автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение стойкости транспортного металла в рабочих средах

3.1 о^в/

шс - РЭ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧШ-ИССЛЕДОШЕЛЬСШ кштитгг ЕЕ-таШЛСРСЗЮГО ТРАНСПОРТА

Ка пря?>дт рукописи УДК 620.193.2

ЕОЫГОВ Адаксавдр Дмитриевич кандидат технических паук

ГОЕШЕННЕ СТОЙКОСТИ ТРАЕСГОРТЮГО ШАЛЛА Б РАБОЧИХ СРЕДАХ

Спецкаяьпостк: Сб. 02.01 - йкеркахогедэнив и шгппюстровюш 05. 17.14 - Логическое сопрапдаэнкз штериа-лзв и заплта от коррозия

Аэторефграт

диссертация на сокскаякэ уча пой степени доктора технических паук

1Ьсква 1992

Работа выполнена во Всероссийской научно-исс-гедозатедаскоа институте яадезнодорояного транспорта

ОфИЦПаЛЬНШ оппоненты

доктор технических наук, профэссор

ГОЖЗАНЕНКО С. Л.

доктор технических наук

СТЕПАЮВ К. А.

доктор технических наук, профэссор, академик Акздеюш транспорта РФ

КОТЕЛЬНИКОВ А. В.

Ведущая организация - Уральский научно-кгследоватедьскиа институт черных штампа

Затяга состоится 1992г. а /о часов на заседании

Специализированного совета Д 114.01.04 во Всероссийской научно-исследовательской институте й?£езаодородного транспорта по адресу: 129351, 1±>сква, 3-я 1Дяи5шская, 10

Автореферат разослан ^- а-^г. 199гг.

Отзывы на автореферат в двух зкзошшраг, заверению пэ-чатьи, проспи направлять в адрес совета.

Ученый секретарь л

Специализированного совета, ^-уУ

каядидат технические наук *Шнькова Г. П.

¡ PTÍÍ.I I

удлРСУВйИИАЯ -3- ÍBOC!?T«Sl

БИБЛИОТЕКА -------

ОВДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ШУАЛЬЮСТЬ РАБОТЫ.

Актуальность работы. Основной объем перевозок пассажиров и народнохозяйственных грузов осуществляется в налкй стране железнодорожным транспортом. От ритмичной работы транспорта зави-:ит эффективность работы практически всех отраслей народного хозяйства В последние годы происходит интенсификация работы железных дорог, сокращается расход материальных, энергетических и трудовых ресурсов в расчете на единицу перевозочной работы, увеличились осевые нагрузки, грузоподъемность вагонов, масса поездов, мощности локомотивов. Это привело к росту механических яапрядений в элементах подвюшого состава, верхнего строения пути, искусственных сооружений. В этих условиях большую актуальность приобрело решение технических проблей, связанных с эбеспечениеы безопасности движения, повышением надежности и долговечности кэлезнодорожной техники, в частности с изысканием способов сюсэния отрицательного влияния рабочих сред на транспортный шталл, псвывением ресурса до возникновения коррозиоя-шх и коррозионно-усталостных повреждений.

На транспортный иэталл воздействуют разнообразные твердые, падкие и ггзообраэню веп^ства, которые в контакте с атмосфер-еой влагой образ утл элегаролиты с различными окислительно-зосс-гаяозительяыми свойствами, активность!) и кислотностыз.

Традиционно используемые в подвижной составе и иеталлоконс-грукциях малоуглеродистые и низколегированные стали в ряде :лучаез, несмотря на дополнительна антикоррозионную зациту, не иогут обеспечить нормативный срок слузкбы без трудоемких и дорогостоящ капитальных ремонтов, обусловленных коррозией металла.

Нэталлический фонд железнодорожного транспорта составляет зколо 150 млн. т. Ежегодно обновляется порядка 57. фонда, или 7 пля. т. стал:!, в виде новых рельсов, вагонов, лскомотизов, ыос-гов и других металлоконструкций. Около 500 тыс. т. стали расходуется на ремонт яалегнодородной техники. В связи с резким увеличением стоимости металла и всех видов лглезнодорожной техники

повышенна ресурса, создание безремонтных по коррозии конструкций приобрело важное значение для экономики иэлезнодорояного транспорта.

Цель работы. Для предотвращения коррозионных и коррозион-но-усталостных повреждений железнодорожной техники используются практически все методы противокоррозионной защиты:

-используется стали и сплавы повышенной коррозионной стоя-кости;

-наносятся защитные покрытия (металлические, лакокрасочные, гидроизоляционные);

-ведется обработка, технологических сред (обескислороживание, понимание содержания примесей в воде охлаждающих и отопительных систем, вводятся ингибиторы );

-осуществляется ограничение блуздащих токов и электрохимическая защта;

-рациональное конструирование июет целью устранить зоны застоя влаги и сыпучих грузов, ликвидировать щрли и зазоры, ввести рациональные запасы на коррозию, заменить гигроскопичньа материалы, находящиеся в контакте с металлом, на негигроскопич-ныэ, гермэтиз!1ровать замкнутые • элементы.

Однако в ряде случаев принимаемые цари ке дает мэ лаемого результата, поскольку не предотвращает коррозионные повреждения и коррозионно-усталостные разрушения конструкций и их элементов, что затрудняет работу транспорта, отвлекает значительные материальные и трудовые ресурсы на поддержание железнодорожной техники в исправной состоянии.

Автором сформулированы следующие задачи исследования: 1. Разработать методический подход к анализу качества противокоррозионной защгы железнодорожной техники, провести обследование состояния основных видов железнодорожной техники после длительной эксплуатации и выявить объекты, коррозионные повреяденчя которых наносят наибольший ущерб железнодорожному

транспорту.

2. Выполнить анализ причин и механизма образования коррозионных и коррозионнэ-усталостных повреждений выявленных объектов с учетом особенностей рабочих и технологических сред, аоздейс-твугшх на объекты в течение нормативного срока слулбы.

3. Разработать критерии и методы определения стойкости транспортного металла, позволяющие прогнозировать скорость образования коррозионных и коррозионно-усталостных повреждений на основе стендовых, лабораторных и натурных ускоренных испытаний.

4. Оптимизировать химический состав низколегированных сталей, предназначенных для изготовления железнодорожной техники, по показателю их коррозионной стойкости в рабочих средах и атмосфере.

5. Определить устойчивость пассивного состояния высоколегированных нержавеющих сталей в ряде рабоч!сс и технологических сред. Оценить эффективность их применения в конструкциях .селезне дорожного подвижного состава

6. Изучить причины появления коррозионно-усгалоетных разру-цэнпй и разработать мероприятия и технологические приемы, поз-золящие увеличить ресурс элементов подвижного состава и верхнего строения пути.

Научная новизна.

1. Разработана система оценки состояния по коррозии различных видов железнодорожной техники с учетом характера отказов, обусловленных коррозией и коррозионной усталостью. &лз.танн наиболее слабо зациценные от'коррозии виды лелезнодорожей техники, дана статистическая оценка скорости коррозии отдэлъных элементов подвижого состава, верхнего строения пути, искусственных сооружений.

2. Разработаны метода и методики исследования коррозионной и коррозионко-усталостной стойкости материалов и элементов

- б -

конструкций в рабочих средах. На основе теории бифуркаций, теории катастроф и синергетики предложены методы определения критических состояний различных марок стали в окислительно-восстановительных средах, позволяющие оценить влияние химического состава и струкгуры стали на устойчивость пассивного состояния.

3. Разработаны на основе длительных атмосферных коррозионных испытаний более 120 опытных и промьыдекных плавок низколегированных сталей статистические модели, связываювде коррозионную стойкость в городской и промышленной атмосферах с химическим составом стали. По результатам испытания выполнена оптимизация содержания элементов з стали по параметру стойкости к атмосферной коррозии при заданном уровне прочности, хладостойкости и свариваемости стали.

4. Определены границы устойчивости пассивного состояния хро-ыэн;пселевчх, хромомаргакцевых, хромоникелыюлибденовых сталей =.ус?енитного класса, легированных медью и кремнием, а также нестарых марок стали ферритного и феррито-мартенситного классов н средах, воздействующее на металл кузовов пассажирских вагонов, вагонов для перевозки минеральных удобрений, котлов кислотных цистерн. Результаты исследования пгслужили оснозой -для ¡)ь-5ора конструкционных материалов, обеспечивающих повышеный ре--v-pc и безремонтную по коррозии эксплуатацию в течение нормативного срока службы.

5. На основе анализа эксплуатационных и технологических факторов, определявших коррозионно-усталостную долговечность рель-есв, разработан комплекс мероприятий по предотврапщию появления дофэкта 69. Разработана и внедрена технология изготовления рубашек цилиндров тепловозного дизеля, обеспечивающая повышение коррознонко-усталостной долговечности в результате создания сличавши остаточных напряжений в зоне образования усталостных трессш, вблизи адаптерных отверстий.

Практическая ценность и внедрение.

1. Разработаны Методические указания по оценке технического :остояния и учету потерь от гаррозии металла в вагонном хозяйстве (РТЫ 1-кор-83), Инструкция по учету потерь от коррозии металлов и затрат на протЕокоррозионнуо залету на предприятиях аэлеэнодпрояиого транспорта, Ы. 1983г., Пэлоиение об антикоррозионной слуэтЗе МПС (ЦТех-4167,М, 1986г.), Руководство по опреде-кешш технического состояния и первичному учету потерь от коррозии металлоконструкций и подлинного состава метрополитена, И, 1988г.

2. Разработана к экспериментально опробирована комплексная система штодов коррозионных и коррозиошю-усталостных испытаний сталей, деталей и элементов конструкций применительно к реальный условиям эксплуатации и воздействию рабочих сред. Отдельные методы .испытания разработаны и внедрены в качестве государственных и мзгдунзродных стандартов ( ГОСТ 9.909-86 -(йтоды испытаний на климатических испытательных станциях, ИСО 7441-1984(Е) - Коррозия металлов и сплавов. Определение биметаллической коррозии при испытании в открытой атмосфере ). Разработан метод коррозионно-усталостных испытаний цилиндрических деталей двигателей внутреннего сгорания (ас. N 1101708).

3. На основе статистических моделей влияния химического состава на корозиокнуп стойкость низколегированных сталей в протащенной и городсгай атмосферах выполнена оптимизация хишчес-кого состава. Разработаны новые юрки атмосфэростойких ст.алей:

для изготовления тонкого листа и мелкосортного проката сталь 15ХДП (заявка N 4428860/23-2(079785), которая по ТУ 14-1-434088 и ТУ 14-1-2654-83 изготааляется на Карагандинском и. гкомби-нате. Листовой прокат чспользуется на ремонтных заводах МПС для изготовления крыш и обшивы грузовых вагонов при капитальном ремонте;

- г -

- для мостостроения в виде толстолистового проката ( толщиной 10 40 мм) сталь 14ХГВДЦ, которая изготавливается Ж'Азовсталь" по ТУ 14-1-4519-88.

Экспериментально подтверзкена эффективность применения атмос-феростойких сталей в конструкции кузовов грузовых вагонов пух ем игнзрекия фактической толщины элементов после 10-20 лет эксплуатации.

4. Разработаны рекомендации по применении нержавеюща сталей аустенитного класса, хромоникелевых и хромомарганцевых в конструкции кузовов пассажирских вагонов. Определена устойчивость пассивного состояния сталей 12Х18Ш0Т и 12Х13Г18Д при воздействии рабочих сред и гзщих составов. Подобраны составы травильных ласт для удаления цветов побежалости со сварных соединений

декоративной отделки кузова Проведены исследования состояния нержавеющих сталей в конструкции кузовов пассажирских вагонов п;сл9 длительной эксплуатации. По результатам исследований Тверской вагоностроительный завод в 1988 г. освоил серийное изготовление пассажирских вагонов с кузовом комбинированной конструкции: пол и нижние пояса боковин из профилированного проката из стали 12И8Н10Т.

