автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности структурообразования при плазменной обработке стали 60Г и промышленное освоение технологии поверхностного упрочнения гребней железнодорожных колесных пар

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

1.1. Низкотемпературная плазма и ее применение в технике.

1.1.1. Физические основы получения низкотемпературной плазмы.

1.1.2. Конструкции, принципы работы современных плазмотронов и область их применения.

1.2. Виды поверхностной обработки.

1.2.1. Влияние плазменной обработки на свойства стали.

1.2.2. Влияние плазменной обработки на структуру упрочненного слоя.

1.2.3. Плазменная химико-термическая обработка.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛИ; ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.s.

3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Материалы и требования к ним.

3.2. Методы исследования.

4. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА.

4.1. Разработка усовершенствованной конструкции плазмотрона и технологии поверхностной обработки.

4.1.1. Влияние угла раскрытия канала выходного электрода на характеристики плазмотрона.

4.1.2. Влияния геометрии сопла на характеристики плазмотрона.

4.1.3. Выбор оптимальных параметров преобразователя потока.

4.1.4. Разработка технологии плазменного упрочнения стали 60Г.

4.1.3.1. Влияние режимов плазменной обработки на геометрические параметры и твердость упрочненной зоны.

4.1.3.2. Влияние режимов плазменной обработки на механические свойства и сопротивление разрушению упрочненной зоны.

4.1.3.3. Влияние режимов плазменной обработки на микротвердость и структуру упрочненной зоны.

4.1.3.4. Влияние режимов плазменной обработки на фазовый состав и структурное состояние поверхностного слоя.

4.2. Сравнительные исследования механических свойств, сопротивления разрушению и структуры железнодорожных колес, упрочненных по разным технологиям.

4.2.1. Общая характеристика исследуемых колес и методика вырезки образцов.

4.2.2. Механические свойства упрочненной зоны.

4.2.3. Испытания на износостойкость.

4.2.4. Сопротивление разрушению при циклическом нагружении.

4.2.5. Склонность к замедленному разрушению в условиях воздействия напряжений, коррозионной среды и водорода.

4.2.6. Микроструктура.

4.2.7. Электронномикроскопическое исследование тонкой структуры.

4.2.8. Рентгенографический анализ фазового состава упрочненной зоны.

4.2.9. Сопоставление структуры и свойств упрочненных колес.

4.3. Создание и освоение промышленной установки для поверхностного упрочнения железнодорожных колесных пар.

4.3.1. Конструкция и технические данные промышленной установки.

4.3.2. Эксплуатационные характеристики упрочненных колес.

С середины 80-х годов на отечественных железных дорогах стала отмечаться тенденция к снижению износостойкости поверхностей колесных пар, участвующих во взаимодействии с рельсом. В этот период времени: завершался переход на более узкую колею шириной 1520 мм; железнодорожный путь насыщался рельсами утвержденного в 1979 г. профиля, обеспечивающего наличие двухточечного контакта с профилем катания колеса; производилась замена сырых рельсов объемнозакаленными; снижалось количество вагонов в эксплуатации, работающих на подшипниках скольжения, и в связи с этим уменьшалась естественная смазка рельсов; внедрялись интенсивные технологий, связанные с увеличением нагрузки на ось грузового вагона, увеличением массы и длины поезда и многие другие. Подобные изменения на железнодорожном транспорте проводились и ранее, но это не сопровождалось таким падением износостойкости колес.

Повреждения колес, связанные с износом и контактно-усталостными явлениями, не только снижают ресурс колесных пар и тем самым повышают расход металла, но напрямую связаны с безопасностью движения. Опасная форма гребня, возникающая при износе, провоцирует вкатывание гребня колеса на головку рельса и последующий сход состава. Если учесть, что износ гребня является самым распространенным видом эксплуатационных повреждений колес, то можно представить масштаб проблемы.

