CC BY
7
05.02.00
МАШИНОСТРОЕНИЕ
05.02.07
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
(технические науки)
Сулейманов СултанХамидович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник; заведующий лабораторией Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан. E-mail: sultan.suleimanov@gmail.com Scopus Author ID 7003708124 Researcher ID T-1785-2017
Набиев Эльман Саяд оглы, кандидат технических наук; доцент Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта. Ташкент, Узбекистан. E-mail: nes.2406@mail.ru
Дыскин Валерий Григорьевич, кандидат технических наук; старший научный сотрудник Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан. E-mail: valery. dyskin@gmail.com
Джанклич Мустафа Умерович, кандидат технических наук; старший научный сотрудник Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан. E-mail: dmy59@mail.ru
Дудко Олег Андреевич, младший научный сотрудник Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан. E-mail: oleg-dydko@yandex.ru
Кулагина Наталья Александровна, младший научный сотрудник Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Ташкент, Узбекистан. E-mail: nataly.kulagina@gmail.com
Аннотация. Работа посвящена разработке технологических режимов упрочнения бандажной стали локомотивных колес методом термической обработки концентрированным потоком энергии. Термообработку бандажной стали проводили на солнечной печи при плотностях потока 320, 450 и 500 Вт/см2. Закалку проводили на воздухе и в воде. Для закалки важна скорость нагрева и скорость охлаждения. Если скорости охлаждения меньше критической скорости (Укрит = 50 град/с), то закалка не наблюдается. Величина твердости закаленных стальных образцов после термообоработки при температуре 800-1200 °С и закалке в воду достигает =726 НВ, что не является оптимальным для бандажной стали.
Оптимальная температура для закалки бандажной стали составляет 730-780 °С при плотности потока 450 Вт/см2. При температуре нагрева стальных образцов 730-780 °С и охлаждении закалкой в воду твердость бандажной стали составляет требуемое значение 350-400 НВ.
Изменяя температуру нагрева и скорость охлаждения стали, можно регулировать и получить заданную твердость.
Ключевые слова: поверхностное упрочнение, бандажная сталь локомотивного колеса, концентрированный поток энергии, технологические режимы термообработки, закалка, солнечная печь, твердость.
1 Работа выполнена в рамках проекта ГНТП № БВ-Атех-2018-103 «Разработка технологических режимов и создание устройства для проведения тер-
мообработки и закалки специальных сталей».
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-3-11-15
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ БАНДАЖНОЙ СТАЛИ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ ПОТОКОМ ЭНЕРГИИ1
1
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Введение
В настоящее время одним из стратегически важных рыночно-экономических элементов в развитии народного хозяйства является повышение грузооборота железных дорог. Поэтому актуальной становится проблема повышения надежности и максимального использования ресурса технических средств железнодорожного транспорта. В отношении конструктивных элементов подвижного состава, в частности колес, являющихся наиболее ответственными и металлоемкими деталями, это выражается в принятии мер по увеличению срока их службы.
Среди проблем взаимодействия колес подвижного состава и рельсов значительно возросла проблема интенсивности износа гребня бандажа железнодорожных колес из стали марки 2 и 4, что вызывает большие расходы на текущее содержание и восстановление поверхности катания колес. За последние несколько лет увеличилось число дефектных колес с выщербинами на поверхности катания [1]. Твердость стали марки 2 составляет не менее 269 НВ на глубине 20 мм и не более 321 НВ на гребне. Твердость стали марки 4 составляет 320-360 НВ на глубине 20 мм от поверхности катания и не более 380 НВ на гребне [2].
Износ в зоне контакта «колесо-рельс» устранить полностью невозможно, но замедлить интенсивность износа возможно, например, при помощи:
• совершенствования профиля поверхности катания колес;
• применения оптимального соотношения прочности колеса и рельса;
• повышения прочности и твердости колес.
