CC BY
15
УДК 669.14.018.294
I. О. ВАКУЛЕНКО, В. Г. АНОФРЮВ (Д11Т)
МЕТАЛЕВ1 МАТЕР1АЛИ 3 П1ДВИЩЕНОЮ М1ЦН1СТЮ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВАГОН1В
Розглянуто питания по застосуванню низьколегованих сталей з пвдвищеною мщшстю шсля р1зноман1т-них термомехашчних обробок для виготовлення зал1зничних вагошв.
КлючовI слова: низьколеговаш стал^ термомехашчна обробка, зал1зничний вагон
Рассмотрены вопросы по использованию низколегированных сталей с повышенною прочностью после различных термомеханических обработок для изготовления железнодорожных вагонов.
Ключевые слова: низколегированные стали, термомеханическая обработка, железнодорожный вагон
The issues of using the high-strength low-alloy steels after different thermomechanical treatments for manufacture of railway cars are considered.
Keywords: low-alloy steels, thermomechanical treatments, railway car
Розробляючи пропозицп щодо використання металевих матер1атв з шдвищеним р1внем вла-стивостей для будування вагошв, треба урахо-вувати, що потр1бне сшввщношення м1ж влас-тивостями може бути досягнуте декшькома шляхами [1]. Один з них - це використання спещального легування при виготовленш сталей. Комплекс властивостей таких сталей, при практично незмшному структурному сташ, за-лежить в основному вщ !х х1м1чного складу. 1нший напрямок виготовлення металевих мате-р1ал1в з шдвищеним р1внем мщносп - це змша структурного стану металу вироб1в при вико-ристанш р1зномаштних терм1чних та термомехашчних обробок. При такому шдход1, змша дисперсност1 та морфологи структурних скла-дових дозволить досягти потр1бного стввщно-шення м1ж властивостями [2]. Р1вень мщносп теля тако! обробки в значнш м1р1 зв'язаний ¿з ступенем вщхилення металу вщ термодинам1ч-но стабшьного стану. При зовшшшх впливах, таких як нагр1в до р1зних температур, пластична деформащя та ш. будуть обов'язково супро-воджуватися розвитком структурних змш, яю спрямоваш на досягнення умов р1вноваги. Обумовлено це тим, що сам процес змщнення при терм1чнш та термомехашчнш обробщ за-снований на введенш додатково! кшькост1 де-фекпв кристатчно! будови, що шдвищуе тер-модинам1чний потенщал системи, якою е сталь.
Неухильне зростання вартост1 легуючих елеменпв указуе на перспективний напрямок шдвищення мщшених властивостей металевих вироб1в, який заснований на об'еднанш двох наведених шдход1в - це виготовлення економ-но легованих сталей ¿з подальшою !х терм1ч-ною змщнюючою обробкою [3, 4]. Вщомо, що
введения до складу низьковуглецевих сталей невеликих добавок нюб1ю, ванадда, азоту, бору разом з традицшними легуючими х1м1чними елементами дозволяе, теля прискореного охо-лодження, досягати р1вня мщносп 1000 МПа I бшьше [5]. 3 шшого боку, при виготовленш вагошв достатньо широко застосовуються технологи зварювання, при яких розвиток процес1в зниження мщносп може мати достатньо вагоме значения, особливо в зош терм1чного впливу зварного шву [6]. Додатково треба ураховувати, що в елементах затзничного вагона, яю шдда-ються циктчним навантаженням розвиток про-цес1в структурних змш може негативно вплива-ти на комплекс властивостей металу [7].
Використання сталей з шдвищеним р1внем мщносп дозволить не ильки знизити загальну масу вагона, але I сприяти шдвищенню безпеки експлуатацп [8].
Другим питаниям, яке необхщно виршити при вибор1 металевого матер1алу це особливос-п виготовлення конкретного елемента затзни-чного вагону. В першому наближенш, елементи вагошв можна розподшити на дв1 групи за тех-нолопею виготовлення: це елементи для яких використовують р1зномаштш вироби прокатного виробництва (лист, фасонш профш та ш.) або ливарш технолог!!.