Одним из направлений, призванным предотвратить катастрофический износ гребней колес, является повышение износостойкости бандажей локомотивных и цельнокатаных вагонных колес. В соответствии с указаниями Министерства путей сообщения (МПС) с 1989 года Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) совместно с железными дорогами и другими организациями транспорта проводил исследования в этой области. Наряду с металлургическими методами и термической обработкой в условиях заводов-изготовителей рассматривалось и местное поверхностное упрочнение гребней и поверхностей катания колес подвижного состава с использованием различных технологий, применяемых как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации колес. Итогом этой работы явилось заседание президиума Научно-технического Совета Министерства путей сообщения Российской Федерации 12 января 1995 года, на котором было принято решение об использовании поверхностного упрочнения гребней и круга катания колес для повышения их срока службы. При этом для широкого внедрения на сети железных дорог из все существующих способов упрочнения (газопламенный, токами высокой частоты, плазменный, электроннолучевой и лазерный) по своим технико-экономическим показателям и результатам сравнительного анализа рекомендованы плазменная и магнитоплазменная поверхностная закалка.

Плазменное поверхностное упрочнение при определенных условиях можно отнести к химико-термической обработке т.к. этот процесс заключается в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя. Отличительной особенностью плазменного поверхностного упрочнения является возможность получения скоростей нагрева и охлаждения материалов, значительно превышающих значения, характерные для традиционных методов упрочнения (закалки ТВЧ, газопламенной закалки и др.), что позволяет получить упрочненный слой с высоким уровнем эксплуатационных свойств. Поэтому разработка научнообоснованной технологии плазменной обработки должна базироваться на изучении закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств упрочненного металла при воздействии на него плазменной струи. С другой стороны, скоротечность процесса плазменного упрочнения накладывает более жесткие требования к оборудованию и управлению технологическими параметрами. Комплексное решение этих задач при разработке технологии упрочнения и создании установки позволяет гарантировать четкое соблюдение технических требований, предъявляемых к ответственным изделиям, каковыми являются колесные пары тягового и подвижного состава железной дороги.

Цель работы. На основе исследования физико-технических характеристик плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода и установления закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств упрочненного слоя разработать установку для плазменной обработки и технологию поверхностного упрочнения гребней железнодорожных колесных пар.

Основными научными результатами диссертационной работы, выносимые автором на защиту, являются:

- разработанные на основе экспериментальных исследований физико-технических характеристик оптимальные конструктивные параметры плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода, обеспечивающие повышение КПД, надежности работы и эффективности обработки;

- закономерности формирования структуры и механических свойств упрочненной зоны стали 60Г, обработанной по существующей и разработанной технологиям;

- установленные в упрочненной зоне специфические, нехарактерные для низколегированной стали структурные составляющие - нитридные фазы, аустенит и «фермообразный» мартенсит, образующиеся в результате насыщения поверхностного слоя стали 60Г азотом при воздействии плазменной струи на поверхность металла;

- структурный механизм повышения уровня механических свойств и сопротивления разрушению плазменноупрочненной стали 60Г, заключающийся в образовании широкого спектра структур по толщине упрочненного слоя - нитридных фаз, аустенита, «фермообразного» и пакетного мартенсита, троостомартенсита и троостосорбита;

- результаты экспериментальных исследований влияния режимов плазменной обработки на механические свойства, фазовый состав и структурное состояние упрочненной зоны стали 60Г и предложенные на их основе оптимальные скорость обработки, расход газа и мощность нагрева;

- созданные промышленные установки плазменного поверхностного упрочнения колесных пар;

- результаты статистических исследований эксплуатационных характеристик упрочненных и неупрочненных колесных пар.

На основе проведенных исследований разработана и согласована с руководством МПС «Инструкция по плазменному поверхностному упрочнению цельнокатаных колес и бандажей» № ЦТ, ЦВ, ЦЛ - 538. Разработанная установка упрочнения колесных пар сертифицирована Госстандартом РФ. Получены сертификаты на поверхностноупрочненные колеса цельнокатаные для вагонов и бандажи колесных пар для тепловозов и электровозов железных дорог. За создание установки упрочнения коллектив разработчиков награжден дипломами ВВЦ и медалями «Лауреат ВВЦ» по итогам работы выставки-ярмарки «ЭКСПОЖД-98». Внедрено 10 установок упрочнения колесных пар на Московской и Юго-Восточной железных дорогах.

