автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Совершенствование процессов сварки и термической обработки рельсов магистральных железных дорог

На правах рукописи

НИКОЛИН АРКАДИИ ИГОРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

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

Москва 2004 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта МПС России (ВНИИЖТ МПС России)

Научный руководитель доктор технических наук

Федин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ушаков Борис Константинович (МГВМИ) кандидат технических наук, доцент Прокошкина Вера Георгиевна (МИСиС)

Ведущая организация - ЦНИИ ЧерМет им. И.П. Бардина

Защита состоится «_»_2004г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.02 в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851, Москва. 3-я Мытищинская ул., д. 10, Малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИЖТ. Автореферат разослан «_»_2004г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета-

кандидат технических наук Г.И. Пенькова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время в путевом хозяйстве железнодорожного транспорта нашей страны остро стоит вопрос роста количества дефектов в сварных стыках рельсов бесстыкового пути. Особенно ярко выраженный рост количества изломов по дефектам сварки наблюдается в последние годы при использовании на сети железных дорог для изготовления бесстыкового пути рельсов из новых марок сталей Э76Ф, Э76Т и Э76, отличающихся меньшим содержанием вредных примесей серы, фосфора и алюминия и наличием примесей меди и других цветных металлов.

Анализ повреждаемости сварных стыков рельсов показал, что головка сварного рельса является областью с самой большой вероятностью зарождения и развития дефекта. В этой области дефекты появляются после прохождения 100-250 млн. т. брутто при норме около 700 млн. т. брутто (среднестатистические данные для качественных стыков). В шейке и подошве сварного рельса дефекты проявляются на более ранних стадиях - после прохождения 50-100 млн. т. брутто.

Основными причинами зарождения дефектов в металле сварных стыков рельсов являются следующие: применение технологии контактной сварки непрерывным оплавлением рельсов из новых марок сталей Э76Ф и Э76Т не обеспечивает необходимого уровня конструкционной прочности сварных стыков рельсов и в ряде случаев приводит к образованию в металле сварного стыка рельсов дефектов сварочного характера, применяемая серийная технология термической обработки сварных стыков рельсов с упрочнением воздушно-водяной смесью в большинстве случаев приводит к образованию неблагоприятных закалочных структур в металле головки сварного стыка.

Причинами интенсивного развития дефектов металла сварного стыка рельсов в эксплуатации и последующих их изломов является отказ заводов изготовителей сварных рельсовых плетей от проведения термической обработки сварного стыков рельсов перекристаллизационным индукционным нагревом с последующей закалкой головки воздушно-водяной смесью из-за

РОС. НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА С.1Н рг ОЭ МО мт

энергозатратного пути, выбранного предприятием-изготовителем индукционной установки при проектировании.

Кроме того, анализ напряженного состояния сварного стыка рельсов после серийной технологии термической обработки показал, что распределение остаточных напряжений в головке шейке и подошве сварного рельса не отвечает условиям эксплуатационной нагруженности сварной конструкции, что так же приводит к снижению срока службы сварных рельсов по сравнению с не сварными.

Таким образом, остро стоит вопрос о повышении качества сварных стыков их рельсов новых марок сталей. Цель работы.

Повышение эксплуатационной надежности сварных рельсов за счет снижения вероятности образования дефектов сварочного характера, увеличения конструкционной прочности сварных стыков рельсов из новых марок сталей и устранения вероятности образования дефектов при сварке и термической обработке сварных стыков рельсов.

В настоящей работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование причин образования дефектов в сварных стыках рельсов при выполнении сварки, термической и механической обработок с использованием серийных технологий.

2. Сравнительное исследование теплового воздействия пульсирующего и непрерывного оплавлений при контактной сварке рельсов новых сталей Э76Ф и Э76Т на комплекс механических свойств и металлографических характеристик сварных стыков и их конструкционной прочности.

3. Проведен расчет распределения твердости металла по сечению сварного стыка рельсов при упрочнении сжатым воздухом с объемного индукционного нагрева в зависимости от условий закалочного охлаждения и геометрических характеристик упрочняемой конструкции.

3. Теоретическое и практическое обоснование создания дифференцированного уровня свойств по сечению сварного стыка рельсов двухсторонним упрочнением сжатым воздухом с индукционного нагрева с обеспечением на-

пряженного состояния сварного рельса наилучшим образом отвечающего на-груженности сварной конструкции в эксплуатации.

5. Исследование влияния упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом на физико-механические свойства металла образцов сварных стыков.

6. Разработка индукционного оборудования для термической обработки сварных стыков рельсов, отвечающего требованиям ресурсосберегающей политики МПС РФ и ОАО «РЖД».

7. Разработка технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева на новом ресурсосберегающем оборудовании для реализации этого процесса в производственных условиях рельсо-сварочных предприятий.

8. Разработка нормативной документации на сварку рельсов пульсирующим оплавлением и термическую обработку сварных стыков рельсов на новом оборудовании с упрочнением стыков сжатым воздухом.

Методы исследования

Теоретическое исследование возможности упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева проводилось по специально разработанной методике расчета прокаливаемости, включающей расчет распределения скоростей охлаждения металла по сечению сварного стыка рельсов путем решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье конечно-разностным методом с использованием ПЭВМ и определение прокаливаемости стали на торцевых образцах по методу коэффициентов-множителей стандарта SAE J406 (США).

При проведении экспериментальных исследований использовались следующие методы: метод спектрального анализа на установке «Spectrolab S», методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (ГОСТ 9012, ГОСТ 9013, ГОСТ 2999) для измерения твердости; определение механических свойств при разрыве стандартных цилиндрических образцов (ГОСТ 1497), ударной вязкости - при испытаниях на ударный изгиб стандартных образцов (ГОСТ 9454); метод тензометрических датчиков для определения внутренних остаточных напря-

жений; испытания на статическую прочность полнопрофильных проб сварных стыков рельсов методом трехточечного изгиба с реализацией растяжения головки или подошвы рельса в соответствии с методикой изложенной в ТУ 0921-057-01124328-98 «Рельсы железнодорожные новые сварные»; испытания на динамическую прочность полнопрофильных проб сварных стыков рельсов проводились в соответствии с методикой изложенной в ГОСТ Р 51685-2000 при температуре испытания образцов равной -60°С; испытания на циклическую долговечность полнопрофыльных проб сварных стыков рельсов проводили по схеме трехточечного изгиба на электрогидравлическом пульсаторе при коэффициент ассиметрии цикла и частоте нагруже-

ния 5 Гц.

Научная новизна работы

1. Дано теоретическое и практическое обоснование температурного влияния метода пульсирующего оплавления при контактной сварке рельсов из электростали на конструкционную прочность, механические характеристики и металлографические показатели металла сварного стыка.

2. Разработана методика расчетной оценки прокаливаемости сварного стыка рельсов по сечению изделия при закалочном упрочнении с учетом его геометрических характеристик и условий самого охлаждения.

3. Впервые в отечественной промышленности разработаны основы технологии упрочнения металла головок сварных стыков рельсов в потоке сжатого воздуха.

4. Разработаны научные основы двухстороннего термического упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и основные требования к технологическому процессу и оборудованию.

5. Дано научное обоснование создания дифференцированного уровня прочностных свойств и напряженного состояния сварного стыка рельсов после двустороннего упрочнения сжатым воздухом.

Практическая ценность работы:

1. По результатам проведенных исследований разработаны, оформлены и внедрены в рельсосварочных предприятиях сети железных дорог Техниче-

ские условия на ремонт, сварку и использование старогодных рельсов ЦПТ-80/350. «Рельсы железнодорожные старогодные» и Типовой технологический процесс сварки и ремонта рельсов, включающие разработанные технологию и режимы сварки рельсов пульсирующим оплавлением в условиях РСП и в составе путевой техники (ПРСМ) и технологию и режим упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева на новой разработанной установке.

2. ВНИИЖТ, ИЭС им. Е.О. Патона и КЗЭСО (Каховский завод электросварочного оборудования) в 2003 году осуществлено внедрение сварки рельсов пульсирующим оплавлением на 22 технологических линиях в РСП на машинах К-1000 и на машинах К-900 в составе ПРСМ сети дорог. Количество стыков рельсов сваренных данным способом в 2003 г. составляет около 400 тыс. шт.

3. Спроектирована, изготовлена в трех технологических линиях РСП контактная рельсосварочная машина нового поколения типа МСР-6301 с реализацией сварки рельсов пульсирующим оплавлением. Разработан и утвержден в ЦП МПС России режим сварки рельсов типа Р65 пульсирующим оплавлением на контактной машине типа МСР-6301. Количество стыков рельсов сваренных с использованием данных машин составляет около 10 тыс. шт.

4. Разработана, изготовлена и внедрена в трех технологических линиях РСП индукционная установка типа УИН-001-100/РТ для термической обработки сварных стыков рельсов, обеспечивающая повышение эксплуатационной надежности и конструкционной прочности сварных рельсов и использующая в качестве закалочной среды сжатый воздух. Разработаны и утверждены в Департаменте пути и сооружений ОАО «РЖД» режим и технологическая инструкция по термической обработки сварных стыков рельсов на установке типа УИН-001-100/РТ. В настоящее время с использованием новой индукционной установки термически обработано около 5 тыс. сварных стыков рельсов.

Апробация работы.

Отдельные положения, промежуточные и итоговые результаты диссертационной работы докладывались на двух ежегодных научных Конференциях молодых ученых и аспирантов по современным проблемам железнодорожного транспорта (г. Щербинка, ВНИИЖТ, 2003 г., 2004г.).

Разделы диссертационной работы ежегодно (2001 - 2004 г.г.) обсуждались на научно-технических совещаниях комплексного отделения «Сварка» и комплексного отделения «Транспортное металловедение» ВНИИЖТ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. Оформлены Технические условия на ремонт, сварку и использование старогодных рельсов ЦПТ-80/350. «Рельсы железнодорожные старогодные» и Типовой технологический процесс сварки и ремонта рельсов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 131 источника и изложена на 199 листах текста, содержит 67 рисунков и 25 таблиц. К диссертационной работе отдельным изданием дан сборник приложений по результатам работы, состоящий из 29 приложений и изложенный на 150 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведено рассмотрение особенностей эксплуатации сварных рельсов в настоящее время, изучены дефекты, приводящие к выходу сварных рельсов, и проанализированы причины появления данных дефектов.

