автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений

На правах рукописи

Ронжина Юлия Вадимовна

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ БЫСТРОДВИЖУЩИМСЯ ПОТОКОМ ВОДЫ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

2 О ИЮН 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005061935

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Федин Владимир Михайлович

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, доцент Чудина Ольга Викторовна, кафедра «Металловедения и термообработки» МАДИ, профессор

Шур Евгений Авелевич,

доктор технических наук, профессор,

ОАО «ВНИИЖТ»,

главный научный сотрудник

Прокошкина Вера Георгиевна,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

кафедра ПДСС НИТУ «МИСиС», доцент

Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ)

Защита состоится «25» июня 2013 г. в 46:00 на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский пр., д.64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан «¡?4» мая 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета МАДИ.

Ученый секретарь диссертационного совета г.

кандидат технических наук, доцент ^—Д-С. Фатюхин

" /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В любом государстве транспорт во многом определяет уровень экономического и социального прогресса. Ключевую роль в России играют железные дороги и успешное претворение в жизнь стратегии их развития.

В настоящее время на железных дорогах произошла замена жестких рельсовых скреплений на упругие рельсовые скрепления, в которых основным элементом, обеспечивающим надежную эксплуатацию, является упругая клемма, изготовленная, как правило, из дорогостоящей легированной рессорно-пружинной стали. В существующих технологиях изготовления и упрочнения таких клемм в качестве закалочной среды используется масло или водные растворы полимеров, что создает тяжелую экологическую атмосферу в термических цехах.

Кроме того, при производстве упругих клемм в стандартной технологии их изготовления отсутствуют операции, традиционно применяемые для рессор и пружин, такие как обжатие и дробенаклеп, позволяющие снизить склонность сталей к трещинообразованию в процессе эксплуатации, повысить их прочностные и усталостные характеристики. В связи с этим весьма актуальной является задача модернизации технологического процесса изготовления и упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений.

В 60-х годах прошлого столетия в СССР под руководством профессора К.З. Шепеляковского был разработан метод закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для поверхностного упрочнения тяжело нагруженных деталей машин, изготовленных из сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости (объемно-поверхностная закалка). К преимуществам этого метода, обеспечивающего высокое качество деталей и значительную экономическую эффективность в условиях массового производства, относится простота его реализации во вновь строящихся предприятиях по производству упругих элементов железнодорожного транспорта при меньших затратах по сравнению с другими известными методами.

Развитие положений метода закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды применительно к новому классу

сталей требует разработки комплекса теоретических и технологических исследований, которые позволят предложить наиболее рациональное технологическое решение для упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений.

Известно, что структура и свойства стали определяются химическим составом и температурно-временными параметрами нагрева и закалочного охлаждения. Наиболее изученным является вопрос связи химического состава со структурой. Процессы, происходящие при нагреве и охлаждении стали изучены в меньшей степени. Именно в этой области имеются экономические резервы управления структурообразованием и свойствами металла в готовых изделиях. Технология закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды может существенно повысить прочность изделий за счет формирования структуры мартенсита и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма под влиянием высоких скоростей охлаждения. Получаемый высокий уровень прочности позволяет заменить дорогостоящие высоколегированные стали на экономнолегированные. Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды способствует созданию однородной структуры или структуры с заданным градиентом по сечению детали в зависимости от марки стали, что в свою очередь позволит создать благоприятное распределение внутренних напряжений, повысить усталостные характеристики изделий и снизить склонность к трещинообразованию.

В связи с этим актуальность представленной работы заключается в разработке ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических решений, позволяющих существенно повысить эксплуатационные характеристики упругих клемм рельсовых скреплений.

Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных технологических решений по применению быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении упругих клемм рельсовых скреплений из различных марок сталей, а также расширение номенклатуры сталей, обеспечивающих в сочетании с новой технологией закалочного охлаждения надежность и долговечность упругих клемм в эксплуатации при высокой степени автоматизации и экологической чистоты производственных процессов.

Задачи исследования: 1. Повышение усталостной прочности (предел выносливости и циклическая долговечность) и релаксационной стойкости упругих клемм рельсовых скреплений.

2. Исследование, разработка и внедрение технологии термического упрочнения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм на расширенной номенклатуре конструкционных материалов (кремнистые рессорно-пружинные стали, рельсовые стали и сталь пониженной прокаливаемости).

3. Исследования технологических особенностей применения быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении, обеспечивающем равномерный и одновременный отвод тепла по поверхности упругой клеммы с высокой скоростью, и устранение неблагоприятного напряженного состояния в изделии, которое может приводить к образованию закалочных трещин в упругих клеммах.

4. Выявление механизмов упрочнения стали при охлаждении в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды.

5. Выявление технологических параметров термической обработки, обеспечивающих отсутствие закалочных трещин.

6. Разработка нормативной документации на новые конструкционные материалы для упругих клемм.

Научная новизна. 1. Показано, что закалочное охлаждение деталей быстродвижущимся потоком воды формирует их высокопрочное состояние и благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое с компенсирующими растягивающими напряжениями в сердцевине, тем самым повышая релаксационную стойкость и усталостную прочность клемм.

2. Разработана методика определения склонности сталей к трещинообразованию, заключающаяся в выявлении участков с высокой концентрацией напряжений на образцах сложной конфигурации по перепаду твердости на их поверхности после охлаждения различными способами и последующем подсчете количества трещин на каждом из выявленных участков.

3. По предложенной методике исследовано влияние геометрических параметров и способов охлаждения детали на склонность к трещинообразованию при закалке. Показано, что в условиях быстродвижущегося потока воды не возникает перепада

твердости по поверхности детали, то есть отсутствуют концентраторы напряжений вследствие интенсивного и равномерного по поверхности отвода тепла.

4. Выявлены механизмы упрочнения в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды. Показано, что в условиях барботирования упрочнение является результатом мартенситного превращения и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков, а в условиях быстродвижущегося потока воды - за счет мартенситного превращения при высокой скорости охлаждения и увеличения плотности дислокаций в результате интенсификации сдвигового механизма.

5. Установлены технологические параметры термической обработки сталей, обеспечивающие отсутствие трещин.

6. На основе расчетной модели объяснены принципы формирования остаточных напряжений в упругих клеммах рельсовых скреплений с учетом структурных превращений и температурных полей при закалочном охлаждении различными средами.

Практическая значимость. 1. Обоснованы возможность и целесообразность применения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для повышения усталостной прочности и релаксационной стойкости упругих клемм.

2. Разработана новая экономнолегированная сталь пониженной прокаливаемое™ 50ПП для производства упругих клемм (ТУ 1150-00301055960-2012).

3. Показано, что термическое упрочнение в условиях быстродвижущегося потока воды позволяет заменить экологически вредные закалочные среды, такие как масло и полимеры, на воду при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды для всей номенклатуры сталей любой степени легирования, применяемых при производстве упругих клемм при одновременном повышении их эксплуатационных характеристик.

4. Показано, что использование стали пониженной прокаливаемое™ и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды делает возможным применение при производстве упругих клемм дешевого проката с более низкой чистотой поверхности без значительного изменения предела выносливости.

5. Экономический эффект от использования для изготовления клемм новой стали пониженной прокаливаемости и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды составляет 238 млн. руб./год при годовом объеме выпуска 15 600 ООО клемм.

6. Реализовано промышленное внедрение технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений на предприятии Сфера-21 (г. Воронеж).

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

- на научно-техническом семинаре: «Проблемы транспортного материаловедения». Разработка и внедрение новой технологии термической обработки упругих элементов верхнего строения пути и подвижного состава. ОАО «ВНИИЖТ», 22 декабря 2010 г.

- V-ой Евразийской научно-практической конференции: «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ)». НИТУ МИСиС, 22 апреля 2010 г.

