автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение износостойкости литых деталей грузовых вагонов дуговой наплавкой слоя стали со структурой игольчатого феррита

На правах рукописи

АБРАМЕНКО ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ СЛОЯ СТАЛИ СО СТРУКТУРОЙ ИГОЛЬЧАТОГО ФЕРРИТА

Специальности:

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов 05.03.06 - Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003455920

Москва 2008 г.

003455920

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»).

Научный руководитель: кандидат технических наук

Павлов Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бакаева Раиса Дмитриевна

кандидат технических наук Борц Игорь Алексеевич

Ведущая организация: ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Защита состоится » ЛОе-А^РЗ 2008 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 218.002.02 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта» по адресу: 107996, Москва. 3-я Мытищинская ул., д. 10, зал Учёного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИЖТ».

Автореферат разослан « » иозбО& 2008 г.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

И.С. Гершман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ условий работы и результатов эксплуатации надрессорной балки тележки, пятника и автосцепного устройства грузового вагона из стали марок 20ГЛ, 20ФЛ и 20ГФЛ, относящихся к феррито-перлитному классу показал, что эти детали обладают низкой износостойкостью при интенсивности износа рабочих поверхностей 1,2-2,0 мм на 100 тыс. км пробега. Механизм изнашивания рабочих поверхностей литых деталей рассматривается, как процесс схватывания при абразивном и коррозионно-окислительном воздействии при наличии высоких контактных и ударных нагрузок.

Литые детали грузовых вагонов являются материалоемкими, трудоемкими в изготовлении, и дорогостоящими узлами, поэтому при достижении предельного износа после 3 лет эксплуатации (~210 тыс. км пробега) подвергаются ремонту дуговыми методами наплавки с последующей станочной обработкой до чертежных размеров. Однако применяемые при этом низколегированные сварочно-наплавочные материалы с низкой износостойкостью наплавленного металла не позволяют увеличить межремонтный пробег отремонтированных деталей более 160 тыс. км (2 года эксплуатации). Таким образом, детали за весь срок службы подвергаются ремонту наплавкой до 10 раз. Только надрессорных балок ежегодно ремонтируется более 280 тыс. штук, что приводит к весьма значительным материальным затратам железнодорожной отрасли. Чрезмерный износ рабочих поверхностей деталей приводит к перекосам экипажной части вагона, заклиниванию сопряженных деталей, а иногда и к отколу их частей, что снижает уровень безопасности движения.

Таким образом, вопрос повышения износостойкости литых деталей грузовых вагонов является актуальным с технической и экономической точек зрения.

Одним из наиболее перспективных направлений восстановления и упрочнения литых деталей является дуговая наплавка комплекснолегированными сварочно-наплавочными материалами, которая позволит увеличить межремонтный пробег литых деталей до 500 тыс. км и более.

Целью диссертационной работы является повышение износостойкости литых деталей грузовых вагонов наплавкой слоя комплекснолегированной стали с обеспечением межремонтного пробега не менее 500 тыс. км.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ интенсивности изнашивания стали 20ГЛ с феррито-перлитной микроструктурой;

проведены металлографические исследования износостойкого комплекснолегированного металла, наплавленного проволокой марки Св-08ХГ2СМФ на гребень цельнокатаного колеса;

- изучено влияние легирующих элементов на полиморфное превращение переохлажденного аустенита в условиях непрерывного охлаждения комплекснолегированного наплавленного металла;

- выбрана система легирования наплавленного металла с высокой стойкостью против образования холодных трещин;

- определено влияние степени легирования наплавленного металла на его износостойкость;

- проведены пробеговые и эксплуатационные испытания натурных деталей тележки и автосцепного устройства наплавленных комплекснодегированным металлом;

- разработана порошковая проволока для наплавки литых деталей грузовых вагонов;

- разработана и внедрена технология износостойкой наплавки литых деталей грузовых вагонов.

Методы исследования.

Экспериментальные исследования по выбору системы легирования наплавочного материала выполняли на образцах, наплавленных опытными порошковыми проволоками, изготовленными на Опытном заводе сварочных материалов ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. Легирование наплавленного металла осуществляли посредством введения соответствующих ферросплавов в шихту сердечника порошковой проволоки.

Металлографические исследования по идентификации микроструктуры и изучение поверхностных слоев комплекснолегированного наплавленного металла проводили на оптическом, электронном просвечивающем и растровом микроскопах, а также микрорентгеноспектральным методом.

Механические свойства основного и наплавленного металла определяли по стандартным методикам (ГОСТ 1497, ГОСТ 9454, ГОСТ 6996, ГОСТ 9012). Дюрометрический анализ поверхностных слоев натурных деталей после пробеговых испытаний проводили на приборе микротвердости ПМТ-3 по ГОСТ 9450.

Химический анализ металла образцов осуществляли на оптическом эмиссионном спектрометре «ЗресйхЯаЬ-З». Изучение неметаллических включений в наплавленном металле выполняли на растровом электронном микроскопе - 6060А с энергодисперсионным спектрометром №0-2300.

Сравнительную оценку триботехнических свойств основного металла деталей и комплекснолегированного наплавленного металла выполняли на машинах трения, имитирующих сухое трение, а также трение скольжения ювенильных поверхностей.

Пробеговые и эксплуатационные испытания натурных деталей проводили по специально разработанной методике на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ (г. Щербинка) на полувагонах в опытном составе, а также на замкнутом маршруте Восточно-Сибирской железной дороги на платформах-лесовозах.

Научная новизна

На основании комплекса металловедческих и трибологических исследований комплекснолегированного наплавленного металла, испытаний образцов на стендах и натурных деталей в эксплуатации дано научное обоснование формированию структуры игольчатого феррита при непрерывном охлаждении наплавленного металла и впервые установлены триботехнические свойства наплавленного металла с такой структурой, при этом:

построена структурная диаграмма комплекснолегированного наплавленного металла, являющаяся теоретической основой для разработки низколегированных сварочно-наплавочных материалов различного назначения;

- установлено, что наиболее эффективной с точки зрения образования игольчатого феррита в условиях непрерывного охлаждения является система легирования С-8ьМп-Сг-№-У-Т1 в диапазоне углеродного эквивалента 0,480,55%;

- установлено, что комплекснолегированный наплавленный металл со структурой игольчатого феррита наименее склонен к схватыванию и образует в условиях сухого трения скольжения в результате наклепа высокоизносостойкий поверхностный слой.

Практическая ценность

1. Выбрана наиболее экономная система легирования сварочно-наплавочных материалов С-81-Мп-Сг-№-У-Т1, обеспечивающая при дуговой наплавке на литую сталь марки 20ГЛ высокоизносостойкого слоя стали с преобладающим содержанием в его микроструктуре игольчатого феррита, реализованная в порошковой проволоке,

2. Пробеговые испытания наплавленных натурных литых деталей грузового вагона, показали, что наплавка слоя комплекснолегированной стали со структурой игольчатого феррита повышает их межремонтный пробег более 800 тыс. км.

3. Разработана высокотехнологичная порошковая проволока марки ПП-АН180МН, стабильно обеспечивающая получение наплавленного металла с преобладающей структурой игольчатого феррита (>80%), которая промышленно изготавливается по ТУ 127400-002-70182818-05 на Череповецком сталепрокатном заводе и ОАО «НИИМонтаж» г. Краснодар. В настоящее время порошковая проволока ПП-АН180МН является основным сварочным материалом для наплавки литых деталей грузовых вагонов и широко применяется ремонтными вагонными депо и вагоноремонтными заводами.

4. Экономия материальных ресурсов от внедрения технологии износостойкой наплавки литых деталей грузовых вагонов (надрессорной балки, боковой рамы, пятника, корпуса и замка автосцепки), обусловленная снижением количества ремонтов наплавленных деталей в 5 раз и повышением производительности наплавочных работ при общесетевой потребности в ремонте грузовых вагонов в 250 тыс. штук, по первому году внедрения, составит 1,836 млрд. руб. в год.