Разработаны рекомендации по применению хромистых, хромонйке-лезых сталей, содержащих присадки молибдена и меди, для изготовления кузовов вагонов-минераловозов и котлов кислотных цистерн (а. с.М 579338, 677855).

5. Исследованы причины увеличения за последние 5-7 лет количества изломов рельсов на участках бесстыкового пути в результате образования коррозионно-усталостных трещин в подошве. Показано, что основной причиной этого является повышение осевых нагрузок. Предложен комплекс мероприятий по увеличению ресурса до появления коррозионно-усталостных трещин в подошве рельсов.

6. Разработана и внедрена технология термоупрочнения рубашек цилиндров тепловозных дизелей типа Д100 (ас.N 1004478), позво-

лившая в 7 раз снизить повре.тдземость их трещинами коррозионной усталости.

Апробация работы. Нзтериалы диссертационной работы докладывались на Бсесосзком сонеп^нии "Достихенкл и передовые методы запиты от коррозии .тллезкодоромшх конструкций"(1982г.), 2-м Мэ.гдукародкон симпозиуме по обработке климатических данных и прогкозорованкв атмос^рной коррозии (1978г.), 3-м Всесоюзном научно-техническом сеижарэ "Окраска по р?«азчике-79" (1979г.), Всесоюзной научно-технической конфзрекщи "Оборудование, аппаратура, приборы и методы исследования з противокоррозионной технике"(1982г.)1 1-м Конгрессе ВАКО? (1992г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 45 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из взедения, 7 глав, обц:х выводов, списка литературы. Страниц машинописного текста 337, таблиц 43, рисунков 158, наименований литературных источников 344.

СОДЕРКАЯИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе дается анализ повреждений железподорожной техники, обусловленных коррозией металла в результате воздействия рабочих и технологических сред. Отмечается, что безопасность движения на аэлезподорокном тренспорте обеспечивается благодари жестким требованиям к организации перевозочного процесса и надежности технических сре,;ств. Последняя достигается за счет соблюдения норм проектирования, эксплуатации и ремонта кэлезнодорозшой техники. Однако опыт эксплуатации свидетельствует о том, что, с едкой стороны, методы к нормы расчета не являются совершенными, с другой,- имеются случаи нарушения корм эксплуатации и ремонта, и, как следствие, появление неисправностей и отказов, в том числе аварийного характера.

Обычно в расчетах ка прочность и долговечность используют детерминированные величины нормативных нагрузок, либо спектры рабочих напряжений и теоретические представления о накоплении повреждений. В реальных условиях эксплуатации не только рабочая нагрузи имеет стохастический характер, но н несуиря способность металлоконструкций подвижного состава, верхнего строения пути, искусственных сооружений. В процессе эксплуатации несущая способность металлоконструкций снижается в результате усталости, коррозии, износа.

Аварийные отказы возникают в тех случаях, когда кривая распределения рабочих нагрузок пересекает кривую распределения несущей способности данного элемента или конструкции в целом (рис.1).

Еероятностно-статистический подход, использованный автором для получения информации о скорости коррозии основных видов железнодорожной техники, в сочетании с методами оценки технического состояния по коррозии, позволил систематизировать данные о кинетике появления коррозионных и коррозионно-усталостных повреждений, неисправностей и отказов; выявить объекты, коррозия которых вызывает "аибольшие потери материальных, энергетических и трудовых ресурсов, создает угрозу безопасности движения.

Установлено, что, несмотря на противокоррозионную защиту ла-

-н-

CÍ1) / \ ОЯ) Q¿! ) 1 у 7 \ А ч »

. 0 1 " —' й 1 !<

ff.

т

F.'.c. I. Кривые распределения спектра нагрузок 3(ф и несущей способности новых элементов конструкций Ф(Ш и после различного срока ¡эксплуатация ¿'Ю, .

1 | i i ¡1 _L_iJ_i

0 д ш js ь к □ О '.7.ШП1 РР°

'ЩШг -ш -Ш' E3s« шок » ш W'VL ¡mm 3 с« [ щ щз \\% ;1#

Рис. 2. Зоны образования сквозных коррозионных повреждений в кузове пассажирских вагонов после различного срока -эксплуатации.

- и -

кокрасочными покрытиями, основной причиной капитальных ремонтов пассажирских вагонов дальнего следования является коррозия кузовов, изготовленных из малоуглеродистой стали, приводящая к появлении сквозных коррозионных повреждений обшивы нижнего пояса боковин и пола в консольных частях кузова через 8-12 лет и в средней части кузова - через 16-20 лет эксплуатации (рис.2). Стоимость капитального ремонта вагоноз зависит от объема вскрытия кузова для устранения коррозионных повреждений и возобновления антикоррозионного покрытия, что составляет 20-50Х от стоимости нового вагона.

В конструкции кузовов полувагонов наибольшая скорость коррозии наблюдается в нижнэй части стойки двутавра хребтовой балки, что приводит к появления сквозных коррозионных повреждений и обрыву петель крепления крышек люков. Изменение фактической толщины стойки двутавра после различного срока эксплуатации приведено на рис.3. Основной причиной исключения из эксплуатации полувагонов и сокращения нормативного срока их службы являются коррозионные повреадения двутавра хребтовой балки и нижнего обвязочного уголка.

Наиболее повреядаемым коррозией элементом кузова крытых .> грузовых вагонов является крыша. Через 12-14 лет эксплуатации крыши Солее половины вагонов имеют сквозные коррозионные повреждения. Долговечность крыш из малоуглеродистой стали, которые ^кли установлены при капитальном ремонте, составляет 6-8 лет. I течение нормативного срока службы крытых вагонов крыша 'заменяется практически 3 раза, что приводит к расходу большого количества дорогостоящей листовой стали.

Коррозионные повреждения кузова являются причиной сокращения нормативного срока службы вагонов-минераловозов до 10 лег.

Котлы кислотных цистерн для перевозки улучшенной серной кислоты ( из двухслойной стали 09Г2С+06Л8Н13М2Т ) и кислотного иеланяа ( из стали 12Х18Г8Н2Т ) подвержены интенсивной коррозии в зоне облива котлов при наливе и сливе кислоты, а также в зоне разбавления кислоты в районе горловины и воздушного клапана.

I 21 * а 1 1} Ш 1112 и НК 16 пи » Нспмсхгнис ттск запер! по ¡лит Шма

Р:;с. 3. Изменение толщины стойки дЕутавра хребтовой балки полувагонев после эксплуатации'в течение: 4 (I),

5 (2), 7 :3), 8

10 (51, 16 (б), 20 (7)лет.

Рис. 4. Ксррозионно-усталсстная трещина в подошве рельса (дефект 69).

Зис. 5. Скачки и бифуркации потенциала стали ВСт.З в 1055-ном растворе бихромата калия при добавлении 20%-нсго раствора серной кислоты.

- ш -

Атмс-сйернач горрогия является основной правкой скженяя кэ-способности штадяическнх пролетныз строения мостов, ригелей кэсткшс попереч5Ш контактной сети, з результате чего воз-гшаег необходимость их капитального ремонта или полной замены.

Коррсзнонно-усталостные трещины в подошве рельсов возникают б Сессгыксчзом пути после прохода более -300-400 млн. т. груза, Из-за сло;;июст!1 обнаружения этих трещин средствами дефектоскопии сни приладят к изломам рельсов под поезда;.« (рис. 4). Характерней ссобеккостьп изломов является то, что все трецшы развивается над шалой, я зоне контакта подошы рельса с рэашозыш или резикокордовыми прокладками или карточками для вшрзвки пути. 3 зс-нах шдцу шпалами коррозионко-усталостные трещкш не образуется.

Норрозиокко-усталосткыэ трепщны являются причиной появления течей з зоне адапгарк:.^с отверстий рубаезк цилиндров тепловозных дизелей ткпг Д3.00, что является причиной постановки тепловозов га внеплановый ремонт.

Таким образом, выявлены гиды яэлезкодоро;.аой техники, их' •чз о менты и узлы, коррозия которых наносит наибольший утл.ерб экономке железнодорожного транспорта. Предложено оценивать качество противокоррозионой защиты кэдезнодоролной техники по по-кгшзтелэ приведенных затрат на единицу полезной работы.

Сформулирована задали исследования, которая состоит в том, чтобы путем применения новых материалов и технологий изготовле-1-1 я элементов шлезнодорожной техник!, обеспечить более высокий уровень ее противокоррозионной защяы, повысить ресурс безре-!.;снтной эксплуатации, снизить затраты на единицу полезно!'; работы.

Во второй глазе диссертации приведен краткий обзор основных научных направлений, позволяющих при помощи моделирования процессов коррозии с использованием ограниченных по времени и объ-•:му результатов экспериментальных исследований выйти на технические решения, способные повысить уровень противокоррозионной зацкты хэлезнодоролной техник;:.

В настоящее время благодаря исследованиям Г::бСса, Шрьстз, Лррекиуса, ПурСе, Еольцмзиа, Сарадея, ®ика, нашпх соотечзспт-ш'.оя Акимова Г. В., Срумкика А. Е , Юолстыркина Я. М. , Томатона И, Д., Рогенфольда 11 Л., Еедешадна С. Г., Михайловского Л. Е сформировалось несколько подходов к рассмотрению механизма взаимодействия металла со средой, которые каши отражение з фяза-кохимичеекях, термодинамических, электрохимических, стахнстн-чсюссс и м2темат1г-гских моделях. В последние годы развивается г-одкод к-анализу сложных систем, основанный на теории бифуркаций, теории катастроф I! синергетике.

Сизккояимич-зскке модели дают представление о взаимодействии .-угаллз со средой, как о многостадийном процессе перехода ато-ша кг?алзв из кристаллической ракетки в раствор или химические еоодзгаенкя с компонентами среди, образования интермпд:шов, ионов, барьерных пленок на поверхности металла, ограничивающих доступ гамшзнэнтов среды к поверхности металла.

Пленка продуктов шэррозпи, сСразуюздхся при атмосферной коррозии яэлэза и низгалегированкых сталей, состоит й основном из '-^"еСОН с примесью ГеЕС^з лрсмьшенаой атмосфер-:. В приморской атмосфере, насыщенной хлоридами, возможно присутствия гидрагированного РеИу На атшсфоростойких сталях наблюдалось образование аморфны:« слое2 г-идроксвдов железа с пошгскным со-дергакне:,; дссфсра, меди, хрома, обладала хорошими задатки.«: CEOr.CT29.ii":.

На вксокохрсмистых нер>х.8*.М;.'<: сталях з обычной атмосфере возникает труднорвстворимке пленки оксидов хрома толд?:коЯ 10-15 А, которые резко замэдля:ст взаимодействие металла со средой, сместит потенциал стали з положительную область. Катодное легирование рзспз:ряет область устойчивости пассивного состоянии, однако структурные неоднородности в виде неметаллических включений, выделений карбидоа хрома по границам зерен мо.тг привести г. нарушению сплогности защитной пленки, способствовать появлению питтингов и межкристаллитной коррозии.