Тема диссертационной работы выполнена в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ ФГУП ЦНИИчермет им. И.П.Бардина и Научно-технологического центра энергосберегающих процессов и установок Российской Академии Наук (НТЦ ЭПУ РАН).

Автор выражает благодарность научным руководителям д.т.н., Филиппову Г.А. и к.ф.-м.н., Исакаеву М.-Э.Х., а также сотрудникам лаборатории проблем металла для транспорта Института Качественных Сталей ФГУП ЦНИИчермет им. И.П.Бардина и отдела плазменных технологий НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН за помощь в работе и поддержку.

1. Г. А.Фарнасов, А.Г.Фридман, В.Н.Каринский. Плазменная плавка. - М.: Металлургия, 1968, 180 с.

2. А.Н.Краснов, С.Ю.Шаривкер, В.Г.Зильберберг. Низкотемпературная плазма в металлургии. М.: Металлургия, 1970, 215 с.

3. Л.Н.Усов, А.И.Борисенко. Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий. М.: Наука, 1965, 87 с.

4. Н.Н.Рыкалин.Тепловые основы сварки. M.-JL: изд-во АН СССР,1947,154 с.

5. КК. Хренов. Сварка, резка и пайка металлов. М.: Машиностроение, 1970, 408 с.

6. Г.М. Тиходеев. Энергетические свойства электрической сварочной дуги. М.-Л.: изд-во АН СССР, 1961,204 с.

7. Л.А.Арцимович. Элементарная физика плазмы.-М.: Атомиздат,1969,191 с.

8. M.W. Thring. Plasma engineering. Доклад наИЮПАК, 1965.

9. В.Финкелъбург, Г. Меккер. Электрические дуги и термическая плазма. -М.: Иностранная литература, 1961, 236 с.

10. A.A. Belevtsev, V.F. Chinnov, E.Kh. Isakaev, A.V. Markin, N.O. Spector, Relaxation of high enthalpy nitrogen plasma flows/ Proc. of the 15th International Symposium on Plasma Chemistry, Orlean, 2001,vol.3, pp. 765-770.

11. В.С.Коваленко, Л.Ф.Головко, Г.В.Меркулов и др. Упрочнение деталей лучом лазера. Киев: Техника, 1981,130 с.

12. Л.КЛещинский, И.И.Пирч, С.С.Самотугин и др. Структура и свойства наплавленного металла и углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей// Сварочное производство, 1985, №11, с.20 22

13. О.Л.Кащук, В.Н.Дубняков. Механизм упрочнения сплавов лазерным излучением. -М.:Деп.в ВИНИТИ 5.04.88, №5223-В88, 1988, с. 7.

14. Л.КЛещинский, С.С.Самотугин, И.И.Пирч и др. Плазменное поверхностное упрочнение. Киев.: Тэхника, 1990,109 с.

15. B.C.Великих, В.П.Гончаренико, А.В.Романенко и др. Влияние лазерной закалки на механические свойства стали 45// Физика и химия обработки материалов, 1983, №3, с.21-25.

16. А.И.Банъковский, В.В.Дивинский, В.Я.Митин. Влияние лазерной термообработки на механические свойства конструкционных сталей// Металловедение и прочность материалов. Волгоград.: 1988, с. 29-39.

17. Г.А.Исхаков, Х.М.Рахимянов. Исследование микроструктуры и механических свойств стали 45 после плазменного термоупрочнения// Электронная обработка материалов, 1987, №5, с. 24-27.

18. С.С.Самотугин, Л.К.Лещинский, И.И.Пирч и др. Определение характеристик трещиностойкости углеродистых сталей, упрочненных плазменной струей// Заводская лаборатория, 1985, №7, с. 69-71.

19. М.Л.Бернштейн. Прочность стали М.: Металлургия, 1974, 200 с.

20. Справочник по технологии лазерной обработки / Под ред. B.C. Коваленко. -Киев.: Тэхника, 1985, 167 с.