Апробация работы

Основные материалы, промежуточные и итоговые результаты диссертационной работы были доложены и опубликованы в трудах научной конференции молодых ученых и аспирантов по развитию железнодорожного транспорта в условиях реформирования (г. Щербинка, 2006 г.), в трудах 6-ой Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта, 2006 г.) и научной конференции ученых ВНИИЖТ по современным проблемам желез ею дорожного транспорта (г. Щербинка, 2007 г.).

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 5 печатных работах, 1 патенте на изобретение, оформлены ТУ 127400-002-70182818-05 «Порошковая проволока для механизированной наплавки марки ПП-АН180МН».

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов.

Объем работы составляет 141 страницу машинописного текста, включая 17 таблиц, 66 рисунков, списка литературных источников из 63 наименований, а также 8 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и цель работы, указана научная новизна, приводиться практическая ценность.

В первой главе приведены результаты анализа условий работы и интенсивности изнашивания рабочих поверхностей основных питых деталей тележки (надрессорной балки) и автосцепного устройства (корпуса и замка автосцепки) грузового вагона, показаны пути повышения их межремонтного пробега.

Анализ условий работы узлов трения грузовых вагонов пятник-подпятник, контур зацепления и хвостовик автосцепки показал, что они работают в условиях сухого трения при наличии высоких контактных и ударных нагрузок, а их износ протекает по конкурирующим между собой механизмам - схватывание, абразивный и коррозионно-окислительный. Интенсивность изнашивания рабочих поверхностей литых деталей грузовых вагонов из сталей марок 20ГЛ, 20ФЛ и 20ГФЛ, относящихся к феррито-перлитному классу, равна 1,2-2,0 мм/105 км пробега. Таким образом, новые детали при допустимой величине износа ВД=3 мм после 210 тыс. км пробега или 3 лет эксплуатации подвергаются деповскому ремонту дуговой наплавкой с последующей станочной обработкой до чертежных размеров. Однако применяемые при этом низколегированные сварочные материалы феррито-перлитного класса обеспечивают межремонтный пробег всего 160 тыс. км (2 года эксплуатации). За весь срок службы литые детали подвергаются ремонту до 10 раз, что снижает их эксплуатационную надежность от многократных нагревов и введения дополнительных

сварочных напряжений. Это приводит также к весьма значительным материальным затратам отрасли.

В связи с постоянным увеличением грузооборота в стране увеличиваются и требования к подвижному составу, а именно растут нагрузка на ось, общая масса поезда и скорость движения. Для обеспечения в этих условиях работоспособности литых деталей за последние годы было предложено несколько конструкторско-технологических решений по защите их рабочих поверхностей от износа, такие как объемно-поверхностная закалка, электро-импульсная обработка, индукционно-металлургическая наплавка, плазменно-порошковая наплавка, дуговая наплавка высоколегированной проволокой феррито-мартенситного класса, установка износостойких элементов из сталей ЗОХГСА и 20ХГСА. Однако наличие ударных нагрузок в зоне контакта деталей приводит к разрушению, как самих износостойких элементов, так и швов их приварки, а также к выкрашиванию и сколам их частей в эксплуатации. Технология термического упрочнения деталей автосцепки оказалась неэффективной из-за низкой прокаливаемости сталей марок 20ГЛ и 20ФЛ, что не позволило кардинально увеличить износостойкость деталей при глубине упрочненного слоя равной 1/3 допустимой величины износа.

Одним из наиболее перспективных и до настоящего времени не использованных путей повышения износостойкости литых деталей грузовых вагонов является дуговой метод наплавки комплекснолегированными сварочно-наплавочными материалами. Данное направление было впервые применено в 90-х годах прошлого века при износостойкой наплавке гребней железнодорожных колес. На данном этапе установлено, что комплексное легирование наплавленного металла позволяет сочетать в нем высокую прочность, ударную вязкость, а также, что особенно важно, качественно новые трибологические свойства.

Износостойкость гребней колес, наплавленных проволокой Св-08ХГ2СМФ, превышает таковую ненаплавленных в 5 раз при твердости

наплавленного металла всего на 20-40 НВ превышающей твердость основного металла колеса. Считали, что такой трибологический эффект был получен благодаря формированию в наплавленном металле микроструктуры в виде сорбитной матрицы с равномерно распределенными высокодисперсными карбидами ванадия, молибдена и хрома. Однако литературные данные о структурообразовании в низколегированных сталях с малыми добавками сильных карбидообразующих элементов (V, И, Мо) при содержании углерода вплоть до 0,23% показали, что образование специальных карбидов происходит лишь при длительном высоком отпуске закаленной на мартенсит стали. При непрерывном охлаждении введенные легирующие элементы растворяются в а-твердом растворе и цементите (Ре,Ме)}С, а также образуют оксиды и нитриды. Это поставило под сомнение результаты проведенной ранее идентификации структурного состояния износостойкого комплекснолегированного наплавленного металла и явилось основанием для проведения в рамках диссертационной работы комплекса металлографических исследований с привлечением тонких физических методов: рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа.

Сварочная проволока марки Св-08ХГ2СМФ предназначена для наплавки под флюсом, что резко ограничивает номенклатуру наплавляемых поверхностей литых деталей. Кроме того, из-за низкого содержания углерода (<0,05%) в металле, наплавленном сварочной проволокой Св-08ХГ2СМФ на сталь 20ГЛ, при его непрерывном охлаждении у—>а-превращение аустенита проходит с выделением большого количества полигонального феррита (>25%), что значительно снижает его механические свойства и износостойкость. Это послужило причиной разработки нового комплекснолегированного наплавочного материала - порошковой проволоки для механизированной наплавки в среде углекислого газа.

Во второй главе представлены методы изучения структуры, физико-механических, триботехнических и служебных свойств

и

комплекснолегированного наплавленного металла, а также обоснована техника и методика обработки экспериментальных результатов исследования.

Исследование микроструктуры и свойств комплекснолегированного наплавленного металла выполняли на образцах, наплавленных опытными порошковыми проволоками, изготовленными на ОЗСМ ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, а также на металле, наплавленном проволокой Св-08ХГ2СМФ на колесную сталь и сталь марки 20ГЛ. Легирование наплавленного металла осуществляли введением в шихту порошковых проволок соответствующих ферросплавов. Наплавку образцов выполняли на сварочном автомате АДГ-602 с источником питания типа ВДУ-505 на обратной полярности, на режимах соответствующих погонной энергии 13,0 -13,5 кДж/см.

Металлографические исследования проводили на нетравленных и травленных макро- и микрошлифах. Анализ микроструктуры наплавленного металла выполняли на оптическом Ах^есЬ-ЗО, электронных растровом КМ - 6060А фирмы «.ШОЬ» с энергодисперсионным спектрометром .1ЕО-2300 в Ка излучении и оптическом 1ЕМ-100В (методом одноступенчатых экстракционных угольных реплик) микроскопах. Для выявления высокодисперсных вторичных фаз в микроструктуре наплавленного металла был применен метод дифференциального реятгеноструктурного фазового анализа методом химического растворения на рентгеновской установке УРС-2.0 (камера БЭК-бО, излучение СгА'а). Идентификацию неметаллических включений проводили по их химическому составу, определяемому микрорентгеноспектральным методом на энергодисперсионном спектрометре 1ЕБ-2300.

Количественную металлографию выполняли наложением сетки 15х 15 на микроснимки с увеличением х500.

Технологическую прочность комплекснолегированного наплавленного металла оценивали по наличию (отсутствию) холодных трещин после полного остывания металла, наплавленного без предварительного подогрева

на наружный бурт подпятника надрессорной балки, как наиболее жесткий узел литых деталей грузовых вагонов.

Исследование влияния структурного состава наплавленного и основного металла на его износостойкость проводили испытанием образцов на машине трения МТШ при нагрузке на диск 14 кгс и пути трения 55 м по объему лунки износа.

