CC BY
54
УДК 669.14.018,294
М. А. ГРИЩЕНКО (ДПТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРИЧИН ВИНИКНЕННЯ ВИЩЕРБИН МЕТАЛУ НА ПОВЕРХН1 КОЧЕННЯ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С
У CTarri наведено результати дослщжень стосовно виникнення дефектiв - вищербин металу по noBepxHi кочення залiзничних колiс.
В статьи приведены результаты исследований относительно возникновения дефектов - выкрашивания металла по поверхности качения железнодорожных колес.
In the article the research results related to an origin of defects - crumbling out of metal on the tread contact surface of railway wheels - are presented.
В мюцях контакту з рейкою колесо тдда-сться значним статичним i динамiчним наван-таженням. В результат цього в зонах дотику колю з рейками виникають велию контакты напруження. В процес гальмування мiж колесами i колодками створюються великi сили те-ртя, яю сприяють утворенню цiлого ряду дефе-ктiв [1-3]. Удари колю на стиках рейок можуть викликати появу трщин в ободi.
Наведет фактори експлуатацiйного характеру, разом з недосконалостями металу за ви-могами нормативно-техшчно! документаци на вироби, можуть приводити до передчасного вилучення з експлуатаци залiзничних колiс.
На основi аналiзу випадкiв передчасного вилучення колю з експлуатаци визначено, що пе-реважна кiлькiсть дефектов пов'язана з металом ободу колеса.
На пiдставi цього метою роботи е аналiз причин передчасного вилучення залiзничних колiс з експлуатаци.
Матерiалом для дослiдження служили вщ> браш зразки металу з чотирьох залiзничних колiс з найбiльш виразним руйнуванням - ви-щербинами металу на поверхш кочення (рис. 1) (№1 - 86 2 42685 20 3592200; №2 - 84 2 05280 18 181732; №3 - 01 2 32305 20 037692; №4 -02 2 21189 20 045642).
Макроструктуру вивчали за допомогою методик, наведених у [4]. Мшроструктурш досл> дження проводили з використанням свтолового мшроскопа «Epiquant». Розмiр структурних складових визначали використовуючи методики кшькюно! металографи [5]. Результати до-слiдження хiмiчного складу металу пошкодже-них колю наведеш в табл. 1. Результати визна-чення механiчних властивостей наведеш в табл. 2.
Таблиця 1
Результати дослщження х1м1чного складу металу пошкоджених кол1с
№ плавки, Вмют елеменпв, %
марюру- C Mn Si P S Cr Ni Cu Al Ti
вання не бшьше 0,035
1 0,61 0,78 0,30 0,027 0,027 0,14 0,09 0,15 0,005 -
2 0,55 0,72 0,31 0,018 0,02 0,1 0,06 0,08 0,006 -
3 0,57 0,68 0,33 0,009 0,01 0,07 0,06 0,09 0,002 -
4 0,57 0,66 0,32 0,012 0,014 0,09 0,04 0,06 0,023 -
ГОСТ 0,50 0,50 0,22 0,035 0,040 не бшьше 0,25 %
10791 0,65 0,90 0,45 кожного
в г
Риа 1. Вигляд вищepбин мeтaлy га пoвepxнi кoчeння дocлiджyвaниx кoлic (a - № 1; б - № 2; в - № 3; г - № 4)
Taблиця 2
Результата дослвдження мехашчних властивостей пошкоджених колк
№ плaвки, Haprnpy-вaння Мeжa H^odi СТВ > Н/мм2 B^orae пoдoв- жсння S , % B^orae звужШНЯ у , % Tвepдicть HB Удapнa в'язкicть пpи pyйнyвaннi пpи t = 20 °С, МДж/м2
1 980 12,0 32,0 290 0,34
2 925 9,0 24,0 290 0,28
3 9б0 15,5 39,0 2бб 0,32
4 975 14,5 31,0 2б2 0,31
Haвeдeнi в тaбл. 1 i 2 eкcпepимeнтaльнi дaнi cвiдчaть, щo дocлiджyвaнi кoлeca в пepшoмy нaближeннi вiдпoвiдaють вимoгaм нopмaтивнo-тexнiчнoï дoкyмeнтaцiï [б].
^и пpoвeдeннi зoвнiшньoгo oглядy вищep-бин вcтaнoвлeнo, щo ïx глибита cтaнoвилa зш-чeння вiд 2 дс 5 мм. TaK, для кoлeca № 4 (pro. 1г) вищepбини мaлиx poзмipiв cкoнцeнт-poвaнi нa 200 мм yздoвж пoвepxнi кoчeння, a для толю № 1 i № 2 мaють бiльший poзмip,
який дocягae дo 100 мм в neperam, тa cкoнцeн-тpoвaнi в oднoмy мicцi. Для кoлeca № 3 xapaK-тep poзтaшyвaння дeфeктiв в пopiвняннi з № 2 i № 4 зaймae пpoмiжнe пoлoжeння.