Показано, что бесстыковой путь работает в сложных климатических и эксплуатационных условиях. На дорогах Сибири и Дальнего Востока годовые амплитуды температуры рельсов колеблются от 105 до 125 °С. Максимальные суточные амплитуды температур равны 35-60 °С. По исследованиям ведущих отечественных ученых Альбрехта В.Г., Виногорова Н.П., Зверева Н.Б. такие перепады температур создают в сварных стыках рельсов и в самих рельсах критический уровень температурных сил, приводящий к выбросам плетей или их изломам с образованием зазоров 60-80 мм, причем почти 50 %

их приходится на места сварки. Также отмечено, что при низких температурах увеличивается вероятность хрупких разрушений, как самих рельсов, так и сварных стыков. Исследованиями многих ученых, в том числе Шура ЕА, Золотарского А.Ф., Раузина Я.Р., Великанова А.В., Михалева М.С., Литвинова В.Я., Генкина И.З., Синадского НА, Шляпина В.Б. и др. выявлено, что при температуре -60° С, являющейся основным охрупчивающим фактором, охватывающей все климатические зоны нашей страны и лежащей заведомо ниже критической температуры хрупкости объемно закаленных рельсов и их сварных стыков, сопротивляемость удару у сварных рельсов в 6 раз меньше, чем у не сварных. Хрупкие разрушения рельсов в эксплуатации в настоящее время встречаются очень редко благодаря строгому соблюдению технологии, режимов сварки и обработки стыков и при отсутствии в них пороков (дефектов). Если была нарушена технология при изготовлении сварных плетей и в стыках были допущены дефекты, разрушения такого типа возможны, особенно в виде хрупких доломов, которыми заканчивается развитие усталостной трещины, образовавшейся от дефекта. Предел усталостной прочности сварных стыков рельсов значительно ниже, чем у не сварных объемно закаленных рельсов.

Анализ дефектов возникающих в сварных стыках рельсов в эксплуатации показал, что основными причинами изломов рельсов в пути являются дефекты сварочного характера и дефекты после сварочной обработки металла сварных стыков, из-за несовершенства применяемых технологий.

Серийная технология сварки рельсов с применением непрерывного оплавления в ряде случаев не обеспечивает постоянное качество металла сварного стыка рельсов новых марок сталей (Э76, Э76Ф и Э76Т). Согласно известному механизму формирования сварного стыка при электроконтактной сварке непрерывным оплавлением, исследованным такими ведущими учеными в области сварки как Кучук-Яценко СИ. Доценко В.Е., Лебедев В.К., Хрящева Н.К. Генкин И.З., Шляпин В.Б., появление в нем дефектов обусловлено неполным выравниванием кратеров, образовавшихся на концах изделия при оплавлении. Газ и окисленный жидкий металл, находящиеся в кратерах

образуют при кристаллизации такие дефекты как: газовый пузырь, рыхлость, кратерная усадка. Неполное выдавливание из стыка жидкого металла при осадке является причиной образования скоплений неметаллических включений, ориентированных по оси стыка. Дефекты в металле сварного шва рельсов в эксплуатации приводят к развитию трещин и последующим изломам. Изложенное выше особенно актуально при сварке рельсов марок Э76, Э76Ф и Э76Т, отличающихся меньшим содержанием вредных примесей серы, фосфора и алюминия и наличием примесей меди и других цветных металлов. Проведенное в работе исследование металла в области дефектов сварных стыков рельсов новых марок сталей после контактной сварки непрерывным оплавлением выявило наличие алюмино-кальциевых и кремниево-титано-марганцовистых неметаллических включений.

Анализ литературных данных по исследованию влияния параметров процесса сварки рельсов оплавлением на качество металла сварного стыка рельсов и изучение зарубежного опыта сварки оплавлением показал, что наиболее перспективным способом сварки рельсов в отношении улучшения качества металла сварного шва является сварка пульсирующим оплавлением, применимая ко всем типам рельсов и рельсовых сталей. Данный способ электроконтактной сварки был разработан в ИЭС им. Е.О. Патона. В работе было предложено провести исследование влияния данной разновидности непрерывного оплавления на механические характеристики, металлографические показатели и конструкционную прочность сварных рельсов новых марок сталей, состав которых представлен в табл 1.

Таблица 1.

Химический состав исследуемых сталей_

Марка стали Содержание элементов, %

С Мп в! V Т1 Сг Р 1 8 I А1

ие более

Содержание элементов в соответствии с ГОСТ Р 51685-20( Ю

Э76Т 0,710,82 0,751,05 0,250,45 — 0,0070,025 — 0,025 0,030 0,020

Э76Ф 0,030,15 ----

Фактическое содержание элементов

Э76Т 0,738 0,837 0,347 0,0216 0.0157 0,0314 0,0224 0,009 0,0003

Э76Ф 0,743 0,901 0,345 0,0417 0,0024 0.0243 0,0201 0,008 0,0003

Анализ технологии упрочнения головок сварных стыков объемно закаленных рельсов показал, что при проведении операции термообработки с использованием в качестве закалочной среды воздушно-водяной смеси в ряде случаев наблюдается образование в металле неблагоприятных закалочных структур. В этих областях в эксплуатации возникают дефекты контактно усталостного характера (выкрашивания), приводящие к развитию усталостных трещин в металле шва и последующему его излому.

Анализ литературных данных в области применения различных закалочных сред при термообработке рельсов и остряков показал, что предпочтение отдается сжатому воздуху. Для устранения вероятности образования неблагоприятных закалочных структур в металле головки сварного стыка рельса предложено использовать в качестве закалочной среды сжатый воздух.

Результатами исследований напряженного состояния сварных рельсов и рельсов, не подвергавшихся сварке, было выявлено, что после сварки в головке и подошве сварных рельсов имеют место остаточные напряжения сжатия, в то время как у не сварных рельсов наблюдалась противоположная картина. В тоже время наблюдаются большие растягивающие напряжения (до 180 МПа) в шейке сварного стыка. Местная закалка головок сварных стыков с тепла сварки повышает величину продольных сжимающих напряжений без изменения общего характера распределения напряжений по сечению. Проведение индукционной термической обработки стыка с объемным нагревом по контуру до температуры 850-875°С с закалкой головки приводит к образованию растягивающих напряжений в подошве стыка, к уменьшению уровня растягивающих напряжений в шейке. Исследования усталостной прочности сварных рельсов показали, что она зависит от напряженного состояния и понижается с уменьшением сжимающих напряжений и ростом растягивающих. Усталостные трещины зарождались в тех зонах подошвы рельса, где растягивающие напряжения были наибольшими а при их отсутствии - сжимающие наименьшими. Таким образом, сжимающие напряжения в головке и подошве оказывали благоприятное воздействие на усталостную прочность сварных стыков рельсов. Применение серийной технологии индукционной термиче-

ской обработки сварных рельсов ухудшает напряженное состояние стыка по сравнению с последним в сварном нетермообработанном рельсе. Напряженное состояние в головке (сжимающие напряжения) не претерпевает значительных изменений. Ухудшается напряженное состояние в подошве - наблюдается появление растягивающих напряжений (до 100 МПа), что не отвечает нагруженности сварного стыка рельсов в эксплуатации. Создание уровня сжимающих напряжений в подошве сварных термообработанных рельсов возможно при применении двусторонней закалки стыка с подачей закалочной среды, как на головку, так и на подошву. В работе было предложено исследовать возможность создания сжимающих напряжений в головке и подошве сварного стыка рельсов при двустороннем упрочнении сжатым воздухом. Такое дифференцированное упрочнение будет особенно актуально при переходе к изготовлению сварных рельсовых плетей из легированных сталей, так как, будет применяться двухсторонняя закалка при термообработке рельсов на заводах.

Было выявлено, что применяемые в настоящее время на РСП индукционные установки типа ИТТЗ-250/2,4 не отвечают современным требованиям системы ресурсосбережения, реализуемой на железнодорожном транспорте. Основные причины заключаются в следующем: установки имеют высокие требования по потребляемой мощности (250кВт); установки имеют высокие требования по охлаждающей среде для силовых узлов. То есть для эффективного охлаждения трансформаторного блока, индукторов и токопреобразо-вателя частоты требуется дистиллированная вода с отдельными накопителями и подающими гидросистемами из нержавеющих сплавов; форсунки воздушно-водяного рапылителя для закалки головки стыка часто засоряются, что приводит образованию неблагоприятных закалочных структур на поверхности катания. В настоящее время технологические линии производства сварных рельсов оснащены 30-ю индукционными установками ИТТЗ-250/2,4 в 17 РСП из 20. В 10 РСП из 17 данное оборудование по приведенным выше причинам не применяется. Анализ остродефектных рельсов (ОДР) по сети железных дорог России показал, что наибольшее количество дефектов в об-

ласти сварных стыков выявлено на тех дорогах, где в РСП не применяется или имеет ограниченное использование индукционное оборудование. То есть технология дифференцированной термической обработки сварных стыков, рельсов в большинстве РСП не применяется из-за несовершенства оборудования. Для устранения неудовлетворительных положений в работе серийного оборудования сформулированы общие технические требования к оборудованию для дифференцированной термической обработки сварных стыков рельсов и получено техническое задание на создание данного оборудования, включающее технические характеристики, требуемые для обеспечения ресурсосбережения.

Во второй главе представлены материалы и методики проведения расчетного и исследовательского этапов работы.

В третьей главе представлена разработка технологических основ упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и исследование температурного влияния пульсирующего оплавления при сварке рельсов на механических свойства, металлографические характеристики и конструкционную прочность сварных рельсов.