Оценку сопротивляемости схватыванию основного металла стали 20ГЛ и комплекснолегированного наплавленного металла со структурой игольчатого феррита проводили на трибологическом стенде ТС-1 (ИМАШ) по схеме перекрещивающихся роликов при трении скольжения ювенильных поверхностей в сочетаниях наплавленный металл - наплавленный металл, наплавленный металл - сталь 20ГЛ, сталь 20ГЛ - сталь 20ГЛ.

Для оценки реального межремонтного пробега натурные литые детали

■ ' ч ' •

(надрессорной балки, боковой рамы, корпуса и замка автосцепки) с

наплавленным на их рабочие поверхности металлом со структурой

■ < .

игольчатого феррита подвергали пробеговым испытаниям по специальной методике ВНИИЖТ и эксплуатационным испытаниям. Интенсивность износа рассчитывали по результатам замеров контролируемых поверхностей штангенциркулем или специальными шаблонами с обеспечением точности измерения ±0,05 мм.

В третьей главе приведены результаты исследований металлофизических закономерностей формирования структуры игольчатого феррита и обоснован выбор системы легирования наплавленного металла.

С привлечением оптической, электронно-оптической и растровой микроскопии установили, что при кристаллизации комплекснолегированного наплавленного металла системы легирования С-БьМп-Сг-Мо-У в условиях непрерывного охлаждения (наплавка проволокой Св-08ХГ2СМФ на гребень колеса) в результате у—>а-превращения происходит выделение полигонального феррита по границам аустенитных зерен в виде прослоек толщиной 3-5 мкм (рис. 1, а) с образованием внутри бывшего аустенитного

зерна мелкозернистого (0,5-4,0 мкм) игольчатого феррита, на границах зерен которого наблюдается скопление мелкодисперсных (0,2-1,0 мкм) фрагментов легированного цементита (Бе, Ме)3С, входящего в МАК-фазу (мартенсит -остаточный аустенит - карбид) (рис. 1, б).

Дополнительные исследования с привлечением дифференциального рентгеноструктурного фазового анализа показали, что ничего кроме легированного цементита и неметаллических включений в осадке не содержится, т.е. специальных карбидов не было обнаружено.

По химическому составу, определенному микрорентгеноспектральным методом, неметаллические включения идентифицировали как сложные окислы Ре0Мп08Ю2'ТЮ2-А120з.

Рис. 1. Микроструктура износостойкого комплекснолегированного наплавленного металла, а) х500, б) х 10000

На основании полученных результатов исследования была поставлена задача по разработке комплекснолегированного высокоизносостойкого материала для наплавки литых деталей вагонов.

Вопросу формирования в наплавленном металле при его комплексном легировании структуры игольчатого феррита, применительно к сварным соединениям высокопрочных сталей, работающих в условиях низких температур, посвящены работы Ф.В. Грабина, А.В Денисенко.

В.В. Подгаецкого, Б.С.Касаткина, И.К. Походни, О.Н. Козловца, А.О. Корсуна и др. В них отмечено, что наиболее предпочтительной микроструктурой с точки зрения сочетания высокой прочности и ударной вязкости металла сварных швов является структура игольчатого феррита с минимальной долей полигонального феррита. Высокие механические свойства металла со структурой игольчатого феррита обусловлены малым размером зерен игольчатого феррита (0,5 - 4,0 мкм), высоким углом их разориентации (> 20°), а также высокой плотностью подвижных дислокаций в его зернах (р~1012 - 1014 см"2). В зернах полигонального феррита плотность дислокаций существенно ниже р~Ю10 см"2.

Установлено, что условием формирования структуры игольчатого феррита при непрерывном охлаждении наплавленного металла является наличие в нем легирующих элементов, способствующих сдвиговому механизму а—^-превращения (Мп, Сг, Мо, №, V, "Л), а также неметаллических включений оксидного характера, интенсифицирующих процесс образования игл. На протекание а-»у-превращения оказывает влияние погонная энергия сварки (скорость охлаждения) (рис. 2).

Одновременно с определением оптимальной степени легирования по углеродному эквиваленту Сэкв и количественного содержания структурных составляющих наплавленного металла, проводили оценку возможности снижения стоимости порошковой проволоки за счет исключения дорогостоящего (дефицитного) молибдена с дополнительным введением никеля, способствующего образованию игольчатого феррита и повышающего стойкость против образования холодных трещин, и титана, образующего мелкодисперсные оксиды ТЮг - концентраторы зарождения игл феррита. В работе были исследованы следующие системы легирования: С-8¡-Мп-Сг-Мо-V, С-8Шп-Сг-№-Мо-У-Т1, С^-Мп-М-Мо-У-И, С-БьМп-Сг-№-У-Т1 в диапазоне углеродного эквивалента от 0,45 до 0,65%, рассчитанного по формуле Сзк0 = С+Мп/6+(Сг+Мо+У)/5+№/15.

О'---г

Рис. 2. Схематическая диаграмма превращения аустенита при непрерывном охлаждении

легированного ферритного металла шва: ПФ - пограничный полигональный феррит, ВФ видманштетгов феррит, ИФ игольчатый феррит, Б - бейнит, М-мартенсит, А0 - остаточный аустенит

По результатам количественной металлографии микроструктуры металла, наплавленного опытными порошковыми проволоками, химический состав, твердость по Бринеллю и углеродный эквивалент которого приведены в табл. 2, построена структурная диаграмма (рис. 3).

Таблица 2

Проволока Сэкв Твердость, НВ Содержание элементов, %

С Si Мп Р S Сг Ni Mo V Ti

ПП1 0,573 320 0,15 0,50 1,41 0,020 0,027 - 0,63 0,53 0,09 0,03

ПП2 0,612 320 0,16 0,53 0,89 0,022 0,021 1,22 0,60 - 0,10 0,05

ППЗ 0,665 400 0,16 0,47 0,90 0,022 0,023 1,18 0,71 0,26 0,10 0,04

ПП4 0,567 320 0,11 0,54 1,40 0,020 0,020 - 1,17 0,57 0,08 0,04

ПП5 0,500 285 0,13 0,55 0,70 0,020 0,020 0,49 0,56 0,52 0,07 0,13

ППб 0,470 255 0,15 0,36 1,05 0,015 0,024 - 0,42 0,34 0,08 0,03

ПП7 0,515 275 0,15 0,50 0,88 0,015 0,010 0,83 0,55 - 0,08 0,03

'Св-08ХГ2СМФ 0,520 229 0,04 0,75 1,67 0,018 0,010 0,45 — 0,46 0,10 -

"'Св-08ХГ2СМФ 0,544 280 0,15 0,48 1,33 0,035 0,016 0,41 — 0,37 0,08 —

1, 2 - Указан химический состав металла, наплавленного проволокой Св-08ХГ2СМФ на сталь 20ГЛ и на гребень колеса, соответственно

Установлено, что по мере увеличения Сэка с 0,45 до 0,55% в микроструктуре наплавленного металла наряду с игольчатым ферритом по границам бывших аустенитных зерен и внутри них образуется некоторое количество полигонального феррита, объемная доля которого при этом снижается в диапазоне указанных значений углеродного эквивалента с 20 до

2%. При увеличении углеродного эквивалента сверх 0,55% полиморфное превращение переохлажденного аустенита протекает без выделения полигонального феррита и на фоне игольчатого феррита начинают выделяться бейнитные рейки. При Сэкв более 0,64% процесс а—>у-превращения протекает полностью по бездиффузионному механизму с образованием бейнитно-мартенситной структуры.

К,% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0,45 0,5 0,55 0.6 0,65 0,7 Г

Рис. 3. Структурная диаграмма комплекснолегированного наплавленного металла; ИФ - игольчатый феррит, ПФ - полигональный феррит, Б - бейнит, М - мартенсит

Результаты эксперимента по оценке технологической прочности комплекснолегированного металла, наплавленного на подпятник показали, что содержание в нем легирующих элементов Сэкв>0,55% приводит к резкому снижению его стойкости против образования холодных трещин, что обусловлено формированием закалочных структур.