При восстановлении профиля колес повышенной твердости в настоящее время существует проблема технологического износа. Это явление выражается в снятии в стружку слоя полезного металла. После двух-трех обточек упрочненный слой изнашивается или срезается в стружку. Весь остальной период срока службы колесные пары работают практически без упрочнения, все интенсивнее изнашиваются и поражаются дефектами термоконтактно-усталостного происхождения. В результате на поверхности катания колес, поступающих из эксплуатации в ремонт, часто имеются участки, которые вызывают затруднения при восстановлении профиля обточкой, ухудшая обрабатываемость [3].
Вследствие срезания слоя металла обода при обточках не только уменьшается диаметр колеса, но и снижается его износостойкость, а, следовательно, и срок службы колеса. Поэтому недоиспользование полного ресурса работы колеса требует исследований по поиску путей увеличения пробегов между обточками до смены колеса.
Предмет исследования
Упрочнение наплавленного слоя бандажной стали железнодорожных локомотивных колес.
Методы исследования
Термообработка в концентрированном потоке солнечной энергии, исследование микротвердости закаленной бандажной стали, измерение температуры термопарами.
Обоснование необходимости
проведения исследования
В значительной степени справедливо утверждение, что качество деталей машин заложено в поверхностном слое
05.02.07
материала, из которого они изготовлены. Очевидно, что использование дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно и дорого. Поэтому в машиностроении широко используют методы объемного упрочнения изделий с помощью их термической обработки и методы, обеспечивающие различное сочетание свойств в поверхностном слое и внутреннем объеме деталей - поверхностную закалку. Одним из технологических решений является упрочнение поверхностного слоя изделия за счет изменения его структуры.
Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая термическая обработка рабочей поверхности концентрированным потоком энергии, сущность которой состоит в высокоскоростном нагреве поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали. Это обусловливает изменение структуры поверхностного слоя за счет фазового превращения. Образующиеся при скоростных нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокими твердостью, износостойкостью, сопротивлением разрушению, что способствует повышению ресурса деталей машин [4; 5].
Экспериментальная часть
В работе нами исследовалась возможность упрочнения бандажной стали железнодорожных локомотивных колес марки 4 в концентрированном потоке солнечной энергии. Бандажи железнодорожных колес изготавливаются из сталей марки 2 и 4. Сталь марки 2 используется для изготовления вагонных колес. Сталь марки 4 используется для локомотивных колес. Самая острая проблема износа стоит именно для локомотивных колес. Поэтому для исследования технологических режимов упрочнения нами были взяты фрагменты бандажей железнодорожных локомотивных колес из углеродистой стали марки 4 после износа с твердостью 220 НВ. Эта сталь относится к доэвтектоидным сталям с содержанием углерода 0,65-0,75%.
Использование концентрированного потока энергии дает эффект поверхностной закалки. Поверхностная закалка улучшает эксплуатационные свойства детали благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений. Поверхностная закалка применяется с целью получения высокой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины.
Основные параметры при закалке - температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграмме состояния железо - углерод, скорость охлаждения - по диаграммам изотермического распада аустенита.
Эксперименты по термообработке сталей проводились на лабораторной печи радиационного нагрева УРАН и лабораторных солнечных печах. Для проведения экспериментов были подготовлены образцы размером 2 х 2,5 см толщиной 8-10 мм. Термообработка образцов на лабораторной печи радиационного нагрева УРАН проводилась при плотностях потока 320 и 450 Вт/см2. Плотность потока в фокусе солнечной печи достигала 450-500 Вт/см2.
Для измерения температуры был разработан и изготовлен специальный шестиканальный электронный блок - измеритель температуры, рассчитанный на использование
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ БАНДАЖНОЙ СТАЛИ
КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ ПОТОКОМ ЭНЕРГИИ Сулейманов С.Х., Набиев Э.Саяд оглы, Дыскин В.Г., Джанклич М.У., Дуд ко O.A., Кулагина H.A.