Термодинамичесие модели рассмотрены в исследованиях Пурбе,

Латимера, Гиббса, де Донде, Бригодина. Классическая термодинамика рассматривает равновесные состояния систем, при которых производство энтропии, потоки к силы равны нули. В условгах, приближающихся к равновесным, самопроизвольно идут процессы, в результате которых снимается термодинамический потенцизл системы (энергия Гиббса). На классической термодинамике основаны диаграммы Цурбе. Слабо неравновесная или линейная термодинамика основана на соотношении Онзагера и принципе минимума производства энтропии Пригожина, согласно которому система переходит в состояние наименьшей диссипации, стремясь достичь - состояния равновесия, если это позволяют граничные условия. Открытая система, находящаяся вдали от равновесия, эволюционирует к некоторому стационарному, но неравновесному состоянии, при котором поток энергии или вещества из окружающей среды компенсируется производством энтропии необратимых процессов внутри системы. Химические и электрохимические системы полностью соответствуют эти.! термодинамическим моделям, однако по термодинамическим потенциалам равновесных систем невозможно предсказать поведение открытых систем.

Электрохимические модели коррозии металлов в растворах электролитов представлены в исследованиях Срумкина, Ньюмена, Тафеля, Бэрнста, Колотыркина, Стерна, Гиря, Мансфелъда. Основанные на этих моделях электрохимические методы позволяют получить полезные для практики результаты, как з области изучения мехашгзма взаимодействия металла со средой, тэк и при разработке методов контроля старости коррозии металла в растворах электролитов. Цри химической коррозии, коррозии в условиях переменного увлажнения и иссдэдозании многокомпонентных систем эти методы мало эффективны.

Статистические модели позволяют получить ценнув информацию в условиях неполного знания механизма взаимодействия, что характерно для многокомпонентных систем. Статистические модели получает путем регрессионного анализа связи между параметром оптимизации л факторами, которые могут изменяться случайно (пассиз-

кьй эксперимент), либо задаваться с пошщьп матрицы планирования (активный эксперимент). В исследованиях атмосферной коррозии статистически подели, основанные кз пассивном эксперименте, получены автораьи, анализировавшими влияние атмссферно-кли-ыатичэеких факторов на коррозию металлов. В последние годы появились исследования влияния химического состава низколегированных сталей на их стойкость к атмосферной коррозии с использованием методов активного эксперимента. Автор настоящей диссертации одн;ы из первых использовал факторный анализ для выявления лепфугщих элементов и прзгмесой в низколегированных сталях, окэзьваягзк налболгсее влияние на их стойкость к атмэсф.-р-кой корозии. Развития методов активного эксперимента посвящены исследования Сжзра, Бокса, Шлишва, Адлера, Зздпгаидзе.

Цэд?£:2сгцией статисткчссгск моделей являются пол'/э!,лирически модели, з которых заранее задается кинетическое уравнение, а статистическими методам находят эмпирические коэффициенты в згипс уразЕс-киях. Такие юдоли применительно к атмосферной кор-розни теореттеески обоснованы и использованы з работах Михайловского, Стрека.-шва, японски исследователей.

!'атеигт;гч?скпэ модели зза;п,содействия металла со средой предложены в работах Еолотыркика, С/"от;п-га, Хейфецз, Демидовой и др. Процессы на границе металл - среда описызаигся системой дифференциальных уравнений, учитывающих кянекзу электрохимически и г^отесгснх реакций на поверхности металла, образование засггкой пленка, дгсйузкз компонентов среды я металла через пленку, химические реакции з пленка продуктов коррозии. Получены ренэкил систем дифференциальных уравнений для дзухммпонент-ных сред и однокоипонентного металла. Однако для более сложных систем ресение нелинейных дифференциальных уравнений требует знания коэффициентов диффузии компонентов а пленке продуктов коррозии.

Синергетическзй подход к исследовании слотаых многокомпонентных систем открытого типа слзгзцся в последние годы благодаря исследованиям Пригожкна, качена, Втолиса, Эбелинга, Бело-

- и -

усоаа, Бэботшюкого, Кшзнтовича, Арнольда, Сикая. Синергетика (теория бифуркаций и теория катастроф) устанавливает обз^е принципы, управляющие возникновением самоорганизующихся структур и функций. Наблюдения за системой при целенаправленном изменении воздействующих на нее внешних факгорз позволяет изучить условия, при которых происходит потеря устойчивости к переход к качественно новому состоянии; выявить управляющие параметры системы; представить процессы самоорганизации как последовательность фазовых переходов; вывести и решить дифференциальные ураЕнення для управлящж: параметров.

Коррозионная усталость есть результат адсорбционных, диффу-г-:г:нньс:, химических и электрохимических процессов, накладываются на процесс накоплена! повреждений в металле при воздейс-г.'-;ни циклических механических напряжений. Накопление поврегде-к;:й и разрушение металлов при усталости з обычной среде сухого не здуха исследовано в работах Еелера, Баужщгера, Гудмана, Еко-Сори, Давиденкова, Щапова, Сзрексека, Одинга, Ивановой, Котт-релла, Афанасьева, Волкова, Школьника, Кофина, Шнсона, Париса, Эрдогана, Дукетти н других исследователей. Результаты представлены в виде статистически;, дислокационных, физических, энергетических моделей. В последние годы появились исследования, рассматривающие усталостное разрушение с позиций синергетики.

Больной вклад в развитие представлений о коррозионной усталости внесли Карпенко, Еей, Дукетти, Василенко, Романиа/ Шх-мурский, Гликман, Олейник. Влияние среды на рост усталостных тредин рассмотрено с позиций механики разрушения; предложены различные модели накопления повреждений, отраяавцие взаимодействие и конкуренцию процессов чистой механической усталости и коррозионного растрескивания, диффузию водорода в вершину тресты, анодное растворенье в вершине трещины, блокирование устья трэщжы продуктами коррозии и др.

Таким образом, анализ научных подходов и моделей взаимодействия на границе металл - среда позволил сделать заключение о том, что дл: решение практических инженерных задач, направлен-

них на поЕ1"пгни9 ¡таррозионной стойкости транспортного металла, целесообразно использовать:

-• статистические методы и физккохимичеекие модели при анализе причин и механизма коррозионных повреждений железнодороазюй техники;

- электрохимические модели и синергеткчгский подход при изучении стрости коррозии в растворах электролитов и оценке устойчивости пассивного состояния сталей;

- статистические модели, факторный анализ, планирование эксперимента для оценки влияния легирукхцпх элементов и примесей на коррозионную стойкость сталей и для оптимизации их состава.

Б главе 3 дано описание использованных в работе традиционных и разработанных автором методов коррозионных; электрохимически« и коррозиош-го-усталостных испытаний. Особенность методики атмосферных коррозионных испытаний, выполненных автором, состоит в том, что одновременно испытывали партии из 10-20 и более плавок стали раздетого химического состава. Испытания на стойкость к атмосферной- коррозии проводили нз двух атмосфер-кс-коррсгионных станциях: в городской атмосфере (Москва-3) и з промышленной атмосфере (ст. Дебальцево Докецгай ".д.). Длительность испытания 4-6 лет, а течение которых осуществляли 4 съема образцов. В начале испытания сьемы образцов производили каздый год, а з конце - через 1-3 года. Образцы после испытаний очизр-лл от продуктоз коррозш в стандартных электролитах и определяли потерю массы з результате коррозии. Коррозионную ^т^йкость каудой плавки определяли по потере массы трех одинаковы:-: образцов. Для обработки результатов испытаний использовали кинетическое уравнение атмосферной коррозии степенного вида: и = А ^ тЛ.и где А и Е - эмпирические коэффициенты.

Расчет коэффициентов А и В осуществляли го результатам 3-4 сгеыов методом наименьшее кзадратов. Поскольку химический состав опытных плавок в ряде случаев задавался матрицей планироза-

ния активного эксперт;ента, по результатам испытания всей партии рассчитывали коэффициенты множественной регрессии з уравнениях, связызавщих величину коэффициентов А и В с химическим составом стали. Расчеты проводили на ЭЕМ 15-6000 и IBM PC/AT.

Ускоренные лабораторные коррозионные испытания проводили при полном или переменном погружении в растворы перевозимых грузов и искусственные среды; в условиях повышенной влакнсстк и температуры (гидростат г-4); в контакте с увлажненными сыпучими грузами и удобрениями в открытой атмосфере; з водных вытялках из теплоизоляционных материалов; з технологических средам: (мощпх составах, охлаждающей воде, средства:-; профилактики смерзания сыпучих грузов и др.); в условиях коррозконно-механического износа.

Электрохимические исследования коррозионной стойкости сталей проводили известными методами путем построена анодных и катодных поляризационных кривых в есдных растворах перевоз iasr: грузов, водных зытяяках, искусственных и технологических средах. Поляризационные кривые получал? с- использование пот'енциостаюв П-5348, П-5827м, ПИ-50-1.1. По поляризационным кривым в окислительно -восстановительных средах определяли потенциалы и то»: начала пассивации или активации стали, изменение токов и потенциалов при образовании на поверхности стали продуктов атмосферной коррозии, токи коррозии. Для определения токов коррозии по поляризационным кривым использовали методы Кансфэльда,' Банди, Стерна-Гири.

Содержание элементов в продуктах коррозии и на границе металла с рхавчиной определяли на установке "Камебзкс"(Франция).

Для исследования устойчивости пассивного состояния низколегированных и нержавеющи сталей предложен метод испытаний, основанный на определении скачка потенциала при титровании бих-ромата калия серной кислотой. Отмечено появление нескольких скачков потенциала и бифуркаций из стационарного состояния к предельному циклу (бифуркаций Хопфа) на малоуглеродистых и низколегированных сталях (рис.5).

Коррсзиснно-усталсстные испытания проводили на гладких и '.адреэанных образцах, образцах с выращенными трещинами, а такта ia натурных элементах кск:трукций. Цель испытаний заключалась в определении усталостной долговечности при постоянной амплитуде диклических наргузок, либо ограниченного предела выносливости la базе 2-10 млн. циклов. Испытания проводили на воздухе и в •хнтакте с жидкими рабочими или искусственными средами. Елиянке :реды оценивали по изменению числа циклов до разрушения при задней максимальной нагрузке, изменению ограниченного предела !ьнсслиз:сти и скорости роста усталостных трещин. Испытания доводили на пульсаторах цда-200Пу, ВДМ-400ПУ и на испытатель-:сй матине "Гидрсгтульс PSA-100" фирмы "Шенк". Для коррозионно-•сталостных испытаний натурных элементов конструкций ( рельсов т рубапек цилиндров тепловозного дизеля) разработаны специаль-:Ы9 устройства ( а. с. N 1101703).

Для коррозионно-усталостных испытаний рельсов разработано 'стройство, позволяющее подводить жидкую среду к подошве рельса ю врем- его усталостных испытаний пульсирующим изгг'ем, проискать постоянный или переменный ток через зону контакта пс-;олзы рельса со средой.

Разработанные методы испытания нашли отражение в государс-■венном и международном ИСО стандартах.

В глазе 4 приведены результаты исследований по определению ¡оррозионной агрессивности атмосферы, рабочих и технологических :ред по отношению к обычной малоуглеродисой стали. Отмечается, [то практически все стационарные конструкции и наружные г.оверх-:ссти подвижного состава подвержены воздействию атмосфернокли-¡атических факторов, при этом скорость коррозии металла зависит т длительности увлажнения поверхности фазовыми и адсорбцг.онна-3! пленками влаги, концентрации в атмосфере серкнетого газа и лсридоз, температуры.

Исследована кинетика атмосферной коррозии малоуглеродистой тали в трех атмссф>ерно-кдиматических зонах: на АКС 1Ьсква-3,

Дебальцево Донецкой и Сковородино Забайкальской та д. Экспериментально установлено, что наиболызая потеря массы имеет шстс в промышленной атмосфере Дебальцево - 316 г/м^ в ЬЬскзе -177г/и или з 1,8 раза меньше, а в Сковородино - 72,7 г/м,или в 4 раза меньше, чем в Дебальцево. Кинетика атмосферной коррозии малоуглеродистой стали ЕСт. 3 на указанных АКС (рис. 6) опиеыветея степенными полуэмпирическими равнениями:

Ид = 316 1<Ш7 т/щ Мм = 177 \.амЗЬ г/М; Ыс = 72,7 Х.0-*13 г/м.1 Проверка точности прогнозирования потери массы в результате атмосферной коррозии при помог?! полученные уравнений показала, что расчетные значения потери массы превышают фактические на 8-10Х через 5-8 лет экспозиции. Последующи сравнительные испытания низколегированных сталей на стойкость к атмосферной коррозии проводили на дзух АКС: Москва и Дебальцево.