Як пoкaзaли мaкpocтpyктypнi дocлiджeння y 3pa3Kax кoлic № 1, 3, 4, флoкeни, тpiщини, po3-шapyвaння мeтaлy вiдcyтнi. Ha тeмплeтi з кoлe-ca № 2 виявили, щo мeтaл нa paдiaльнiй пoвep-xнi (пicля тpaвлeння в гapячoмy poзчинi mrao-ти) мae дyжe знaчнi тpiщини, якi poзтaшoвaнi
паралельно поверхш кочення (рис. 2). При цьо-му зростання трщин зорiентовано вщ мiсць вищербин металу в об'еми, де не спостериали виникнення дефектов.
Рис. 2. Вигляд темплету колеса № 2 на рад1альному перетиш
Мiкроструктурнi дослiдження для колеса № 1 не виявили вщхилень щодо вимог ГОСТ 10791-89. Для колеса № 4 визначена наявнють неметалевих включень поблизу мiсць вищербин металу, - це тдтверджують трщини з ви-ходом на поверхню кочення колеса, якi повню-тю заповненi окислами металу. Ощнка кшькос-тi та розмiру неметалевих включень для колеса № 2 показала, що забруднення металу досягае рiвнiв, яю суттево перебiльшують вимоги ГОСТ (у декшька разiв) (рис. 3). На тдсташ цього можна вважати залежнють зародження трiщин вiд неметалевих включень.
Рис. 3 Макроструктура зал1зничного колеса № 2
поблизу трщин шд поверхнею кочення (А - трщина, Б - частки неметалевих включень)
Дослщження колеса № 3 показали в окре-мих мiсцях формування сiтки структурно-вiльного фериту, який розташований по грани-цях перлггних колонiй. Крiм цього, як свщчить аналiз розмiру перлiтних колонiй, перлона складова структури мае 5 бал, та в мюцях поблизу руйнування можна спостер^ати наявнють зерен структурно-вiльного фериту з роз-мiром до 40 мкм в перетиш (рис. 4), що не вщ-повiдае вимогам ГОСТ.
Рис. 3. М1кроструктура зал1зничного колеса № 3 поблизу поверхш руйнування металу
В ropiBMHHi з шшими колесами, досл> дження внутрiшньоï будови колеса № 1 не ви-явило ознак, яю можна пов'язати з порушення-ми технологiï виробництва затзничних колiс. Формування смуг структурно-вiльного фериту, яю перехрещуються, що експериментально спостериаються безпосередньо пiд поверхнею кочення, можна вважати вщповщальними за появу в цих мiсцях (поблизу з вищербинами металу) сiтки трiщин, перпендикулярно орiен-тованих до напрямку кочення. Зовшшнш вигляд трiщин вказуе на термiчний характер ïx походження [7]. В процес кочення колеса, за рахунок циктчного навантаження та пластич-ноï деформацiï металу, розвиток релаксацшних процесiв в приповерхневих шарах призводить до зниження рiвня остаточних напружень стис-кання [8]. На пiдставi цього вказанi об'еми металу мають аномально знижений опiр зрос-танню трiщин. В процесi гальмування рухомого складу шдвищення температури в поверхнево-му шарi металу може сягати рiвня до 750...800 °С. В цьому випадку структурнi пере-творення, разом з високим градiентом внутрь шнix напружень, будуть сприяти зростанню трiщин. Враховуючи вiдсутнiсть вiдxилень по
нeмeтaлeвим включeнням (ГОСТ 10719), iншi впливи cпpияють виникнeнню мeншиx вищep-бин, щo eкcпepимeнтaльнo пiдтвepджeнo (гли-бита дo 2... 2,5 мм). Укaзaнa тpiщинa, кoли нe дocягaлa кpитичнoгo poзмipy, пpи якoмy вщбу-вaeтьcя ïï пpиcкopeнe зpocтaння, пpи нacтyпнo-му плacтичнoмy дeфopмyвaннi зa paxyнoк cклaдoвoï зcyвoм мoжe зaкaтyвaтиcь. Пoдaльшe знoшeння мeтaлy пo пoвepxнi кoчeння мoжe пpивecти дo пocлiдyючoгo poзкpиття тpiщини i ïï зpocтaння. Taким чигом, якщo для eтaпy ^и-cTOperoro зpocтaння тpiщини нe бyдe cклaдeнo дoдaткoвиx yмoв, тo пpи чepгoвoмy oбтoчyвaн-нi кoлeca цeй дeфeктний шap мeтaлy з roCT^i-льним oпopoм зpocтaнню тpiщин бyдe знятий. В цьoмy випaдкy мoжнa oчiкyвaти збiльшeння тpiщинocтiйкocтi мeтaлy, ocoбливo m пoвepxнi кoчeння.
