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

^ ШдаСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

Л"-» • ' >

"О , - "'■С----- '

На правах рукописи

Болдырева Елена Валериевна

ПОВЫ1ЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОДКЛАДОК РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ ПУТЕМ ИХ ОБЪЕМНО-ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ

Специальность 05.16.01Металловедение и термическая обработка металлов '

Автореферат....

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1

Москва.1996

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте . железнодорсиюого траиспорта

Научный руководитель: - кандидат технических наук, ведущий 1 научный сотрудник В,М.Федин.

\ ■

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

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

Ведущая организация АО "Салдинский металлургический аавод"

Защита диссертации состоится lea^r. в Y<£>'~~

часов на заседании Диссертационного совета Л 114.01.04 при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851, Москва, 3-я Мытищинская ул., 10, влконфе-ренцзале института. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ " igge г.

Отзьшы на реферат в двух.экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес ВНИИЖТ: 129851, Москва, И-164,

3-я КЬтсшнская ул., 10.

Ученый секретарь Диссертационного у

совета Д 114.01.04 Г.И. Пенькова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность "темы.'йаделия' из низкоуглеродистых-низколегиро-- _ занкис с;азей используются з народном хоэяйстзе, в том

числе ;; з иелезжщасяом траиспорте."

Рост ;:кгенсй31юсти эксплуатации поденного состава, уаеличе-кие силового воздействия аа него приводит к увеличение позре«дае-костн деталей, верхнего строения куга, з частное?;-: подкладок рель-• сотого сксданлепиз КЗ. йзготззлгеаемых из стели Стз.

Необходимость увеличения срока слукОы полкледск сгагся?. с тем, что данная группа изделий по объему потребления металла на транспорте <1,4-млн ? в год) занимает второе место после рольсоь, а низкий срок эксплуатации изделия (порядка 2-3 лет) требует проведения периодических ремонтов, вызванных заменой подвлздск, что приводи? к бсльаим .экономическим затратам, связанным с перерывами в язизсекик граясяорсг и болыдм массозыы расходом стали.

3 связи с этим представляется гхг/азыш регзаяе задач по улу-чаею® эксшуагааисшп« свойств стали СтЗ при ее «ассозск лотребя*-кии.

Существующие способы упрочнения за счет легкрокакия или упрочнения с прокатного катрена в деясм случае неприемлемы, ?ас как увеличение степени легирования 8 условиях массового производства не является экономически выгодным, а использование упрочнсни?! с прокатного нагрева потребует большого выхода из строя метаялсюбрл-батыващего инструмента при последующей обработке подкладочной полосы.

В настоящее вреда наиболее перспективным способом повышении

прочности и эксплуатационной стойкости подкладок КБ65 представляется метод объемно-поверхностной закалки, разработанный в нащед* стране под руководством профессора К.З. Щепеляковского и успешно используехый для широкого круга деталей в автомобильной промыоен- * ности, сельхозмашиностроении и на железнодорожном транспорте (кольца вагонных буксовых подшипников, шестерни локомотивов..

Основной предпосылкой для использования метода объемно-поверхностной закалки_ являются:создание в результате применения данного метода термической обработки градиента свойств по сечению подкладки, что обеспечивает возможность получения в изделии эпюры напряжений благоприятной для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок; его экологическая чистота; возможность совмещения установки для объемно-поверхностной закалки с существующими линиями по производству подкладок и автоматизации процесса.

Дель работы. Несмотря на значительное количество- исследоза- . тельских работ и успешный опыт применения 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 низколегкрог ванных 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 следующие задачи:

-анализ' существующих методов упрочнения изделий из низкоуглеродистых низколегированных сталей типа СтЗ и оценка перспектив и - - возможностей, использования метода^ .объемно-поверхностной закалки для упрочнения подкладок рельсового скрепления КЕ55;

-разработка к опробование технологии объемно-поверхностного упрочнения подкладок КВ65;

-анализ структуры, механических и эксплуатационных свойств подкладок после объемно-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 КБб5(СтЗ) и ее применения в качестве упрочняющей технологии с внедрением на транспорте.