Установлено, что наиболее эффективной с точки зрения формирования в наплавленном металле структуры игольчатого феррита и экономной при производстве наплавочного материала является система легирования С-81-Мп-Сг-№-У-"П в диапазоне углеродного эквивалента 0,48-0,55%

В четвертой главе представлены результаты оценки триботехнических свойств комплекснолегированного наплавленного металла.

\ >

/ \ \ м

ИФ \

/ \

N

у / \

/ \

/

/

ПФ \ N

Следует отметить, что исследование структурно-трибологических свойств комплекснолегированного наплавленного металла проведены впервые.

По приведенным на рис. 4 результатам лабораторных испытаний видно, что металл со структурой игольчатого феррита обладает в 2,6 -2,7 раза большей износостойкостью, чем сталь 20ГЛ с феррито-перлитной структурой. При этом наличие в микроструктуре комплекснолегированного наплавленного металла полигонального феррита снижает его износостойкость, что ограничивает нижний предел легирования не ниже 0,48% Сэкв.

0 10 20 30 40 50 60 70 К, %

Рис. 4. Относительная износостойкость наплавленного металла е; К -объемная доля полигонального феррита

В работе установлено, что металл со структурой игольчатого феррита обладает большей 'сопротивляемостью схватыванию при сухом трении ювенильных поверхностей, чем сталь 20ГЛ. При трении пары сталь 20ГЛ -

сталь 20ГЛ происходит пластическая деформация поверхностных слоев, сопровождающаяся интенсивным схватыванием, с переносом металла с одной поверхности на другую, коэффициент трения при этом равен 1,05. По мере увеличения доли игольчатого феррита в микроструктуре металла образца процесс трения при взаимодействии со сталью 20ГЛ протекает со значительно меньшим проявлением схватывания при снижении коэффициента трения с 0,85 до 0,8, при взаимодействии с одноименным металлом на поверхности образца образуются более узкие дорожки скольжения с образованием мелких очагов схватывания, коэффициент трения снижается с 0,95 до 0,85 (табл. 3).

Однако приведенные данные лабораторных испытаний не учитывают всего комплекса процессов, протекающих в парах трения литых деталей в эксплуатации, а именно воздействие ударных нагрузок в зоне контакта и наличие препятствующих схватыванию окисных и адсорбированных пленок на поверхностях трения.

Результаты пробеговых и эксплуатационных испытаний натурных деталей (надрессорной балки, боковой рамы, корпуса и замка автосцепки) с наплавкой слоя стали со структурой игольчатого феррита показали снижение интенсивности износа их рабочих поверхностей в 5-10 раз (0,10,18 мм/105км), что позволяет гарантировать их межремонтный пробег более 800 тыс. км (от капитального ремонта до капитального ремонта). При этом некоторые трущиеся поверхности имеют полированный вид, что снижает коэффициент трения и улучшает динамику вагона.

Металлографические исследования показали, что в поверхностном слое рабочих поверхностей деталей с износостойкой наплавкой под действием наклепа на глубину 5-15 мкм происходит резкое измельчение структуры и без того мелкозернистого игольчатого феррита с образованием зерен размером ~0,5 мкм (рис. 5, а). Микротвердость при этом возрастает до 476 НУ50 с последующим снижением до глубины 100-150 мкм от

поверхности трения до 350-400 HV50 при исходной твердости 275 HV50 (рис. 5, в).

Таблица 3

№ п/п Пары трения Внешний вид дорожек трения, х2 К-т трения

1 20ГЛ - 20ГЛ ^шШяящщ^^^^Ь §5 Ш > ! 1,05

2 ПП7 (8) - 20ГЛ 0,8

3 ПП6 (15) -20ГЛ 0,8

4

'Св-08ХГ2СМФ (25)-20ГЛ ks — - __________.-k» К 0,85

и ....... ■ ----- а

5 ПП7-ПП7 0,85

~6 1" д>'

ПП6-ПП6 0,95

7 'Св-08ХГ2СМФ -'Св-08ХГ2СМФ Г;';1 •»■■Уйми»и |.1'||11|у'|||||д А^Щук fr-~\ 0,9

Примечание. ПП6, ПП7 - металл, наплавленный порошковыми проволоками (табл. 2), в скобках указана объемная доля полигонального феррита, в %

Структура поверхностных слоев ненаплавленных деталей из стали 20ГЛ имеет резко отличную от наплавленных морфологию. Феррито-перлитные зерна при работе пар трения не измельчаются, а пластически деформируются и вытягиваются в направлении действия сил трения вдоль рабочей поверхности с образованием отслаивающихся чешуек износа (рис. 5, б). Твердость при этом увеличивается не выше 330 НУ50.

Проведенные стендовые испытания, а также исследование поверхностного слоя комплекснолегированного наплавленного металла деталей после эксплуатации позволяют раскрыть механизм его скачкообразного повышения износостойкости.

Во-первых, металл со структурой игольчатого феррита, по сравнению с феррито-перлитной структурой стали 20ГЛ, обладает более высокой стойкостью против схватывания в случае разрушения на поверхности окисных и адсорбированных защитных пленок. Во-вторых, в условиях эксплуатации происходит упрочнение поверхностного слоя, затрудняющего разрушение образовавшихся на нем защитных окисных пленок, а также пленок от попавших извне транспортируемых нефтепродуктов и других материалов, предотвращающих схватывание контактирующих поверхностей.

'.} с

Рис. 5. Микроструктура металла поверхностного слоя тяговой поверхности малого зуба автосцепки после пробеговых испытаний, хЮОО; а - с износостойкой наплавкой; б - без наплавки, в - распределение микротвердости

Таким образом, на поверхности трения формируется положительный градиент механических свойств, являющийся наиболее благоприятным для условий работы трущихся поверхностей литых деталей железнодорожного подвижного состава и грузовых вагонов в частности.

Полученные результаты легли в основу создания новой порошковой проволоки для наплавки в углекислом газе литых деталей грузовых вагонов и помогли объяснить механизм скачкообразного повышения износостойкости комплекснолегированного наплавленного металла.

В пятой главе представлены разработки по промышленному внедрению результатов проведенных металловедческих и трибологических исследований комплекснолегированного наплавленного металла.

С привлечением специалистов ИЭС им. Е.О. Патона разработана порошковая проволока трубчатой стыковой конструкции флюоритно-карбонатно-рутилового типа марки ПП-АН180МН (ТУ 127400-002-7018281805) для наплавки в углекислом газе на рабочие поверхности литых деталей слоя стали системы легирования С-8ьМп-Сг-№-У-Т1 со структурой игольчатого феррита. На основании теоретических проработок и проведенной серии экспериментов было подобрано оптимальное соотношение газо- и шлакообразующих, а также раскисляющих и легирующих компонентов в шихте проволоки.

Рекомендуемые режимы наплавки проволокой ПП-АН180МН в углекислом газе в нижнем положении приведены в табл. 4. Химический состав, твердость по Виккерсу и механические свойства металла, наплавленного проволокой ПП-АН180МН на сталь 20ГЛ приведены в табл. 5-7, соответственно.

Таблица 4

Диаметр проволоки, мм Ток, А Напряжение, В Вылет электрода, мм Расход углекислого газа, л/мин

1,6 200-320 25-27 25-30 8-12

2,0 240-380 25-28 25-30 10-16

2,8 360-480 27-32 30-35 18-20

____Таблица 5

Массовая доля элементов, %

С 81 Мп Сг N1 V и Б | Р

0,110,15 0,450,75 0,801,20 0,801,20 0,400,65 0,050,10 0,020,06 не более 0,04

Таблица 6

Твердость по Виккерсу, НУ

Третий слой Второй слой Первый слой ОШЗ Основной металл

292-292-289-285 276-269 260-257 251-213 189-191

Таблица 7

От, МПа Оц, МПа 5,% V» % кси20, Дж/см2 КСи.6о, Дж/см2 Твердость, НВ

720 830 18 60 105 85 275

Порошковая проволока марки ПП-АН180МН является основным наплавочным материалом, внесенным в действующую нормативно-техническую документацию ОАО «РЖД» на ремонт литых деталей, и поставляется в промышленных объемах ремонтным предприятиям вагонного хозяйства.