различных видов термопар. Сваренные концы хромел ь-алю-мелевой термопары были вчеканены в образец. Показания термопар снимались на измеритель температуры и передавались на компьютер. Затем строились графики изменения температур в зависимости от времени, по которым определялись скорости нагрева и охлаждения в том или ином диапазоне температур.
Обсуждение результатов исследования
На рис. 1 показано изменение температуры стальных образцов при термообработке в режиме: нагрев при плотности потока 320 и 450 Вт/см2 до температуры 850-1050 °С, время нагрева от 50 до 90 с, охлаждение на воздухе на алюминиевой водоохлаждаемой подложке. Твердость образцов после термообработки увеличилась незначительно до значений 255-300 НВ, что составляет 16 - 30% по отношению к исходной твердости 220 НВ. Такое незначительное изменение твердости можно объяснить недостаточной скоростью охлаждения образцов. Поэтому при охлаждении на воздухе закалка образцов не наблюдается. Кривая нагрева монотонная до максимальной температуры. На кривой охлаждения при Т= 650-660°С наблюдается фазовый переход, который по диаграмме состояния соответствует переходу аустенит -> перлит, что соответствует диаграмме состояний железо-углерод. Так как температура неравновесная и скорость охлаждения достаточно высокая, поэтому температура перехода ниже, чем по диаграмме состояния.
На рис. 2 представлена динамика изменения температуры стальных образцов при термообработке в следующем режиме: нагрев до Т= 500-1200°С при плотности потока 450 Вт/см2, время нагрева от 50 до 90 с, охлаждение закалкой в воду.
Из рисунка видно, что нагрев происходит достаточно монотонно, а закалка в воду резко снижает температуру практически до комнатной, скорость закалки выше критической. Небольшое различие в динамике нагрева объясняется точностью положения образца в фокусе солнечной печи.
На этой серии образцов, закаленных в воду, были проведены измерения твердости. Из условий ГОСТ 398-2010 известны требования, предъявляемые к бандажной стали по твердости 350-400 НВ.
На рис. 3 представлена зависимость твердости бандажной стали марки 4 от температуры при охлаждении образцов закалкой в воду.
Из рис. 3 видно, что при термообработке в области температур 800-1200 °С с закалкой в воду твердость бандажной стали составляет =726 НВ, что в 2 раза выше, чем требуемая по ГОСТ 398-2010. Для оптимальной работы пары колесо -рельс твердость колеса не должна превышать твердость рельса 400 НВ. Бандажная сталь с твердостью =726 НВ теряет пластичность и имеет повышенную хрупкость, что будет отрицательно сказываться на работе самого колеса. А также использование бандажной стали с такими свойствами будет сильно влиять на изнашивание рельсов, что является нерентабельным условием, так как стоимость рельсов намного выше стоимости колес.
В области температур 200-700 °С закалка не наблюдается, что соответствует диаграмме состояния железо-углерод, на которой видно, что до Г = 700 °С фазовые превращения не происходят, твердость термообработанной бандажной стали составляет =271 НВ.
В области температур 730-780 °С твердость закаленной в воду бандажной стали составляет 350-400 НВ, что соответствует требованиям, предъявляемым клокомотивным колесам.
1200
юоо
800
Я 600
400
200
— т= 856 °С 952°С _ 1003 °С 1054 °С
_ J _
100
200
300 400 Время, с
500
600
700
Рис. 1. Изменение температуры на поверхности стальных образцов при облучении концентрированным потоком энергии 320 и 450 Вт/см2, охлаждение на воздухе
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Время, с
Т = 527 "С - Т= 612 °С - Т= 729 °С Т= 752 °С
Т= 758 °С Т- 810 "С - Т- 909 "С - Т=1016°С
Т= 1059 "С - Т= 1107 "С - Т= 1176 °С
Рис. 2. Изменение температуры на поверхности стальных образцов при облучении концентрированным потоком энергии 450 Вт/см2, охлаждение закалкой в воду
800
200
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Температура, °С
Рис. 3. Зависимость твердости закаленных стальных образцов от температуры нагрева при облучении концентрированным потоком энергии 450 Вт/см2
1200 1000
и
° . 800 пз
О.