Расчетная оценка прокаливаемости сварных стыков рельсов из сталей Э76Ф и Э76Т в условиях двухстороннего закалочного охлаждения сжатым воздухом была выполнена по разработанной методике, включающей в себя:

1. Моделирование процессов охлаждения на теплотехнической модели сварного стыка рельсов. Учитывая симметричность задачи для расчета использовалась половина рельса. Расчетная область была автоматически разбита на сетку конечных элементов, состоящую из 100 узлов (рис. 1). На ребре AG, являющемся осью симметрии, определено естественное граничное условие II рода q = 0. На ребрах ABC, CDE и EFG заданы граничные условия III рода и условие радиационного теплообмена. Тепловыделение при мартен-ситном превращении не учитывалось. Расчет проводился в интервале температур 720-550 °С для температуры нагрева 900°С. Степень черноты для расчета радиационного теплообмена принималась во всех случаях равной 0,8;

коэффициент температуропроводности стали 0,044 см2/с; коэффициент теплопроводности 23,2 Вт/(м К)

Рис. 1 Расчетная модель с сеткой конечных элементов.

2. Расчет распределения скоростей охлаждения металла сварного стыка рельсов по элементам сечения при различных коэффициентах теплоотдачи для охлаждения потоками воздуха.

3. Расчет распределения твердости по длине торцевого образца методом коэффициентов-множителей стандарта 8ЛБ 1406 (США), и распределения твердости на различном расстоянии от поверхности головки и подошвы сварного стыка на основе полученных на предыдущих этапах расчета данных.

Результаты расчета показали возможность получения структур металла с необходимой твердостью в головке сварного стыка рельсов (не ниже 36 ИЯС) при его упрочнении сжатым воздухом со скоростью не менее 80 м/с.

Так же, расчетом была определена возможность получения упрочненного слоя в подошве сварного стыка рельса при подаче сжатого воздуха со скоростью 60 м/с.

По результатам исследования прокаливаемости сварного стыка рельсов, были проведены лабораторные исследования, показавшие, что в процессе упрочнения протекает самоотпуск металла головки и подошвы сварного стыка рельсов, за счет перераспределения температуры между элементами сечения. В результате процессов самоотпуска металла при реализации скоростей подачи сжатого воздуха на упрочняемые области не выше 80 м/с не удается получить необходимый уровень твердости. Для реализации технологии понадобилось получить более высокие скорости истечения сжатого воздуха для

повышения коэффициента теплоотдачи охлаждающей среды. Были проведены лабораторные испытания различного компрессорного оборудования и закалочных устройств различной конструкции. Во время испытаний были реализованы скорости истечения воздуха на головку рельса в интервале от 24 м/с до 250 м/с. Скорости истечения воздуха определялись расчетным методом и зависели от конструкции закалочного устройства, производительности компрессорного оборудования и надежности воздушной системы подачи. При проведении работы были реализованы две схемы подачи воздуха на рельс: на головку сварного рельса; на головку и на подошву сварного рельса (двухстороннее упрочнение).

При реализации скорости истечения сжатого воздуха 60 м/с и менее на упрочняемую поверхность головки глубина упрочненного слоя с твердостью не менее 325 НУ составляет незначительную величину (2-6 мм), что объясняется, во-первых, протеканием процессов отпуска металла в результате перераспределения тепла от подошвы и шейке к головке и, во-вторых, недостаточным коэффициентом теплоотдачи охлаждающей среды (сжатого воздуха) при данных скоростях. Распределение твердости металла головки сварного стыка рельсов при реализации значительно большей скорости воздуха до 250м/с, а значит, и значительно большего коэффициента теплоотдачи охлаждающей среды показывает, что величина упрочненного слоя металла в головке с твердостью не ниже 325 НУ увеличивается до 12 мм. Важную роль для получения максимально возможной величины упрочненного слоя металла сварного стыка рельсов играет продолжительность процесса упрочнения. Оптимальная величина продолжительности упрочнения сжатым воздухом сварных стыков рельсов при скорости воздуха выше 200 м/с составляет 180200 с.

Анализ механических свойств металла упрочненной области головки рельсовой пробы, металла головки объемно закаленных рельсов различных категорий качества по ГОСТ Р 51685-2000 и металла головок сварных стыков рельсов, упрочненных воздушно-водяной смесью, указал на их сопоставимость. Применение сжатого воздуха в качестве закалочной среды не привело

к ухудшению комплекса прочностных и пластических характеристик металла. Микроструктурный анализ показал, что в пределах упрочненного слоя структура металла представляет собой мелкодисперсный сорбит с небольшими участками разрозненного феррита расположенных равномерно в пределах закаленного слоя в виде отдельных конгломератов

При исследовании двухстороннего упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом реализуемые скорости подачи воздуха на упрочняемые области сварного стыка соответствовали 250 м/с и 80 м/с, .таким образом, интенсивность охлаждения головки и подошвы сварного стыка составляла примерно 3:1. Анализ распределения твердости по сечению сварных стыков рельсов показал, что при двухстороннем упрочнении возможно получение упрочненного слоя в головке сварного стыка рельсов.

Анализ полученных значений характеристик прочности и пластичности в головке, шейке и подошве рельсов в зоне сварных швов, упрочненных по различным технологиям, показал сопоставимость результатов, то есть, использование в качестве закалочной среды сжатого воздуха при установленном расходе воздуха и давлении в закалочном устройстве не приводит к ухудшению комплекса прочностных и пластических характеристик металла стыка. В случае двухстороннего воздушного охлаждения прочностные свойства в подошве увеличиваются в 1,1 раза.

Анализ напряженного состояния выявил, что при двухстороннем упрочнении сжатым воздухом общий характер распределения напряжений в шейке и головке изменяется. В подошве сварного стыка образуются сжимающие остаточные напряжения (до 110 МПа) благоприятно влияющие на усталостную прочность стыка в эксплуатации и наилучшим образом отвечающие его на-груженности в эксплуатации. Выявленная возможность получения благоприятной эпюры внутренних напряжений в сварном стыке рельсов после двухстороннего упрочнения сжатым воздухом в данной работе дает основание утверждать, что данная технология будет необходима при термообработке стыков из рельсов после дифференцированного упрочнения на заводе изготовителе. Эпюры внутренних напряжений сварного стыка и рельса не будут

иметь кардинальных различий. Внедрение данной технологии планируется при обеспечении металлургическими комбинатами серийного выпуска рельсов упрочненных двусторонним охлаждением.

В третьей главе было проведено исследование температурного влияния пульсирующего оплавления на качественные характеристики сварных стыков рельсов. Анализ результатов исследования температурное полей приконтакт-ной зоны свариваемых рельсов оценивающийся кривыми распределения температуры по длине рельса непосредственно перед осадкой стыка показал, что при сварке пульсирующим оплавлением температурный градиент более низкий, чем при сварке рельсов непрерывным оплавлением. Благодаря этому факту уменьшается ширина зоны термического влияния температуры сварки на фазовое состояние металла рельса, что является немаловажным фактором влияющим на конструкционную прочность сварного стыка. Было выявлено уменьшение ширины зоны термического влияния при сварке рельсов пульсирующим оплавлением в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичным параметром у сварных рельсов после непрерывного оплавления. Исследование твердости металла поверхности катания сварных стыков рельсов показало, что зона разупрочнения металла стыка рельса, сваренного методом непрерывного оплавления составляет 80-90 мм, методом пульсирующего оплавления -40-50 мм. Существенное снижение ширины зоны разупрочнения в сварном стыке рельсов, сваренных методом пульсирующего оплавления, значительно увеличит эксплуатационную стойкость сварных рельсов. У сварных рельсов с уменьшенной шириной зоны разупрочнения металла снижается вероятность образования смятия металла головки от динамического воздействия колес подвижного состава (деф. 46.3).

Структурных отличий в характерных областях зон термического влияния при сварке рельсов различными видами оплавления не выявлено.

Образование дефектов в сварных стыках рельсов при сварке плавлением напрямую связано с образованием и величиной кратеров на поверхности свариваемых торцов. При сварке непрерывным оплавлением величины кратеров на торцах рельсов перед осадкой достигают 1-2 мм. В этих областях чаще

всего скапливаются неметаллические включения и возможна кристаллизация расплава. На поверхности металла при пульсирующем оплавлении перед осадкой не наблюдалось кратеров, имеющих большую величину (1-2 мм). Уменьшение величины кратеров приводит к снижению вероятности кристаллизации расплава между кратерами с образованием дефектов и к равномерному распределению расплава металла по торцам перед осадкой. Данный факт очень важен особенно при сварке рельсов исследуемых марок сталей, так как в металле последних присутствуют легирующие элементы, приводящие к образованию неметаллических включений в сварном стыке.

Исследования, проведенные в работе показали, что значительных изменений механических характеристик металла рельсов, сваренных пульсирующим и непрерывным оплавлением не наблюдается. При проведении сопоставления показателей механических характеристик металла сварных и цель-нокатанных рельсов было выявлено, что по показателям прочности и ударной вязкости металл сварных стыков уступает основному металлу объемно закаленного рельса, причем по показателю ударной вязкости разница составляет около 600 %. Показатели относительного удлинения и сужения у металла сварных стыков значительно превосходят аналогичные показатели цель-нокатанных рельсов.

Анализ конструкционной прочности при испытаниях на статический трехточечный изгиб партии сварных стыков после непрерывного и пульсирующего оплавлений с растяжением подошвы и головки выявил, что по показателям прочности и пластичности рельсы сваренные пульсирующим оплавлением в 1,1-1,2 раза превосходят рельсы после непрерывного оплавления, что несомненно улучшает их эксплуатационные характеристики.

В четвертой главе представлены разработка энергосберегающего оборудования термической обработки сварных стыков рельсов и исследование влияния нагрева токами высокой частоты и последующего упрочнения сжатым воздухом на комплекс металлографических и механических свойств металла сварных рельсов после пульсирующего оплавления и их конструкционную прочность.

На основании новейших достижений в электротермии и совместных разработок ВНИИЖТ и НИИ АЭМ (г Томск) было разработано и изготовлено индукционное оборудование нового поколения типа УИН-001-100/РТ для термической обработки сварных стыков рельсов, отвечающее требованиям ресурсосберегающей политики ОАО «РЖД». При разработке оборудования была реализована технология упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом. Номинальная выходная электрическая мощность данного оборудования в 1,5-2 раза меньше, чем у серийного. Охлаждение силовых узлов нового оборудования воздушное, что значительно упрощает его промышленное применение и увеличивает его надежность.