Представлен технико-экономический расчет и показано, что при внедрении технологии наплавки литых деталей грузовых вагонов (надрессорная балка, боковая рама, пятник, корпус и замок автосцепки) проволокой ПП-АН180МН с увеличением их межремонтного пробега в 5 раз, по сравнению с новыми деталями и восстановленными с использованием ранее применявшихся сварочных материалов феррито-перлитного класса, годовой экономический эффект при программе ремонта грузовых вагонов в 250000 составит не менее 1,83 млрд. руб. в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Анализ условий эксплуатации и конструктивно-технологических характеристик литых деталей грузовых вагонов показал, что их интенсивный износ, достигающий 2,0 мм на 105 км пробега, обусловлен значительными статическими и динамическими нагрузками и низкой износостойкостью

литейных сталей, в том числе стали наиболее массового применения марки 20ГЛ, а также применением при всех видах ремонта грузовых вагонов сварочно-наплавочных материалов феррито-перлитного структурного класса. Установлено, что механизм изнашивания рабочих поверхностей литых деталей представляется, как процесс схватывания при абразивном и окислительном воздействии и наличии высоких контактных и ударных нагрузок.

2. Показано, что из всего комплекса применяемых и предлагаемых к применению на железнодорожном транспорте способов восстановления и упрочнения литых деталей вагонов наиболее эффективным является дуговая наплавка комплекснолегированными сварочно-наплавочными материалами. Наиболее перспективным материалом является порошковая проволока.

3. Комплексом металлографических и металлофизических исследований с применение электронной оптической и растровой микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа, микрорентгеноспектрального анализа установили, что микроструктура, взятого в качестве базового, высокоизносостойкого наплавленного на гребни вагонных колес комплекснолегированного металла, состоит не из сорбитной матрицы и мелкодисперсных специальных карбидов, как трактовалось ранее, а из игольчатого феррита с прослойками полигонального феррита по границам бывшего аустенитного зерна, МАК-фазы и мелких неметаллических включений (оксидов).

4. Установлено, что условием формирования структуры игольчатого феррита при непрерывном охлаждении металла, наплавленного на литые детали вагонов из стали типа 20ГЛ, является наличие в нем легирующих элементов, способствующих сдвиговому механизму а—>у-превращения (Мп, Сг, Мо, №, V, Т1), а также неметаллических включений оксидного характера, интенсифицирующих процесс образования игл.

5. Экспериментально, на опытных партиях порошковых проволок, исследованы основные системы легирования и установлен оптимальный

диапазон уровня легирования по углеродному эквиваленту наплавленного металла, обеспечивающий формирование структуры игольчатого феррита в объеме не менее 80%.

Наиболее экономичной и эффективной с точки зрения формирования структуры игольчатого ферта и сопротивляемости наплавленного металла образованию холодных трещин является система легирования С-БьМп-Сг-М-У-Тл в диапазоне углеродного эквивалента 0,48-0,55%.

6. Построена структурная диаграмма комплекснолегированного наплавленного металла, являющаяся теоретической основой разработки низколегированных сварочно-наплавочных материалов различного назначения.

7. Оценка склонности к схватыванию ювенильных поверхностей основного металла литых деталей вагонов - стали 20ГЛ и поверхностей, наплавленных опытной порошковой проволокой, в разном сочетании показала, что в наибольшей степени схватывание проявляется в паре трения сталь 20ГЛ+сталь 20ГЛ, в наименьшей степени в паре сталь 20ГЛ+металл, наплавленный опытной порошковой проволокой.

8. Износостойкость литых деталей грузовых вагонов, наплавленных комплекснолегированной порошковой проволокой, в 5-10 раз превышает износостойкость ненаплавленных деталей. Образование в наплавленных зонах зеркально гладких поверхностей, формирование благоприятной макро-и микрогеометрии трущихся сопряжений можно объяснить, протеканием процесса адаптации поверхностей, стабильностью препятствующих схватыванию окисных и органических пленок, расположенных на прочном и вязком слое металла со структурой наклепанного игольчатого феррита.

9. Разработана и внедрена на вагоноремонтных предприятиях вагонного хозяйства железных дорог наплавочная порошковая проволока марки ПП-АН180МН по ТУ 127400-002-70182818-05. Экономический эффект от общесетевого внедрения технологии наплавки литых деталей

грузовых вагонов порошковой проволокой ПП-АН180МН в среде, углекислого газа составит не менее 1,83 млрд. рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Абраменко Д.Н., Павлов Н.В. Триботехнические свойства комплекснолегированного наплавленного металла со структурой игольчатого феррита// Вестник ВНИИЖТ. 2008. №4. С. 31-37.

Публикации в других изданиях:

1. Павлов Н.В., Струнец В.К., Абраменко Д.Н. и др. Трибологические свойства пар трения деталей железнодорожного подвижного состава, восстановленных износостойкой наплавкой. Сб. докладов Межрегионального семинара «Современное оборудование, технологии и материалы для сварочного производства». - Томск. 2004. С. 67-74.

2. Павлов Н.В., Струнец В.К., Абраменко Д.Н. и др. Наплавочные материалы для восстановления деталей железнодорожного транспорта// Материалы 5-ой Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий». - Ялта. 2005. С. 175-177.

3. Синельников Н.Г., Абраменко Д.Н. Специализированное сварочно-наплавочное оборудование грузовых вагоноремонтных предприятий России (Обзор)// Сварщик профессионал, 2006 г, №1(20) С. 14-16.

4. Абраменко Д.Н. «Микроструктура металла износостойкой наплавки деталей грузовых вагонов» Железнодорожный транспорт на современном этапе. Задачи и пути их решения: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ»/ Под ред. А.Е. Семечкина. М.: Интекст. 2008. С. 189-195.

5. Павлов Н.В., Струнец В.К., Абраменко Д.Н., Кирьяков В.М., Клапатюк A.B., Штоколов С.А. Шихта порошковой проволоки. Патент на изобретение РФ № 2307727, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10 октября 2007 г. Бюл. 28.

Подписано к печати 14.11.2008 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ 219 Тираж 100 экз. Типография ОАО «ВНИИЖТ», 3-я Мытищинская ул., д. 10

Введение.

Глава I. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Анализ условий работы литых деталей железнодорожного подвижного состава.

1.1.1. Условия работы, интенсивность и характер износа деталей узла «пятник - подпятник».

1.1.2. Условия работы, интенсивность и характер износа деталей автосцепки.

1.2 Требования, предъявляемые к узлам трения литых деталей.

1.3. Предпосылки применения дуговых методов наплавки комплекснолегированными сварочными материалами для увеличения межремонтных пробегов литых деталей грузовых вагонов.

1.3.1. Способы повышения износостойкости рабочих поверхностей узла «пятник-подпятник».

1.3.2. Способы увеличения эксплуатационной долговечности деталей автосцепки.

1.3.3. Перспективные технологии дуговой наплавки на железнодорожном транспорте.

1.3.4. Структурно-трибологические свойства комплекснолегированного наплавленного металла.

Выводы по главе 1.

Глава II. Методики и техника исследований.

2.1. Определение химического состава.

2.2. Определение механических свойств металла.

2.3. Рентгеноструктурный анализ.

2.4. Оптическая и электронная металлография.

2.5. Методика оценки триботехнических свойств.

2.6. Методика проведения эксплуатационных испытаний.

2.7. Статистическая обработка экспериментальных данных.

Глава III. Исследование металлофизических закономерностей формирования структуры игольчатого феррита и выбор системы легирования наплавленного металла.