- на международной конференции «Колесо-рельс» г. Дрезден. Tagungssektion TS3: Neue Produktionstechnologie von Großschraubenfedern. 24 Februar, Dresden, 2011.

- на конференции ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» по проблемам железнодорожного транспорта. «Обоснование выбора технологических решений при закалочном охлаждении упругих элементов подвижного состава и верхнего строения пути», 13 апреля 2011 г.

- на Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 40-летию лаборатории ТМО, созданной профессором М.Л.Бернштейном. НИТУ МИСиС, 27 октября 2011 г.

- на международной конференции «Колесо-рельс» г. Дрезден. Tagungssektion TS3: Einige Aspekte zur Hochgeschwindigkeitswasserhärtung von zylindrisch. Eisenbahnschraubenfedern. 13 September, Dresden, 2012.

- на научно-техническом семинаре: «Проблемы транспортного материаловедения» по рассмотрению материалов диссертационной работы Ронжиной Юлии Вадимовны на тему: «Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений». ОАО «ВНИИЖТ», 4 октября 2012 г.

Публикации. По материалам работы опубликовано 15 печатных трудов, из них: в рецензируемых журналах по перечню ВАК - 3; патентах на изобретения и полезные модели - 3.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников в количестве 124 наименований. Работа изложена на 201 странице основного текста, содержит 91 рисунок и 47 таблиц. В приложениях содержатся акт о внедрении результатов работы, технико-экономическое обоснование и копии патентов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ производства упругих клемм рельсовых скреплений, показывающий, что технология производства требует внедрения более современных технических решений, связанных с применением экологически чистых процессов термической обработки, экономно легированных сталей и процесса нагрева, снижающего вероятность образования обезуглероженного слоя.

Все эти решения взаимосвязаны с увеличением срока службы упругих клемм в эксплуатации.

Показано, что решение поставленной задачи возможно за счет формирования напряженного состояния в упругих клеммах с учетом структурных превращений и температурных полей, возникающих при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды.

При рассмотрении в работе научных и практических результатов при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений вводится новое определение. Быстродвижущийся поток воды - это движение охлаждающей жидкости со скоростью (V), достаточной для получения критической скорости охлаждения (VKP.) на заданной толщине изделия в интервале температур диффузионного распада аустенита (720 - 550) °С, обеспечивающей отсутствие закалочных трещин при закалочном охлаждении. Движение охлаждающей жидкости характеризуется подачей воды душированием, потоком или смешанным способом ее

движения при соответствующих значениях коэффициентов теплоотдачи

Оэфф-

В работе рассматриваются стандартные кремнистые рессорно-пружинные стали, рельсовые стали и сталь пониженной прокаливаемости, для которых решается вопрос применения новой системы закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды, с обеспечением высокой работоспособности упругих клемм в эксплуатации.

Анализ химического состава исследуемых материалов показывает, что новая сталь пониженной прокаливаемости и сталь рельсового передела (вторичное использование металла) дают основание для экономии средств при приобретении металлопроката для изготовления упругих клемм.

Анализ нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений в эксплуатации, приведенный на рис. 1, показал, что кроме напряжений кручения на них действуют напряжения изгиба. То есть наиболее нагруженной зоной упругих клемм в эксплуатации являются поверхностные слои металла.

Упругая клемма Кручение

рельсового скрепления + изгиб

Рис. 1. Схема нагружения упругих клемм рельсовых скреплений в

эксплуатации

Знание нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатации позволили разработать методики стендовых испытаний клемм и определить тип универсальных испытательных машин для оценки циклической прочности или применить специализированные стенды, на которых осуществляется проверка качества указанных

деталей на соответствие требованиям Норм безопасности и другой нормативной документации.

Выполненный в работе анализ повреждаемости упругих клемм показал, что их разрушение происходит по следующим причинам: изломы от дефектов металлургического происхождения (волосовины) и других дефектов в виде наминов и забоин от технологической оснастки при производстве клемм, натиры от взаимодействия клемм с подошвой рельса.

Для понимания причин разрушения клемм в эксплуатации проведена оценка их напряженного состояния при статическом нагружении путем тензометрирования. Схема наклейки тензодатчиков выбрана с учетом наиболее характерных зон разрушения клемм в эксплуатации.

Напряжение в поверхностных слоях деталей определяли с помощью датчиков сопротивления JBR65. Запись показаний осуществляли через цифровой измеритель электрического сигнала «Spider».

Анализ результатов тензометрирования клемм и их сопоставление с данными по механическим свойствам сталей позволяет увидеть, что для клемм рельсовых скреплений ЖБР-65 максимальные значения растягивающих напряжений при нормативной нагрузке на клемму 30 кН показывают датчики №3 (1377 МПа), 4 (1051 МПа) и 5 (723 МПа). Значения напряжений по датчикам № 3 и № 4 сопоставимы с величиной предела текучести (а02) всех серийно используемых для производства клемм марок пружинных сталей со сквозной прокаливаемостью (40С2, 60С2А) при их стандартной термообработке (закалка в масле, воде или в водном растворе полимера с последующим средним отпуском), а максимальные значения напряжений по датчику № 3 сопоставимы и со значениями временного сопротивления этих сталей (ств).

Сопоставление полученных результатов с видом наиболее характерных изломов клемм в эксплуатации показывает четкую взаимосвязь мест возникновения наибольшего уровня растягивающих напряжений с зонами изломов клемм.

Полученные результаты показывают правильность выбранного направления закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком

воды, обеспечивающего высокий уровень прочностных свойств, особенно на сталях пониженной прокаливаемое™.

Анализ литературных данных, приведенных в работе, по оценке влияния параметров давления и скорости на закалочное охлаждение стали показал:

1. Сверхвысокое давление при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды в силу специфики применения не может иметь практического применения.

2. Используя нормальное давление, можно регулировать температуру поверхности закаливаемой детали в области пузырькового кипения. При конвективном теплообмене воздействовать на температуру охлаждаемой поверхности практически невозможно.

3. При больших скоростях охлаждения, порядка 50 ООО "С/сек, можно переохладить высокотемпературную модификацию у-железа, и тогда у<-+а-превращение будет происходить в области низких температур, при которых скорость диффузионных процессов мала. Таким способом удалось переохладить чистое железо и снизить температуру полиморфного превращения с 913 до 450 - 500 °С. Оказалось, что при этих температурах у*-*а-превращение имеет мартенситный механизм, а его продукт а-фаза обладает всеми признаками мартенсита, что представлено в работах Г.В. Курдюмова.

Применение больших скоростей закалочного охлаждения при реализации технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды имеет практическое применение при термической обработке упругих элементов железнодорожного транспорта.

В работе при оптимизации режимов закалочного охлаждения упругих клемм с использованием в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды и в силу специфики закалочного устройства необходимо учитывать совместное влияние давления и скорости закалочного охлаждения с целью устранения закалочных трещин и получения максимальных прочностных свойств, так как именно предел упругости для клемм является одним из основных критериев работоспособности, что нашло отражение в работах Э. Гудремона, А.П. Гуляева и А.Г. Рахштадта.

Метод объемно-поверхностной закалки показал возможности получения высокопрочного состояния на углеродистых сталях без опасения их хрупкого разрушения. Данное направление стало основополагающим в разработке технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих элементов железнодорожного транспорта с применением всей гаммы сталей: стандартных кремнистых рессорно-пружинных, рельсового передела и пониженной прокаливаемое™.

Учитывая наименьшую глубину обезуглероженного слоя,-получаемую при индукционном нагреве, этот вид нагрева принят в работе основным при организации новых технологических линий по массовому производству упругих клемм для рельсовых скреплений.