Для кoлeca № 2 paзoм з тeмпepaтypним впливoм, який визнaчeнo пo мiкpocтpyктypi мeтaлy, дocтaтньo вeликa кiлькicть нeмeтaлe-виx включeнь, якi poзтaшoвaнi в мiкpoтpiщи-нax, мoжyть poзглядaтиcь як та^ямки пoдa-льшoгo poзпoвcюджeння зpocтaючoï тpiщини. Циклiчнa змiнa тeмпepaтypнoгo впливу, з дo-cтaтньo виcoким гpaдieнтoм тeмпepaтyp в ута-зaнoмy шapi мeтaлy (1...1,5 мм), cyпpoвoджy-eтьcя змiнoю eтaпiв змiцнeння (вiд нaклeпy мe-тaлy пpи кoчeннi кoлeca го pefeax) тa згомщ-нeння ^и piзкoмy poзiгpiвi пpи гaльмyвaннi. ^йбшьший piвeнь внyтpiшнix нaпpyжeнь в мeтaлi бyдe cпocтepiгaтиcь пoблизy мiжфaзнoï пoвepxнi «мaтpиця - нeмeтaлeвe включeння». Ha пiдcтaвi цьoгo мoжнa ввaжaти, щo ocнoвнoю пpичинoю pyйнyвaння кoлeca № 2 e пepeбiль-шeння кiлькocтi нeмeтaлeвиx включeнь cтocoв-нo вимoг ГОСТ.
Miкpocтpyктypнi дocлiджeння мeтaлy кoлeca № 3 пoкaзaли нaявнicть штки crpy^ypro-вiльнoгo фepитy, який видiливcя пo вeликoкy-тoвиx гpaницяx aycтeнiтнoгo зepнa. Обyмoвлe-нo цe тим, щo cтpyктypa мeтaлy в дocлiджyвa-ниx мicцяx мae вiдxилeння вщ вимoг ГОСТ щo-дo бaльнocтi пepлiтнoï cклaдoвoï. Haявнicть зepeн cтpyктypнo-вiльнoгo фepитy мoжe poз-глядaтиcь як явищe cтpyктypнoï нeoднopiднoc-тi, ято тiльки cпpияe пpoцecaм pyйнyвaння. Bpaxoвyючи, щo твepдicть фepитy пpиблизнo в 2...2,5 paзи нижчa зa твepдicть пepлiтнoï craa-дoвoï, a чим бiльшe poзмip зepнa пepлiтy тa ни-жчe йoгo диcпepcнicть, тpiщинocтiйкicть мeтa-лу змeншyeтьcя, зapoджeння тa poзпoвcюджeн-ня тpiщин в циx oблacтяx вiдбyвaeтьcя зa вщ-rocro знижeнoгo piвня нaвaнтaжeнь, нiж y cycwrnx oблacтяx, якi нe мaють вiдxилeнь щoдo
вимoг ГОСТ го cтpyктypi. Taким чинoм, фop-мyвaння cмyг в мeтaлi зi знижeним oпopoм пpoцecaм зpocтaння тpiщин пpивoдить дo np^ cкopeння виникнeння дeфeктiв нa пoвepxнi то-чeння зaлiзничниx кoлic.
Дocлiджeння внyтpiшньoï бyдoви зaлiзнич-нoгo кoлeca № 4 пoкaзaли фopмyвaння тpiщин, щo зa cвoïм xapaктepoм вiдpiзняютьcя вiд тиx, як cпocтepiгaли нa кoлecax № 2 i № 3, xoчa мaють i cпiльнi oзнaки. Taк, нaявнicть нeмeтa-лeвиx включeнь пoблизy мюць вищepбин мeтa-лу, в якж, мoжнa ввaжaти, нeзнaчнe вiдxилeння вщ вимoг ГОСТ щoдo нeмeтaлeвиx включeнь yкaзye нa icнyвaння oб'eмiв мeтaлy з лoкaльнo знижeним oпopoм зpocтaнню тpiщини. Окpiм цьoгo, тpiщини вeликoï дoвжини являли coбoю бeзпepepвнy cмyгy oкиcлiв, з явними oзнaкaми пepeпaлy мeтaлy. Однe з пoяcнeнь щoдo фop-мyвaння yкaзaниx тpiщин мoжe бути пoв'язaнe з дyжe вeликим зpocтaнням тeмпepaтypи, пpи якiй мoжe вiдбyвaтиcя, пo-пepшe, пepeтвopeння cyльфiднoï eвтeктики в piдинy. Ha ocнoвi чoгo, пpи нaвaнтaжeннi тoнкoгo шapy мeтaлy кoлeca (вiд кoнтaктy з peйкoю) мoжe cтaтиcя лoкaль-ний зcyв oднoгo oб'eмy мeтaлy вiд дpyгoгo пo cмyзi piдини. Пo-дpyгe, ^и тaкиx вeликиx тeм-пepaтypax (до 900.1000 °С) нeoдмiннo вщбу-вaeтьcя oкиcлeння бepeгiв тpiщини [9]. Ha тд-cтaвi цьoгo, нaйбiльш вipoгiднoю пpичинoю виникнeння вищepбин мeтaлy e дyжe швидкe зpocтaння тeмпepaтypи дo piвня пepeпaлy мeтa-лу, ^и якoмy виникaють гapячi тpiщини.