Научную новизну данной работы характеризуют следующие основные положения:

- теоретическое обоснование возможности применения объемно-поверхностной закалки для упрочнения изделий из низкоуглеродистой

, низколегированной стали типа СтЗ, в частности подкладок рельсового скрепления КБ65;

- результаты исследования микроструктуры й механических свойств стали СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения в сраз-

. нении со стандартным вариантом термотеской обработки;

- научные сскозы разработки технология объемно-поверхносткого упрочнения. изделий из низкоуглеродисгач низколегированных сталей типа СтЗ: ' ■ -

- обоснование возшакости умекьпеняя толщины изделия с после- ' дуащим объемно-поверхностным упрочнением.

Все перечисленные полсяеназ. разработаны впервые, метод объемно- поверхностной закалки для упрочнения изделий из кизкоуглеродис-тых низколегированных сталей до нестоящего времени з отечественном • й зарубежном машиностроении не применялся. •

Практическое значение работы состоит в.той, что впервые разра- ■ ботан и опробован в производственных условиях на Салдикском метал-. лургическом заводе новый технологический процесс объемно- поверхно- . стного упрочнения подкладок рельсового скрепления КБ65 (стать СтЗ), • выполнены исследования упрочненных изделий, показазаае' кх сусест- . венное преимущество по сравнения с подкладками, выпускаема по-стандартной технологии.

Апробация работы. Основные результаты работы • долскекы на ' научно-технических советах во ВНИИЯТ и на Салдинском металлургическом заводе, а также на 2-ом ( Пенза. 1994) и 3-ем ( Рязань, 1996) • собраниях Металловедов России. По результата« 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 эакалки. Опытная партия".

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

- ? -

сунок и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ. РАБОТЫ

Глаза первач содержит анализ повреждаемости подкладок рельсового скрепления КБ65 и обзор основных методов термической обработки, предлагаемых для упрочнения низкоуглеродистых низколегированных сталей типа стали С '■

Во время эксплуатации подкладки подвергается воздейстыг: 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 микротрещин. Микротредины г.^д действием продолжающегося приложения сил объединяются в макро-треау.ны и, з конечном итоге приводят к рззрукенкя подкладки.

Установлено, что излом происходит на подрельсовом участке подкладки между ребордами я имеет вид, характерный для усталостного разрушения.

Изломы подкладок приводят к уменьшению надежности соединения рельсов со спадами; излом трех подкладок подряд вызывает 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 между капитальными ремонтами пути после пропуска 500-600 млн. т брутто выход подкладок в последние годы составляет 400-500 стук на километр пути.

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

' Необходимо также отметить роль значительных а-шмающих напряжений, образующихся при затяхке закладных (111 Ша) или клеммнкх (59 МПа) болтоз.

Таким образа«, представляется актуальным решение задачи по повышению эксплуатационной стойкости подкладок рельсового скрепления путем повышения их прочностных свойстз и коррозионной стойкости, а также создания создания по сечению детали эпиры налряле-ний благоприятной для изделий, работающих в условиях циклических нагрузок.

В последние годы 'многие исследователи уделяли существенное . внимание вопросам упрочнения • низкоуглеродистых низколегированных сталей типа стали СтЗ (табл. 1). Их внимание было напразлеко, главным образом, на повышение прочностных свойств проката из стали СтЗ. Однако, технология производства подкладок такова, что упрочнять. ■ можно только готовое изделие, так как механическая обработка упрочненной подкладочной полосы приведет в большому выходу из строя металлообрабатывающего инструмента.

Для термической обработки готового изделия удобнее всего использовать закалку погружением в охлаждающую среду. Чаще всего в качестве закалочной среды используется вода, реже -растворы солей, щелочей и полимеров. В литературе по данному вопросу сведений о результатах применения солей, щелочей и полимеров для закалки изделий из сталей типа СтЗ кет.

Таблица 1

Предлагаемые способы упрочнения стали СтЗ

Вид термотеской обработки

Уровень свойстз 6В, МПа бт. МПа 5, Z

Упрочнение в потоке стача ("прерванная" закалка): охлаждение с температуры прокатки до 520-650°С+самоотпуск или отпуск при 600 °С

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

• Микролегирование ванадием (0,075%)+контролируемая прокатка: нагрев 1150 °С, подстуживание до 1000 °С, прокатка в 2 прохода с 70 до 50 мм, полету-. живание до 750 °С, прокатка 3 7 проходов на лист 12 мм, температура на выходе 740750 °С '

Термопластическая обработка:

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

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

Закалка с прокатного ( 1050- .. 1100 °С ) или специального (9Э0±10) °С нагрева в воду - 15 с+самоотпуск или отпуск при 500 °С, 1 час • , ,

640 470 15,2

550 460 38,0

570 460 21,0

659 6о, 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* имеег место при следующем химическом составе стали СтЗ: углерод 0,18-0,26 %, марганец 0,75-1,05 X, хром 0,20-0,40 X, медь О,£0-0,40 после закалки с 900-930 °С в воду и последующем отпуске при 500 С, 1 ч. При этом гарантируются высокие прочностные свойстза стали СтЗ (см. табл. 1).