Электрохимические исследования образцов с продуктами атмосферной коррозии позволили установить, что стационарный потенциал в растворе сульфатов смещается в область более положительна: значений на 150-200 мВ. Изменение положения анодных и катодньл поляризационных кривых указывает на То, что наличие на поверхности стали продуктов коррозии приводит к тормозганизо анодного \ ускорении катодного процессов.

Рабочие среды, воздействующие на транспортные металлоконструкции и подвижной состав, весьма разнообразны. Наряду с атмосферными воздействиями, на кузова пассажирских вагоноз постоянно воздействует конденсат, увлажненные теплоизоляционны; материалы, мощие составы, • попадающие внутрь кузова через неплотности окон. На кузоза грузовых вагонов воздействует увлажненные сыпучие грузы: уголь, руда, песок, минеральные удобрения, минеральное сырье. В зеках застоя влаги и сыпучих грузов, которые имеется ка раме полувагонов, это воздействие может быт: продолжительным. Ш котлы цистерн воздействуют перевозтгые жидкие грузы и их растворы, возникайте в результате конденсацщ

'ис. 6. Зависимость потеря кассы образцов из стали ССт.З от

длительности испытания кг атмосфернуп коррозию в усло-АКС Дебпльцево (И, Москва (2), Сковородило (3^.

'АЪ

с р 5 Си (* № № v к&ь я n п

Рис. 7. Коэффициенты регрессии, Рис.8, отражавдие влихние легиру-цих члементоа к примесей на потере кассы через: I (а), 2(6), З'.в) и 4 года(г) в условиях лКС Москва (□) и Дебаль'цево ( ШЭ ).

1 с и» ад р»

Потеря массы стали типа 08ГБД(I) и 08Г1ВД (21 с различным содержанием фосфора после 2270 суток испытания на АКС Дебальцево.

влаги на стенках котлов.

Изучением коррозионной агрессивности рабочих сред по отношению к малоуглеродистой стали установлено, что наиболее агрессивными средами, воздействующими на кузова грузовых вагонов, являются минеральные удобрения. Скорость коррозии в увлажненных минеральных удобрениях составляет: в аммиачной селитре - 1296, в хлориде калит я - 760 и в суперфосфате - 530 г/мг гсд. Остальные виды минеральных удобрений и сыпучих грузов вызывают менее интенсивную коррозию малоуглеродистой стали.

Из жидких грузов наиболее агрессивными ярлявтся серная кис-л'л л и кислотный меланж, которые до недавнего времени перевозили в цистернах с котлами из малоуглеродистой стали. Скорость кор..".Ос ии углеродистой стали при разбавлении концентрированней серной кислоты атмосферной влагой до концентрации 40-50% возрастает с 0,1 до 10-12 мм/год. Кислотный меланж (смесь 897. азотной и 7,5% серной кислоты) является окислительной средой и молет храниться в емкостях из обычной малоуглеродистой стали. Однако при транспортировке возможно не только разбавление меланжа конденсатом, но и изменение соотношения серной и азотной кислот в результате испарения . окислов азота со стенок котла вблизи горловины и воздушного клапана, что вызывает интенсивную коррозию и коррозионное растрескивание по сварным швам.

При перевозке пищевых продуктов (молоко, вино), также особо-чистых нефтепродуктов (авиационное топливо) не допускается загрязнение их ионами железа в результате коррозии котлов цистерн. Частично эта проблема решается заменой малоуглеродистой стали на нержавеющие стали и алюминиевые сплавы.

При сценке коррозионой агрессивности сред, воздействующих на железнодорожную технику, необходимо учитызать коррозионную агрессивность технологических сред, 'представляющих, со^й годные растворы и органические жнд^сти, которые используются в качестве теплоносителей, для мойки и дезинфекции подвижного состава, в качестве средств профилактики смерзания сыпучих грузов и др. Коррозионную агрессивность технологических сред, в отли-

чкэ от рабочих, гзэ.-гно дергать под контрюи, исключая из применения коррозиокпо агрессизнш среды или вводить з них ютибито-рн коррозии. Так, для снкякния коррозионной агрессивности охлаядак^эй воды тепловозных дизелей ее готовят на конденсате и вводят противокоррозионные присадки бихромата калия, нитрита ::атрия, силиката натрия, тринатрий фосфата, контролирует пзэ-сеч-носгь.

Коррозионная агрессивность ыоюцих средств, применяемых для удаления загрязнений с наружной поверхности кузовов пассширс-¡с!Х вагонов, изменяется в пирогам диапазоне, поскольку п их состав ¡эгуг входить кислоты или щелочи с добавками поверхност-но-актихяьЕК зещес-тз. Исследования коррозионной агрессивности ьзогхзк составов с раЗочой концентрацией 2-57. позволили устано-зить, что при полном погруг.ешш скорость глррозии составляет в растворе глкилбенголсульфэкислоты С АБСЕ) - 0,7, щавелевой кпс-soth - 0,33, итальянсюто мощего состава - 0,27, состава "Зт-нас" - 0,001, серкой кислоты - 3,6 г/нг-ч. Раствор АВСК вкзавает ¡аэррозионпоэ растрескивание малоуглеродистой стали.

Исследования ¡оррозконной агрессивности составов для профилактики смерзания сыпучих грузов показали, что наибольшая коррозия :-шзот îî3cto в 3%-ных растворах хлорида кальция и натрия соответственно 0,117 и 0,025 г/ы*ч. Некоторые вещестз?. ( севе-prai и ююгркп) способны образовывать защитные пленки на поверхности стали, о чем свидетельствует результаты электрохимических исследования, и к>: иажо использовать для противокоррозионной защиты рама и кузова полувагонов.

Рабочие и технологические среды сказывают больное влияние на усталэстнуэ долговечность деталей, испытывавших циклические нагрузки. Испытаниями установлено, что при воздействии зх-ного раствора K'aCl ограниченный предел выносливости рельсовой стали сшкается в 2 раза по сравнения с ограниченным пределом выносливости на воздухе, а скорость роста усталостных трещин при воздействии раствора АБСК на сталь 15ХСВД возрастает в 3-4 раза.

Тагам образом,, выявлены наиболее коррозискно агрессивные

-ае -

среды, воздействующие на отдельные виды гэдэзнодоразюй техники в процессе эксплуатации. Эти среды и искусственные среды, создание на их основе, использованы в дальнейших исследованиях для сравнительной оценки новых материалов и технологий изготовления деталей и элементов аэлезнодорояной техники.

В главе 5 изложены исследования, выполненные на низколегированных сталях с целью повышения их коррозионной стойкости в рабочих средах без снижения требований к прочности, хладостой-кости к свариваемости. Повышение коррозионной стойкости низколегированных сталей, используемых в вагоно- и мостостроении, без снижения механических свойств и свариваемости является резервом экономии металла, снижения эксплуатационных расходов. Зарубежна опыт свидетельствует об эффективном применении ат-шсферостойких низколегированных сталей типа Кортен 2* (С< 0,12; !«'л 0,2-0,5; 51 0,25-0,75; Р 0,07-0,15; Си 0,25-0,55; Сг 0,3-1,25; 1И 0,65%) и Кортен Б (С 0,1-0,19; Ып 0,9-1,25; 0,15-0,20; Р<0,04; Си 0,25-0,40; Сг 0,4-0,65; V 6,02-0,1%) в юнструкцип грузовых вагонов, мостов и других сооружений, работающих в атмосферных условиях. Отечественный аналог стали Кортен Л, сталь 10ХНДП, начиная с 1974г. с участием автора, получила широкае применение при изготовлении обшивы грузовых вагонов. Сталь 09Г2Д с 1972г. используется для изготовления основных несущих элементов рамы вагонов (хребтовой балки и нижнего обвязочного пояса). Однако при ремонте грузовых вагонов продолжала применяться малоуглеродистая сталь типа ЕСт. 3. В задачу исследований входило: разработать атмэсферсстойкуга сталь для обш.шы кузовов грузовых вагонов, не содержащую дефицитный никель, я атмосферостойкую сталь для мостостроения взамен сталей 15ХСНД и 10ХСЦД.

Исследования по оптимизации состава атиссферостойких сталей были выполнены в несколько этапов. На первом этапе была поставлена задачз выявить легирующие элементы и примеси, оказывающие калЗольвее влияние на стойкость стали к атмосферной коррозии.

Для реализации этого этала в ЦНИИЧМ было Еыплавлоно 32 опытных плавки, химический состав которых был задан !дзтрицей планиро-гания, составленной из трех матриц типа 2"б. Содержание 15 химических элементов а опытных плавках варьировали на двух уровнях: С 0,08 и 0,2; Ш 0,4 и 1,8; 0,2 и 1,0; Р 0,03 и 0,15; Б 0,02 И 0,05; Си 0,1 и 0,5; Сг О и 1,0; N1 0 и 1,0; 0 и 0,2; V 0 и 0,15; № 0 и 0,2; Аз 0 и 0,12; А1 О и 0,2; N0,015 и 0,035; т1 0 и 0,27.. Испытания проводил]! в городской и прсмып-ленной атмосфере ДКС ¡.йсква и Дебадьцево в течение 5 лет (19741979гг.). По результатам испытаний били рассчитаны уравнения множественной регрессии, отражающие статистически значимое изменение коэффициентов А и В кинетического уравнения атмосферной коррозии при варьировании содержания легирующих элементов и примесей на двух уровнях:

- в городской атмосфере

Аг = 179,1 - 12,БС - 9,35Си - 11,6Ш + 12ЫЬ + 14,5,^;

Вг = 0,537 + 0,064**1 + 0,02Сг -!- 0,021ЫЬ;

- в промышленной атмосфере

Ап = 274,4 - 12,1С - 9,18Ш - 9,1 ЬЬ - 6,5У - 3,6Си г 5,4Б + ■!■ Э.гДБ а,25Ж>;

Еп 0,825 - 0,033С - 0,032i.il - О.ОЭТСг - 0,026(11 - 0,027Мэ.

Гдзф$ициеэты регрессии, ограхэющз вклад какого из 15 эле-менч-ов г. стойкость против атмосферной коррозии ( по потере массы в г/!.?), приведены на рис. 7. ГЬвштанив стойкости низколегированной стали против гаррозии в примышленной и городской атмосфере способствует увеличение содержания в стал!! углерода, фосфора, меди, никеля и молибдена. В промышленной атмосфере положительно влияют на атмосферостойкооть добавки хрома и марганца'. Отрицательное влияние на стойкость к атмосферной коррозии окззызает повышенное содержание в стали серы, мышьяка и ниобия.

Вторая партия из 12 опытных плавок была выплазлена с целью уточнения влияния углерода (0,08 и 0,15%), хрома (0 и 0,82) никеля (0 и 0,67.) и молибдена (0 и 0,27.) на стойкость низколегированной стали, содержащей 0,351 меди, 0,30% кремния, менее

0,03% серы ;; фосфора. Состав 8 шнео»: был задан матрицей планирования типа 2Л4. Испытания проводили в течение 10 лет (1977-87 гг.) на двух ЛЕС. По результата:.! испыггшгй для базового составг 12ХНДМ рассчитаны коэффициенты в уравнениях регрессии, связшз-к?!Х величину коэффициентов А и В кинетического уразвениз с химическим составом стали:

Аг -■-- 129,6 - 6,4С - 3,6Сг + 1,12Нi - 7,12fo;

Бг 0,335 -г 0.0187С - 0,0014Сг - 0,0265»i - 0,0245.Vo;

Ari « 205,8 + 1,9С + 5,12Сг - l,62Mi + 4,62!.Ь;

En = 0,732 - 0,02480 - 0,034Сг - 0,0258Mi - О.СЗОбМз.