Исследование металлографических показателей сварных термообра-ботанных рельсов выявило, что в области головки термически обработанного сварного стыка ширина зоны термического влияния индукционного нагрева в одну сторону составляет около 55 мм, в области шейки - около 75-80 мм, в области подошвы - около 65 мм. Микроструктура металла сварного шва в головке в упрочненном слое сварного рельса после термообработки на индукционных установках УИН-001-100/РТ и ИТТЗ-250/2,4 идентична и представляет собой мелкозернистый сорбит отпуска с тонкой сеткой феррита вокруг зерен. Микротвердость в упрочненной зоне составляет Н50 = 3200-3450 МПа. Данная структура характерна для упрочненной рельсовой стали. Микроструктура металла шейки и подошвы стыка представляет собой сорбито-образный перлит с разрозненной сеткой феррита. Микротвердость в этой области равна Н50 = 2600-2800 МПа, что характерно для неупрочненной рельсовой стали.

Анализ механических свойств металла сварных термообработанных рельсов показал их незначительное отличие при использовании различных типов индукционных установок и различных упрочняющих сред при, безусловно, правильном проведении режима термической обработки.

Так как показатели конструкционной прочности сварных стыков рельсов имеют важное значение для эксплуатационной надежности и долговечности сварных рельсов, в четвертой главе приведены соответствующие

исследования комплексного влияния пульсирующего оплавления и упрочнения сжатым воздухом с индукционного нагрева токами высокой частоты (815 кГц) на статическую, динамическую и усталостную прочность полнопрофильных рельсовых проб. Испытания на статическую прочность показали, что термическая обработка на индукционных установках приводит к значительному увеличению пластичности сварных рельсов. Рельсы, упрочненные сжатым воздухом характеризуются несколько большим значением стрелы прогиба (в сравнении со стыками, упрочненными воздушно-водяной смесью), что говорит о более высоких пластических свойствах стыка.

На рис. 2 представлены результаты сравнительных испытаний на усталостную прочность рельсовых проб после сварки и термообработки

Ртах,^_1*6=0,1

700

600

900 400

ш о.г о.б и-гл н-кГ

Рис. 2 Циклическая прочность рельсов.

1 - объемно закаленные рельсы не подвергавшиеся сварке;

2 - сварные рельсы после контактной сварки оплавлением;

3 - сварные рельсы после пульсирующего оплавления и индукционной термической обработки с использованием установки УИН-001-100/РТ.

Испытания проводились по схеме, предусмотренной для новых объемно закаленных рельсов, при расстоянии между опорами 1 м и коэффициенте ассиметрии цикла Испытания проводили с растяжением головки Анализ результатов испытаний показывает, что долговечность в области ограниченной выносливости и предел выносливости у сварных стыков без термообработки ниже, чем у не сварных серийных и термообработанных сварных, что объясняется более высокой статической прочностью последних

и неоднородностью структуры металла по продольному сечению и размером зерна у первых. Предел выносливости сварных термообработанных рельсов по сравнению с серийными объемно закаленными несварными рельсами выше, что, по-видимому объясняется более благоприятной эпюрой распределения остаточных напряжений. В головке сварного термообработанного стыка имеются значительные остаточные напряжения сжатия, тогда как у не сварных рельсов может наблюдаться противоположная картина.

Исследование динамической прочности (хрупкой прочности) при -60°С полнопрофильных образцов рельсов показало, что работа разрушения сварных рельсов после индукционной термической обработки на установке УИН-001-100/РТ с применением упрочнения сжатым воздухом увеличивается в 2,5-3 раза по сравнению с аналогичным параметром сварных стыков, но остается меньше работы разрушения у объемно закаленных рельсов в 1,5-2 раза. Увеличение хрупкой прочности сварных стыков рельсов после объемной термической обработки с упрочнением сжатым воздухом связано с наличием в зоне сварки однородной мелкозернистой структуры с высокой вязкостью и пластичностью.

В пятой главе представлены результаты промышленного внедрения разработанных и исследованных в работе технологий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ природы дефектов возникающих в сварных стыках рельсов в эксплуатации показал, что основными причинами изломов рельсов в пути являются дефекты сварочного характера и дефекты после сварочной обработки металла сварных стыков, из-за несовершенства применяемых технологий.

2. Установлено, что серийная технология сварки рельсов с применением непрерывного оплавления в ряде случаев не обеспечивает постоянное качество металла сварного стыка рельсов из сталей марок Э76Ф, Э76Т и Э76, характеризующихся пониженным содержанием примесей серы, фосфора и алюминия и повышенным содержанием примесей цветных металлов. Исследование металла в области сварочных дефектов выявило наличие неметалли-

ческих включений преимущественно алюмино-кальциевых и титано-кремниево-марганцовистых приводящих к образованию трещин в эксплуатации.

3. Установлено, что закалка головок сварных стыков рельсов при проведении операции термообработки с использованием в качестве закалочной среды воздушно-водяной смеси в ряде случаев приводит к образованию в металле неблагоприятных закалочных структур. В этих областях в эксплуатации возникают дефекты контактно усталостного характера (выкрашивания), приводящие к развитию усталостных трещин в металле шва и последующему его излому.

4. Проведенными исследованиями установлено, что использование метода пульсирующего оплавления при контактной сварке рельсов снижает вероятность образования дефектов сварочного характера. Сравнительный макроанализ состояния поверхности металла торцов рельсов перед осадкой при пульсирующем и непрерывном оплавлениях показал, что торец рельса имеет более однородную структуру без наличия глубоких (1-2 мм) кратеров в случае применения пульсирующего оплавления. Уменьшение величины кратеров (в 1,5-2 раза) приводит к снижению вероятности кристаллизации расплава между кратерами с образованием дефектов и к равномерному распределению расплава металла по торцам перед осадкой/

5. Исследование температурного воздействия пульсирующего оплавления на макро- и микроструктуру сварного стыка показало, что в случае применения для сварки рельсов последнего ширина зоны термического влияния снижается примерно на 40 - 50 % по сравнению с аналогичным показателем при непрерывном оплавлении. Микроструктура металла сварных рельсов при разных оплавлениях не имеет отличий.

6. Исследование конструкционной прочности сварных рельсов после непрерывного и пульсирующего оплавлений показали у последних увеличение на 10-15% показателей прочности и пластичности при статических испытаниях на изгиб.

7. Проведен анализ технологий термической обработки рельсов за рубежом и выявлено, что предпочтение отдается технологии двустороннего упрочнения сжатым воздухом. Применение в качестве закалочной среды сжатого воздуха устраняет вероятность появления неблагоприятных закалочных структур в металле рельса. Двухстороннее упрочнение позволяет получить изделие с высокими эксплуатационными показателями.

8. Предложена методика расчета требуемой скорости истечения сжатого воздуха в зависимости от параметров воздушной системы и конструкции закалочного устройства, и выполнена расчетная оценка возможности получения упрочненного слоя металла в головке сварного стыка рельсов при его упрочнении сжатым воздухом при скоростях его подачи на упрочняемую область не ниже 80 м/с.

9. Проведена экспериментальная оценка влияния скоростей истечения сжатого воздуха на упрочняемую поверхность, давления воздуха и продолжительности поддержания постоянного давления и скорости на глубину упрочняемого слоя металла сварного стыка рельса. Выявлено, что для обеспечения глубины упрочненного слоя металла головки сварного стыка рельсов равной 10-12 мм с твердостью не ниже 320 НУ требуется обеспечения подачи сжатого воздуха на упрочняемую поверхность со скоростью не ниже 200 м/с.

10. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование необходимости применения двустороннего упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом. Показано, что при применении данной технологии в головке и подошве сварного стыка рельсов образуется эпюра сжимающих напряжений, что наилучшим образом отвечает нагруженности стыка в эксплуатации.

11. Проведено исследование комплекса механических свойств и металлографии сварных стыков рельсов после пульсирующего оплавления и индукционной термической обработки с упрочнением сжатым воздухом. Применение сварки рельсов пульсирующим оплавлением с последующей индукционной термической обработкой с упрочнением сжатым воздухом

увеличивает показатели статической прочности низкотемпературной хрупкости (-60°С) при их испытаниях по сравнению с аналогичными показателями сварных стыков рельсов после непрерывного оплавления и упрочнения воздушно-водяной смесью с индукционного нагрева. В работе показано, что применение индукционной термической обработки сварных стыков рельсов с упрочнением сжатым воздухом повышает усталостную прочность сварного стыка рельсов в области перехода зоны термического влияния к основному металлу до уровня усталостной прочности основного металла.

12. В работе применен комплексный подход к решению вопроса снижения количества дефектов в сварных стыках рельсов. На основании результатов работы создано новое поколение ресурсосберегающего оборудования для сварки рельсов и для их термической обработки.

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Николин А.И., Борц А.И. Методы повышения циклической прочности и износостойкости сварных рельсов и снижения энергозатрат на их термическую обработку // Развитие железнодорожного транспорта в условиях реформ: Сб. научн. тр. / Под ред. В.И. Панферова, Г.В. Гогричиани. - М.: Ин-текст, 2003.-С. 225-231.

2. Федин В.М., Борц А.И. Николин А.И., Земан С.К. и др. Ресурсосберегающие технологии термической обработки на предприятиях железнодорожной отрасли // Вестник ВНИИЖТ. - 2003. - № 4. - С. 24-29.

3. Гудков А.В., Сарычев А.В., Николин А.И., Турбина А.Л. и др. Внедрение способа пульсирующего оплавления при сварке рельсов // Вестник ВНИИЖТ. - 2003. - № 5. - С. 23-26.

4. Николин А.И. Разработка мер по снижению брака в сварных стыках рельсов // Вопросы развития железнодорожного транспорта: Сб. научн. тр. / Под ред. А.Б. Косарева, Г.В. Гогричиани. - М.: Интекст, 2004. - С. 83-91.

Подписано к печати 2.08.2004 г.

Формат бумаги 60x90.1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ 114 Тираж 100 экз.

Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул., д. 10

115222.

Введение.

1. Анализ повреждаемости сварных стыков рельсов в процессе эксплуатации и разработка направлений повышения их эксплуатационной стойкости.