>
g_ 600
О)
с
| 400
200 0
ISSN 2313-223Х
Т. 6, № 3, 2019
Computational nanotechnology
13
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И
Выводы
Установлено, что закалка бандажной стали в воду в температурном диапазоне 730-780 °С обеспечивает необходимую твердость 350-400 НВ, предъявляемую ГОСТ 398-2010. Надо отметить, что на эффект закалки сильно влияет масштабный фактор. Мы проводили исследования на малых образцах бандажной стали. Переход к технологическим режимам закалки бандажа локомотивного колеса резко меняет теплофизическую картину нагрева и охлаждения изделия. Это потребует дополнительной корректировки технологических условий нагрева и закалки бандажа локомотивного колеса.
13ИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 05.02.07
Литература
1. Иванов И.А., Воробьев A.A., Кушнер B.C., Безнин A.C. Влияние твердости поверхности катания железнодорожных колес на параметры режима обработки // Новые материалы и технологии в машиностроении: Сб. науч. трудов / под ред. Е.А. Памфилова. Брянск: БГИТА, 2004. Вып. 3. С. 37-41.
2. ГОСТ 398-2010. Бандажи черновые для железнодорожного подвижного состава. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2011.
3. Урушев C.B. Разработка ресурсосберегающих технологий колес железнодорожного подвижного состава: Дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 2000. 451с.
4. Шишов A.A., Никулин А.Н., Сухов A.B., Филиппов Г.А.. Технологические аспекты повышения надежности железнодорожных колес // Сталь. 2007. № 9. С. 84-86.
5. Иванов П.П., Исакаев Э.Х., Изотов В.И.,. Филиппов Г.А, Тюфтя-ев A.C. Эффективный способ поверхностного упрочнения железнодорожных колес // Сталь. 2000. N° 1. С. 63-66.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью канд. физ.-мат. наук С.Х. Сулейманова, канд. техн. наук Э.С. Набиева, канд. техн. наук В.Г. Дыскина, канд. техн. наук М.У. Джанклич, O.A. Дудко, H.A. Кулагиной «Исследование технологических режимов упрочнения бандажной стали концентрированным потоком энергии»
Данная работа посвящена исследованию и разработке технологических режимов упрочнения бандажной стали локомотивных колес методом термической обработки концентрированным потоком энергии. До настоящего времени в странах СНГ нет утвержденного ГОСТа на восстановление и упрочнение локомотивных колес. Предприятия работают по временным техническим условиям. К сожалению, в Узбекистане не разработана технология упрочнения наплавленных колес, но эта проблема очень важна, т.к. интенсивность износа «колесо-рельс» определяет пробег и срок эксплуатации.
В работе исследованы температурные режимы термообработки бандажной стали на солнечной печи. Показано, что при плотностях потока 320 и 450 Вт/см2, температурах 800-1200 °С и охлаждении на воздухе закалка не наблюдается, т.к. скорость охлаждения ниже критической
(^крит ~50°С/с), твердость термообработанных в таком режиме стальных образцов составляет 255-300 HB.
Эксперименты по закалке в воду показали, что при температурах 800-1200 °С средняя твердость закаленной бандажной стали составляет 725 HB, что в 2 раза выше, чем необходимые требования 350-400 HB для упрочненной бандажной стали локомотивных колес.
Авторы показали, что закалка бандажной стали в воду в температурном диапазоне 730-780 °С обеспечивает необходимую твердость 350-400 HB, предъявляемую ГОСТ 328-2010. При этом было показано, что масштабный фактор является очень чувствительным к технологическим режимам закалки.
Статья удовлетворяет требованиям журнала и может быть опубликована.