Эти уравнения подтверждают положительное влияние из стойкость к атмосферной коррозии повшанного содержания углерода, никеля и молибдена.

Третья партия опытны-: плавок изготовлена и испытана для уточнения влияния легирования хромом, ванадием и фосфором из втмссферсстойксстъ низкоуглеродкстой стали базового состава типа 08ГД. Одновременно испытывали стали с более низким содержанием углерода 05ХГ2АЕ0Д и С5Г2АСБ. Испытания показали, что хром а количестве до 15 повышает стойкость стали к коррозии в промышленной атмосфере и снижает в городской. Сосфор (до 0,1%) повышает коррозионную стойкость сталей базового состава з обоих типах атмосферы (рис. 8). Снижение содержания углерода до 0,05% резко ухудшает коррозионную стойкость низколегированных сталей дал» по сравнению со сталью ЕСт. 3.

Испытания четвертой партии (14 плавок) проведены с целью уточнения влияния фосфора, углерода и хрома на атмосферостой-кость сталей базового состава, содержав)« 0,3% меди, 0,3% кремния и 0,6% марганца. Испытания проводили в течение 6 лет (198369гг.). Установлено, что стойкость к атмосферной коррозии сталей базового состава продолжает возрастать с увеличением содержания фосфора до 0,5%. Отмечено положительное влияние повышенного содержания в стали углерода и незначительное влияние хрома Пятая партия (20 опытных плавок) изготовлена специально для уточнения влияния содержания хрома на коррозионную стойкость

схглоП Сагового состава типа 15ДП п СЗДП. Ийпагаши, проваленные з течение А лет (1937-91 гг.). псглзали , что введение хрома до 1,5* позьззе? стойкость стал::, ссдергацеЯ 0,15;» углерода. Введение 0,8?. хрома з сталь с 0,8% углерода спкгаэг стойкость к атмосферной коррозия.

Таким образом, многочисленные jccnurrasi Оозпзкдоэз&з, фосфорсодержащих сталей, продгзначеннк: для гвготозлепия ?ош;ос-тенньв: ограгдающах элементов грузовых загонов, иоззолил:! установить, что Оезнккелезгя атшефэрсстойкзя стань додгаа юкта повьлленнсе содержание углерода, фосфора п меди. Згии vpeCor.2x.cm удовлетворяет сталь типа 15ДП.

3 целях уточнения влияния хрома на коррозиэннуа стойкость стали типа 15ДП з условиях постоянной позленной злэааюсти п при переданном погружении в йодные растворы хлоридов и сульфатов были проведены ускоренные лабораторные испытан;:.-, которыэ показали, что з слзбоагросспвпоЯ среде ззедеш? з сталь хрсгд П02ЫЗ.-Т ее ксррозконнуп стойкость. Однако з ерэдэ покоенной агрессивности, например з 3£-кон раствора ¡JaCl, ягблддаотс-я обратный Эффект. ШЛ5ПГГ9Л5КОЭ ЗЛИЯПКЭ ХрС:..3 ЧЕТКО ПрОЯЗГЛОТСП 2 условиях постоянной позызэпной плэ;:2-:сстп. Sto послугпло оспеза-ш:ем для введения хронз в состав стаи, прэдксзп&'геняой длл-пз-готовлекгл крыз и обпаш грузовых вагонов. Рропгзодство сгалп 15ХДП по ТУ 14-1-3054-83 и ТУ 14-1-4340-86 освоено на Карагандинском метксмбинате. Сравнительные горрозхонпга испя&язл аг-мзсферостсйких сталей промышленного производства п оЗучкой izs.-лэуглэродистол стали ЕСт.2 проведены з течение 3 лет (193790гг.). Потери массы на ЛКС Дебааацево после 30 мзсяцез гаяшга-ния составил!'.: сталь ЕСт. 3 - S87, сталь 10ХДП - 204, сталь 10ХНДП - 752, сталь 15хдп - 750 г/мГ

Ксгопанкяни этих га сталей в минеральных удобрэниях, узлагаеп-ных атмосферными осадками, з течение 0 шсяцэз установлено, что атмссфэростойкие стали 10ХЩД1 и 153СЭД имзгг в 1,4-1,8 раз Оолео высокую коррозионную стойкость по сравнения со сталянл 09Г2Д и ВСт.3 (табл.1).

Таблица 1

1!арка стали Потеря массы, г/м1

Аммиачная селитра Хлористый калий Суперфосфа:

ЕСт.З 1164 645 215

09Г2Д 1292 591 226

10ХНДП 792 465 346

15ХДП 741 453 272

Электрохимические исследования, выполненные на шлифованных и с продуктами коррозии образцах атмосферостойгаэс и малоуглеродистых сталей ра^л'чкыкн методами, подтверждает способность ат-мосфзростойких сталей образовывать продукты коррсэш: с повышенными зацитными свойствам!.

Эффективность приляненля атмосферостойккх сталей в конструкции кузовов грузовых вагонов подтверждена при обследовании состояния -элементов кузова полувагонов после 10-20 лет" эжплуата-ции. Измерения фактической годщяны элементов раму и обшивы полувагонов показали, что в результате замены стали 50т. 3 на сталь 10ЖДП скорость коррозии обшивы уменьпилась в 3,2 раза, а при замена стали 09Г2 на сталь 09Г2Д скорость ыэрозии элементов рамы уменьшилась в 1,3 раза (рис.9). Обследование состояния крыз грузовых вагонов позеолило установить, что в результате замены стал; ЕСт. 2 на стаи ЮлЦЦП средняя долговечность крыа до появления сквозных коррозионны:-: повреждений увеличилась с 10 до 13,4 года или е 1,3 раза (рис. 10).

В настоящее зремя Карагандинский меткомбинат ежегодно поставляет заводам ШЕ около 4 тыс. т. листовой стали 15ХДП, что позволяет производить замену крьш на 5 тыс. крытых грузовых вагонах.

проблема повышения коррозионной стойкости сталей для мостостроения ишет специфику, которая состоит з том, что высокие требования к хладостойкости основного металла и сварных соединений

i

Рис.9. Динамика изменения толщины и марки стали элементов [

кузева полувагонов в период с 1964 по 1991г (а), схема расположения точек замеров (£), скорость коррозии обшивп полувагонов из стали ВСт.З (I) и ЮХНДП (2).

-5 2 -

Рис.10. Крнмго частот наработки крыл гругог-Ьл влгснсв появление сквоснь'х коррсгисшаг,; повре-здениЯ: I - ::ргли кз стали 10ХНДП, Z - криза из стали ВСт.З.

Рис.11. Скорость коррозии в растворах серной кислоты аусте-

нитных нержавегсцих сталей: 12Х18Г6К2Т (I), 06Х18/Л8СЗД31п (21, 12Х18НЮТ (3), Ш18Н13Ь2Т (4), СсХТбА^ЗДЗ? !5), ' 06X18АН1ЭМ2ДЗР Со).

. -ъъ -

не позволяет использовать в мостовых конструкциях стали с повышенным содержанием фосфора. В связи с этим экспериментальные исследования по выбору более атмосферсстойкой стали для мостов были проведены на стали базового состава типа 14ХГД (С-0,14; Ш -0,89; Сг-0,82; Си-0,44%), в которой варьировали содержание никеля на двух уровнях 0 и 0,8%, молибдена - 0 и 0,1%, циркония -О и 0,02%, церия - 0 и 0,01%. Испытания проводили в городской и промышленной атмосферах; для сравнительной оценки стойкости к атмосферной коррозии одновременно испытывали традиционные для мостостроения стали 15ХСНД и 10ХСНД. Состав опытных плавок был задан матрицей планирования эксперимента, что позволило получить уравнения множественной регрессии для коэффициентов А и В кинетического уравнения атмосферной коррозии: Ал = 315,7 - 14,ЗМ: - 15,7№ -2,72г - .21,2Се; Еп = 0,7834 - 0.05М1 - 0,004Ш + 0,007гг. Результаты свидетельствуют о положительном влиянии никеля и церия на стойкость стали к атмосферной коррозии в промышленной атмосфере. Эти элементы были введены в состав стали, которой присвоена марка 14ХГНДЦ (1У 14-1-4519-88). ' Промышленное изготовление толстолистового проката мостостроительного сортамента (толщшой 10-32 мм) освоено на ' меткомбинате "Азовсталь". " Из этой марки стали Воронежский мостовой завод изготовил три типовых пролетных строения длиной 55. м, которые установлены в опыт-нута.эксплуатацию на Юго-Еосточной, Южно-Уральской и Восточно-Сибирской ж. д. без окраски. По механическим свойствам, в частности по хладостойкости. сталь 14ХГНДЦ удовлетворяет требованиям к сталям для мостов северного исполнения.

Рассмотрена возможность повышения коррозионной стойкости низколегированных сталей в некоторых рабочих средах, в частности применительно к котлам сернокислотных цистерн. Испытания на опытных плавках первой партии, химический состав которых задан матрицей планирования по методу случайного баланса для 15 химических элементов. Испытания в 93 и £0% серной кислоте позволили выявить зависимость скорости коррозии (г/м-ч)

- 34 -

от наличия в стали химических элементов:

Ук (93) = 1,76 + 0,123Аэ - 0.09С + 0.09Н1 + 0,06Б1 + 0,0611

- 0,145*К + 0,1331*Б + 0, 12Ыо*Аз; Ук (50) = 66,86 - 22,7Си + 13,7Р + 12,2Аз -13,414 + 7,5Сг +

+ 9,4Си*К - 7,9Сг*У + 8,15*ЫЪ. Полученные зависимости подтверждает ранее отмечавшийся факт, что наибольшее влияние на повышение коррозионной стойкости низколегированных сталей в растворах серной кислоты оказывает легирование медью.

Таким образом, проведенные исследования показали эффективность применения атмосферостойккх сталей конструкции кузоеов грузовых Еагонов и мостов. Уточнены системы легирования низколегированных сталей, позволяющие выйти на более высокий уровень стойкости к атмосферной коррозии без снижения остальных служебных и технологических свойстз. Предложены две марки атмосферостойккх сталей 15ХЦП и 14ХГКДЦ, производство которых освоено металлургической промышленностью. Однако во многих рабочзо: средах ка низколегированных сталях не может быть достигнут желаемый эффект позызения коррозионной стойкости. Для работы з этих средах целесообразно использовать зысоколегкрозаккыэ нержавеющие стали.

3 главе 6 приведены результаты исследования коррозионной устойчивости высоколегированных сталей в рабочих средах. Отмечается, что высоколегированные нержавеющие стали находят все более сирокоэ применение в конструкции кузовов железнодорожного подвижного состава благодаря более высокой пластичности, прочности, хладостойкости и коррозионной стойкости по сравнении с низколеригозанными сталями, что позволяет снизить металлоемкость подвижного состава, снизить эксплуатационные расходы на реыэнт, увеличить нормативный срок службы Нержавеющие стали продолзаиг оставаться наидучзаг конструкционным материалом для изготовления кузовов высокоскоростного подвижного состава, поскольку при оптимальной конструировании удается снизить массу

стального кузова до массы кузова ¡га алгминг-гезых сплазоз.

Имеется тенденция расширения применения не только хромонике-левых нер.'чавеЕзгх ста-ей аустениткого класса, но и хромомарган-цезых и хромистых сталей аустенито-ферркткого, ферритного и феррито-мартенситного классов.