Анализ закалочных устройств и охлаждающих сред, применяемых в современных процессах термической обработки, показывает, что использование технологии закалки деталей в масле и полимерных средах создает тяжелую экологическую атмосферу термических цехов и требует, как правило, применения высоколегированных сталей, что отражается на себестоимости деталей.

Применение форсунок, обеспечивающих закалочное охлаждение водовоздушной смесью, более прогрессивный способ, но требует применения специальной водоподготовки, так как проходные сечения могут засориться окалиной.

Во второй главе представлены результаты исследования влияния технологических параметров термической обработки на прочность исследуемых сталей при изгибе (табл. 1), как основного критерия работоспособности рессорно-пружинных сталей. Техническое значение предела упругости заключается в том, что его величина характеризует предельные напряжения, которые не должны быть превышены в упругих клеммах в процессе их нагружения. Так же важен тот факт, что между пределом упругости и величиной упругого гистерезиса и циклической долговечностью существует физически обоснованная корреляция.

Таким образом, полученные результаты показывают, что после закалки быстродвижущимся потоком воды стали для упругих клемм рельсовых скреплений имеют более высокие характеристики прочности и, следовательно - более высокую работоспособность.

Таблица 1

Влияние технологических параметров термической обработки на прочность __исследуемых сталей при изгибе_

Марка стали Режим термической обработки Прочность, МПа'

при изгибе пересчет на одноосное растяжение

00.2 00.05 О001 00.2 00.05 00.01

60C2A ГОСТ 14959 закалка в масле 870 "С, отпуск 470 °С 1119 980 750 940 853 630

60С2А ГОСТ 14959 закалка в спокойной воде 870 "С, отпуск 460 °С 1170 1021 909 982 919 819

40С2 ТУ-1150-168-01124323-2003 закалка в барботирующей воде 870 "С, отпуск 430 °С 1300 1120 980 1092 963 820

40С2 ТУ-1150-168-01124323-2003 закалка быстродвижущимся потоком воды 870 °С, отпуск 430 "С 1400 1200 1000 1176 1032 840

60С2А ГОСТ 14959 закалка быстродвижущимся потоком воды 870 "С, отпуск 460 °С 1527 1275 973 1280 1100 810

Рельсовый передел ТУ 1150-00183936644-2008 закалка быстродвижущимся потоком воды 870 °С, отпуск 410°С 2100 1700 1180 1780 1462 991

50ПП ТУ 1150-00301055960-2012 закалка быстродвижущимся потоком воды 870 °С, отпуск 180 "С 2300 1946 1536 1932 1751 1382

Примечание. Значения свойств определены как среднее арифметическое по результатам испытаний трех образцов на точку.

Из табл. 1 видно, что характеристики прочности выше при закалке быстродвижущимся потоком воды по сравнению с маслом, спокойной и барботирующей водой, так как степень упрочнения при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды больше за счет более интенсифицированного процесса формирования структуры мартенсита и увеличения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма под воздействием высокой скорости охлаждения.

При стандартной технологии изготовления клеммы из стали 40С2 подвергают закалке в воде с барботажем. Высокий уровень упрочнения при закалочном охлаждении в условиях барботирующей воды является результатом совокупного действия мартенситного превращения при увеличения скорости охлаждения и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков.

В работе наряду с изучением влияния закалочной среды, ее скорости и избыточного давления так же рассматривается вопрос

влияния изменения геометрических размеров на систему трещинообразования.

Для проведения исследований на рельсовом переделе были изготовлены образцы-модели с периодическими выточками на прутках (см. рис. 2).

Оценку склонности к трещинообразованию проводили после закалки в трех средах: спокойная вода, масло и быстродвижущийся поток воды. Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды проводили на специально изготовленном оборудовании, состоящем из расходного бака, гидравлических насосов, закалочных устройств и регулирующей аппаратуры.

Рис. 2. Образцы-модели для исследования склонности к трещинообразованию при закалочном охлаждении в трех средах с указанием мест замера твердости (1 - 6 и 1' - 6') и приварки термопар

(1-5)

Анализ результатов визуального осмотра на наличие трещин показал, что образование трещин на образцах-моделях из рельсового передела происходит только при закалке в спокойную воду. Подсчет трещин на образцах-моделях после их закалки в спокойной воде (без отпуска) показал, что максимальное количество трещин обнаружено в зонах с наибольшим перепадом значений диаметров от основного диаметра прутка к выточкам, а именно зоны 1-3.

Для понимания природы образования трещин на образцах-моделях с выточками различной глубины было проведено измерение твердости, показавшее, что наибольший перепад по твердости реализуется на цилиндрах с постоянным и переменным сечением при закалочном охлаждении в спокойной воде, что способствует созданию сложного напряженного состояния и приводит к образованию трещин.

Закалочное охлаждение в масле приводит к незначительному перепаду твердости на образцах-моделях с постоянным и переменным сечением.

Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды минимизирует перепад твердости, несмотря на высокую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения. Такая технология закалочного охлаждения показывает, что причиной образования трещин в изделиях, изготовленных из сталей с содержанием углерода 0,4 - 0,6 %, к которым относятся упругие клеммы рельсовых скреплений, является не большая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, а неодновременность образования мартенситных структур в различных зонах детали в процессе закалки.

Результаты исследования распределения твердости и микроструктуры в исследуемых зонах образцов-моделей подтверждают полученный результат.

Для оценки влияния скорости закалочного охлаждения на образование трещин на образцах-моделях при закалке в трех средах исследование проводили с помощью многоканального измерителя температуры фирмы «National Instruments», для чего к образцам приваривались хромель-алюмелевые термопары диаметром 0,5 мм по схеме, приведенной на рис. 2.

Анализ результатов измерения скоростей охлаждения в температурных интервалах диффузионного распада аустенита (720 -550) °С и мартенситного превращения (320 - 200) °С показывает, что наибольшие температурные изменения фиксируются при закалочном охлаждении образцов в спокойной воде.

Закалочное охлаждение в масле реализует равномерное охлаждение образцов-моделей.

Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды обеспечивает высокие скорости закалочного охлаждения как в интервале температур диффузионного распада аустенита, так и в области температур мартенситного превращения.

Таким образом, в работе показано, что равномерное и интенсивное охлаждение не создает неблагоприятной эпюры внутренних напряжений, что способствует снижению склонности к

трещинообразованию при закалке в воде, что еще раз подтверждает положение о том, что причиной образования трещин при закалке водой деталей сложной конфигурации является не большая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, а различная скорость образования мартенсита в различных зонах упрочняемых упругих элементов.

Существенное повышение поверхностной твердости при закалке изделий быстродвижущимся потоком воды, в отличие от стандартной технологии термической обработки, происходит вследствие мартенситного превращения и за счет увеличения плотности дислокаций в результате высокоскоростного превращения аустенита в мартенсит.

Повышение твердости при стандартной технологии термической обработки клемм (погружение в спокойную или барботирующую жидкость) вероятнее всего связано с процессами, происходящими на стадии пузырькового кипения. По-видимому, процесс пузырькового кипения по своей природе аналогичен процессам, возникающим на поверхности стальных изделий при ультразвуковой обработке в жидких средах. Вблизи поверхности обрабатываемого изделия образуются кавитационные пузырьки, при захлопывании которых возникает ударная волна, развивающая значительные давления. Многократное воздействие большого количества отдельных захлопывающихся пузырьков приводит к значительным изменениям в поверхностном слое. В начале воздействия пузырьков на поверхности стальных деталей возникают упругие деформации, затем, накапливаясь по величине, деформации становятся пластическими. В структуре поверхностного слоя наблюдается измельчение зерна, образование ячеистой субструктуры и увеличение плотности дислокаций, которые являются причиной повышения поверхностной твердости и, как следствие, изменения напряженного состояния изделия в целом.