1.1 Особенности эксплуатации сварных рельсов.

1.2 Дефекты, возникающие в сварных стыках рельсов в процессе эксплуатации.

1.3 Анализ причин возникновения дефектов в сварных стыках рельсов и необходимые меры по снижению их количества.

1.3.1 Анализ причин возникновения дефектов в стыках рельсов.

1.3.2 Сварка рельсов пульсирующим оплавлением как мера по снижению количества дефектов сварочного характера.

1.3.3 Предпосылки применения в качестве закалочной среды при упрочнении сварного стыка рельсов сжатого воздуха.

1.3.4 Обоснование создания дифференцированного уровня свойств по сечению сварного стыка рельсов.

1.3.5 Предпосылки разработки ресурсосберегающего оборудования для термической обработки сварных стыков рельсов в стационарных и путевых условиях.

1.4 Выводы.

2. Материалы и методика исследования.

2.1 Исследуемые марки стали.

2.2 Определение химического состава сталей.

2.3 Исследование макро- и микроструктуры.

2.4 Исследование твердости.

2.5 Определение механических свойств и ударной вязкости.

2.6 Расчетная методика определения прокаливаемости сталей исследуемых марок.

2.7 Определение температурных полей в металле рельса после контактной сварки непрерывным оплавлением, пульсирующим оплавлением, индукционного нагрева и воздушного упрочняющего охлаждения.

2.8 Испытания на статическую прочность.

2.9 Испытания на циклическую прочность.

2.10 Испытания на хрупкую прочность (динамическую прочность).

2.11 Определение внутренних остаточных напряжений.

2.12 Статистическая обработка экспериментальных данных.

3. Разработка технологических основ упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом после пульсирующего оплавления, оценка механических свойств и металлографические исследования.

3.1 Исследование условий эффективного упрочнения сварных стыков рельсов в потоке сжатого воздуха.

3.1.1 Оценка распределения скоростей охлаждения сжатым воздухом металла сварного стыка рельсов расчетным методом.

3.1.2 Исследование условий эффективного упрочнения металла головок сварных стыков рельсов сжатым воздухом.

3.1.3 Исследование макро- и микроструктуры упрочненного слоя и определение его механических свойств.

3.1.4 Исследование условий двустороннего упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом.

3.1.5 Исследование напряженного состояния сварного стыка после двустороннего упрочнения и определение механических свойств металла головки шейки и подошвы.

3.2 Исследование влияния пульсирующего оплавления при контактной сварке рельсов на качественные показатели металла сварных стыков рельсов.

3.2.1 Исследование температурного воздействия контактной сварки пульсирующим оплавлением на макро- и микроструктуру сварного стыка рельсов.

3.2.2 Исследование механических свойств и ударной вязкости металла сварных стыков рельсов после пульсирующего оплавления.

3.3 Выводы.

4. Разработка энергосберегающего оборудования для термической обработки сварных стыков рельсов и исследование влияния нагрева токами высокой частоты и последующего упрочнения сжатым воздухом на комплекс металлографических и механических свойств металла сварных рельсов после пульсирующего оплавления.

4.1 Разработка индукционного оборудования для дифференцированной термической обработки сварных стыков рельсов с упрочнением сжатым воздухом.

4.2 Исследование механических свойств, макро- и микроструктуры металла сварных стыков рельсов после пульсирующего оплавления и упрочнения сжатым воздухом с индукционного нагрева токами высокой частоты.

4.3 Исследование конструкционной прочности сварных стыков рельсов после пульсирующего оплавления и закалки сжатым воздухом с индукционного нагрева с помощью установки УИН-001-100/РТ.

4.3.1 Исследование статической прочности.

4.3.2 Исследование усталостной прочности.

4.3.3 Исследование хрупкой прочности.

4.4 Выводы.

5. Работы по промышленному внедрению пульсирующего оплавления и упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с тепла сварочного нагрева и нагрева токами высокой частоты.

5.1 Внедрение технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с тепла сварочного нагрева.

5.2 Внедрение технологии сварки рельсов пульсирующим оплавлением в технологических линиях рельсосварочных предприятий на сети железных дорог.

5.3 Опытное использование и внедрение в промышленную эксплуатацию технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева на установке УИН-001 -100/РТ.

5.4 Выводы.

В техническом комплексе путевого хозяйства бесстыковой путь представляет собой сложнонапряженную дорогостоящую конструкцию, на содержание и эксплуатацию которой затрачиваются большие экономические, технические и человеческие ресурсы [1, 2]. Повышение эффективности эксплуатации бесстыкового пути является одним из важных факторов, лежащих в основе нормального функционирования сети железных дорог Российской Федерации.

Неотъемлемой составляющей бесстыкового пути являются рельсы и их сварные стыки. К качеству рельсовой стали предъявляются высокие требования особенно в современных условиях неукоснительного роста грузонапряженности железных дорог, скорости движения и нагрузок на ось [3, 4]. К сварным стыкам рельсов предъявляются не менее жесткие требования [5]. Выход из строя сварного стыка рельсов ведет к большим экономическим затратам.

Общий срок службы бесстыкового пути непосредственно зависит от долговечности элементов его конструкции, из которых одними из наиболее ответственных являются сварные стыки рельсов.

Анализ повреждаемости сварных стыков рельсов показал, что головка сварного рельса является областью с самой большой вероятностью зарождения и развития дефекта. В этой области дефекты появляются после прохождения 100-250 млн. т. брутто при норме около 700 млн. т. брутто (среднестатистические данные для качественных стыков). В шейке и подошве сварного рельса дефекты проявляются на более ранних стадиях — после прохождения 50 - 100 млн. т. брутто.

Количество остродефектных сварных стыков рельсов, обнаруживаемых в эксплуатации средствами дефектоскопии, с каждым годом увеличивается. Так же ежегодно увеличивается количество изломов рельсов в области сварных стыков по дефектам сварки.

Ярко выраженный рост количества изломов по дефектам сварки наблюдается в последние годы при использовании на сети железных дорог для изготовления бесстыкового пути рельсов из новых марок сталей Э76, Э76Ф и Э76Т, отличающихся меньшим содержанием вредных примесей серы, фосфора и алюминия и наличием примесей меди и других цветных металлов.

Исследование комплекса прочностных и эксплуатационных свойств сварных стыков рельсов из новых марок сталей показало, что применяемая в настоящее время технология сварки непрерывным оплавлением рельсов в большинстве случаев не обеспечивает необходимого уровня конструкционной прочности и приводит к образованию в металле сварного стыка дефектов сварочного характера. Это приводит к уменьшению срока службы сварного рельса, и соответствующим затратам на ремонт. Только в 2002 г. МПС России затратило около 1 млрд. руб. на замену дефектных сварных стыков рельсов в путевых условиях.

Еще одной причиной возникновения дефектов в области сварных стыков рельсов является применение упрочнения их головок воздушно-водяной смесью. Данная технология является ненадежной, по причине частого засорения форсунок закалочных устройств, что приводит к образованию в металле головки сварного стыка рельсов неблагоприятных закалочных структур со свойствами отличными от свойств основного металла рельса. Такая структурная неоднородность по поверхности катания сварного рельса бесстыкового пути приводит к выкрашиванию этих областей металла.

Кроме того, анализ напряженного состояния сварного стыка рельсов после серийной технологии термической обработки показал, что распределение остаточных напряжений в головке шейке и подошве сварного рельса не отвечает условиям эксплуатационной нагруженности сварной конструкции, что так же приводит к снижению срока службы сварных рельсов по сравнению с не сварными.

В настоящее время МПС России и ОАО «РЖД» ведется политика энерго- и ресурсосбережения на железнодорожном транспорте. Оборудование для термической обработки сварных стыков рельсов с упрочнением воздушно-водяной смесью не отвечает требованиям этой политики. Силовая электрическая база данного оборудования собрана на деталях, приводящих к потерям полезной мощности и снижению КПД оборудования в целом. В итоге промышленные предприятия железнодорожного транспорта, занимающиеся производством сварных рельсов, вынуждены затрачивать большое количество электроэнергии при работе на данном оборудовании для компенсации потерь или не применять его. Этот факт также отрицательно сказывается на сроке службы сварного стыка рельсов, так как предел усталостной прочности сварного термообработанного стыка на 40 % выше предела прочности сварного стыка, не подвергавшегося термической обработке.

В связи с представленным выше целью данной работы является повышение срока службы сварных рельсов и их эксплуатационной надежности за счет снижения вероятности образования дефектов сварочного характера, увеличения конструкционной прочности сварных стыков рельсов из новых марок сталей и устранения вероятности образования дефектов при термической обработке сварных стыков рельсов.

Наиболее эффективным решением вопроса повышения конструкционной прочности сварных рельсов новых марок сталей и снижения вероятности образования дефектов сварочного характера является использование контактной стыковой сварки пульсирующим оплавлением, разработанной в ИЭС им. Е.О. Патона. Предварительные исследования теплового влияния пульсирующего оплавления на комплекс механических свойств и металлографических характеристик сварных стыков рельсов сталей М76 и зарубежный опыт сварки экономнолегированных рельсов показал правильность выбранного направления.

Для решения проблемы повышения эксплуатационной стойкости сварных стыков рельсов за счет применения термической обработки эффективным вариантом является создание дифференцированного уровня свойств по поперечному сечению металла сварного рельса при двустороннем упрочнении сжатым воздухом с индукционного нагрева для обеспечения напряженного состояния, наилучшим образом отвечающего нагруженности стыка в эксплуатации. Применение в качестве закалочной среды сжатого воздуха позволит избежать образования неблагоприятных закалочных структур в металле сварного стыка.

Мировой опыт закалочного охлаждения рельсов и остряков стрелочных переводов подтверждает правильность выбранного направления при принятии технического решения по упрочнению сварных рельсов сжатым воздухом и созданию дифференцированного уровня свойств в металле сварного стыка двухсторонней закалкой.