Преюг/цествз керлааеюш;к сталей реализуются а конструкциях железнодорожного подвижного состава з том случае, если коррозионная стойкость конкретнее марок стали, намечаемых к применена, прошла проверку ка соответствие условиям эксплуатации, в частности, проверку коррозионной стойкости з рабочее и технологических средах, в которых сталь должна сохранять устойчивое пассивное состояние.

Традиционной областьп применения кэр;?азеюцих сталей в конструкциях кузовов железнодорожного подзизкого состава является изготовление котлов цистерн для транспортировки лицевых грузоз, особо чистой улучшенной серкой кислоты и кислотного мелан;<а. с середины 60-х годов улучшенную серную кислоту перевозят в цистернах с котлами из двухслойной стали 09Г2С -г 12И8К13У2Т, а кислотный меланх з цистернах с котлами из голстолкстозой стали 12Х18Г8Ь2Т. Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации, коррозионная стойкость этих старей недостаточна. Через 10-12 лет эксплуатации в верхней части котлов сернокислотных цистерн, на внутренней поверхности наблюдается сквозная коррозия плакирующего слоя, а з верхней части котлов меланжевых цистерн наблюдается сквозные коррозионные повреждения в районе горловины и воздушного клапана

В целях повыше ни коррозионной стойкости указанных марок стали и разработки новых составов стал;, обладающее повышенной коррозионной стойксстьо з рабочих средах, проведены коррозионные и электрохимические исследования на хремоникельмолибденовых сталях валового состава С6Х18К12М2 и 067А8К5!£3 с дополнительная легированием медью (до 37.) с заменой шлибдена на недефицитный кремний. Для сравнения в концентрированной и разбавленных растворах серной кислоты испытывали стали 12Х18Н1СГГ и 12Х13Г8Н2Т.

Испытаниями установлено, что введение меди резко повышает коррозионную стойкость в растворах серной кислоты концентрацией 20 -60% (рис. 11)^ Введение меди оказывает положительное влияние и на коррозионную стойкость сталей, в которых вместо молибдена введено порядка 3% кремния, что значительно снижает стоимость стали. Стздь типа 06Х18Н12СЗДЗР обладает высокой коррозионной стойкостью и в меланже. Положительное влияние введения меди в хромоникельмолибденовую сталь подтверждает опыт эксплуатации сернокислотных цистерн с котлами из двухслойной стали 2СК + 06Х23Н28ЫЗДЗ. После 12-15 лет эксплуатации на внутренней поверхности котлов цистерн отсутствовали следы коррозии.

Рекомендовано для изготовления котлов универсальных кислотных цистерн использовать медьсодержащее хромоникелевые .чержзве-сцие стали, а также проработать вопрос о создании более герметичной конструкции котла, чтобы исключить разбавление серной кислоты в результате адсорбции влаги из атмосферы и снижения концентрации окислов азота в меланже в результате их испарения со стенок котлов.

При организации массовых перевозок минерального сырья и удобрений в специализированных вагонах-мнлераловозах возник еоп-рос о выборе достаточно коррозионнрсто'йкого, прочного и технологичного материала для изготовления кузовов. В связи с зг::м были проведены исследования коррозионной стойкости сталей 03X13, 15X25, 10Х14АГ15, 10Х13Г18Д, С9Х13Н10Т, СЗ>22Н5Т И 08X21НБК2Т Б контакте с аммиачной селитрой, хлористым кзлпем, суперфосфатом, нитроаммофоской. Испытания в увлажненных удобрениях и их растворах показали, что стал;: с содержанием хрома 13147. (03X13, 10Х13Г13Д,' 10Х14АГ15) имен? значительные коррозионные повреждения в увлажненных удобрениях (скорость питтингсвой и язвенной коррозии составляет 2-6 мм/год). Хрсмснике левые и хромистые стали, содержание 18-25% хрсмз, обладают достаточно высокой стойкостью даче в наиболее агрессивных удобрениях. Хро-моникельмслибденовые стал;: сохраняют устойчивое пассивное состояние во всех увлажненных удобрениях и их смесях. Еагсны -ми-

пераловози с кузовами из хрошыик&яьмолибдешзЕой стали находится з эксплуатации з замкнутых маршрутах.

Несмотря на то, что з зарубежном вагоностроении, начиная с 30-х годов, широко используются мдр:-п2ЭЕ?:з19 стали для изготовления кузозоз пгесалирскшс вагоно::, в затеей стране до 19бВг. такого опыта не было. В этом год/ на' Тг-эрскоы вагоностроительной заводе по рекомендации ШЗШГ, 5Щ ЩШШИ из кергагояйй стали ЮХ14Г1-1НЗ (ДИ-5) кзготозлегш два кузэза комЗпаировзпяой конструкций! (пол и нг„--:пз пояса боковин из неркавезщэй стали, остальное элементы из традиционных трок глгоуглегодпстьг: и низколегированных сталей). Обследозазаэ состоянии пузозоз через 6 лет ЗКСПЛУ?.?ЗЦ!П1 выязило отсутствие СЛЭДОЗ коррозии КЗ арут-ренкей поверхности элементов, изготовленных из керкавеащей стали без нанесения изетжог кап лакокрасочного покрытия. В дальнейшем, а связи с дефицитностью пиколя, была поставлена задача разработать бозяикэлозув нергазевщуэ сталь для кузогоз пгссг-кирскпх загонов. 3 процессе совместного ксследозгзиа, прозэден-ЕОГО БЕйЗ£зТ, ШШЗ, ПНЭГчУ, ТЕЗ, !.И"Ззпоро"Лталь" и УкрЕЖГз?, рекомендовано применять скда 12Х13П8Д, из которой изготовлено два опытны:? вагона (1976г.), а затек опытная партия из 5 вагонов (1980г.). Обшива и слемэнты хестшсти кузова. изготовлены целиком из нержавеющей стали, хребтовая балка кз ' низколегированной стали. Нарузшая поверхность кузова имела частичную окраску для придания вагону декоративного •вида, внутренняя поверхность кузова но окрашзалась. Обследование состояния неокрашенных наружных поверхностей кузовов загонов через 1,5-2 года эксплуатации выявило недостаточную коррозионную стойкость стали 12Х13Г18Д, о чем свидетельствовало образование желтого налета ржазчины на неокрашенных поверхностях. Одной из причин образования налета ржавчины и потери декоративного вида неокра-пенных поверхностей явилось применение для удаления загрязнений с окон и наружной поверхности кузова кислых моющих составов, в том числе растворов аккумуляторной серной кислота

Сравнительные коррозионныэ и электрохимические исследования

сталей 12ЛЗГ18Д, 12Х18Н10Т (аналога стали А1Б1 304, широко используемой в зарубежном пассажирском вагоностроении), 12Х18Т', 10Х14Г14НВ позволили установить, что в водных вытяжкзх из теплоизоляционных материалов, контактирующие с внутренней поверхность» кузова, все стали находятся в устойчивом пассивном состоянии, скорость коррозии составляет менее 0,01 мм/год, шгнинговад коррозия отсутствует. Иначе ведут себя стали в кне-лих ющих составах. Установлено, что безникелевые и хромомар-ганцэвьэ пержавающке стзл!-1 имеют недостаточную коррозионную стойкость в растворах соляной и серной кислот (табл. 2).

Таблица 2

Иаркз стали Скорость коррозии в 5Х-ных растворах кислот (г/м^ч)

НС1 ' АБСК (СООН)^

12ИЗГ18Д 5,45 12,14 1,039 Ь,023

10Х14Г14ЕЗ 4,8В 12,55 - -

12Х18Т 2,74 - 0,67 0,016

1?.Х18К10? 0,035 0,24 0,605 0,03.

Алк-и;бэЕЗОЛоуль$ога:слота (АБСК), обдадавцзя хорошая юздпги свойствами, значительно более агрессивна по отнопгениэ к нэр.га-ЕьЕзш сталям, чем щавел-эвая кислота, являхсдяся основным компонентом ьпел;1Х средств, рекомендуемы* зарубежными фирмам.« для удаления загрязнений с наружной поверхности кузовов пассажгрс-кп. вагоноа. Нэ вызывает нарушение пассивного состояния нержа-Еегцих сталей щелочное мощзе средство "Зтнае", а также растворы ортсфоафорной и азотной кислот. Хромоникелевал нержавекцая сталь 12Х18Н10Т обладает достаточно высокой коррозионной стой-костье во всех исследованных- составах.

С августа 1988г. Тверской вагоностроительный завод освоил серийное изготовление пассажирских вагонов с комбинированной

конструкцией кузогз ( пол и пи.*нке пояса бокоаш из хрсмэшкэ-левой стали 12Х13Н10Т). Опыт эксплуатации этих пассажирских загонов, в тон числе с частично скрапа иной наружной поверхностью, свидетельствует о высокой коррозионной стойкости хромоникелевой стали, сохрзнизпзй декоративный вид посла Д лот эксплуатации. Положительный опыт эксплуатации вагонов с кузовои из неокрашенной нерхазекзэй стала AISI 304 гагветсл з Сазаякаском отделении Дальневосточной ж.?;., где с 1335г. находятся в эксплуатации 10 дизель-поездов, пзготовлашссс п Яио:-пш. Через 5 лот эксплуатации нержавеюёя стать сохранила декоративный вид, следы коррозии отсутствуют.

Проведены исследования возможности пришкеняя хромистых нер-.'.•лзэпгцнх сталей фэррито-мзртекситного класса для изготовления кузовов рефрижераторных вагонов.

Таким образом, проведенные исследования подтверди."! эффективность применения нержавеющи стзлей в конструкции кузовов подзжного состава и нс-обход;:мостг> контроля как коррозионной стойкости з рабочих средах марок стали, исшлвзуе;дгх а вагонных конструкциях, так и коррозионной агрессивности технологических сред, воздействующх на вагоны в процессе эксплуатации.

Реализацией этой части работн явилось оснащение вагонного парка вагонам! с кузовами из коррозиокзостойкнх материалов, не требующими ремонта из-за корозии кузова з течение всего корж-тинного срока слугой (пасатирские загоны и вагоны-минераловозы).

Намечены пути создания безремонтных' по коррозии конструкций кузовов рефрижераторных загонов и кислотных цистерн.

В главе 7 приведены результаты исследований по повышению коррозионно-усталостной долговечности рельсов и рубашек цилиндров тепловозного дизеля типа Д100.

За последние 5-7 лет резко увеличилось количество изломов рельсов под поездами из-за образования корроэионно-ус-талостных трещи з подошве.

Учитывая вагжость разработки *эроприятий по предотвращу} изломов рельсов в пути, в задачу исследований входило:

- установить причину появления коррозионно-усталостных ti щйк в подоше рельсов;

- наметить пути снижения повревдаеыпсти или предотвралщ образования дефолтов 69.

Для установления причин образования коррозионно-усталости грецин в подошве рельсов были проанализированы условия эксплу гтации на участках пути с наибольшей поврег-даемостья этим д фактом; проведены коррозионно-усталостнке испытания полнопр филзных рельсов новых к снятых е эксплуатации по дефекту 6 кссхедоЕан состаз р>звчинн в зоне образования дефекта 69 в ц лях обнаружения ксточзизсов повинной агрессивности среды; кс ледовзло влияние наложения постоянного к переменного тока корроэнояно-усталосгнув долговечность полнопрофильных рельс при их стендовых испытаниях.