Висновок
Дocлiджeння внyтpiшньoï бyдoви мeтaлy толю пoкaзaлo, щo пpaктичнo для вж зpyйнo-вaниx кoлic в oб'eмax мeтaлy бeзпocepeдньo пiд пoвepxнeю кoчeння poзтaшoвaнa oблacть з чгг-то opieнтoвaнoю cмyгoвoю cтpyктypoю. Для piзниx кoлic тoвщинa шapy мeтaлy з yкaзaнoю cтpyктypoю кoливaeтьcя вiд 0,2 дo 0,4 мм. Пpи цьoмy нeoбxiднo вiдзнaчити: якщo для кoлeca № 1 ця зoнa мae мaкcимaльний poзмip i бiльш чггкий виpaз, тo для кoлeca № 2 вoнa пpaктичнo вiдcyтня i знaйдeнa лишe в oднoмy мющ, з cyм-нiвними oзнaкaми. Haвeдeнi peзyльтaти, paзoм з нaявнicтю нeмeтaлeвиx включeнь тa ïx poзтa-шyвaнням, cвiдчaть, щo пpичини виникнeння pyйнyвaння мeтaлy в cвoïи бiльшocтi вiдpiзня-ютьcя для piзниx кoлic.
Для кoлeca № 1 - фopмyвaння ocepeдкiв pyйнyвaння oбyмoвлeнo пepeгpiвoм мeтaлy то-лeca в пpoцeci гaльмyвaння pyxoмoгo cклaдy.
Для колеса № 2 - невиконання ГОСТ 10791 по кшькосп та розмiрах неметалевих включень призвели до руйнування.
Для колеса № 3 - незначне вщхилення вiд ГОСТ щодо бальностi перл^но! складово! разом з накопиченням дефектов металу в результат термiчноl утомленосп обумовило руйнування металу по поверхш кочення колеса.
Для колеса № 4 - руйнування на поверхш кочення вщ сумарного впливу накопичення дефекпв поблизу неметалевих включень, перерву колеса в процес гальмування.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Класиф1кац1я несправностей вагонних кол1сних пар та !х елеменлв [Текст]. - К.: Державна ад-мшютрац1я зал1зн. трансп. Укра!ни, 2006. -79 с.
2. Вакуленко, И. А. Факторы, влияющие на надёжность и долговечность железнодорожных колёс [Текст] / И. А. Вакуленко, Г. В. Рейде-мейстер, О. Н. Перков // В1сник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаря-на. - 2005. - Вип. 9. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2005. - С. 129-132.
3. Вакуленко, И. А. Зависимость усталостной прочности от структурного состояния стали для железнодорожных колес [Текст] / И. А. Вакуле-
нко, Н. А. Грищенко, О. Н. Перков. - В кн.: Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промышленности и на транспорте. - К., 2007. - С. 242-244.
4. Панченко, Е. В. Лаборатория металлографии [Текст] / Е. В. Панченко , Ю. А. Скаков, Б. И. Кример. - М.: Металлургия, 1965. - 439 с.
5. Салтыков, С. А. Стереометрическая металогра-фия [Текст] / С. А. Салтыков. - М.: Металлур-гиздат, 1958. - 446 с.
6. ГОСТ 10791 Колеса цельнокатаные. Технические условия [Текст].
7. Структурные изменения в металле железнодорожных колёс при формировании термических трещин [Текст] / О. Н. Перков и др. // Зал1зн. трансп. Укра!ни. - 2006. - № 1. - С. 44-45.
8. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д.: ваМеатш, 2003. - 94 с.
9. Вакуленко, I. О. Чинники, як впливають на роз-виток втомленосп металу в процеа експлуата-ци зал1зничних кол1с [Текст] / I. О. Вакуленко, О. Н. Перков, М. А. Грищенко // Зал1зн. трансп. Укра!ни. - 2007. - № 5. - С. 70-71.
Надшшла до редколегп 26.08.2008.