Мировые тенденции повышения КПД индукционного оборудования и снижения энергозатрат на термическую обработку предопределили пути решение вопроса о разработке нового типа установки для термической обработки сварных стыков рельсов с реализованной возможностью их двустороннего упрочнения с использованием сжатого воздуха. Данные направления улучшения технологии термической обработки сварных стыков рельсов получили одобрение Департамента пути и сооружений министерства путей сообщения и изложены в техническом задании «На создание оборудования для термической обработки стыков рельсов после сварки», отвечающее требованиям ресурсосбережения (см. Приложение 1).

В настоящей работе решаются следующие задачи:

1. Исследование причин образования дефектов в сварных стыках рельсов при выполнении сварки, термической и механической обработок с использованием серийных технологий.

2. Сравнительное исследование теплового воздействия пульсирующего и непрерывного оплавлений при контактной сварке рельсов новых сталей Э76Ф и Э76Т на комплекс механических свойств, ударной вязкости и металлографических характеристик сварных стыков и их конструкционной прочности.

3. Проведена расчетная оценка распределения твердости металла по сечению сварного стыка рельсов при упрочнении сжатым воздухом с объемного индукционного нагрева в зависимости от условий закалочного охлаждения и геометрических характеристик упрочняемой конструкции.

4. Обоснование создания дифференцированного уровня свойств по сечению сварного стыка рельсов двухсторонним упрочнением сжатым воздухом с индукционного нагрева с обеспечением напряженного состояния сварного рельса наилучшим образом отвечающего нагруженности сварной конструкции в эксплуатации

5. Исследование влияния упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом на физико-механические свойства металла образцов сварных стыков.

6. Разработка индукционного оборудования для термической обработки сварных стыков рельсов, отвечающего требованиям ресурсосберегающей политики МПС РФ и ОАО «РЖД».

7. Разработка технологии упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом с индукционного нагрева на новом ресурсосберегающем оборудовании для реализации этого процесса в производственных условиях рельсосварочных предприятий.

8. Разработка нормативной документации на сварку рельсов пульсирующим оплавлением и термическую обработку сварных стыков рельсов на новом оборудовании с упрочнением стыков сжатым воздухом.

Научная новизна выполненных решений характеризуется следующими положениями:

1. Дано обоснование температурного влияния метода пульсирующего оплавления при контактной сварке рельсов из электростали на конструкционную прочность, механические характеристики и металлографические показатели металла сварного стыка.

2. Разработана методика расчетной оценки прокаливаемости сварного стыка рельсов по сечению изделия при закалочном упрочнении с учетом его геометрических характеристик и условий самого охлаждения.

3. Впервые в отечественной промышленности разработаны основы технологии упрочнения металла головок сварных стыков рельсов в потоке сжатого воздуха.

4. Разработаны научные основы двухстороннего термического упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и основные требования к технологическому процессу и оборудованию.

5. Дано научное обоснование создания дифференцированного уровня прочностных свойств и напряженного состояния сварного стыка рельсов после двустороннего упрочнения сжатым воздухом.

В отечественной промышленности ранее не применялся метод двустороннего упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и не изучалось тепловое воздействие пульсирующего оплавления на физико-механические свойства рельсовых сталей марок Э76Ф и Э76Т.

В диссертационной работе предлагается комплексное решение вопросов снижения дефектов в сварных стыках рельсов и повышения эксплуатационной надежности сварных рельсов.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 131 источника и изложена на 190 листах текста, содержит 67 рисунков и 25 таблиц. К диссертационной работе отдельным изданием дан сборник приложений по результатам работы, состоящий из 29 приложений и изложенный на 216 листах.

Общие выводы

1. Проведенный анализ природы дефектов возникающих в сварных стыках рельсов в эксплуатации показал, что основными причинами изломов рельсов в пути являются дефекты сварочного характера и дефекты после сварочной обработки металла сварных стыков из-за несовершенства применяемых технологий.

2. Установлено, что серийная технология сварки рельсов с применением непрерывного оплавления в ряде случаев не обеспечивает постоянное качество металла сварного стыка рельсов из сталей марок Э76Ф, Э76Т и Э76, характеризующихся пониженным содержанием примесей серы, фосфора и алюминия и повышенным содержанием примесей цветных металлов. Исследование металла в области сварочных дефектов выявило наличие неметаллических включений, преимущественно титано-кремниево-марганцовистых, приводящих к образованию трещин в эксплуатации. Появление в нем дефектов обусловлено неполным выравниванием кратеров, образовавшихся на концах изделия при оплавлении. Газ и окисленный жидкий металл, находящиеся в кратерах, образуют при кристаллизации дефекты. Неполное выдавливание из стыка жидкого металла при осадке является причиной образования скоплений неметаллических включений, ориентированных по оси стыка.

3. Установлено, что закалка головок сварных стыков рельсов при проведении операции термообработки с использованием в качестве закалочной среды воздушно-водяной смеси в ряде случаев приводит к образованию в металле неблагоприятных закалочных структур. В этих областях в эксплуатации возникают дефекты контактно усталостного характера (выкрашивания), приводящие к развитию усталостных трещин в металле шва и последующему его излому.

4. Проведенными исследованиями установлено, что использование метода пульсирующего оплавления при контактной сварке рельсов снижает вероятность образования дефектов сварочного характера. Сравнительный макроанализ состояния поверхности металла торцов рельсов перед осадкой при пульсирующем и непрерывном оплавлениях показал, что торец рельса имеет более однородную структуру без наличия глубоких (1-2 мм) кратеров в случае применения пульсирующего оплавления. При сварке рельсов непрерывным оплавлением на поверхности торца по всему сечению наблюдаются кратеры глубиной до 2 мм увеличивающие вероятность образования дефектов сварочного характера. Уменьшение величины кратеров приводит к снижению вероятности кристаллизации расплава между кратерами с образованием дефектов к равномерному распределению расплава металла по торцам перед осадкой.

5. Исследование температурного воздействия пульсирующего оплавления на макро- и микроструктуру сварного стыка показало, что в случае применения для сварки рельсов последнего ширина зоны термического влияния снижается примерно на 40 - 50 % по сравнению с аналогичным показателем при непрерывном оплавлении. Положительное влияние на качество сварного стыка оказывает снижение ширины зоны неполного расплавления при пульсирующем оплавлении, так как в этой зоне возможны легкоплавкие скопления и окислы, приводящие к образованию дефектов сварочного характера. Микроструктура металла сварных рельсов при разных оплавлениях не имеет отличий.

6. Исследование конструкционной прочности сварных рельсов после непрерывного и пульсирующего оплавлений показали у последних увеличение на 10-15% показателей прочности и пластичности при статических испытаниях на изгиб.

Проведен анализ технологий термической обработки рельсов за рубежом и выявлено, что предпочтение отдается технологии двустороннего упрочнения сжатым воздухом. Применение в качестве закалочной среды сжатого воздуха устраняет вероятность появления неблагоприятных закалочных структур в металле рельса. Двухстороннее упрочнение позволяет получить изделие с высокими эксплуатационными показателями.

Выполнена расчетная оценка возможности получения упрочненного слоя металла в головке сварного стыка рельсов при его упрочнении сжатым воздухом при скоростях его подачи на упрочняемую область не ниже 80 м/с.

Проведена экспериментальная оценка влияния скоростей истечения сжатого воздуха на упрочняемую поверхность, давления воздуха и продолжительности поддержания постоянного давления и скорости на глубину упрочняемого слоя металла сварного стыка рельса. Выявлено, что для обеспечения глубины упрочненного слоя металла головки сварного стыка рельсов равной 10-12 мм с твердостью не ниже 320 НУ требуется обеспечения подачи сжатого воздуха на упрочняемую поверхность со скоростью не ниже 200 м/с. Предложена методика расчета требуемой скорости истечения сжатого воздуха в зависимости от параметров воздушной системы и конструкции закалочного устройства.

Дано теоретическое и экспериментальное обоснование необходимости применения двустороннего упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом. Показано, что при применении данной технологии в головке и подошве сварного стыка рельсов образуется эпюра сжимающих напряжений, что наилучшим образом отвечает нагру-женности стыка в эксплуатации.

На основании результатов исследования упрочнения сварных стыков рельсов сжатым воздухом и на основании проведения МПС России и ОАО «РЖД» разработано и внедрено в технологических линиях РСП индукционная установка для термической обработки сварных стыков рельсов.

Автором работы проведено исследование комплекса механических свойств и металлографии сварных стыков рельсов после пульсирующего оплавления и индукционной термической обработки с упрочнением сжатым воздухом. Применение сварки рельсов пульсирующим оплавлением с последующей индукционной термической обработкой с упрочнением сжатым воздухом увеличивает показатели статической прочности низкотемпературной хрупкости (-60°С) при их испытаниях по сравнению с аналогичными показателями сварных стыков рельсов после непрерывного оплавления и упрочнения воздушно-водяной смесью с индукционного нагрева. В работе показано, что применение индукционной термической обработки сварных стыков рельсов с упрочнением сжатым воздухом повышает усталостную прочность сварного стыка рельсов в области перехода зоны термического влияния к основному металлу до уровня усталостной прочности основного металла.

В работе применен комплексный подход к решению вопроса снижения количества дефектов в сварных стыках рельсов. На основании результатов работы создано новое поколение ресурсосберегающего оборудования для сварки рельсов и для их термической обработки.

1. Стенд бесстыкового пути./ Н.П. Виногоров, В.А. Крапивный.// Путь и путевое хозяйство, 2002, № 10 С. 32-34

2. Альбрехт В.Г., Виногоров Н.П., Зверев Н.Б. и др. Бесстыковой путь. // М. Транспорт. 2000. 408 с.

3. Золотарский А.Ф., Раузин Я.Р., Шур Е.А., Великанов A.B. и др. Термически упрочненные рельсы.// М. Транспорт. 1976. 263 с.

4. Служба объемно закаленных углеродистых рельсов/ Михалев М.С. Литвинов В.Я. // Вестник ВНИИЖТ, 1968, № 4. с.40-43.

5. Генкин И.З. Сварные рельсы и стрелочные переводы.// М. Интекст. 2003 93 с.

6. ТУ 0921-057-01124328-98. Рельсы железнодорожные новые сварные. Технические условия. // М. Транспорт 1999 20с.

7. ЦПТ-80/350. Рельсы железнодорожные старогодные. Технические условия на ремонт, сварку и использование старогодных рельсов. //ВНИИЖТ 2003 43с.