После пропуска 200 млк.т брутто выхода термсобработ&чных подкладок не было, в то время как выход кетермообработакных составил 8.0 Т..

испытания иа ЭК ВНИИЖТ подкладок после закалки со специального нагрева при 930®С или кагрева, моделирующего прокатный (1050-1100'С) показали, что при пропуске 240 млн.т брутто выход закаленных подкладок был в два раза меньше, чем горячекатаных.

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

Метод объемно-поверхностной закалки основан на согласовании прокадиваемости стали с размерами упрочняемых сечений детали, при этом прокаливаемое» стали ограничивается таким образом, чтобы при глубинном (сквозном) нагреве и резком охлаждении на мартенсит закаливался лишь поверхностный слой требуемой толщины; 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, имеидим тонкую ферритно-перлитную структуру. Такое сочетание структур способствует созданию градиента свойств по сечении изделия и, следовательно, формированию в поверхностных слоях высоких остаточных сжимающих напряжений;

- использование как печного, та* к индукционного нагрева, что важно с учетом большого объема производства дачного вида продукции на действующих предприятиях;

- использован:'3 в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды, что создает, условия для получения максимальной твердости поверхности и практически полного подавления самоотпуска мартенсита поверхностных слоев з процессе его образования.

Вэиду того,что сталь СтЗ относится к низкоуглеродисткм сталям с Содьскни критическими скоростями охлаждения, то даже при объемно-поверхностной закалке не удается получить в поверхностных слоях чисто мартенситнув структуру. Поэтому далее применительно к изделиям 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 метод реализован в промышленности для специально разработанных сталей регламентированной и пониженной прокаливаемости с содержанием углерода 0,4-1,05 X, 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 свой« зам и особенностей производства данного вида продукции. 1

Вторая глава 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 использованы* 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-поверх костного упрочнения. При проведении исследований использовались микроскопы МЯМ-8М h"QUANT 1МЕТ" при увеличениях 100 и 500.

Для исследования тонкой структуры стали после объемно-поверх-костной закаяки применяли электронную микроскопию на фольгах из различна гон сечения детали. Просмотр структур проводили на элек-трсннсм микроскопе Tesla ВЗ-540 при увеличениях 9000 и 20300.

■Г - 43-

Определяли объемные доли структурных составляющих.

Субструктурные 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 (МИСиС).

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 поверхности горячекатаных подкладок и подкладок после объемно-поверхностного упрочнения. Измерение тзердости по Виккерсу :проводилось с нагрузкой на йндентор 10 кг и шагом 1,0 мм.

Для измерения микротвердости использовался .микротвердомер ПМТ -ЗМ. Нагрузка на ::ндентор составляла 50 г, яаг С,2 мм на глубину 2,0 мм, далее - 0,5 мм.

Определение размера зерна проводилось на образцах, вырезанных из подсадок подвергнутых нормализации с температур SCO, 950,1000, • 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.

Микрофрактографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JXA-50A (РЗМ) и микроскопе Сомевах S 50

в режиме вторичных электронов.

Для исследований использовались изломы горячекатаных подкладок и подкладок после объемно-поверхностного упрочнения после испита- • ний на ударную вязкость и усталостных испытаний.

Статические испытания на одноосное растяжение проводились на испытательной мааине ИР-505? согласно ГОСТ 1487-84 "Методы испытании на растяжение" на образцах диаметром 6 мм ( тип III по ГОСТ 1487-84).

Образцы для испытаний вырезались из среднего сечения горячекатаных подкладок и подкладок после объемно-поверхностного упрочнения в направлении вдоль и поперек прокатки. В каздом 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 С860-65 и "Методике усталостных испытаний" из натурных изделиях на гидравлическом пульсаторе ЦДМ-100ПУ с нагружением по схеме трехточечного изгиба. Расстояние между опорами составляло 200 мм, цикл кагружения-аскяметричный с коэффициентом асимметрии R¿0,2, частота нагрухения 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 МаС1) 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, время 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 ;.<3/с по трехзлектродной схеие:рабочий электрод,хлорсеребряный

электрод сравнения и электрод для поляризации из платиновой прово-л оки.