3.1. Идентификация структурного состава износостойкого комплекснолегированного металла.

3.2. Условия формирования игольчатого феррита при непрерывном охлаждении низколегированного наплавленного металла.

3.3. Влияние легирующих элементов на образование игольчатого феррита.

3.4. Выбор системы легирования порошковой проволоки для износостойкой наплавки литых деталей подвижного состава.

3.5. Оценка технологической прочности наплавленного металла.

Выводы по главе III.

ГЛАВА IV Оценка триботехнических свойств наплавленного металла со структурой игольчатого феррита.

4.1. Стендовые испытания.

4.1.1. Оценка влияния структурного состава комплекснолегированного наплавленного металла на его износостойкость.

4.1.2. Оценка сопротивляемости схватыванию комплекснолегированного наплавленного металла в условиях сухого трения скольжения.

4.2. Эксплуатационные испытания.

4.3. Исследование поверхностных слоев деталей.

Выводы по главе IV.

Глава V Промышленное внедрение результатов работы.

5.1. Разработка наплавочной порошковой проволоки для износостойкой наплавки деталей подвижного состава.

5.2. Износостойкая наплавка литых деталей грузовых вагонов новой порошковой проволокой марки ПП-АН180МН.

5.3. Технико-экономическая эффективность применения порошковой проволоки марки ГШ-АН 18МН.

Выводы по главе V.

Анализ условий работы и результатов эксплуатации надрессорных балок тележки, пятника и автосцепки грузового вагона из низколегированных сталей марок 20ГЛ, 20ФЛ и 20ГФЛ, относящихся к феррито-перлитному классу, показал, что эти детали при работе в условиях сухого трения и наличии высоких контактных и ударных нагрузок обладают низкой износостойкостью при интенсивности износа рабочих поверхностей 1,2-2,0 мм на 100 тыс. км пробега.

Количество основных литых деталей грузовых вагонов, находящихся в настоящее время в эксплуатации превышает 1,8 млн. единиц каждого наименования. В связи с большой их металлоемкостью, трудоемкостью в изготовлении, высокой стоимостью и дефицитностью значительное количество деталей по достижении предельно допустимого износа (в среднем после 3-х лет эксплуатации или 210 тыс. км пробега) подвергаются ремонту дуговыми методами наплавки с последующей станочной обработкой до чертежных размеров.

Однако применявшиеся до настоящего времени на железнодорожном транспорте в течение десятилетий малоуглеродистые и низколегированные сварочные материалы, обеспечивали межремонтный пробег отремонтированных деталей всего 160 тыс. км, как правило за 2 года эксплуатации. Деталь за весь срок службы подвергалась ремонту наплавкой до 10 раз. При ежегодной сетевой потребности в ремонте грузовых вагонов в 250 тыс. единиц, затраты железнодорожного транспорта на восстановление литых деталей грузовых вагонов исчисляется миллиардами рублей.

Уменьшить износ рабочих поверхностей литых деталей вагонов пытались в последние 10-15 лет за счет применения различных способов поверхностного упрочнения и установки прокладок из износостойкой стали. Опыт применения объемно-поверхностной закалки, электро-импульсной обработки, индукционно-металлургической наплавки, плазменно-порошковой наплавки, дуговой наплавки высоколегированной проволокой феррито-мартенситного класса литых деталей вагонов и установки на них износостойких элементов из стали ЗОХГСА, показал, что на сегодняшний день не существует универсальной, эффективной и надежной защиты от износа их трущихся поверхностей. Наличие ударных нагрузок вазоне контакта деталей не позволило применить материалы высокой твердости, обладающие, как правило, повышенной хрупкостью. Технология термического упрочнения деталей автосцепки оказалась не эффективной из-за низкой прокаливаемости сталей марок 20ГЛ и 20ФЛ, что не позволило значительно увеличить износостойкость деталей при глубине износостойкого слоя равной трети допустимой величины износа.

В связи с изложенным, целью настоящей работы явилось качественное повышение износостойкости литых деталей грузовых вагонов наплавкой слоя стали с высокими трибологическими свойствами с обеспечением их межремонтного пробега не менее 500 тыс. км.

Одним из наиболее перспективных и до настоящего времени не использованных путей повышения износостойкости литых деталей грузовых вагонов является дуговой метод наплавки комплекснолегированными сварочно-наплавочными материалами. Данное направление было впервые применено в 90-х годах прошлого века при износостойкой наплавке гребней железнодорожных колес. На данном этапе установлено, что комплексное легирование наплавленного металла позволяет сочетать в нем высокую прочность, ударную вязкость, а также, что особенно важно, качественно новые трибологические свойства.

Было установлено, что износостойкость гребня колеса, наплавленного комплекснолегированной проволокой Св-08ХГ2СМФ, в условиях эксплуатации более чем в 5 раз выше износостойкости ненаплавленного гребня'при твердости наплавленного металла 280-300 НВ (всего на 20-40 НВ выше твердости металла колеса). Считали, что такой трибологический эффект был получен благодаря формированию в наплавленном металле микроструктуры в виде сорбитной матрицы с равномерно распределенными высокодисперсными карбидами ванадия, молибдена и хрома.

Однако литературные данные о структурообразовании в низколегированных сталях с малыми добавками сильных карбидообразующих элементов (V, Ti, Mo) при содержании углерода вплоть до 0,23% показали, что образование специальных карбидов может происходить лишь при длительном высоком отпуске закаленной на мартенсит стали. При непрерывном охлаждении, что имеет место при сварке и наплавке, введенные легирующие элементы растворяются в а-твердом растворе и цементите (Ре,Ме)зС. Это поставило под сомнение результаты проведенной ранее идентификации структурного состояния износостойкого комплекснолегированного наплавленного металла и явилось основанием для проведения в рамках данной диссертационной работы комплекса металлографических исследований с привлечением тонких физических методов исследования (рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа) с целью установления истинного структурного состояния комплекснолегированного наплавленного металла и изучения его свойств.

В результате было выявлено, что микроструктура комплекснолегированного наплавленного металла типа ХГ2СМФ внутри бывшего аустенитного зерна представляет собой смесь, состоящую преимущественно из игольчатого феррита и небольшого количества (<15%) мартенсита, остаточного аустенита и легированного цементита (МАК-фазы). По границам бывших аустенитных зерен выявлен полигональный феррит в виде тонких прожилок. По всему объему наплавленного металла равномерно распределены мелкодисперсные неметаллические включения (оксиды) округлой формы. Специальных карбидов не было обнаружено.

Установлено также, что из-за низкого содержания углерода (<0,05%) в металле, наплавленном сварочной проволокой Св-08ХГ2СМФ на сталь 20ГЛ, при его непрерывном охлаждении у—>а-превращение аустенита проходит с выделением значительного количества полигонального феррита (>25%), что значительно снижает его механические свойства и износостойкость. Это послужило основанием для разработки нового комплекснолегированного наплавочного материала - порошковой проволоки для механизированной наплавки литых деталей грузовых вагонов в среде углекислого газа.

Технология наплавки порошковой проволокой имеет преимущество перед технологией наплавки сплошной проволокой под флюсом по производительности наплавки, маневренности процесса и другим сварочно-технологическим и технико-экономическим показателям.

На основании комплекса металловедческих и трибологических исследований комплекснолегированного наплавленного металла, испытаний образцов на стендах и натурных деталей в эксплуатации дано научное обоснование формированию структуры игольчатого феррита и впервые установлены триботехнические свойства наплавленного металла с такой структурой, при этом:

- построена структурная диаграмма комплекснолегированного наплавленного металла, являющаяся теоретической основой для разработки 3 низколегированных сварочно-наплавочных материалов различного назначения;

- установлено, что наиболее эффективной с точки зрения образования игольчатого феррита в условиях непрерывного охлаждения, а также сочетания высокой износостойкости и технологической прочности является система легирования C-Si-Mn-Cr-Ni-V-Ti в диапазоне углеродного эквивалента 0,480,55%;

- установлено, что комплекснолегированный наплавленный металл со структурой игольчатого феррита наименее склонен к схватыванию и образует в условиях сухого трения скольжения в результате наклепа высокоизносостойкий поверхностный слой.