Исследованиями установлено, что болашшстю изломов про исх> дкт на участках бесстыкового пути с повышенной грузснапряте; яостьа преимущественные двюэнием грузовых поездов! Еее изл! ш происходили от усталостных трещш, раззявзяся в зо: контакта подогсн релзсог с резкковымк кли рс-зикокордовымк про! дздкамя илн карточками для внправки пути, что подтвергдаэг i коррозкокяо-устзлостк-й характер. 1£эталлургкч5скиэ дефекты ёскуаа развитии усгасосиояс трогдга кг обтруэажы.

Стендовые ксррозпонно-уеталостккэ испытания позволил;: уст г новеть, что растворы электролитов (кислые и нейтральные) рег: ( в 10 раз) снижзкт долговечность объемно-закаленных рельсы Так, при испытании с изккаедькоа нагрузкой пульс5фуЕЕрго кзг: ба 700 кН сОьемяо-гачалгняыэ рельсы типа Р65 (производства Ш вздергивает без разрушения 2 млн. циклов, а.в контакте со слабь ми растворам серной кислоты шк хлорида натрия разрушение прс исходит через 160-1Е0 тыс. циклов (рис.12). Снижение коррозкон кой' агрессивности среды путей снижения концентраци: растворо серЕОй кислоты ( от 20 до 1%) я переход к нейтральному ЗХ-нои раствору хлорида натрия при шкскмалькой нагрузке цикличэског изггба выеэ 500 кн практически не отражается на положении крк

р.

«ы

¡я

««из а я аад а «»»о

(¿лад ФЯ*Я П.С* ,

Рис. 12. Число циклов до разрушения рельсов типа Б65'( -объемно закаленных, производства ККК)| при циклическом изгибе на воздухе 'I) и при контакте подошвы рельса с раствором серной кислоты (2). '

-4P. -

вой ограниченной долговечности. При жидок нагрузкга: долговечность возросгает при снижении агрессивности растворов электролитов. Ограниченный предел выносливости в ЗХ-нон растворе хлорида натрия при базе испытания 2 цлк. составляет 400 кН, г кислых растворах сульфатов 250 кН или 2000 кг/см?" Тогда как при ксаита-ЕШ на, воздухе ограниченный предел выносливости тех кв обтлмно-зазайенннх рельсов составляет 700 кН или 4000 га1/et.'? Бри копггкте с кислыми растворами лэлодо происходили от трездш, площадь вторых составляла от Z до 46% от плеезди сечения по-до^вы рельса, приче:-/. размер трепан но зависел от уровня максимальной нагрузки, что, по-видимому, обусловлено назодор0й«.вани-еирелъсовой стали перед фронтом расгфостранекия трзщшш. 3 копта'тге с нейтральным раствором по trepe шпг/анш: иакгагмальнол нагрузи: щклячэевого изгиба уЕОлкчаэглея размер треща, приводят к излому.

Исследование влияния токов утечки на коррозионную усталость при контакте подога:-: рельсов с 3%-ие.: раствором хлорида нитряв показало, что при одинаковой максимальной нагрузке йрс-гвгаеского кзгкба 500 кн к -отсутствии вившего тока ебъемко-згкзлекиые рельсы гздерлзаэг до разрушения 743 тыс. циклов; при пропускании через зон;/ контакта с электролитом анодного тока величиной ICO vA долговечность составляет 572-575 тыс;. цж-оь; при пропуске катодного то::?, той величины - 6S0 - £33 цккшэ; прк пропуска перэиепкего тока - C5¿-78i тыс;. циклов.

Остаточный ресурс оценивали ко усталостной долговечности рельсовых проб, вырезанных рядом с пестом образования дефекта 69. Испытания показал;:, что при отсутствии начальные коррозиок-ко-усталостных трецш-i в подошве рельсы сохраняет достаточно еы-сокуи долговечность, хотя и значительно менызуа, чем новые рельсы. Так, при максимальной нагрузке циклического изгиба 800 кН козые рельсы выдеркшаэт 859, г бывшие в эксплуатации 218 тыс. циклов. При нагрузках 4СО и 500 кН снятые с пути объем-ео-вакагенкыэ рельсы, не кмэхез'.э трещен в подешзе, как и новые рельсы, вэдерживаит без разрушения 2 wm. циклов ка воздухе. В

затакте со средой при мгшаэяаиоа нагрузке циклического изгиба 500 кП долговечность снятых с пути релгвесз составила 529, а :юзж 931 тыс. циклов. Одкгко при наличии в рэдьссвых пробах, снятых с пугк, начальных усталостных трещин ( дефекта 59) их несущзл способность и остаточная долговечность резко снижаются. Екмторае пробы с допетом 60 разрушились при изгибгщэй нагрузке 400 rfí.

Состав продуктов коррозии в зоне образовали? дефектов 59 определяли методом /окзльного ренггеноспектрального анализа на установке "Камэбгкс SX-50". йсслэдозааиэ показало, что в слое ржазчина на 'поверхности контакта подоовы рельса с резинозой прокладкой наблкщготся повкпонкоэ содорзаяио хлора - 0,29, серы

- 0,43, кре?.:ния - 5,1, аляйяш'л - 0,53, натрия - 1,05, кальция

- 1,257.. и слое р?.азч5шн ма;оу тагами содержание хлора - 0,1'3, серы - 0,62, кремния 4,7, аламшия 2,24, натрия 0,0, кальция -1,0-4%. Практически одинаковый состав рязачивв на поверхности контакта подснзы рельса с резиновой прокладкой и мелду ппзлами свидетельствуй1 со отсутствии агрессивных компонентов,' попадающих з г-идкуа среду и з рязачину из резины. Наиболее агрессивными компонентами среды являются соединения хлора и серн, образующие дегкорастворииыэ соединения. " ••

Полученные результаты свидетельствуют о стохастической природе образования коррозионно-устаюстных трещин з подошве рельсов. Несмотря на то,, что на каадом километре пути имеется более 2600 мест контакта подошвы рельса с подкладкой, коррозонно-ус-талостныэ трещины возникают не в кзидом месте контакта. При of¡-щем снижении долговечности за счет воздействия коррозионной среды избирательность появления дефекта 69 в значительной мере связана с неравномерностью распределения максимальных изгибающих напряжений по длине рельсов и общим повышение уровня напряжений от изгиба рельсов при переходе на более высокие осеЕые нагрузки. Сопоставляя величину напряжений в подоите, к .юрая достигает 1150 кг/см* с ограниченным пределом выносливости полнопрофильных объемно-закаленных рельсов на воздухе (4000 кг/см)

-чч -

и в контакте с раствором электролита (2000 кг/см5, ), можно заключить, что накопление усталостных повреждений имеет место только в условиях воздействия коррозионной среды. Если раствор электролита высыхает или замерзает, накопление повреждений идет по кривой ограниченной долговечности на воздухе. В период увлажнения зоны контакта накопление повреждений идет по кривой ограниченной долговечности при коррозионной усталости.

Снижение повреждаемости рельсов дефектом 69 может быть достигнуто за счет: а) снижения уровня напряжений в подоиве рельсов от изгибающей нагрузки путем ограничения осевых нагрузок, повышения жесткости подрельсового основания, снижения температуры затяжки рельсовых плетей; б) повышения коррозионно-уста-лостной долговечности новых рельсов путем создания сжимающих остаточных напряжений в подошве; в) сокращения длительности увлажнения подошвы рельсов путем нанесения гидроизоляционного покрытия, снижения гигроскопичности резиновых и резинокордовых прокладок и карточек для выправки пути; г) предотвращения загрязнения балласта и зоны контакта подошвы рельса с 'прокладкой хлоридами и сульфатами.

Для создания остаточных сжимающих напряжений в подошве рельсов разработан способ . холодной правки рельсов ( заявка N 4404943/27 ).

Коррозионная усталость рубашек цилиндров тепловозного дизеля Д100 экспериментально исследована путем стендовых испытаний на пульсаторе с использованием специального устройства, поэволяю-ирго воспроизвести циклическое внутреннее давление, воздейству-пвэе на рубанку при работе дизеля ( а.с. N 1107708). На основе анализа путей повьпзаия коррозионно-усталостнсй долговечнее.;! было решено создать остаточные ■ сжимахдие напряжения в зоне возникновения коррозионно-усталостных трещин в районе адаптерных отверстий. Для создания сжимающих' остаточных напряжений в зоне адаптерных отверстий предложена технология изготовления рубашек цилиндров тепловозных дизелей, которая состоит в том, что с по-

мошг>ю установки ТВЧ производится локальный нагрев до темпетару-ры 600-700 С зоны шириной 20 мм, расположенной на расстоянии 25 мм от кромки адаптерных отверстий ( ас.N 1004478). При охлаждении в зоне нагрева возникают растягивающие напряжения, а в зоне возникновения коррозионно-усталостных трегцин, у адаптерных отверстий - остаточные сжимающие напряжения. Натурные испытания рубашек цилиндров показали, что в контакте со средой ограниченный предел выносливости на базе 5 млн. увеличился на 207., а долговечность - в 2-3 раза.

Эксплуатационные испытания дизелей, оборудованных рубанками цилиндров, изготовленных по новой и старой технолога:, показали, что предложенная технология позволяет уменьшить в 7 раз количество трещин при одинаковом пробеге тепловозов. Технология термоупрочнения рубаиек цилиндров путем локального нагрева ТВЧ внедрена на Даугавпилсском ЛРЗ, имеющем годовую программу из изготовления 20000 шт.

онще вывода.

1. Разработанные автором нориативно-технические документы п оценке технического состояния и учету потерь от коррозии н предприятиях яэлезнодорокного транспорта, выполненный на их ос еоеэ статистический анализ скорости ¡аррозии и долговечно« отдельных элементов подзгеяного состава, металлоконструкций верхнего строения пуки, позволили сформулировать задачи иссле дованкя, дать игутао-техническое и экономическое обосновани необходишети повышения коррозионной стойкости конструкционны материааоБ, искольауемых для изготовления конкретных видов элементов Еодезнодороазюй техники, а такта обосновать кеобходи пэсть повышенна корроаионно-устакостной долговечности рельсов рубапак цилиндров тепловозных дизелей.

?.. Аналитический обзор созремекнья моделей коррозии и кор розкоиной усталости позводах автору выявить наиболее эффектна ныэ концептуальное подходы к изучения этих явлений, обоснозат целесообразность использования физ;кохип:ческих моделей и ста тистичеекого анализа при изучении причин коррозионных повреэдэ кий :г2лззнодоро."чой техники в эксплуатации; электрохимически ■моделей и сикергетичэского подхода при выОоре и разработке ко внх {¿с-тодоз ксследовачия; статистических моделей для оптимиза щи химического состава стали и технологии изготовления злемен тов яелезнодорогзюй техники.

3. Наряду -с традиционными методами лабораторных и стендо еых атшсферкцх коррозионных испытаний, используемых для опре делеыя стойкости конструкционных материалов, в рабочих и тех нологических средах, автором использованы коеш современные мз тиды исследования (определение состава продуктоз коррозии путе локального спектрального . анализа, определение тока коррозии п поляризационный кривым), в том числе методы и методики испыт Ш!Я, разработанные автором для:

- олределзикя устойчивости пассивного состояния сталей окислигельЕО-восстановительных средах по скачку потенциала пр гитроааиии (реализация сикергетического подхода, теории бифур кации и теории катастроф в коррозионных исследованиях);

- определения коррозиокко-усталостной долговечности натурных элементов яелезнодоротэй техники: рельсов, рубашек цилиндров тепловозных дизелей (а. с. К 1101708).

Методические разработки автора отражены в ГОСТ 9.903-86 и международно:.! стандарте КСО 7441-1984 Е.