8. Каталог дефектов рельсов, сваренных контактной и термитной сваркой с возможными причинами их возникновения // ВНИИЖТ 2001. 25с.

9. Классификация дефектов рельсов. Каталог дефектов рельсов. Признаки дефектных и остро дефектных рельсов // НТД/ЦП-1,2,3-93. М. Транспорт 1993. - 63с.

10. Типовой технологический процесс изготовления и ремонта сварных рельсов в рельсосварочных предприятиях. // ВНИИЖТ 2000. 27с11. «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия.» // ГОСТ Р 51685-2000 М. Госстандарт России 2000. - 23с.

11. Сварка рельсов в стационарных и полевых условиях./ И.З. Генкин, A.M. Лебедев, Н.К. Хрящева, В.Б. Шляпин.// Путь и путевое хозяйство, 1970, № 2. с.40-42.

12. Сварка в машиностроении. Справочник. Под редакцией А.И. Акулова т.1 // М. Машиностроение, 1978, 462 с.

13. Сварка рельсов с применением компьютерной техники./ А.И. Андреев, М.В. Богорский, С.В. Булгаков, И.З. Генкин и др.// Путь и путевое хозяйство, 2001, № 4 с. 21-25.

14. Жарков А.Ф., Паус JI.C. Разработка способа и оборудования для механизированного удаления грата в сварных рельсовых стыках.// Труды ВНИИЖТ, 1977, вып. 556,- с. 136-141.

15. Генкин И.З. Повышение прочности и эксплуатационной стойкости сварных рельсов.// Труды ВНИИЖТ, 1977, вып. 556.- с. 5-79.

16. Сварные рельсы и стрелочные переводы./ И.З. Генкин //Путь и путевое хозяйство, 2000, № 10 с. 26-29.

17. Сварные рельсы и стрелочные переводы./ И.З. Генкин //Путь и путевое хозяйство, 2000, № 11 с. 12-17.

18. Солдатов Г. Б. Структура и стойкость сварных рельсовых стыков: Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.16.01. -Ростов-на-Дону, 1978 164 с.

19. Технические решения по повышению качества рельсов, апробированные на Экспериментальном кольце. / Е. А. Шур// Вестник ВНИИЖТ, 2002, № 4. с 32-35

20. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка оплавлением. II Киев, Наукова Думка, 1992. 236 с.

21. Образование светлой полоски при стыковой сварке оплавлением горячих заготовок. / Г.З. Ковальчук, В.П. Гречко, A.M. Ефремов и др. // Сварочное производство. 1979. - № 2 - с. 7 - 9.

22. Formation Mechanism of White Line in Butt Welded Joints by Resistance Heating / T. Toshihiro, Sh. Takajoshi, S. Seiji // Techn. Res. Rawasaki. Nippon Kokan К. K. 1986. - 11 p.

23. Toshihiro T. The Formation Mechanism of White Line in Welded Joints of ERW Steel Pipes // Iron and Steel Just. Jap. 1984. - V.70. -N 10. -P. 1467- 1473.

24. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.// М. -Машиностроение 1990 - 528 с.

25. Новиков И.И. Теория термической обработки. // М. — Металлургия. -1978-392 с.

26. Солдатов Г.Б. Эксплуатационная стойкость сварных рельсовых стыков. // Сборник Применение новых материалов в сельскохозяйственном машиностроении. Ростов-на-Дону. - РИСХМ. - 1977. - 134с.

27. Образование соединений при ударной сварке в вакууме./ В.Т. Шевчук, Г.К. Харченко, Э.С. Каракозов. // Автоматическая сварка. 1971 - №12 -с. 31-35.

28. Павличенко B.C. Контактная сварка изделий замкнутой формы. // М. -Машиностроение. 1964. - 114 с.

29. Кочергин К. А. Контактная сварка. // Л. Машиностроение. - 1987 -208с.

30. Исследование неоднородности сварных соединений, выполненных стыковой контактной сваркой оплавлением. / A.B. Пуйко, A.B. Зуборев, И.П. Блинкова и др. // Вопросы сварочного производства. Челябинск. - 1983 -с. 84-87.

31. Влияние некоторых дефектов на прочность сварных соединений, выполненных контактной сваркой. /В.И. Труфяков, В.Г. Мазур, Г.В.Жемчужников и др. //Автоматическая сварка. 1987. - № 2. - с.7-9.

32. Потапов H.H. Окисление металлов при сварке плавлением. // М. Машиностроение. 1985. - 216 с.

33. Образование «матовых пятен» в соединении, выполненном контактной сваркой. / С.И. Кучук-Яценко, Б.И. Казымов, В.Ф. Загадарчук и др. // Автоматическая сварка. 1984. - № 11 - с. 23-26.

34. Генкин И.З. Исследования, опыт сварки и эксплуатации объемно и поверхностно закаленных рельсов. / В сб. : Технология производства железнодорожных рельсов. Харьков. - Тип. УкрНИИМета МЧМ. -1973.-с. 132-136.

35. Первый опыт сварки закаленных рельсов. / И.З. Генкин // Путь и путевое хозяйство. 1963. - № 6. - с. 11-12.

36. Генкин И.З. Повышение эксплуатационной стойкости сварных рельсов. / В сб. : Некоторые проблемы механизации работ и надежности устройств метрополитенов. М. - Транспорт. - 1978. - с. 94-103.

37. Генкин И.З. Сварка термически обработанных рельсов из углеродистой стали. // Труды ВНИИЖТ. 1966. - Вып. 314. - с. 229-239.

38. Генкин И.З. Электроконтактная сварка рельсов. // Технический справочник железнодорожника. Путь и путевое хозяйство. Т 5 М. -Трансжелдориздат. - 1951.-е. 378-390.

39. Доценко В.Е. Контактная сварка рельсов. // М. Машгиз. - 1949. -312с.

40. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением. // М. Машиностроение. -1973.-448 с.

41. Особенности нагрева и взрыва элементарных контактов при непрерывном оплавлении. / С.И. Кучук-Яценко, Д.М. Клевский // Автоматическая сварка. 1970. - № 9. - с. 10-13.

42. Кучук-Яценко С.И., Лебедев В.К. Контактная стыковая сварка непрерывным оплавлением. // Киев. Наукова Думка. - 1976. - 216с.

43. Кучук-Яценко С.И., Сахарнов В.А., Галям Б.А., Гишура В.И. Оборудование для контактной сварки рельсов и его эксплуатация. // Киев. Наукова Думка. - 1974. - 184с.

44. Процесс непрерывного оплавления при контактной сварке. / С.И. Кучук-Яценко, Н.К. Хрящева, В.Б. Шляпин, С.А. Солодовников. // Путь и путевое хозяйство. 1973. - № 2. - с. 9-10.

45. Хрящева H.K. Интенсификация процесса нагрева металла при оплавлении как средство повышения производительности контактных рельсосварочных машин. // Труды ВНИИЖТ. вып. 556- М. Транспорт. 1977. -. - с.79-103.

46. Хрящева Н.К. Контактная сварка легированных рельсов. //Труды ВНИИЖТ. вып. 260 М. - Трансжелдориздат. - 1963. - с. 82-101.

47. Сварка рельсов импульсным оплавлением. / С.И. Кучук-яценко, В.Б. Шляпин, Н.К. Хрящева, С.А. Солодовников. // Путь и путевое хозяйство. 1970. - № 6. - с. 21-22.

48. Flash butt welder line has many advanced features. // Railway Track and Structures, 1971, v. 67. №7, p.28-31.

49. Genkin I.Z., Zolotarsky A. B. Strength and Durability Increase of welded Rails and Frogs. Opatija, International institute of welding, 7 p. (Public session of the Annual Assembly Opatija, 1959).

50. UP has modern butt welding complex at Laramie. // Railway Track and Structures, 1973, v. 69, №6, p.30-31.

51. Doc. III 1127 - 98 I. Z. Genkin, S. I. Kuchuk - Yatsenko, V. T. Tcherednichok. Welded Rails. Specifications International Standard Draft fourth edition. Moscow - Kyiv - Hamburg, 1998.

52. Doc. III 1128 - 98 I. Z. Genkin, V. G. Shevchenko, V. I. Chervinsky. Welded Rails with differential thermal hardening of joint for present and future railways. Moscow - St. Ptersburg - Hamburg, 1998.

53. Neukom A. Das Abbrenn Stumpf - Schweißen von Eisenbahnschienen. Schweiz, «Schlatter Bulletin», 1966, Nr. 4, s.1-35.

54. Повышение прочности сварных рельсов из сталей новых марок путем механической и термической обработки стыков. / И.З. Генкин. // Сварочное производство. 1955. - № 5 - с. 5-9.

55. Генкин И.З. Прочно и эффективно. // На стальных магистралях. №193. - М. - Центрнаучфильм. - 1978. - 2с.

56. Генкин И.З. Соколов Е.В. Прочность сварных рельсов и их служба в пути. // Информационное письмо ВНИИЖТ. № 255. - М. -Тренсжелдориздат. - 1953. -40с.

57. Генкин И.З. Сварка термически упрочненных рельсов. // В кн. Термически упрочненные рельсы. М. - Транспорт. - 1976. - с. 194-240

58. Генкин И. 3. Исследование прочности и эксплуатационной стойкости сварных железнодорожных рельсов: Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.22.06 М., 1978. - 307 с.

59. Термическая обработка стыков рельсов на индукционных установках. / И.З. Генкин. // Автоматическая сварка. 2003. - № 9. - с. 41-44.

60. Борц А.И. Остряки стрелочных переводов из новой марки стали и упрочненные двухсторонней закалкой: Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.16.01 М., 2000. - 194 с.

61. Исследование структуры и свойств рельсов, закаленных по всей длине с индукционного нагрева. / Я.Р. Раузин, A.B. Великанов, Ю.В. Гордюк, Е.А. Шур. // Сталь. 1965. - № 12. - с. 1122-1126.

62. Пан A.B. Разработка и освоение новых технологий для текущего и перспективного производства рельсов. Дисс. в виде научного докладана соискание ученой степени докт. техн. наук: 05.16.01 М., 1999. -123 с.