21. Д.С.Ставрев, Л.М.Капуткина, С.К.Киров и др. Влияние плазменно-дуго-вой обработки на структурные превращения и поверхностное упрочнение углеродистых и легированных сталей// МиТОМ, 1996, №9, с. 16-19.

22. В.А.Линник, А.К.Онегина, А.И.Андреев и др. Поверхностное упрочнение сталей методом плазменной закалки// МиТОМ, 1983, №4, с. 2 5.

23. А.П.Степанков, И.Л.Поболъ, А.Я.Лях и др. Поверхностное упрочнение сталей путем электродугового нагрева/ Прогрессивные технологии упрочнения деталей машин и инструмента с применением источников с высокой концентрацией энергии. Пенза: 1986, с. 49 - 50.

24. В.Д.Пархоменко, Н.Ф.Огданский, М.В.Крыжановский и др. Структурные эффекты в сталях при плазменной химико-термической обработке. Киев: Деп.в УкрНИИНТИ, 1987, №1272, Ук87, 13 с.

25. Ри Сэйу. Поверхностное упрочнение металлов под действием высокотемпературной плазмы. Гиэн: 1977, №21, с. 7 - 13.

26. Основы термической обработки/ под ред. М.Л.Бернштейна, А.Г.Рахштадта -М.: Металлургия, 1983, т.2, с. 341-343.

27. Дж.Д.Фаст. Взаимодействие металлов с газами. -М.: Металлургия, 1975, т. 2, с. 136-145.

28. Ю.М.Лахтин, Я.Д.Коган. Азотирование стали. -М.: Машиностроение, 1976,256 с.

29. В.Б. Райес. Термическая обработка. М.: Машиностроение, 1980, 247 с.

30. С.А.Астапчик. Фазовые и структурные превращения в сталях и сплавах при лазерном нагреве// Известия АН БССР, Сер. физ.-техн. наук, 1982, №4, с.30-37.

31. Д.П.Марков. Закалка гребней колес подвижного состава на высокую твердость для снижения бокового износа// Вестник ВНИИЖТ, 1997, №1, с.36-42.

32. Ю.МДомбровский, А.В.Бровер. Обработка стали воздушно-плазменной дугой со сканированием// МиТОМ, №1,1999, с. 10-13.

33. Л.И.Миркин. Справочник по рентгенографическому анализу поликристаллов. -М.: Физматгиз, 1961, гл.4.5.

34. Л.И.Грибанова, В.И.Саррак, Г.А. Филиппов. Процесс зарождения трещины при замедленном разрушении стали в условиях насыщения водородом// ФММ, 1985, т.59, вып.5, с. 996-1004.

35. А.ИЖидович, С.К.Кравченко, О.И.Ясъко. Обобщение вольтамперных характеристик электрической дуги, обдуваемой разными газами// В сб. «Генераторы низкотемпературной плазмы». М.: Энергия, 1969, 156 с.

36. М.Ф.Жуков. Электрические и тепловые характеристики высоко-энтальпийных плазмотронов// В сб. «Экспериментальные исследования плазмотронов». Новосибирск: Наука, 1977, 221 с.

37. М.Ф.Жуков, А.С.Коротеев, Б.А.Урюков. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука, 1975, 298 с.

38. В.А.Башкатов, Э.Х.Исакаев, М.Б.Кретин и др. Электродуговой плазмотрон. А.с. 814250 //Б.И, 1982, № 6.

39. Дж.Ф. Шеффер. Дуга, стабилизированная вращением. Ракетная техника и космонавтика. М.: Мир, 1978, т. 16, №10, с.58-68.

40. Э. Х.Исакаев, Р. Р. Григорьянц, Н. О. Спектор, А. С. Тюфтяев. Влияние угла раскрытия канала выходного электрода на характеристики плазмотрона// Теплофизика высоких температур, 1994, т. 32, № 4, с. 627 637.

41. И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л.: Машиностроение, 1987, 192 с.

42. Д.Г. Быховский. Плазменная резка. Л.: Машиностроение, 1972,167 с.

43. Электротехнология 1965//Итоги науки и техники. М.:ВИНИТИ,1967, 65 с.