4. Коррозионная агрессивность рабочих и технологических сред является реЕаггд;:и факторен при выборе каиструкдиотгых материалов по показателя нрргботки до появления коррозионное повреждений или отказов. Для металлических мостов, металлоконструкций контактной сети, элементов ушпзерсальных грузовых вагонов (крытых и полувагонов) рабочей средой является атмосфера с повышении! содержанием примесей (хлоридов и срнкстого газа). В зонах застоя остатков перевозимых грузов коррозионная агрессивность среды повышается. Для кузовоз специализировантвс вагонов-минералозозоз рабочей средой являются растворы шше-ральннх удобрений. Для кузовоз пасс?дярских загонов - уэлагаек-иая теплоизоляция и мсщие составы. Для кислотных цистерн -растворы серной кислоты и мелаша. Для рельсов йесстшзвого пути - узлалненныэ загрязнения, резина и рээшюкорд. Для рубавзгс цилиндров тепловозных дизелей - охладда^пря года.

Проведенные исследования позволили уточнить влияние состава рабочей среды на скорость коррозии :алоуглеродкстой стает, на коррозионно-усталостную долговечность рельсовой стали.

5. Многолетние испытания низколегированных сталей в городской и промышленной атмосфере, а такта ускоренные коррозионные испытания в искусственных средах позволили получить статистические модели влияния химического состава стали на скорость, коррозии. Показано, что. коррозионная стойкость низколегированных сталей зависит не только от степени легирования химически стойкими и легко пассивирующимися элементами, но и от окислительно-восстановительных свойств и состава среды. С увеличением коррозионной агрессивности среды влияние легирующих элементов изменяется как в количественном, так и в качественном отнесении. Так, увеличение содержания хрома до 1,5£ в низколегирован-

- 48 - .

ной стали ведет к увеличению коррозионной стойкости в условиях повышенной влажности чистого воздуха и к скижешт стойкости при переменном погружении в ЗХ-ный раствор хлористого натрия.

б. Оптимизация химического состава низколегированных сталей по показатели их атмосферостойкости-с учетом требований к механическим свойствам и свариваемости привела к разработке стали 15ХДП для ограждакцих (толщиной менее 5 мм) элементов кузовов грузовых вагонов (заявка N 4428350/23-02, 1079785) и стали 14ХГНДЦ для несущих элементов пролетных строений мостов толщиной 10-40 мм.

Реализацией этой части работы явилось освоение серийного изготовления, начиная с 1976г. , грузовых вагонов с обшзой из стали 10ХНДП, а несущих элементов рамы из стали 09Р2Д с гарантированным содержанием меди. При ремонте крытых грузовых заго-ноз, начиная с 1986г., применяется сталь 15ХДП (ТУ 14-1-3554-83) производства Карагандинского Ж Сталь 14ШЭД (ТУ 14-1-4519-83) применена для изготовления 3-х пролетных строений мостов длиной 55 м, которые установлены з эксплуатации без окраски в трех атшсферноклиматкчесюпс зонах. Ib уровне прочности и хладостойкостк, в том числе после старения, сталь 14ХГНдЦ производства L5v "Азовсталь" превосходит известные з мостостроении стали 155ЕЦЦ и 10ХСБД. Она рекомендована для изготовления мостов северного исполнения.

7. Уточнены граница устойчивости пассивного состояния ряда высоколегированных коррозиокяоетойких сталей в рабочих и технологических средах, установлено:

- хромомарганцезая. сталь 12ИЗР18Д значительно уступает стал! 12X18H1QT по коррозионной стойкости в ьтюсферяых плозиях и в кислых юпзос составах. Ее целесообразно использовать для изготовления кузовов пассажирских загонов только в случае окраски наружной поверхности кузова, тогда как сталь 12Х18Н10Т обеспечивает декоративный вид кузова Сеэ его окраски при изготовлении и в процессе эксплуатации, разработана травильная паста для удаления высокотемпературных окислов со сварных сое дине-

ний и придания декоративного вида неокраоэнной поверхности кузова;

- хромистые (с содержанием хрома более 201), хроыонике-левые и хромонитальмолибденовые стали сохраняют устойчивое пассивное состояние в растворах и увлажненной массе минеральных удобрений;

- хромоникэльюлкбденомедистые стали типа 083ЕЗН28ЩЦЗТ и 06Х18Н131ЙДЗР в отличие от применяемой в настояцее время для котлов кислотных цистерн стали 08Х18Н1212Т (в виде плакирующего слоя) сохраняют устойчивое пассивное состояние в разбавленной серной кислоте лзэбых концентраций. В кислотном меланже зысокуз стойкость показала сталь 06Х18Ш.ЗСЗДВР.

Реализацией этой части работы явилось:

- освоение с августа 1988г. серийного выпуска на Тверском ЕЗ пассажирских вагонов с комбинированной конструкцией кузова (сталь 12Х18Н10Т - пол и нижний пояс боковины, сталь 03 или 10 - средний и верхний пояс боковины, крыша, торцовые стены). Объем производства 1250 вагонов в год;

8. Исследование коррозионно-усталостной долговечности рельсов показало, что причиной появления дефекта 69 на участках бесстыкового пути является увеличение за последние 5-7 лет осевых нагрузок особенно на грузовых направлениях, применение гигроскопичных резиновых .и резинокордовых прокладок и карточек для выправки пути, отсутствие ограничений кривизны рельсов под нагруженным колесом и катодов ее непрерывного измерения на действующих участках пути.

Разработана технологическая схема роликовой правильной малины, позволяющей оптимизировать уровень остаточных напряжений по сечению закаленных рельсов и тем самым повысить их кор-розионно-усталостную долговечность (заявка N 4404948/27).

9. Разработана технология термического упрочнения рубашек цилиндров тепловозных дизелей- путец создания остаточных сжимащих напряжений в зоне адаптерных отверстий (а.с.N1004478).

Технология термоупрочнения освоена на Даугаапилсском ЛРЗ в 1983 году. Еыход рубашек цилиндров по коррозионно-усталостным трещинам снизился в 7 раз.

10. Суммарный годовой экономический эффект от Енедрения разработок автора в ценах 1983г. составляет более 10 млн. рублей.

-Si-

Печатные работы, в вторых отражено основное содержание диссертации.

1. Конюхоз А. Д., Осадчук Г. II Коррозионностойкке материалы для кузовов вагонов. 1L: Транспорт, 1937, 143 с.

2. Вэденкин С. Г., Конюхов А. Д. Вагонам повышенную надэгжость и экономичность. // Еелезнодорожный транспорт, М.: Транспорт, 1974, И 4, с. 58-61.

3. Конюхов Л. Д. Снижение надежности технических средств а результате коррозии. // Уэтоды защиты от коррозии подвижного состава я металлоконструкций хелеэнодоронного транспорта- Сб. науч. тр. IL: Транспорт, 1S88, с. 5-19.

4. Конвхов А. Д. йоррозионностойкая сталь для кузовов пасса-жрских загонов. // Вестник ЕНИИЖГ, 1988, N 2, с. 40-44.

5. йонвхоз А. Д , Нрупина Е. М. Коррозия и защита на келеэнодо-ромном транспорте. / Запцота от коррозии, старения и био-повреэдэний млЕагл, оборудования и сооружений. Справочник. II: Гашиностроение.1987, т. 2,с. 175-195.

6. Конюхоз А. Д., Котиков В. Е. Пути повышения "коррозионной стойкости сталей для кузовов вагокоз.//йгтоды эащгаы от коррозии подвижного состава и металлоконструкция железнодорожного транспорта Сб. науч. тр. ¡i: Транспорт,1988,

с. 19-36.

7. Конюхов А. Д , Пейрик X. И., Крупина Е. М. , Хлобыстова В. А., Райков Г. В. Пассажирский вагон из нержавеющей стали. // Еелезнодороиный транспорт, 1986, N1,,с.48-49.

8. Конюхов А. Д Прогнозирование коррозионных потерь по результатам краткосрочных атмосферных испытаний низколегированных сталей. / Обработка климатических данных и прогнозирование атмосферной коррозии, Сб. докладов. Кутаиси 20-25 ноября 1978г. Тбилиси: Мэцниереба, 1983, с. 158-165.

9. Конюхов А. Д Эффективность применения низколегированных сталей повышенной коррозионной стойкости для изготовления металлоконструкций промышленных предприятий./Обзорная информация. Защита от коррозий..., И.: ЦНИИЭЩветмет, 1931, вып. 1, 34 с.

10. Конюхов А. Д. Предупреждение коррозионных повреждений ваго нов.// Железнодорожный транспорт, 1979, N 11, с.51-54.

11. Конюхов А. Д., Еомскмй К. II Проектирование вагонных конструкций с учетоы коррозии.// Вестник ЕШШГГ, 1982, N1, с. 30-32.

12. Конюхов А. Д., Цуравлева Л. Е , Зайцева Е. 11 Исследование коррозии сталей и сплавов применительно к условиям бестарной перевозки минеральных удобрений. Деп. ЦНИИТЭИ ШЕ, рук N 627/77.

13. Глздыревская С. А., Конюхов А. Д., Сорокина Е А., Елисеева

. Т. Е Еезникелевыз нержазещие стали для вагонов. //Еестник ЕНЮШ, 1977, N 5, с. 25-23.

14. Е^равлева Л. В., Герасименко Г. И., ¡йнюхов А. Д. Коррозпон-нда повреждения цистерн для перевозки серной кислота// Еестник ЕНЮЕ5Г, 1974, N 5 , 0.43-45.

15. Конюхов А. Д., Кучеренко Е К , Зимин Е. В. Влияние коррозии подошвы рельсов на их усталостную прочность. //Вестник ВНШЕГ, 1975, N 5, с. 44-47.

16. Конюхов А. Д. Изменение остаточного напряженного состояния рельсов в прцессе производства./Остаточные напряжения и прочность йэлезнодорожЕых рельсов.Сб. науч.тр. Я: Транспорт. 1971, внп. 434, с. 102-118.

17. Кучеренко ЕЕ,Конюхов А.Д.,Зимин Е.Е Еыход рельсов из строя по коррозии подоивы. // Путь и путеЕое хозяйство, 1974, N 8, с. 35-37.

13. Еур Е. А., Еонюхов А. Д. Елияние остаточных напряжений в закаленнее рельсах на возникновение и распространение усталостных тренда при циклическом изгибе. /Сстаточнке напряжения и прочность яэлезкодорожкых рельсов. Сб. науч. тр. 1973, вып. 491, с. 29-37.

19. Дубченко Е. Г., Иванов В. П., Конюхов А. Д. и др. Способ изготовления хщлиндричэских деталей двигателей внутреннего сгорания. А. с. N 1004478, опубл. Есл. N 10, 15.03.83г.

20. Савин Е И., Конюхов А. Д., Еезборсдоз А. И. и др. Устройст-

во для испытания на усталость цилиндра двигателя внутреннего сгорания. А. с. N 1101703, опубл. Бел. N 25, 07.07.83.

21. Савин Н. !£ , Кэнсхов А. Д. Термическое упрочнение рубашек цилиндров двигателей типа Д100.//Вестник ЕНШЖГ, 1986,

N 3, с. 23-2с.

22. "гнехов А. Д. , Носков И. А., Северинова Э. П. Сравнительная сценка коррозионного влияния профилактических веществ на поделчнсй состав.// Вестник ЕНИИЖГ, 1933, N 6, с.33-38.

23. Проблема международной стандартизации в области коррозии

и зашиты металлов./ Я. М. Колотыркин, В.Т.Тихонов, 11 Н. Оокнн, А. Д. Енрнсв, А. Д. Конюхов, Е Е Новакозский, Е. С. Синявский, .1 Р. Усова Заадта металлов. 1987, т. 23, К 4, с. 547-556.

Подписи« к печати 15.07.92г.

Формат бумаги 60x90 1/16. Объем 3,3 п.л.

Заказ 351. Тирая НО экз.

Типография БШЖТ. 3-я Мытищинская ул. д. 10