При снятии кривых с поверхности образцоз использовалась нестандартная ячейка,которая прикреплялась к рабочему электроду. Поляризуемая площадь составили 7 см2.

Перед снятием кривых рабочий электрод выдерживал" в течение 1-1,5 часов до установления стационарного значения потенциала в двух специально выбранных растворах: 3 % НаС1 и 3 % N3250-5, 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 подкладки КБ65, требуемых для реализации метода обгемно-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 КБ65. Расчет был выполнен для "быстрого потока воды" ("эффективное" значение коэффициента теплоотдачи 100000 ккал/(м2*°С*час)) с учетом колебаний химического состава стали СтЗ в пределах марочного и без. Обе полученные зависимости практически полностью совпадает, что подтвер-. вдает возможность применения метода объемно-поверхностной закалки для упрочнения стали СтЗ с обеспечением твердости поверхности порядка 40-48 НТО и твердости сердцевины 20-25 КТО при охлаждении быстродвижущимся 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 ст&чей типа СтЗ с различной толщиной сечения.

Для расчета были использованы данные по скорости охлаждения цилиндрических образцов в зависимости от скорости движения воды, полученные К.З.Еепеляковским. 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 интервале~ тем- -ператур 700-500 °С.

Из сопоставления этих данных с критической скоростью охлаждения стали СтЗ (400 °С/с) получена зависимость минимальной скорости движения потока воды (v, м/с) необходимой для упрочнения на максимальную твердость деталей из стали СтЗ от толщины сечения (S, мм), описываемая эмпирической формулой:

v.O,66*S0'6

Для реализации эффекта объемно-поверхностного упрочнения подкладки КБ65 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. Кобаско для расчета времени необходимого

для достижения з поверхностном слое максимальных сжимающих напряжений - ке менее 17 с.

Дачные выполненного анализа были использованы при проектировании охлаждающего устройства и выборе.производительности насосов для подачи зоды при охлаждении. Для отработки режима процесса объемно-поверхностного упрочнения подкладок рельсового скрепления использовалась установка состоящая из двух насосов общей производительность» 150 мэ/час, расходного бака объемом 3 м3, служащего емкостью для размещения закалочного устрс;:ства 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 (950+15) °С. Нагрев можно также производить с помощью индуктора. В качестве источника питания при индукционном нагр^Р"

1 ь -

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 0,2 МПа. Закалочная вода забирается насо- • сами из нижней части расходного бака и через нагнетательный трубопровод подается к закалочному устройству, где размещается 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 сбойств подкладок после объемно-поверхностного упрочнения проводились в сравнении с горячекатаными (стандартными)' изделиями.

Исследование микроструктуры стали СтЗ после объемно-поверхностного упрочнения показало, что данные условия охлаждения обеспечивают получение на глубине 1,5-2,0 мм мелкодисперсной структуры игольчатого типа, имеющей твердость порядка 460 НУ и повышенную плотность дефектов - около 2.8Л1011 см~2.

Более детальное исследование структуры упрочненной зоны показало, что основной структурной составляющей (75-80 X) поверхност- • ного слоя на глубине 0,5-0,6мм является смешанная мартенситно-бей-нитная структура; 20-25 х объема слоя на 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 мм.На глубине свн-

ше 2,0 мм от поверхности объемная доля бейкитных участков составляет меньше половины.

В целом структура упрочненной зоны неоднородна: бейнит, мар- ■ теней? отпуска, сорбит отпуска, троостит, структурно-свободный феррит,участки с вырожденным перлитом. Структурно-свободный феррит полигонизирозак, наблядаотся эффекты старения в феррите.

В центральной зоне упрочненной подкладки наблюдаются все вы-гггтеречисленнке структурные составляющие. Различие проявляется в огрублении структуры за счет укрупнения карбкдез :? з появлении, участков с вырожденным перлитом. Плотность дефектов в ферритной составляющей также уменьшается и не превыоает 1,4*1010 см-2.

В горячекатаном состоянии подкладка имеет, ферритно-перлитную структуру по всему сечени» образца с сильно выраженной вытякуто-стья 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 мартенситоподобную структуру высокой твердости.