Эксплуатация упругих клемм рельсовых скреплений осуществляется в высокопрочном состоянии, что создает проблемы в закаленной детали при пониженном значении

самоуравновешивающихся напряжений, возникающих в процессе закалки (временные напряжения) и после закалки (остаточные

напряжения). Значительную опасность представляют растягивающие напряжения, так как они приводят к возникновению и росту трещин.

Закалочные трещины в деформируемом металле могут появляться в процессе закалки в результате возникновения высоких напряжений, структурных превращений и температурных напряжений. По этой причине моделирование процессов термической обработки упругих элементов железнодорожного транспорта, проведенное в работе, строится на решении трех задач: задачи нелинейной нестационарной теплопроводности, моделирования формирования структуры и собственно вычисления напряжений (расчетное моделирование выполнено совместно с A.M. Покровским, МГТУ им. Н.Э. Баумана). В работе применен шаговый метод расчета, при котором имелась возможность на каждом шаге по времени решать задачи по определению температуры, структуры и напряжений независимо друг от друга. При этом на произвольном временном шаге сначала решали задачу теплопроводности с теплофизическими характеристиками, соответствующими температуре и структуре на предыдущем шаге. Затем моделировали структурные изменения с использованием изотермических и термокинетических диаграмм переохлажденного аустенита для сталей 60С2А и 55ПП. После этого вычисляли суммарный коэффициент линейного расширения, учитывающий чисто температурные деформации и деформации, связанные со структурными превращениями. Полученное температурно-структурное состояние на данном шаге являлось исходным для определения напряжений. Их рассчитывали путем решения упругопластической задачи. Решение всех трех задач построено на применении метода конечных элементов.

Применение стали пониженной прокаливаемости не создает условий получения неблагоприятной эпюры как временных, так и остаточных напряжений. По этой причине для рассмотрения представлена сталь марки 60С2А при закалочном охлаждении в спокойной воде и при закалке быстродвижущимся потоком воды (см. рис. 3). Температура отпуска после двух видов закалочного охлаждения была одинакова и составляла 460 °С, время отпуска - 1 час. Диаметр исследуемых образцов - 21 мм.

Температура, °С 1000

О 2 4 6 8 10 12 Расстояние от поверхности, мм -5с ——20с —™40с —100с

Температура, 1000 750 500 250 0

О 2 4 6 8 10 12 Расстояние от поверхности, мм -2с —4с —8с --11.7с

Изменение температуры по радиусу прутка в зависимости от времени закалки

Доля мартенсита, % юи 80 60 40 20 о

Доля мартенсита, % 100 80 60 40 20 о

-Поверхность

Время, с —Ось

-Поверхность

Время, с «—"Ось

Формирование мартенситной структуры на поверхности прутка и его оси в зависимости от времени

Осевые напряжения, МПа

--1000

800 600 400 200

Осевые напряжения, МПа 200 150 100

Расстояние от поверхности, мм —20 с---40 с — 100 с

•1с

Расстояние от поверхност и, мм -2с---4с —8с —11.7

Изменение осевых напряжений по радиусу прутка в зависимости от времени

закалки

11апряжения, МПа 140

Расстояние от поверхности, мм -Радиальные Осевые

•Окружные

"Сумма главных

Напряжения, МПа 800 600 400 200 0 -200 -400

Расстояние от поверхности, мм -радиальные —Осевые

-Окружные ——Сумма главных

Распределение остаточных радиальных, осевых, окружных и суммы главных напряжений по радиусу прутка

а) б)

Рис. 3. Результаты моделирования температурно-структурного и напряженного состояний в прутке из стали 60С2А при закалке в спокойной воде с отпуском (а) и быстродвижущимся потоком воды с

отпуском (б)

Анализ полученных результатов моделирования показывает, что система быстрого, равномерного и градиентного отбора тепла обеспечивает первоначальное мартенситное в поверхностных слоях и последующее, также мартенситное, превращения в сердцевине. При этом формирование временных осевых напряжений по радиусу прутка в зависимости от времени показывает более благоприятную эпюру напряженного состояния, что снижает вероятность образования трещин в детали при термической обработке.

Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды формирует в стали 60С2А сжимающие напряжения в поверхностном слое с компенсирующими растягивающими напряжениями в сердцевине.

Закалочное охлаждение стали 60С2А в спокойной воде формирует в поверхностном слое растягивающие напряжения и сжимающие в сердцевине.

Получение такого результата может быть объяснено различной твердостью, получаемой после закалки быстродвижущимся потоком воды (поверхностная твердость после закалки без отпуска - НИС 65) по сравнению с закалкой в спокойной воде (поверхностная твердость без отпуска - ИКС 60).

После отпуска на стали марки 60С2А, упрочненной по двум вариантам, формируется одинаковая поверхностная твердость -НЯС 44 - 45.

Более высокая степень тетрагональности мартенсита, полученная после закалки быстродвижущимся потоком воды и отсутствие процесса частичного самоотпуска обеспечивают формирование более благоприятной эпюры остаточных напряжений.

Результаты замера остаточных напряжений рентгеновским методом вт2ф согласуются с данными, полученными расчетным способом/

Полученные значения дают представление о величине внутренних остаточных напряжений на образцах сталей, предназначенных для изготовления упругих клемм рельсовых скреплений.

Оценку требуемой прокаливаемое™ составов сталей для производства упругих клемм с диаметром прутка 17 мм, проводили по методике расчета кинетики охлаждения по сечению тел цилиндрической формы на основе известных зависимостей из теории теплопередачи и анализа условий поверхностного упрочнения для тел типа неограниченного цилиндра.

Изменение температурного поля во времени при отсутствии в исследуемом теле внутренних источников тепла описывается дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье с граничными условиями первого рода (поверхность тела мгновенно принимает температуру охлаждающей среды и остается постоянной в течение всего цикла охлаждения) и граничными условиями третьего рода (температура охлаждающей среды постоянна, а ее теплообмен с поверхностью стального тела происходит по конвективному закону, при этом коэффициент теплоотдачи в процессе охлаждения остается постоянным).

На основе приведенных подходов решалась задача, связанная с прокаливаемостью стали, в том числе, проводился расчет изменения глубины закаленного слоя в зависимости от размеров и формы детали, определяли идеальный критический диаметр. Сопоставив распределение скоростей охлаждения по сечению тела с критическими скоростями охлаждения реальных сталей, можно провести анализ условий применения метода поверхностной закалки при бквозном индукционном нагреве и ориентировочно оценить требуемую в конкретном случае критическую скорость охлаждения, а следовательно, и определить состав возможной для применения марки стали.

Расчетные значения получили хорошую сходимость результатов при проверке на лабораторных и в последующем на промышленных плавках.

На основе приведенной методики разработана новая марка стали пониженной прокаливаемости: 50ПП для прутка с диаметром 17 мм.

Одним из наиболее значимых критериев при ■ оценке работоспособности упругих элементов является усталостная прочность материалов, из которых они изготавливаются. Испытаниям подвергался металлопрокат с типовыми диаметрами, используемыми при изготовлении упругих клемм.

Усталостные испытания образцов проводили при трехточечном изгибе на гидравлических пульсаторах. Учитывая специфику, работы упругих элементов, испытания проводили при знакопостоянном асимметричном цикле нагружения с частотой 5 Гц. Максимальную и минимальную нагрузки рассчитывали по известным формулам сопротивления материалов. Коэффициент асимметрии Р?о = 0,1. Результаты усталостных испытаний рассматривались как

сравнительные, показывающие различие качества обработки поверхности образцов и режимов термической обработки.

Результаты усталостных испытаний подвергались статистической обработке с определением предела выносливости (Рм, МПа) на базе 2-106 циклов при вероятности неразрушения Р = 50 %, коэффициента линейной, корреляции (р), характеризующего тесноту связи между нагрузкой и долговечностью, т.е. стабильность технологии изготовления проката и последующей термической обработки прутков, а также показатель т, характеризующий величину угла наклона кривой усталости.