На основании результатов исследования была разработана и внедрена на ремонтных предприятиях сети железных дорог России порошковая проволока марки ПП-АН180МН для высокопроизводительной наплавки в углекислом газе на рабочие поверхности литых деталей грузовых вагонов слоя стали, более чем в 5 раз превышающего по износостойкости основной металл, а также металл, наплавленный ранее применявшимися низколегированными сварочными материалами, при этом сочетающего высокую прочность, пластичность, ударную вязкость и сопротивляемость образованию холодных трещин.

Годовой экономический эффект от внедрения технологии наплавки литых деталей грузовых вагонов проволокой марки ПП-АН180МН при общесетевой программе ремонта 250000 вагонов составит не менее 1,83 млрд. руб.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов. Объем работы составляет 141 страницу машинописного текста, включая 17 таблиц, 66 рисунков, списка литературных источников из 63 наименований, а также 8 приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ условий эксплуатации и конструктивно-технологических характеристик литых деталей грузовых вагонов показал, что их интенсивный износ, достигающий 2,0 мм на 105км пробега, обусловлен значительными статистическими и динамическими нагрузками и низкой износостойкостью литейных сталей, в том числе стали наиболее массового применения марки 20ГЛ, а также применением при всех видах ремонта грузовых вагонов сварочно-наплавочных материалов феррито-перлитного структурного класса. Установлено, что механизм изнашивания рабочих поверхностей литых деталей представляется, как процесс схватывания при абразивном и окислительном воздействии и наличии высоких контактных и ударных нагрузок.

2. Показано, что из всего комплекса применяемых и предлагаемых к применению на железнодорожном транспорте способов восстановления и упрочнения литых деталей вагонов наиболее эффективным является дуговая наплавка комплекснолегированными сварочно-наплавочными материалами. Наиболее перспективным материалом является порошковая проволока.

3. Комплексом металлографических и металлофизических исследований с применением электронной оптической и растровой микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа и микрорентгеноспектрального анализа установили, что микроструктура, взятого в качестве базового, высокоизносостойкого наплавленного на гребни вагонных колес металла, состоит не из сорбитной матрицы и мелкодисперсных специальных карбидов, как трактовалось ранее, а из игольчатого феррита с прослойками полигонального феррита по границам бывшего аустенитного зерна, МАК-фазы и мелких неметаллических включений (оксидов).

4. Установлено, что условием формирования структуры игольчатого феррита при непрерывном охлаждении металла, наплавленного на литые детали вагонов из стали типа 20ГЛ, является наличие в нем легирующих элементов, способствующих сдвиговому механизму у—>а-превращения (Мп, Сг,

Mo, Ni, V, Ti), а также неметаллических включений оксидного характера, интенсифицирующих процесс образования игл.

5. Экспериментально, на опытных партиях порошковых проволок, исследованы основные системы легирования и установлен оптимальный диапазон уровня легирования по углеродному эквиваленту наплавленного металла, обеспечивающий формирование структуры игольчатого феррита в объеме не менее 80%.

Наиболее экономичной и эффективной с точки зрения формирования структуры игольчатого ферта и сопротивляемости наплавленного металла образованию холодных трещин является система легирования C-Si-Mn-Cr-Ni-V-Ti в диапазоне углеродного эквивалента 0,48-0,55%.

6. Построена структурная диаграмма комплекснолегированного наплавленного металла, являющаяся теоретической основой разработки низколегированных сварочно-наплавочных материалов различного назначения.

7. Оценка склонности к схватыванию ювенильных поверхностей основного металла литых деталей вагонов - стали 20ГЛ и поверхностей, наплавленных опытной порошковой проволокой, в разном сочетании показала, что в наибольшей степени схватывание проявляется в паре трения сталь 20ГЛ+сталь 20ГЛ, в наименьшей степени в паре сталь 20ГЛ+металл, наплавленный порошковой проволокой, со структурой игольчатого феррита.

8. Износостойкость литых деталей грузовых вагонов, наплавленных комплекснолегированной порошковой проволокой, в 5-10 раз превышает износостойкость ненаплавленных деталей. Образование в наплавленных зонах зеркально гладких поверхностей, формирование благоприятной макро- и микрогеометрии трущихся сопряжений можно объяснить, протеканием процесса адаптации поверхностей, стабильностью препятствующих схватыванию окисных и органических пленок, расположенных на прочном и вязком слое металла со структурой наклепанного игольчатого феррита.

9. Разработана и внедрена на ремонтных предприятиях вагонного хозяйства железных дорог наплавочная порошковая проволока марки

ПП-АН180МН по ТУ 127400-002-70182818-05. Экономический эффект от общесетевого внедрения технологии наплавки литых деталей грузовых вагонов порошковой проволокой ПП-АН180МН в среде углекислого газа составит не менее 1,83 млрд. рублей в год.

1. ОСТ 24.052.05-90 Пятники, подпятники и пятниковые места грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия. 1990.7 с.

2. ОСТ 32.183-2001 Тележки двухосные грузовых вагонов колеи 1520 мм. Детали литые. Рама боковая и балка надрессорная. Технические условия.2001. 23 с.

3. СТО РЖД 1.05.003-2006 Детали литые автосцепного устройства подвижного состава ОАО «РЖД». Общие технические требования.

4. Северинова Т.П. Принципиально новые конструкции и материалы в узлах трения тележек грузовых вагонов/ Отчет о НИР. ВНИИЖТ. 1995. 142 с.

5. Костин Г.В. Испытания грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ с разработкой предложений для предъявления промышленности/ Отчет о НИР. ВНИИЖТ. 1990. 142 с.

6. Мальков К.М. Восстановление деталей подвижного состава железных дорог износостойкой наплавкой порошковыми проволоками. Дис. на соискание ученой степени канд. техн. Наук. М.: ВНИИЖТ. 1971 г. 184 с.

7. РД 32 ЦВ 587 -2007 Грузовые вагоны железных дорог колеи 1520 мм. Руководство по деповскому ремонту. ПКБ ЦВ ОАО «РЖД», 2007. 194 с.

8. РД 32 ЦВ 052-2005 Инструкция по ремонту тележек грузовых вагонов. Руководящий документ. ПКБ ЦВ ОАО «РЖД», 2005. 79 с.

9. Краев М.В. Создание новых грузовых вагонов. Комплексные испытания грузовых тележек 18-100М.8.1.08.03.03.03.ЦВ./ Отчет о НИР. ВНИИЖТ. 2003. 114 с.

10. Костина Н.А. Испытания на износостойкость деталей автосцепного устройства с различными методами упрочнения рабочих поверхностей/ Отчет о НИР. ВНИИЖТ. 1992. 10 с.

11. Наплавочные материалы стран-членов СЭВ. Каталог. / Под ред. д-ра техн. наук, проф. И.И. Фрумина, канд. техн. Наук В.Б. Еремеева. Киев-Москва, 1979. 620 с.

12. Мартин Д. Хусман Порошковые проволоки альтернатива штучным электродам и сплошной проволоке// Сварочное производство. - 1996. - №1 -С.34-38.

13. Алимов А.Н. Механизированная сварка порошковой проволокой — путь повышения эффективности изготовления сварных конструкций // Сварщик. 2002. - №5(27) - С. 42-45.

14. Абраменко Д.Н. Микроструктура металла износостойкой наплавки деталей грузовых вагонов. Железнодорожный транспорт на современном этапе. Задачи и пути их решения: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ»/ Под ред. А.Е. Семечкина. М.: Интекст, 2008. - С. 189-185.

15. Сильман Г.И. О возможности образования карбидов ванадия при обработке Fe-C-сплавов ванадийсодержащими присадками / В сб. Повышение качества транспортных и дорожных машин. Брянск. 1991. -С.52-53.