Доктор технических наук Р.Х. Рахимов
THE STUDY OF TECHNOLOGICAL REGIMES OF HARDENING BANDAGE STEEL
OF THE CONCENTRATED FLOW OF ENERGY Suleymanov S.Kh., Nabiev E.Sayad ogli, Dyskin V.G., Djanklich M.U., Dudko O.A., Kulagina N.A.
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-3-11-15
THE STUDY OF TECHNOLOGICAL REGIMES
OF HARDENING BANDAGE STEEL OF THE CONCENTRATED FLOW OF ENERGY
Suleymanov Sultan Khamidovich, Dr. of Science, senior research scientist; head at the Laboratory Materials Science of the Institute of SPA "Physics-Sun" of the Academy Science of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: sultan.suleimanov@gmail.com Scopus Author ID 7003708124 Researcher IDT-1785-2017
Nabiev Elman Sayad ogli, Dr. of Science; assistant professor of the Tashkent Institute of Railway Engineers. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: nes.2406@mail.ru
Dyskin Valery Grigorevich, Dr. of Science, senior research scientist of the Institute of SPA "Physics-Sun" of the Academy Science of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: valery.dyskin@gmail.com
Djanklich Mustafa Umerovich, Dr. of Science; senior research scientist of the Institute of SPA "Physics-Sun" of the Academy Science of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: dmy59@mail.ru
Dudko Oleg Andreevich, junior research scientist of the Institute of SPA "Physics-Sun" of the Academy Science of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: oleg-dydko@yandex.ru
Kulagina Natalya Aleksandrovna, junior research scientist of the Institute of SPA "Physics-Sun" of the Academy Science of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: nataly.kulagina@gmail.com
Abstract. The work is devoted to the development of technological modes of strengthening of the band steel of locomotive wheels by the method of thermal treatment with concentrated energy flow. Thermal treatment of the banding steel was carried out on a solar furnace at flow densities 320, 450 and 500 W/sm2. Quenching was carried out in air and water. Heating and cooling rates are important for quenching. If speed of cooling is less than critical speed (Vcr = 50 deg/s), quenching is not observed. The hardness of the tempered steel samples after thermal treatment at a temperature of 800-1200 °C and treated in water reaches =726 HB, that is not optimum for bandage steel.
The optimum temperature for quenching the band steel is 730-780 °C at a flow density of 450 W/sm2. At the heating temperature of the steel samples 730-780 °C and cooling by quenching into water, the hardness of the band steel is the required value of 350-400 HB.
By changing the heating temperature and cooling rate of the steel, a predetermined hardness can be controlled and obtained.
Key words: surface hardening, locomotive wheel banding steel, concentrated energy flow, thermal treatment process modes, quenching, solar furnace, hardness.
Reference list
1. Ivanov I.A., Vorobev A.A., Kushner V.S., Beznin A.S. The effect of the hardness of the rolling surface of railway wheels on the parameters of the processing mode. New materials and technologies in mechanical engineering'. Sat. scientific proceedings / ed. E.A. Pamfi-lova. Bryansk: BGITA, 2004. Is. 3. P. 37-41.
2. GOST 398-2010. Draft bandages for railway rolling stock. Technical conditions. M.: Standartinform, 2011.
3. Urushev S.V. Development of resource-saving technologies for wheels of railway rolling stock: Dis. ... Dr. Tech. Sciences. SPb., 2000.451 p.
4. Shishov A.A., Nikulin A.N., Sukhov A.V., Filippov G.A. Technological aspects of increasing the reliability of railway wheels. Steel. 2007. № 9. P. 84-86.
5. Ivanov P.P., Isakaev E.Kh., Izotov V.I., Filippov G.A., Tyuftyaev A.S. An effective method of surface hardening of railway wheels. Steel. 2000. № 1. P. 63-66.
ISSN 2313-223X
T. 6, № 3, 2019
Computational nanotechnology
15