Значения предела выносливости исследуемых сталей даны в табл. 2.

Таблица 2

Усталостная прочность исследуемых сталей с различной чистотой _поверхности, упрочненных различными методами_

№ п/п Термическая обработка Марка стали Состояние поверхности Предел выносливости Oma*, МПа

1 быстродвижущийся поток воды, отпуск 410 "С Рельсовый передел горячекатаная 579,3

2 стандартная 60С2А горячекатаная 833,1

3 быстродвижущийся поток воды, отпуск 410 "С Рельсовый передел калиброванная 845,7

4 стандартная 60С2А калиброванная 1023,4

5 быстродвижущийся поток воды, отпуск 180 °С 50ПП горячекатаная 1032,1

6 быстродвижущийся поток воды, отпуск 460 °С 60С2А калиброванная 1068,2

7 быстродвижущийся поток воды, отпуск 180 "С 50ПП калиброванная 1120,5

Анализ полученных результатов усталостных испытаний показывает, что предел выносливости калиброванного проката выше, чем горячекатаного, что согласуется с литературными данными.

Наиболее высокие результаты по пределу выносливости реализуются на стали пониженной прокаливаемости по сравнению со сталями, имеющими сквозную прокаливаемость, что объясняется более благоприятной эпюрой остаточных напряжений.

Предел выносливости сталей со сквозной прокаливаемостью при использовании калиброванного проката выше на (20 - 30) %, чем горячекатаного.

Предел выносливости стали пониженной прокаливаемости при применении калиброванного проката выше на 8,5%, чем горячекатаного.

Результаты усталостных испытаний показывают, что при использовании стали пониженной прокаливаемости чистота поверхности проката в меньшей степени влияет на усталостную прочность материала, чем на сталях, имеющих сквозную прокаливаемость. Это положение имеет большое экономическое значение, так как позволяет без значительного уменьшения предела выносливости применять для производства упругих клемм рельсовых скреплений дешевый металлопрокат с более низкой чистотой поверхности.

Исследование кинетики роста зерна аустенита показало, что большая устойчивость против перегрева реализуется на стали 50ПП по сравнению со сталями из рельсового передела и 60С2А. Так, размер зерна, соответствующий баллу № 6 по ГОСТ 5639 достигается в стали из рельсового передела уже при 950 °С, соответствующий баллу № 8 в стали 60С2А, в то время как в стали 50ПП балл № 8 достигается при температуре 1050 °С.

Различия в кинетике роста зерна аустенита связаны с различным характером раскисления и модифицирования стали при выплавке.

Тонкие методы исследования, выполненные в работе, позволяют представить сравнительные характеристики неметаллических включений, микроструктуры, характера разрушения и параметров обезуглероженного слоя на исследуемых материалах.

Упругие клеммы в эксплуатации подвержены динамическому нагружению, что определило проведение исследований по оценке сопротивления хрупкому разрушению представленных материалов с равномерным уровнем прочности и градиентом прочности по сечению после закалки быстродвижущимся потоком воды.

В основу методики положена схема копровых испытаний при нагружении падающим грузом (НПГ) или DWTT, то есть испытание на динамический изгиб. Мощность копра составляет 2,0 кДж, расстояние между опорами - 175 мм. Температурный режим испытаний: +20 °С и минус 60 °С.

Известно, что основным критерием качества упругих элементов является величина предела упругости, поэтому этот критерий, выраженный через стрелу прогиба, являлся определяющим при оценке

результатов динамических испытаний.

Анализ полученных результатов показал, что сталь пониженной прокаливаемости, на которой реализуется высокопрочное состояние с градиентом свойств по сечению, имеет более высокие показатели по восприятию прикладываемой нагрузки без пластической деформации -на 30 % выше при температуре +20 °С и на 25 % выше при температуре минус 60 °С - по сравнению со сталями, имеющими сквозную прокалив'аемость.

В третьей гласе рассмотрены вопросы закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды при ее подаче по следующим вариантам: 1)закалка прямоточным движением; 2)закалка душированием; 3) смешанное движение (душирование + поток); 4) подача нагретой под закалку детали в организованный поток.

Исследования показали, что применение схемы прямоточного движения воды целесообразно при закалочном охлаждении образцов, не создающих теневых зон при движении закалочной среды и условий образования противодавления при движении воды, что может повлиять на качество термической обработки. Такая система используется для термической обработки образцов при проведении исследований по определению прокаливаемости сталей и изготовления образцов для статических и усталостных испытаний.

При применении схемы душирования влияние геометрических размеров закалочного устройства становится менее значимым, так как при душировании происходит значительное увеличение коэффициента теплоотдачи.

Геометрические размеры упругих клемм фактически определили конструкцию закалочного устройства в виде системы душирования. Детальное рассмотрение работы такой системы закалочного охлаждения показало, что только в начальный момент (секунды или десятые доли секунды) происходит закалочное охлаждение душированием. Последующее охлаждение упругих клемм происходит при смешанном движении закалочной среды.

Экспериментальные исследования показали, что упругие клеммы можно подвергать закалочному охлаждению при подаче нагретой детали в организованный поток воды без ухудшения качества термической обработки.

При выборе температурно-временных параметров индукционного нагрева стали для упругих элементов определенной конструкции вопрос формы кривой термического нагрева решается индивидуально, с учетом получения оптимальных параметров нагрева прутка по сечению. Таким же образом решается вопрос по оптимизации давления и времени закалочного охлаждения.

Для подтверждения результатов исследования возможности применения кремнистых рессорно-пружинных сталей, рельсового передела и сталей пониженной прокаливаемости при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды проведена работа по изготовлению опытно-промышленных партий клемм и проведены испытания по оценке параметров релаксационной стойкости и усталостной прочности. Кроме того, клеммы прошли испытания на соответствие всем требованиям норм безопасности НБ ЖТ ЦП 1102003.

Релаксационная стойкость и усталостная прочность - это основные параметры, характеризующие качественное производство упругих элементов. Оценку релаксационной стойкости (просадку) упругих клемм рельсовых скреплений проводили после первого и третьего нагружения. Также величина просадки фиксировалась при усталостных испытаниях клемм после прохождения ими заданного количества циклов нагружения. При проведении испытаний применяли как универсальные испытательные машины, так и специально разработанные установки.

Анализ результатов испытаний упругих клемм рельсовых скреплений показал, что закалочное охлаждение клемм быстродвижущимся потоком воды обеспечивает их высокую релаксационную стойкость и усталостную прочность по сравнению со стандартным закалочным охлаждением.

Кроме того, на клеммах скреплений конструкции АРС-4, изготовленных из стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости, после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска были проведены дополнительные усталостные испытания на специально изготовленном стенде, где осуществляются испытания клемм парами. Частота нагружения — 10,0 Гц. При этом максимальный размах колебаний линейной надрельсовой части клеммы составляет 3,4 мм, что

соответствует амплитуде перемещения ±1,7 мм. Такой размах колебаний превышает принятое в типовой методике испытаний клемм значение 2,0 мм, однако позволяет создать в них наибольший уровень напряжений и провести сравнительную оценку циклической прочности на базе 2,0 млн. циклов нагружения.

Проведенные испытания показали, что остаточная деформация на стали 60С2А после 2,0 млн. циклов нагружения составила 0,5 - 0,6 мм, а на стали пониженной прокаливаемое™ — 0,1 - 0,3 мм.

Излом клеммы из стали 60С2А произошел после 1,2 млн. циклов нагружения. Клеммы из стали пониженной прокаливаемости прошли установленную базу испытаний без разрушений.