44. Э.Х.Исакаев, А.С.Тюфтяев. Плазмотроны для резки металлов// Сб. Научно-технические достижения. Всероссийский научно-исследовательский институт межотраслевой информации, 1993, № 5, с.7-8.

45. Э.Х.Исакаев, А.С.Тюфтяев. Влияние геометрии сопла на характеристики дуги в плазмотроне для резки металлов// Сварочное производство, 1994, № 7, с.23-24.

46. КВ.Васильев, Л.О.Кохликян, В.Н.Петелин. Связь скоростей потоков плазмы и расплава при плазменной резке// Труды ВНИИавтогенмаша- М.: Машиностроение, 1980, с. 9-19.

47. М.Ф. Жуков, В.Я.Смоляков, Б.А.Урюков. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). М.: Наука, 1973, 232 с.

48. Э.Х. Исакаев, А.А.Троицкий, А.С.Тюфтяев, А.Э. Яблонский. Устройство для плазменной обработки изделия. Патент РФ №2069131,20.11.96., Бюл. №32.

49. Э.Х.Исакаев, А.С.Тюфтяев, А.Э.Яблонский. Устройство для плазменной обработки. Патент РФ №2152445,10.07.2000, Бюл.№19.

50. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Анищенко JI.M. Высокотемпературные технологические процессы, Теплофизические основы. М.: Наука, 1986, 172 с.

51. Л.Е.Алексеева, В.И.Саррак, Р.О.Суворова, Г.А.Филиппов О двух путях релаксации остаточных микронапряжений в мартенсите стали// Сб. «Металлофизика», Наукова думка, 1975, вып.61, с. 79-84.

52. ПЛ.Иванов, Э.Х.Исакаев, В.И.Изотов, Г.А.Филиппов, А.С.Тюфтяев. Эффективный способ поверхностного упрочнения железнодородных колес// Сталь, 2000, №1, с. 63-66.

53. Е.Ю.Нарусова, Г.А.Филиппов. Замедленное разрушение высокопрочной арматурной проволоки из стали 85// Транспортное строительство, 1991, №4, с.30-32.

54. В.И.Саррак, Г.А.Филиппов. Локальное распределение водорода и внутренние микронапряжения в структуре закаленной стали// ФММ, 1980, т.49, вып.1, с. 121-125.

55. В.Р.Князева, В.И.Саррак, Г.А.Филиппов. Сегрегация примесей и декогезия по границам зерен в стали// Поверхность. Физика. Химия. Механика, 1982, №5, с. 84-88.

56. Г.А.Филиппов. О взаимодействии примесей с границами зерен в аустените// ФММ, 1983, т.55, вып.З, с. 528-532.

57. Б.А.Колачев. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, - 1970, 340 с.

58. В.Р. Князева, В.И.Саррак, Г.А.Филиппов. Роль образующихся в аустените зернограничных сегрегаций фосфора в развитии интеркристаллитной хрупкости стали после закалки и отпуска// ФММ, 1988, т.66,вып.4,с. 792-798.

59. В,И.Изотов, П.А.Хандаров. Классификация мартенситных структур в сплавах железа// ФИМ, 1972, т.34, вып.2, с. 332-338.

60. В.И.Изотов, С.И.Тишаев, М.М.Добаткина. Структура «вырожденного» перлита и ее влияние на механические свойства малоуглеродистой низколегированной стали// ФММ, 1991, №10, с. 174-181.

61. Х.Дж. Голъдишидт. Сплавы внедрения. М.: Мир, 1971, т. 1, 424 с.

62. В.И.Изотов, В.А.Поздняков, Г.А.Филлипов. Выявление и механизм образования хрупких микротрещин в феррито-перлитной трубной стали при растяжении в условиях наводороживания// ФММ, 2001, т.91, №5, с. 84-90.

63. В.И.Шаповалов, В.В.Трофименко. Флокены и контроль водорода в стали. -М.: Металлургия, 1987,160 с.

64. А.Н.Морозов. Водород и азот в стали,- М.: Металлургия, 1968, 284 с.

65. В.И.Саррак, Г.А.Филиппов. Хрупкость мартенсита// МиТОМ, 1978, № 4, с.21-26.