На рис. 1 приведены результаты замера тзердости по сечению образца стали СтЗ после объемно-поверхностного 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 HV, в то время как твердость середины находится на уровне 220 HV. При этом твердость неупрочненной подкладки раъ;-::мерна по сечем® к не превышает 2С0 НУ.

Распределение твердости по сечению образца стали СтЗ

600 500 400 300

200

100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Расстояние от поверхности,мм

1. подкладка после объемно-поверхностного упрочнения;

2. горячекатаная подкладка

л

■ 1 ■

" 1

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-' бкну закаленного слоя.

Влияние температуры нагрева под закалку на закаливаемость и прокаливаемость стали СтЗ обусловденно 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 прокаливаемости. Проведенные исследования показали, что в интервале тем-, ператур 950-1100 °С размер аустенитного зерна влияет, в основном, на величину поверхностной 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.

Анал;::. 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 6» МПа ба.г а5 ,МДж/м Длина лунки, 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 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 циклическую долговечность при трехточечном изгибе. Испытания проводились как в воздушной, так и в коррозионной (3 2 ИаС!) 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 упрочне-

Результаты испытаний подкладск КБ65 в воздушной и коррозионной (3 X ИйС!) среда?;

<и,мпа!

0,01 0,02 0,04 0,1 02 0,10,61,0 да,оодою

пма6

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

2. подкладка после объемно-псг»рхясстного упрочнения, „ -ЗГ-кый раствор МаС1;

3. горячекатаная подкладка, воздушная среда;

4. горячекатаная подкладка, 3 Х-ный раствор N301

- -¿ч -

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

Полигонные испытания на ЭК ВНИЖГ 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 КБ65 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 сн'.'у.ении толщины подкладки до 13,5мм с последующим объемно- поверхностным упрочнением нагрузка-разрушения составила .12,8 т, то есть запас прочности подкладки толщиной 13,5 мм в 1,8 раза вы-пе, чем у горячекатаной подкладки стандартной толяины,. Для подкладки стандартной толщины после объем!го-поверхност:-юго упрочнения нагрузка разрушения составляет 19,5 т.

Испытания на циклическую долговечность, лрводигскеся по схеме трехто"°ч.чого изгнСа с нагрузкой 4.0 т для подкладок

толежой 11,5 и 6,0 т для всех остальных псдклгдск к коэффициентом асимметрии цикла «¿0,2 показали (рис. 3). что уменьшение толоиныподкладки на 2,0 мм не приводит, к существенному ухудшению эксплуатационных свойств подкладок ке65, исходя из реальных условий нагрудения з эксплуатации. Как следует из рис.3 подкладки тол-Ъ"'сй 13,5 мм имею? предел выносливости з 1,2 раза выше, чем- горячекатаные подкладки стандартной тол^ны.

Уменьшение толдины подкладки КБ65 на 2,0 мм сбеспечигает экономию 4,0 т стали на километр пути.

Исследования прочностных свойств подкладок уменьшенной толди-

ны с объемно-поверхностным упрочнением показали,что уровень прочно-

(

сткых сзойств упрочненных г.одкладск толщиной 15,5 к 13,5 мм практически не отличается. Так предел прочности,"тонкой" подкладки составляет, з среднем, 730 МПа, условный предел текучести - 450 МПа, относительное удлинение - 17,0 для подкладки стандартной толщин эти параметры составляют, соответственно, 750 МПа, 500 МПа, 17,0 Г. .

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

Результаты испытаний на циклическую долговечность подкладок различной толщины

1. горячекатаная подкладка 15,5 мм;

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

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

показывает, что уровень поверхностной твердости не изменяется, а умекьсениэ толщины упрочненного слоя связано с уменьшением толщины

изделия з целом и согласуется с теоретически определенный значе'ни- '------

ем (2,025-3,375 и*) на урознэ нижнего предела (1,5-2,1 мм).

Испытания спытнсй партии подкладок на ЭК ВНИИ5Т показали, что после пропуска 500 мл я. т брутто с нагрузкой 27 т/ось выход по из-лсмам подкладе:-: толщиной 13.5 мм после объемно-поверхностного упрочнения составил 3 штуки, в то время как зыход стандартных подк- • ледок - со итук. . _ •

Пятая глаза' соде рта? описание спытно-промьшекнек установки для для объемно-поверхностного упрочнения подкладок КВ65 на АО "Саддинский металлургический эазод".