Таким образом, результаты дополнительных сравнительных усталостных испытаний при увеличенном перемещении показали, что клеммы рельсового скрепления АРС-4 из стали пониженной прокаливаемости характеризуются большей релаксационной стойкостью, усталостной прочностью и большим количеством циклов до разрушения при циклических испытаниях, что способствует стабилизации работы упругих клемм в эксплуатации, повышению их надежности и долговечности.

В работе также рассмотрены различные конструкции закалочных устройств, показавшие, что качественная закалка упругих клемм рельсовых скреплений обеспечивается в закалочных устройствах с системой раздачи воды душированием.

Промышленная реализация производства упругих клемм рельсовых скреплений при применении индукционного нагрева прутков и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды проведена на предприятии «Сфера 21».

В четвертой главе показано, что основные преимущества внедрения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды достигаются за счет экономии легирующих элементов при применении новых марок сталей, разработанных в работе; обеспечения замены закалочных сред - масла и полимерных сред - технической водой; снижения затрат на производства и увеличения срока службы клемм в эксплуатации в 1,4 раза по сравнению с клеммами, изготовленными по стандартной технологии.

Общие выводы:

1. Анализ схем нагружения и повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений в эксплуатации показал, что основными нагруженными зонами являются поверхностные слои прутка клеммы в местах возникновения наибольшего уровня растягивающих напряжений.

2. Исследования влияния давления и скорости закалочной среды позволили оптимизировать параметры закалочного охлаждения в случае использования быстродвижущегося потока при упрочнении упругих клемм. Установлено, что необходимый теплоотвод, обеспечивающий быстрое и равномерное по поверхности детали охлаждение, а следовательно, и минимальную склонность к трещинообразованию, достигается при смешанном движении воды по схеме «душирование + поток», давлении воды - от 0,5 до 1,0 атм., скорости воды - от 5 до 10 м/сек).

3. Оценка влияния технологических параметров термической обработки исследуемых сталей на их прочность при изгибе показала, что закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды является наиболее перспективным вследствие своей универсальности по отношению ко всей гамме сталей, применяемых для изготовления клемм, экономической эффективности и экологической безопасности. Показано, что прочность сталей после закалки быстродвижущимся потоком воды повышается в 1,4-2 раза по сравнению с закалкой в масле, спокойной и барботирующей воде.

4. Выявлен механизм повышения прочности стали при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды. Упрочнение происходит вследствие мартенситного превращения за счет высокой скорости охлаждения и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма. Выявлен механизм повышения прочности стали при закалочном охлаждении в барботирующей воде. Показано, что упрочнение является результатом совокупного действия мартенситного превращения при быстром охлаждении и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков.

5. Разработана методика определения склонности к трещинообразованию сталей, применяемых для производства упругих клемм рельсовых скреплений. По предложенной методике исследовано влияние геометрических параметров и способов охлаждения детали на

склонность к трещинообразованию при закалке. Показано, что в условиях быстродвижущегося потока воды не возникает перепада твердости по поверхности детали, то есть отсутствуют концентраторы напряжений вследствие интенсивного и равномерного по поверхности отвода тепла.

6. Расчетное и физико-математическое моделирование процессов термической обработки упругих клемм позволило объяснить принципы формирования временных и остаточных напряжений в определенные отрезки времени. Адекватность построенной модели подтверждена результатами замера остаточных напряжений рентгеновским методом эш^ф. Показано, что закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды формирует в поверхностном слое детали сжимающие напряжения и компенсирующие растягивающие напряжения в сердцевине. Закалочное охлаждение в спокойной воде приводит к формированию в поверхностном слое детали опасных растягивающих напряжений, приводящих к возникновению и росту трещин.

7. Разработана новая экономнолегированная сталь пониженной прокаливаемости 50ПП для производства упругих клемм и ТУ 1150-00301055960-2012 на ее изготовление. Хорошая сходимость результатов расчета прокаливаемости и экспериментальных данных подтверждена на промышленных и лабораторных плавках.

8. Апробирована технология закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для всей номенклатуры сталей, применяемых и впервые разработанных для производства упругих клемм. Промышленное внедрение новой технологии реализовано на предприятии «Сфера 21» (г. Воронеж). Показано, что срок службы упругих клемм, изготовленных по новой технологии, в 1,4 раза больше по сравнению с серийной технологией производства.

9. Комплекс исследований по оценке усталостной прочности сталей со сквозной и пониженной прокаливаемостью, с различной чистотой поверхностного слоя, после закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды показал (10 - 30) %-ное увеличение предела выносливости по сравнению с серийными технологиями упрочнения; повышение предела выносливости горячекатаного проката стали с пониженной прокаливаемостью на 25 % по сравнению со сквозной прокаливаемостью, а по сравнению с рельсовым переделом

на 80 %; повышение предела выносливости калиброванного проката стали с пониженной прокапиваемостью на 10% по сравнению со сквозной прокапиваемостью и на 30 % по сравнению с рельсовым переделом.

10. Применение стали пониженной прокаливаемое™ и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды дает возможность использовать для производства клемм более дешевый горячекатаный прокат (с более низкой чистотой поверхности) вместо калиброванного, так как различие в их пределах выносливости невелико и составляет 8,5 %.

11. Анализ результатов на ударный изгиб показывает, что сталь пониженной прокаливаемое™ имеет более высокие показатели по восприятию прикладываемой нагрузки без пластической деформации -на 30 % выше при температуре +20 "С и на 25 % выше при температуре минус 60 °С - по сравнению со сталями, имеющими сквозную прокаливаемость.

12. Стендовые испытания по оценке остаточной деформации и усталостной прочности клемм, изготовленных из разных марок сталей, подтвердили преимущества использования стали 50ПП и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды, так как показали увеличение релаксационной стойкости клемм на (10 - 30) % с сохранением требуемого уровня циклической прочности.

13.Дополнительные сравнительные циклические испытания клемм из сталей 50ПП и 60С2А после закалки быстродвижущимся потоком воды при увеличенной амплитуде перемещения показали, что клеммы из стали 50ПП характеризуются большей релаксационной стойкостью, усталостной прочностью и большим количеством циклов до разрушения, что способствует стабилизации работы упругих клемм в эксплуатации, повышению их надежности и долговечности.

14. Расчет экономической эффективности от использования для изготовления клемм новой экономнолегированной стали 50ПП и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды, показал, что экономический эффект составляет 238 млн. руб./год при годовом объеме выпуска 15 600 000 клемм.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки Российской Федерации:

1. Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И., Егоров Д.И. Применения рельсового передела в качестве конструкционных материалов для упругих элементов на железнодорожном транспорте // Вестник ВНИИЖТ,- 2011.- № 3,- С. 29 - 33.

2. Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И., Дьяков A.B., Иванов A.B., Мишунин В.М. Технические решения по стабилизации работы упругих клемм рельсовых скреплений// Вестник ВНИИЖТ - 2012.- № 4.- С. 52 -55.

3. Ронжина Ю.В. Перспективы производства и термического упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений II Вестник ВНИИЖТ.-2012,- № 5,-С. 52-55.

Публикации в других изданиях:

4. Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И. Технология термического упрочнения цилиндрических винтовых пружин подвижного состава, обеспечивающая повышение надежности и долговечности пружин в эксплуатации за счет получения наноструктуры в поверхностном упрочненном слое. V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур». - М.: ПРОСТ 2010,- С. 160.

5. Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И. и др. Технология термического упрочнения цилиндрических винтовых пружин подвижного состава // Промышленный транспорт XXI век,- 2010.- № 14- С. 29-35.

6. Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И. Опыт разработки и внедрения инновационных технологий производства упругих элементов железнодорожного транспорта // Промышленный транспорт XXI век,-2011,- № 4,-С. 43.