63. Факуда К., Ванада Н. Способ струйного охлаждения рельсов с погружением // Тэцу то хагане. 1987. - т.73. - № 13. - 156 с.

64. Изготовление рельсов с термически упрочненной головкой с прокатного нагрева / материалы фирмы «Voest-Alpine» // Черметинформация. 1988 - вып. 4013, 4091. - 16 с.

65. Binzeisler Н., Schmedders Н., Wick К. Moderne Schienener zeugung bei der «Thyssen Stahl AG» // Thyssen Technische Berichte. №1. - 1988. - S. 147- 159.

66. Rail Engineering International. №3. - P. 25-30.

67. Hoffman G. Oberflachenvergutung von Normalschienen durch inductive mittelfrequenz Erwatmtung // Deutsche Eisenbahntechnik. - 1959. - ig. 7. - №1, S. 37-43.

68. Induction heating keeps BSC Cumbria relies on sensible heat as only energy source // Steel times. 1988. - V. 216. - №5. - P. 255.

69. Perrin J. L. High strength rails with optimized residual stresses // Wheel / rail interface, IHHA Conference Proceedings, Moscow. 1999. - P. 245253.

70. Development of NKK-Low alloy Head Hardened rails / M. Vedia, K. Fukuda, N. Wada e.a. // Nippon Kokan Technical Report overseas, 1987, N/48 P. 49-58.

71. Steel Times. 1988, Vol. 216, №5, p. 416.

72. B. L. Bramfit, J. A. Davis, D. P. Wirick, J. H. Martens. A Synopsis of PST's Advanced In-Line Head Hardening Process after Two Years of Production and In-Service Testing. 39 MWSP Conf. Proc., JSS, vol. XXXV, 1998, pp. 1057-1060.

73. NKK THH Rail (NKK Rail with Ticker Head Hardened Layer). NKK Technical Review, №55, 1989, p. 91-93.

74. Development of Heat Treating / Type High Strength Rail Production System / Tecke Japan / 1987. V. 20 - №10 - p. 35-40.

75. Федин B.M., Борц А.И. Остряки стрелочных переводов : перспективы повышения срока службы. // III Всероссийская научн.-практ. конф. Современные технологии в машиностроении 2000. Сб. материалов. Ч-И - Пенза, 2000. - С. 185-187.

76. Борц А.И., Федин В.М. Двухсторонняя закалка как средство повышения прочностных свойств и улучшения технологии производства остряков стрелочных переводов // 4-е Собрание металловедов России. СБ материалов. Ч II. Пенза, 1998. - С. 48-49.

77. Способ термической обработки остряковых и рамных рельсов и устройство для его осуществления / В.М. Федин, Б.К. Ушаков, A.M. Никитин и др. // Патент РФ № 2135607 1998. - 3 с.

78. Способ закалки рельсов и стрелочных остряков и закалочный стенд для осуществления способа. Авторское свидетельство № 121464 // Бюллетень изобретений. 1959. - № 15. - С. 28-29.

79. Ларкин A.B. Основные направления повышения качества производства стрелочной продукции для железных дорог России : Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 1998. - 194 с.

80. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. // М. Наука. - 1977. - 238 с.

81. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. // М. Машгиз. - 1960. -496с.

82. Башнин Ю. А., Ушаков Б. К., Секей А. Г. Технология термической обработки. -М.: Металлургия, 1986. 424 с.

83. Натапов Б.С. Термическая обработка металлов. // Киев. Высшая школа. - 1980.-288 с.

84. Термическая обработка в машиностроении: Справочник. / Под редакцией Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. // М. Машиностроение. -1980.-784 с.

85. Федин В.М. Объемно-поверхностная закалка деталей подвижного состава и верхнего строения пути. // Москва. Интекст. - 2002. - 208с.

86. Рельсы будущего. / Е.А. Шур, A.B. Пан. // Железнодорожный транспорт. 1998. - № 4 - С. 57-60.

87. Шур Е.А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости рельсов и колес // Научно-практическая конференция Современные проблемы взаимодействия колесо-рельс. 2003. Сб. материалов. - Москва ВНИИЖТ-С. 87-93.

88. Синадский H.A. Исследование влияния холодной правки на прочностные и эксплуатационные свойства сварных рельсов. Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. 05.16.01 ВНИИЖТ, Москва - 1993 - 26с.

89. Влияние холодной правки на качество сварных закаленных рельсов / H.A. Синадский, В.Б Шляпин // В сб. Труды ЦНИИ МПС вып. 556 -1977 С.116-135.

90. Остаточное напряженное состояние сварных объемно закаленных рельсов / H.A. Синадский, В.Б. Шляпин // Вестник ВНИИЖТ. 1970. -№ 8 - С.38-41.

91. Люты В. закалочные среды. Справочник. Челябинск: Металлургия, 1990.-90с.

92. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978.-304 с.

93. Шур Е.А. Конструктивная прочность стали и термическая обработка железнодорожных рельсов. Дисс. на соискание ученой степени докт. техн. наук. 05.16.01 -М. 1979.-475с.

94. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимации: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 318 е., ил.

95. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 247с.

96. Термическая обработка рельсовой стали с использованием индукционного нагрева. / Д.К. Нестеров. В.Е. Сапожков, Н.Ф. Левченко, В.А. Дубров // Металловедение и термическая обработка металлов. 1990г - №8 - с. 30-33.

97. Математическая модель температурного поля рельса и многосопловое устройство для индукционной закалки головки рельсов. / Д.К. Нестеров, В.Е. Сапожков, С.И. Дектярев // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999г. - № 12. - с. 31-35.

98. Авторское свидетельство № 1065121 от 8 сентября 1983г Способ контактной стыковой сварки оплавлением. Кучук-Яценко С.И., Богорский М.В., Кривенко В.Г., Беляев Д.И. Самотрясов С.М.

99. Авторское свидетельство № 1189623 от 8 июля 1983г Способ контактной стыковой сварки оплавлением. Кучук-Яценко С.И., Богорский М.В., Кривенко В.Г., Беляев Д.И. Самотрясов С.М., Низов А.П., Горишняков А.И.

100. Внедрение способа пульсирующего оплавления при сварке рельсов/ Гудков A.B., Сарычев A.B., Николин А.И., Турбина А.Л. и др. // Вестник ВНИИЖТ. 2003. - № 5. - С. 23-26.

101. Николин А.И. Разработка мер по снижению брака в сварных стыках рельсов // Вопросы развития железнодорожного транспорта: Сб. научн. тр. / Под ред. А.Б. Косарева, Г.В. Гогричиани. М.: Интекст, 2004.-С. 83-91.

102. Современные тенденции в технологии индукционной термической обработки в США / Д.Л. Ловеллесс, Р.Л. Кук, В.И. Руднев // Металловедение и термическая обработка металлов. 2001 г - № 6 — с.3-8

103. Бодажков В. А. Объемный индукционный нагрев. Санкт-Петербург «Политехника», 1992.

104. Авторское свидетельство №951627 от 14.04.1982. Устройство для регулирования и стабилизации напряжения. Земан С. К.

105. Авторское свидетельство №1332479 от 7.12.1984.(54). Преобразователь напряжения со звеном повышенной частоты. Кобзев А. В., Земан С. К., Кошевец В. Ф.

106. Бабенко П.Г., Земан С. Вопросы проектирования систем высокочастотного индукционного нагрева. Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.

107. Бабенко П. Г., Земан С. К., Уваров А. Ф. Вопросы проектирования систем высокочастотного индукционного нагрева // Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: Изд. ТПУ, 2001. - Т.1. - 352с.

108. Бабенко П. Г. Вопросы коррекции коэффициента мощности в нагревательных установках индукционного типа // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной научно-технической конференции. Томск: ТПУ, 2001.- 198 с.

109. Владимиров С.Н., Земан С.К. Теоретические основы индукционного способа разъединения деталей, сопряженных термической посадкой. -Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.

110. Земан С. К., Миков А. В., Осипов А. В. Методы и средства регулирования мощности в установках высокочастотного индукционного нагрева. // Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов.-Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2002.

111. Патент № 2193293, РФ, МКИ6 Н05В6/36. Индуктор для нагрева плоских поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 23.11.2000. Бюл. №32.

112. Патент № 2214072, РФ, МКИ6 Н05В6/08. Устройство индукционного нагрева, обеспечивающее заданный температурный профиль. Земан С. К., Бабенко П. Г. Опубл. 10.10.2003. Бюл. №28.

113. Свидетельство на полезную модель № 14334, РФ, MKVP Н05В6/08. Устройство индукционного высокочастотного нагрева деталей. С. К. Земан, (РФ). Опубл. 10.07.2000. Бюл. №19.

114. Свидетельство на полезную модель № 14336, РФ, МКИ3 Н05В6/44. Индуктор для нагрева ободьев железнодорожных колес. С. К. Земан, (РФ). Опубл. 10.07.2000. Бюл. №19.

115. Свидетельство на полезную модель № 15828, РФ, МКИЪ Н05В6/10. Индукционный нагреватель для плоских вытянутых поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 06.05.2000. Бюл. №31.

116. Свидетельство на полезную модель № 24612, РФ, МКИ3 Н05В6/44. Индуктор для нагрева углублений в металлических деталях, например подпятниковых мест надрессорных балок железнодорожных вагонов. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 26.12.2001. Бюл. №22.

117. Свидетельство на полезную модель № 28065, РФ, МКИ3 Н05В6/36. Гайковерт. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 10.03.2003. Бюл. №7.

118. Свидетельство на полезную модель № 15828, РФ, МКИ3 Н05В6/10. Индукционный нагреватель для плоских вытянутых поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 06.05.2000. Бюл. №31.

119. Свидетельство на полезную модель № 15829, РФ, МКИЬ Н05В6/10. Устройство для индукционного нагрева буксового узла колесной пары железнодорожных вагонов. Земан С. К. Опубл. 10.11.2000. Бюл. №31.

120. Федин В.М., Борц А.И. Николин А.И., Земан С.К. и др. Ресурсосберегающие технологии термической обработки на предприятиях железнодорожной отрасли // Вестник ВНИИЖТ. 2003. - № 4. - С. 24-29.