16. Сильман Г.И. Методика термодинамического анализа тройных систем в области трехфазного равновесия / В сб. Диаграммы состояния металлических систем. М.: Наука, 1971. - С.233-237.

17. Гольдштейн М.Н. Дисперсионное упрочнение конструкционных сталей // МИТОМ. 1975. - №7. - С.50-58.

18. Гольдштейн М.Н. Карбонитридное упрочнение низколегированных сталей // МИТОМ. 1979. - №7. С.2-5.

19. Э. Гудремон Специальные стали. Изд. 2-е сокр. и перераб. В 3 т. Т. 1, 2. М.: Металлургия, 1966. - 736 с.

20. Корнеев А.Е., Ярполова Е.И. Дифференциальный рентгеноструктур-ный фазовый анализ сталей // Заводская лаборатория. Диагностика металлов. 2005. - Т. 71. - №12 - С.24-26.

21. Горелик С.С. и др., Рентгенографический и электроннооптический анализ / С.С. Горелик, JI.H. Расторгуев, Ю.А. Скаков.- М.: Металлургия, 1970.-2-е изд.-366 с.

22. Виноград М.И. Включения в стали и ее свойства. М.: Металлургиздат, 1962. - 252 с.

23. Касаткин Б.С., Козловец О.Н. Микроструктура и свойства сварных соединений низколегированных сталей (Обзор)// Автоматическая сварка. -1989. №7. - С.1-11.

24. Подгаецкий В.В. О влиянии химического состава металла шва на его микроструктуру и механические свойства (Обзор)// Автоматическая сварка. -1991. №2. - С.1-9.

25. Денисенко А.В. и др. Морфологические особенности структуры низколегированного металла шва и их влияние на свойства сварных соединений / А.В. Денисенко, Ф.В. Грабин, А.О. Корсун, Т.Г. Соломийчук // Автоматическая сварка. 1990. -№10.-С.32-37.

26. Григоренко Г.М. и др. Влияние химической неоднородности на образование игольчатого феррита в высокопрочном металле шва / Г.М. Григоренко, В.А. Костин, В.В. Головко, В.Ф. Грабин // Автоматическая сварка. 2004. - №4. - С.3-8.

27. Подгаецкий В.В, Парфессо Г.И. К вопросу о зарожении игольчатого феррита в сварных швах // Автоматическая сварка. 1991. - №10. - С.10-13.

28. Походня И.К. и др. Влияние ликвации кремния и марганца на условия образования игольчатого феррита / И.К. Походня, А.О. Корсун, Ю.А. Мешков // Автоматическая сварка. 1986. - №9. - С. 18-21, 37.

29. Dowling J.M., Corbett J.M., Kerr H.W. Inclusion phases and the nucleation of acicular ferrite in submerged-arc welds in high strength low-alloy steels//Metallurg. Trans. 1986. 17A,№9.P. 1611-1623.

30. Notch toughness of low-oxygen content submerged-arc deposits/ Т.Н. North, HJB. Bell, A. Kaukabi, I. Graig// Weld. J. 1979. №12. P. 343s-354s.

31. Carland J.G., Kirwood P.R. Towards improved submerged arc weld metal. Part 1//Metal Construction. 1978. №5 P. 217-225.

32. Колдрен А., Михелич Дж. Высокопрочные свариваемые низколегированные стали для магистральных трубопроводов// Металловедение и термическая обработка металлов. 1977. - №7. - С.44-47.

33. Многослойная сталь в сварных конструкциях/ Под ред. Б.Е. Патона, Б.И. Медовара. К.: Наукова думка, 1984. 288 с.

34. Choi C.L., Hill D.C. A study of microstructural progression in as-deposited weld metal// Weld. J. 1978/№8. P. 232s-236s.

35. IIW XII-A-113-75. Study of Charpy impact properties of weld metal with submerged arc welding/ Y. Itoh, M. Nakanischi.

36. Файнберг JI.И. Микролегирование швов титаном и бором при многодуговой сварке газонефтепроводных труб большого диаметра / Л.И. Файнберг, А.А. Рыбаков, А.Н. Алимов, Р. Розерт // Автоматическая сварка. 2007. - №5. - С.20-25.

37. Kirkwood P.R. Physical metallurgy of HSLA weld-ments// Metal and Mater.- 1978. -№8. -P.51-53.

38. Материаловедение: Учебник для вузов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. 6-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 648 с.

39. Крагельский И.В. Молекулярно-механическая теория трения // Труды 2-й Всесоюзной конференции по трению и износу. T.III. 1949.

40. Кислик В.А. Износ деталей паровозов. Труды НИИЖТ вып. 24. -Трансжелдориздат, 1948. 331 с.

41. Семенов А.П. Схватывание металлов. Изд. второе, переработанное и дополненное. М.: Машгиз, 1958. 280 с.

42. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение. 1968. 480 с.

43. Лужнов В.М. Сцепление колес с рельсами (природа и закономерности). -М.: Интекст, 2003. 144 с.

44. Абраменко Д.Н., Павлов Н.В. Триботехнические свойства комплекснолегированного наплавленного металла со структурой игольчатого феррита// Вестник ВНИИЖТ. 2008. - №4. - С.31-37.

45. Справочник по триботехнике/ Под общ. Ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. В 3 т. Т.1. Теоретические основы. М.: Машиностроение, 1989.-400 с.

46. Любарский И.М., Палатик JT.C. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976. - 176 с.

47. Петров Г.Л. Сварочные материалы. Учебное пособие для вузов. Л.: Машиностроение, 1972. - 280 с.

48. Кирдо И.В., Подгаецкий В.В. О влиянии флюсов на пористость автоматического шва, вызванную ржавчиной. В кн.: Труды по автоматической сварке под флюсом. Изд-во АН УССР, 1949. - С. 6.

49. Пвдгаецький В.В. Пори, включения i трщини в зварних швах// Техшка. 1970. - С. 12-18.

50. Походня И.К. Газы в сварных швах.- М.: Машиностроение, 1972. -242 с.

51. Фрумин И.И. и др. Образование пор в сварных швах и влияние состава флюса на склонность к порам / И.И. Фрумин, И.В. Кирдо, В.В. Подгаецкий // Автогенное дело. 1949. - №10. - С.12-16.

52. Хренов К.К. Электрическая сварочная дуга. М.: Машгиз, 1948. -326 с.

53. Любавский К.В. Металлургия сварки сталей плавлением. М.: Знание, 1960. - 151 с.

54. Походня И.К. и др. Сварка порошковой проволокой / И.К. Походня, A.M. Суптель, В.Н. Шлепаков. К.: Наукова думка, 1972. - 224 с.

55. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. -М.: Машиностроение, 1981. 247 с.

56. Комсток Д.Ф. Титан в чугуне и стали. Изд-во иностранной литературы, 1956. 355 с.

57. Начальник службы вагонного хозяйства Восточно-Сибирской желе^но^ороги1. ТЯ^/7^^^Крзубенко И.Д.7 ' ' ?.2003г.1. АКТ

58. Обследования надрессорной балки грузового вагона наплавленной порошковой проволокой ПП-АН180М.

59. Декабря 2003г. в вагонном депо ВЧД-6 ст. Иркутск-Сортировочный специалистами СО ВНИИЖТа обследована надрнессорная балка бывшая в эксплуатации под вагоном № 567706369 с 18 октября 2001 по 12 ноября 2003 года и имевший пробег 72 326 км.

60. Результаты замеров приведены в таблице. 1.'

61. Д1 Д2 Н1 Н2 НЗ Н4 hi h2 h3 h426055(86) ПП-АН180М 303 303 25 25 25 25 -0.5 -0.51. Директор СОВНИИЖТ1. Неживляк А.Е.

62. Заведующий лабораторией КО «Сля£3а» ВНИИЖТ Павлов Н.В.> fJlAAO I