7. Rongina J.V., Fedin V.M., Boris A.I. Neue Produktionstechnologie von Croßschaubenfedern. 11. Internationale Schienenfahrzeugtagung. 23. -25. Februar 2011 mit begleitender Fachausstellung. Dresden, s. 125-129.

8. Федин В.M., Борц А.И., Ронжина и др. Эффективные технологические решения при производстве упругих элементов скрепления верхнего строения пути II Промышленный транспорт XXI век. № 3, 2010,-С. 45-50.

9. Ронжина Ю.В. Обоснование выбора технологических решений при закалочном охлаждении упругих элементов подвижного состава и рельсовых скреплений// Проблемы железнодорожного транспорта -Сборник статей ученых и аспирантов ВНИИЖТ- М.: Интекст, 2011- С. 214-220.

10. Моделирование температурно-структурного и напряженного состояний в прутках пружинной стали после термической обработки / Покровский A.M., Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И. // Бернштейновские чтения.- НИТУ МИСиС- М„ 2011,- С. 101.

11.А.И. Борц, В.М. Федин, Ронжина Ю.В. Результаты испытаний, упругих клемм рельсовых скреплений ЖБР-65 и АРС-4 различных производителей, отобранных у потребителя ОАО «РЖД» II Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений -Сборник научных докладов по материалам заседания некоммерческого партнерства «Рельсовая комиссия».- Екатеринбург: ОАО «УИМ». 2012,-С. 199-211.

12. Ронжина Ю.В. Вопросы создания перспективных пружин рессорного подвешивания тележек грузовых вагонов II Проблемы железнодорожного транспорта - Сборник статей ученых ВНИИЖТ,- М.: Интекст, 2012,- С. 241-247.

Патенты:

13. Способ закалки пружинных клемм и установка для его осуществления. Патент на изобретение № 2459877. Дьяков A.B., Гучков А.К., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Иванов A.B., Мишунин В.М., Прокофьев А.Д., Хатунцев В.И.

14. Карусельная электропечь для отпуска пружинных клемм рельсовых скреплений. Патент на полезную модель № 114136. Дьяков A.B., Гучков А.К., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Иванов A.B., Мишунин В.М., Прокофьев А.Д., Хатунцев В.И.

15. Устройство для нанесения защитного покрытия на пружинные изделия. Патент на полезную модель № 113179. Дьяков А.В!, Гучков А.К., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Иванов A.B., Мишунин В.М., Прокофьев А.Д., Хатунцев В.И.

Подписано к печати 23.05.2013 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,9 пл. Заказ 76 Тираж 100 экз. Типография ОАО «ВНИИЖТ» 3-я Мытищинская ул. д.10

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА» (ОАО «ВНИИЖТ»)

На правах рукописи

04201358093

РОНЖИНА ЮЛИЯ ВАДИМОВНА

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ БЫСТРОДВИЖУЩИМСЯ ПОТОКОМ ВОДЫ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Профессор,

доктор технических наук, В.М. Федин —р

Научный консультант:

Доцент,

доктор технических наук, О.В. Чудина

Москва 2013

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1. ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНДАРТНЫХ И НОВЫХ МАРОК СТАЛЕЙ ДЛЯ УПРУГИХ КЛЕММ С УЧЕТОМ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ЗАКАЛОЧНОЙ СРЕДЫ БЫСТРОДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ВОДЫ....................................................................................................14

1 Л. Анализ производства упругих клемм рельсовых скреплений..................14

1.2. Анализ нагруженности и повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений..........................................................................................................22

1.2.1. Анализ нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатационном содержании..............................................................22

1.2.2. Анализ повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений......24

1.3. Влияние параметров давления и скорости на закалочное охлаждение стали....................................................................................................................34

1.3.1. Влияние сверхвысокого давления.......................................................34

1.3.2. Влияние нормального давления...........................................................35

1.3.3. Влияние скорости охлаждения............................................................40

1.3.4. Интенсификация теплообмена в области мартенситных превращений и механизмы упрочнения стали..............................................43

1.4. Анализ применения принципов объемно-поверхностной закалки для ответственных изделий и перспективы расширения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды на производство упругих клемм рельсовых скреплений............................................................................48

1.4.1. Опыт применения объемно-поверхностной закалки тяжелонагруженных деталей машин.............................................................48

1.4.2. Разработка и развитие индукционной поверхностной закалки.........53

1.4.3. Конструкционные материалы для упругих клемм рельсовых скреплений и влияние легирующих компонентов на их прокаливаемость.............................................................................................55

1.4.4. Закалочные устройства и охлаждающие среды..................................57

Выводы:..................................................................................................................70

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКАЛОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БЫСТРОДВИЖУЩИМСЯ ПОТОКОМ ВОДЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ...............................................................72

2.1. Оценка влияния технологических параметров термической обработки на прочность исследуемых сталей для упругих клемм рельсовых скреплений при изгибе....................................................................72

2.2. Образование трещин в стали при закалочном охлаждении в различных средах...............................................................................................76

2.3. Результаты моделирования температурно-структурного и напряженного состояний в прутках пружинной стали после стандартной термической обработки и закалки быстродвижущимся потоком воды..........98

2.4. Оценка требуемой прокаливаемости составов сталей для упругих клемм рельсовых скреплений с диаметрами прутков 11 мм; 14 мм;

16 мм; 17мм; 19 мм...........................................................................................108

2.4.1. Постановка задачи..............................................................................108

2.4.2. Теоретический анализ кинетики охлаждения в изделиях цилиндрической формы в условиях интенсивного охлаждения...............110

2.4.3. Выбор вариантов химического состава стали для упругих элементов с диаметрами прутков 11 и 14 мм на основе результатов расчета по приведенной методике...............................................................119

2.4.4. Проверка варианта химического состава стали для упругих клемм рельсовых скреплений с диаметрами прутков 16 и 17 мм на основе результатов расчета по методике....................................................124

2.4.5. Апробация расчетных данных прокаливаемости по методике с результатами экспериментальной работы..................................................125

2.5. Усталостные испытания различных образцов сталей для упругих клемм рельсовых скреплений после различных вариантов термической обработки..........................................................................................................133

2.5.1. Статистическая обработка результатов усталостных испытаний образцов пружинных сталей........................................................................134

2.5.2. Результаты статистической обработки данных усталостных испытаний.....................................................................................................136

2.6. Исследование кинетики роста зерна аустенита в стали из рельсового передела, стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости 50ПП..........147

2.7. Исследование фазового состава стали рельсового передела после различных режимов термической обработки.................................................149

2.8. Исследование остаточных напряжений в стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости 55ПП после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска...................................................................................153

2.9. Исследование неметаллических включений в сталях пониженной прокаливаемости 50ПП и рельсового передела..............................................160

2.10. Микрорентгеноспектральное исследование зоны разрушения клеммы ЖБР-65 после усталостных испытаний............................................163

2.11. Микрорентгеноспектральное исследование обезуглероженного слоя на стали 60С2А после печного газового нагрева образца со шлифованной поверхностью и горячекатаного..............................................166

2.12. Определение остаточной деформации после динамических нагружений исследуемых сталей при испытаниях на вертикальном копре . 168

2.13. Исследование влияния обжатия упругих клемм рельсовых скреплений в горячем и холодном состоянии на релаксационную стойкость и циклическую долговечность.......................................................175

Выводы:................................................................................................................179

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЛИНИЙ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ЗАКАЛОЧНОЙ СРЕДЫ БЫСТРОДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ВОДЫ..................................................................................................182

3.1. Установка для входного контроля металлопродукции для производства упругих клемм рельсовых скреплений....................................182

3.2. Конструктивные параметры закалочных устройств при использовании в качестве охлаждающей среды быстродвижущегося потока воды и влияние параметров индукционного нагрева и охлаждения на качество термической обработки...........................................185

3.3. Системы закалочного охлаждения упругих клемм при промышленном применении...........................................................................186