Нагрев подкладок осуществляется з промьалеккой газовой печи, . которая переоборудована в проходную. Конструкция газозых форсунок, специально изготовленных ¡-"G5.iT (г.Екатеринбург), позволяет пример-, но за 1-2 минуты нагревать подкладки до температуры 950еС.

Задача подкладок а кагревательну» печь осуществляется с кс-полъзоватлеы загрузочного устройств?.; перемещение подкладок з нем

I

производится по жаропрочным направляющим.

'После нагрева изделия по склизу попадают з закалочное устройство, где происходит закалочное охлаждение направленными потоками золы со стороны ребер и'подошвы. Транспортирование подкладок, под потеком воды осуществляется специальной кареткой закалочного устройства, перемещение которого осуществляется электродвигателем с редукторсм. Процесс работы нагревательного и закалочного оборудования автоматизирован, контроль осуществляется специальной аппаратурой. Цирку лляцкя воды происходит по замкнутому контуру, закалочное устройство - расходный бак - электрогидразлический на-

сос.

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

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих методов термической обработки сталей типа СтЗ и показана возможность и перспективы применения метода объемно-поверхностной закалки для повышения зкснлуатацион- . 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 мм 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 зтсм пластические свойства материала не ухудшаются;

6. Увеличение прочностных свойств материала и создание благоприятней эпюры сстгтсчных напряжений способствует повышению циклической долговечности подкладок КБ65 в 1,5-1,6 раза в условиях воздействия как воздушной, так и коррозионной среды;

7. Применение метода объемно-поверхностного упрочнения подкладок позволяет уменьшить толщину детати на 2,0 мм. Исследования механических свойств, а также характера распределения твердости по сечению подкладки толщиной 13,5 мм не выявили существенных отличий з уровне свойств упрочненных подкладок стандартной и уменьшенной толщины; 1

8. Подкладки толщиной 13,5 мм, подвергнутые объемно-поверхностному упрочнен;» имеют уровень свойств по статической прочности з 1,8 раза и по пределу выносливости в %,2 раза выше, чем горячекатаные подкладки стандартной толщины;

I

9. Как показали результаты полигонных испытаний на ЭК БНИКК7, объемно-поверхностное упрочнение способствует увеличению срока службы подкладок как стандартной, так и уменьшенной толщины з 3-5 раз, что приводит к увеличению периода между капитальными ремонтами пу. и и уменызени» экономических затрат, связанных с перерывами в движении транспорта во время проведения ремонта.

Уменьшение толщины подкладки на 2,0 мм приводит к ски^ен^пл металлоемкости изделия на 14 %, что обеспечивает экономию 4,0 т

- so

стали на километр пути;

10, На основании результатов проведенных исследований прочностных к эксплуатационных свойств упрочненных подкладок разра-' ботана к Екедрека на АО"С&лдинский металлургический зазод" опитко-промыкленная установка для объемно-поверхностного упрочнения подкладок КБ65 производительность» 3,5 тыс. ? а год.

Основные результаты работы изложены в следуеда публикациях:

1. Ноаая технология упрочнения рельсовых подкладок/В.М.Фгдин, Л.П.Строк, В.Ф.Дезяткин, Е, 3.Боддырева//Вестник 8ККЮТ,-1991,-К5

2. Пути повышения коррозионной стойкости подкладок .рельсового скрепления КБ65/ В.М.Седин, С.Л.Кудин, А. В. Д£ я коков, £-. 3. Волдыре- - • ва// Вестккк ВКККГГ,-1692,-1:3;

3. В.М.Федик, Е.В.Болдырева Новая технология упрочнения подкладок рельсового скрепления КЕ65.-СЗ, тезисов докладов 2-го Собрания металловэдо2 России, Пенза, 1694

4. Создание градиента свойств по сечению деталей с целью увеличения срока их слудЗы/В.М.Оедик, Е.В.Болдырева, В.Г.Косницкки, А.М.Никитин//Сб. тезисов докладоз 3-го Собрания Металловедов .' России, Рязань,'1996,

Подгшсаво-.к печаги-С5л1^9б"-'

Формат бумаги 60.¥.90 1/16

Объем 1,7 п.л.

Заказ 3¿У Тира* 100 экз.

Типография ВНИ5ЖТ.

3-я Мытищинская ул., д. 10