалкой дает возможность получить разрушающую нагрузку 7,05 т, что соответствует нагрузке разрушения для

подкладки стандартной голодны 15,5 мм без термообработки.

При снижении толщины подкладки до 13,5мм с последующим объем-нс-позерхнсстным упрочнением нагрузка разрушения составила 12,8 т, ' то есть запас прочности подкладки толщиной 13,5 мм в 1,8 раза выше, чем у горячекатаной подкладки стандартной толщины.. Для подкладки стандартной толщины после объем-'о-позерхнсстксго упрочнения нагрузка .разрушения составляет 19,5 т.

Кспктак;ш на циклическую долговечность, прЕОДигсиеся по схеме трехтсчечного изгиба с максимальной нагрузкой 4,0 т для подкладок толщиной 11,5 мм и 6,0 т для всех остальных подкладок и коэффициентом ас:;мметр;:и цикла Щ0,2 показали (ряс. 3), что уменьшение толщины'подкладки на 2,0 мм не приводи? к существенному ухудшению эксплуатационных сгсйстз подкладок КБ65, исхода из реальных усло-зий нагрукекия в эксплуатации. Ка;'. следует из рис.З подкладки тол-"пиной 13,5 мм имеют предел гынссливссти з 1,5 раза вызе, чем горячекатаные подкладки стандартной толщина.

Уменьшение толщины подкладки КБ65 на 2,0 мм обеспечивает экономим 4,0 г стали на километр пути.

Исследования прочностных свойств подкладок уменьшенной толщи- ■ ны с объемно-поверхностным упрочнением 'показали,что уровень прочно-

I

стных свойств упрочненных подкладок толщиной 15,5 и 13,5 мм практически не отличается. Так предел прочности "тонкой" подкладки составляет, в среднем, 730 МПа, условный предел текучести - 450 МПа, относительное удлинение - 17,0 для подкладки стандартной толщины эти параметры составляют, соответственно, 750 МПа, 500 МПа, 17,0 2.

Анализ распределения твердости по сечению подкладок толщиной 15,5 и 13,5 мм после сбъ°мно-поверхностного упрочнения

■' - 26- " Результаты испытаний на циклическую долговечность подкладок различной толщины

0,001 0,1

1,0 10,0 ммо6

1. горячекатаная подкладка 15,5 мм;

2. подкладка 15,5 мм после объемно-поверхностного упрочнения;

3. подкладка 13,5 мм после объемно-поверхностного упрочнения

показывает, что уровень поверхностной твердости не изменяется, а уме.чьпгэниз толпйны упрочненного сдоя связано с уменызением толщины изделия з целом и согласуется с теоретически определенным значе'ни- -ем (2,025-3,375 im) на урозне нижнего предела (1,5-2,1 мм).

Испытания опытной партии подкладов на SK BK5MST показали, что после пропуска 500 млн. ? брутто с нагрузкой 27 т/ось выход по изломам подкладок толщиной 13,5 мм после объемно-поверхностного упрочнения ссстазы 3 штуки, в то время как выход стандартных подкладок - 55 втук.'. .

Пятач глаза' содер-тат описгяие спытно-промьпзлекксй установки для для сФьемхо-воверхностного упрочнен® подкладок К565 на АО "Саддянсгай металлургически зазод".

Нагрез подкладок осуществляется з промышленной газовой печи,

■л

которая переоборудована з проходную. конструкция газовых £срсукок, специально изготовленных КИйМТ (г.Екатеринбург), позволяет примерно за 1-2 минуты нагревать подкладки до температуры 950'С.

Задача подкладок а нагревательную печь осуществляется с использованием загрузочного устройства; перемещение подкладок з кем

(

производится по ларспроч-ьгм направлявшим.

'После нагрева изделия по склизу попадают в закалочное устрой, - (

стзо, где происходит закалочное охлаждение направленны«! потоками воды со стороны ребер и'подотгы. Транспортирование подкладок, под потоком воды осуществляется специальной кареткой закалочного устройства, перемещение которого осуществляется электродвигателем с редуктором. Процесс работы нагревательного и закалочного оборудования автоматизирован, контроль осуществляется специальной аппаратурой. Циркулляция воды происходит по замкнутому контуру: закалочное устройство - расходный бак - злектрогидразлический на-

сос.

Данное закалочное оборудование применяется для закалки подкладок как стандартной, так и уменьшенной толалкы по ТУ 1132-00601124328-95.

Предполагаемая производительность установки 3,5 тыс. т в год.