3.3.1. Закалочное охлаждение упругих клемм рельсовых скреплений.....193

3.3.2. Оптимизация параметров закалочного охлаждения по скорости охлаждения, давлению и стоимостным параметрам водяных насосов.....193

3.4. Промышленная реализация технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений........................................................................................................196

Выводы:................................................................................................................199

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ЗАКАЛОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БЫСТРОДВИЖУЩИМСЯ ПОТОКОМ ВОДЫ СЕРИЙНЫХ КРЕМНИСТЫХ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ, ЭКОНОМНО ЛЕГИРОВАННЫХ, СТАЛЕЙ РЕЛЬСОВОГО ПЕРЕДЕЛА И ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ..........201

Выводы:................................................................................................................202

Общие выводы:....................................................................................................203

Список использованных источников..................................................................206

Приложение 1 Акт о внедрении результатов работы.........................................217

Приложение 2 Технико-экономическое обоснование эффективности применения технологии объемно-поверхностной закалки и стали пониженной прокаливаемости для производства упругих клемм рельсовых скреплений АРС-4 и ЖБР-65...............................................................................218

Приложение 3 Патент на изобретение № 2459877. Способ закалки пружинных клемм и установка для его осуществления....................................224

Приложение 4 Патент на полезную модель №114136. Карусельная электропечь для отпуска пружинных клемм рельсовых скреплений...............225

Приложение 5 Патент на полезную модель № 113179. Устройство для нанесения защитного покрытия на пружинные изделия...................................226

ВВЕДЕНИЕ

В любом государстве транспорт во многом определяет уровень экономического и социального прогресса. Ключевую роль в России играют железные дороги и успешное претворение в жизнь стратегии их развития.

В эксплуатационном содержании рельсовых скреплений определена тенденция перехода на упругие рельсовые скрепления, как наиболее прогрессивный вид упругого скрепления, где основным элементом, обеспечивающим надежную эксплуатацию, является упругая клемма из рессорно-пружинной стали. Современные объемы укладки рельсов на железобетонные шпалы, где в качестве крепления и используются упругие клеммы, требует применения при их производстве значительного количества качественной легированной стали.

Опыт производства и эксплуатации упругих клемм рельсовых скреплений выявил необходимость повышения качества клемм. При этом, учитывая большие объемы их изготовления, данная задача должна решаться с учетом наиболее надежных и пригодных для массового производства средствами, обеспечивающими систему ресурсосбережения, принятую на железнодорожном транспорте.

Достижения в области материаловедения, где решаются вопросы прочности и деформируемости материалов и технологии упрочнения рессорно-пружинных сталей, показали перспективы применения для упругих элементов подвижного состава и пути железнодорожного транспорта метода закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды при индукционном нагреве с применением стандартных кремнистых рессорно-пружинных сталей и сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости.

Применение способа закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости (оъемно-поверхностная закалка) показало свое преимущество при упрочнении тяжело нагруженных деталей машин. Разработанный в 60-х годах прошлого

столетия в СССР под руководством профессора К.З. Шепеляковского метод нашел широкое применение в ведущих отраслях промышленности [1].

К преимуществам метода, наряду с обеспечением высокого качества деталей и экономической эффективностью в условиях массового производства, относится относительно простая возможность его реализации во вновь строящихся предприятиях по производству упругих элементов железнодорожного транспорта (винтовые пружины подвижного состава и упругие клеммы рельсовых скреплений) при меньших затратах по сравнению с другими известными методами, такими как ВТМО и др. Метод создает условия для автоматизации процессов производства и улучшения условий труда, что является важным социальным фактором [2].

Последующие исследования [3] позволили расширить преимущества метода при упрочнении не только сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости при индукционном нагреве, но и серийных сталей с применением печного нагрева.

На рис. 1 приведена схема распределения скоростей охлаждения по сечению упругих элементов подвижного состава и пути при закалке быстродвижущимся потоком воды. Применение сталей пониженной и регламентированной прокаливаемое™ (см. рис. 1, а), где глубина упрочненного слоя, определяемая химическим составом, находится в диапазоне 0,15 - 0,25 от диаметра прутка.

Применение кремнистых рессорно-пружинных сталей и экономно легированной стали (см. рис. 1, б) обеспечивает сквозную прокаливаемость.

Развитие положений метода закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды применительно к новому классу сталей требует разработки комплекса теоретических и технологических исследований, которые позволят предложить наиболее рациональное технологическое решение для упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений.

Упрочиеншш юна

а)

Рис. 1. Схема распределения скоростей охлаждения по сечению упругих клемм рельсовых скреплений при закалке быстродвижущимся потоком воды:

а - стали пониженной и регламентированной прокаливаемости; б - кремнистые и экономно легированные стали

Известно, что структура и свойства стали определяются химическим составом и температурно-временными параметрами нагрева и закалочного охлаждения. Наиболее изученным является вопрос связи химического состава со структурой. Процессы, происходящие при нагреве и охлаждении стали изучены в меньшей степени. Именно в этой области имеются экономические резервы управления структурообразованием и свойствами металла в готовых изделиях. Технология закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды может существенно повысить прочность изделий за счет формирования структуры мартенсита и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма под влиянием высоких скоростей охлаждения. Получаемый высокий уровень прочности позволяет заменить дорогостоящие высоколегированные стали на экономнолегированные. Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды способствует созданию однородной структуры или структуры с заданным градиентом по сечению детали в зависимости от марки стали, что в свою очередь позволит создать благоприятное распределение внутренних напряжений, повысить усталостные характеристики изделий и снизить склонность к трещинообразованию.

В связи с этим актуальность представленной работы заключается в разработке ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических решений, позволяющих существенно повысить эксплуатационные характеристики упругих клемм рельсовых скреплений.

Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных технологических решений по применению быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении упругих клемм рельсовых скреплений из различных марок сталей, а также расширение номенклатуры сталей, обеспечивающих в сочетании с новой технологией закалочного охлаждения надежность и долговечность упругих клемм в эксплуатации при высокой степени автоматизации и экологической чистоты производственных процессов.

В связи с изложенным выше, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Повышение усталостной прочности (предела выносливости, циклической долговечности) и релаксационной стойкости упругих клемм рельсовых скреплений.

2. Исследование, разработка и внедрение технологии термического упрочнения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм на расширенной номенклатуре конструкционных материалов (кремнистые рессорно-пружинные стали, рельсовые стали и сталь пониженной прокаливаемости).

3. Исследования технологических особенностей применения быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении, обеспечивающем равномерный и одновременный отвод тепла по поверхности упругой клеммы с высокой скоростью, и устранение неблагоприятного напряженного состояния в изделии, которое может приводить к образованию закалочных трещин в упругих клеммах.

4. Выявление механизмов упрочнения стали при охлаждении в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды.

5. Выявление технологических параметров термической обработки, обеспечивающих отсутствие закалочных трещин.

6. Разработка нормативной документации на новые конструкционные материалы для упругих клемм.

На основе систематизации и обобщения отечественного и зарубежного опыта производства упругих клемм рельсовых скреплений, а также исследований автора, разработаны теоретические и технологические основы производства новых конструкционных материалов и системы закалочного охлаждения для упругих клемм рельсовых скреплений.

При рассмотрении научных и практических результатов, представленных в данной работе при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений, вводится новое определение. Быстродвижущийся поток воды - это движение охлаждающей жидкости со скоростью (V), достаточной для получения критической скорости охлаждения (УКр.) на заданной толщине изделия в интервале температур диффузионного распада аустенита (720 - 550) °С, обеспечивающей отсутствие закалочных трещин при закалочном охлаждении. Движение охлаждающей жидкости характеризуется подачей воды душированием, потоком или смешанным способом ее движения при соот