ОБЩИЕ ВЫЗОЛЫ

1. Проведен анализ существующих методов термической обработки сталей типа СтЗ и показана возможность и перспективы применения метода объемно-поверхностной закалки для повышения экснлуатацион- . ных свойств подкладок рельсового скрепления КБ65;

2. Выполнена теоретическая оценка параметров нагрева и охлаждения подкладок КБ65 для реализации эффекта объемно-поверхностного упрочнения деталей из низкоуглеродистой стали типа СтЗ. Данные теоретического анализа были использованы при проектировании закалочного устройства и выборе производительности насосов;

3. Анализ микроструктуры стали СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения выявил наличие упрочненного слоя толщиной 1,5-2,5 • мм. Основной структурной составляющей упрочненного слоя до глубины 0,5-0,6 ым является ыартенситно-бейнитная смесь с повышенной плотностью дефектов и твердостью пнорядка 500 НУ. В центральной зоне упрочненной подкладки преобладает структурно-свободный феррит, твердость середины образца - 200-220 НУ;

4. Использование метода объемно-поверхностного упрочнения способствует созданию градиента свойств по сечению подкладки, что обеспечивает возможность получения в изделии эпюры напряжений, благоприятной для деталей, работающих в условиях циклических на-

грузок;

5. В результате объемно-поверхностного упрочнения подкладок достигается высокий уровень прочностных свойств изделия: предел прочности увеличивается в 1,5 раза по сравнению с горячекатаным состоянием и составляет 650-700 МПа, при этом пластические свойства материала не ухудшаются;

6. Увеличение прочностных сзойств материала и создание благоприятной зпюры остаточных напряжений способствует повышению циклической долговечности подкладок КБ65 в 1,5-1,6 раза в условиях воздействия как воздуансй, так и коррозионной среды;

7. Применение метода объемно-поверхностного упрочнения подкла-дск позволяет уменьшить толщину детата на 2,0 мм. Исследования механических сзойстз, а также характера распределения твердости по сечению подкладки толзцшой 13,5 мм не выявили существенных отличий

г

з ■ уровне сзойств упрочненных подкладок стандартной и уменьиенной толщины; ч

8. Подкладки толщиной 13,5 мм, подвергнутые объемно-поверхностному упрочнен;» имеют'уровень свойств по статической прочности в 1,5 раза и по пределу выносливости в ¿.Э раза вьгле, чем горя- • чекатаные подкладки стандартной толщины;

■ I

9. Как показала результаты полигонных испытаний на ЗК БНИИйТ, объемно-поверхностное упрочнение способствует увеличению срока службы подкладок кач стандартной, так и уменьиенной толщины в 3-5 раз, что приводит к увеличению периода между капитальными ремонтами пути и уменьшению экономических затрат, связанных с перерывами в движении транспорта во время проведения ремонта.

Уменьшение толщины подкладки на 2,0 мм приводит к сниженеио металлоемкости изделия на 14 X, что обеспечивает экономию 4,0 т

- so

стали на километр пути;

10. На основании результатов проведенных исследований прочностных у. оксл-гуагацконккх свойств упрочненных подкладок разра-' ботана и внедрена на АССавдинский металлургический завод" опктко-промыЕленная установка для объемно-поверхностного упрочнения подкладок КБ55 производительностью 3,5 тыс. ? в год.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Новая технология упрочнения рельсовых подкладок/В.М.Фгдин, Л.П.Строк, В.Ф.Девяткин, Е,В.Болдырева//Вестник ВК>ШТ,-1991,-К5

2. Пути повышения коррозионной стойкости подкладок рельсового скрепления К565/ В.М.Федин, С.Л.Нулин, Д.В.Дьяконов, £-.3.Волдыре- . ■ ва// Весткик ВНШТ,-1992,-Ь'8;

3. В.М.Федик, Е.В.Болдырева Новая технология упрочнения подкладок рельсового скрепления КБ65.-С6. тезисов докладов 2-го Собрания металловедов России, Пенза, 3294

4. Создание градиента свойств по сечени» деталей с целью увеличения срока их служ5ы/В.М.0едик, Е.В.Болдырева, В.Г.Косницкий, A.M.Никитин// Сб. тезисов докладов 3-го Собрания Металловедов .' России, Рязань,'1996.

Подписано; к печати -05.11 >96" •'

Формат бумаги 60.«.SO г/16

Объем 1,7 п.л.

Заказ3£~з?Тираж 100 экз.

Типография ВНИИЖТ.

3-я Штихцнская ул., д. 10