Так, наприклац бокову раму в1зка або надре-сорну балку виготовляють з використанням сташ 20ГЛ за ливарною технолопею. При цьому 11 комплекс властивостей повинен вщповщати ви-могам: межа плинносп (ат) 294...343 МПа, межа мщносп (св) 490 МПа, вщносне подовження (5) 20 %, вщносне звуження (у) 30 %, ударна в'язюсть при +20 °С (КСи+20) > 49 Дж/см2, при
© Вакуленко I. О., Анофр1ев В. Г., 2011
-60 °С > 24 Дж/см2. 1нша марка стал1 20ГФЛ мае х1м1чний склад аналопчний як для 20ГЛ (р1зниця лише в додатку ванадда 0,04.0,16 %) та 1 комплекс властивостей приблизно однако-вий ¿з сталлю 20ГЛ. На основ! даних випробу-вань визначено, що для структурного стану ме-талу теля лиття добавки ванадда 0,04.0,16 % або титану в межах 0,005...0,03 %, до складу стат 20ГЛ (20ГТЛ) приводять до шдвищення мщност1 лише на 5 % (до 510 МПа), при цьому можна спостерпати зниження 5 на 2 %. 3 ш-шого боку, використання терм1чно! обробки, яка спрямована на зм1ну структурного стану металу, може сприяти шдвищенню комплексу властивостей [5, 6]. Так, шддаючи нормашзацп готовий вир1б, наприклад бокову раму в1зка, нагр1ву до температури вище температури початку фазових перетворень (Ас1), теля потр1бно! витримки при цш температур! для вир1внювання температур по перетину 1 подальшого охолодження на вшьному пов1тр1, очшуються властивостк ат = 340...350 МПа, св = 650...660 МПа, 5 = = 20...22 %, у = 30...35 %. Пор1вняльний ана-л1з отриманих даних показуе, що змша структурного стану металу (за умови незмшност1 х1м1чного складу, наприклад, для стал1 20ГЛ) дозволить шдвищити мщшсть на 30 %, при практично незмшних шших характеристиках. Аналопчний, якщо не бшьший, вплив на р1вень мщност1 можна досягти 1 для сталей 20ГТЛ, 20ГФЛ. Яюсно шше технолопчне ршення - це вплив на процес охолодження металу теля за-повнення форми рщким металом. Змша швид-косп кристатзацп дае змогу впливати на дис-перешеть структури як наслщок цього, керу-вати яюстю виробу. Однак, як бокова рама в1з-ка, або надресорна балка являють собою достатньо складно! форми вироби, то I розподш внутршшх напружень в них теля виготовлен-ня достатньо складний. Як евщчать експериме-нтальш даш, змша розподшу внутршшх напружень, наприклад теля ремонтних або вщ-новлювальних роб1т, може привести до достатньо швидкого зародження, в мюцях шдвище-них д1ючих напружень при експлуатацп, осере-дюв руйнування. Перспективним напрямком по удосконаленню ливарних технологш е вплив на процеси формування зародюв твердо! фази та 1х зростання при охолодженш [6, 8]. Так, введения спещальних модиф1катор1в в рщкий метал дозволить не тшьки шдвищити гомоген-шеть структури теля заюнчення кристатзацп але 1 впливати на морфолопю структурних складових металу, !х розподш в матриц!. Щц-
тверджуеться наведений тдхщ вщомими ств-вщношеннями стосовно введения в метал спещальних сумшей, яю давали змогу шдвищити в 1,5.1,6 разу коефщент запасу мщносп при втом1. Упровадження наведених техшчних р1-шень, за рахунок шдвищення якост1 металу дозволить суттево подовжити строк експлуатацп наведених вироб1в ливарного виробництва.
Для вироб1в, яю виготовляють за технолоп-ями гарячо! пластично! деформацп, значно 61-льше вар1анпв шдвищення мщность Так, ката-ш колют центри, яю виготовляють ¿з стат 50 (вуглець 0,45.0,52 %) в гарячекатаному сташ мають сг = 290 МПа, св = 590 МПа, 5 = 16 %,
у = 22 %, КСи+20 20 Дж/см2, НВ = 1650.2350 МПа. Пщдаючи норматзацй колюний катаний центр (нагр1в до температури вище температури початку фазових перетворень (Ас3), необхщна витримка при цш температур! I подальше охолодження на вшьному повпр1) оч1куегься р1вень властивостей: ат = 375 МПа, св = 630 МПа, 8 = 14 %, у = 38 %, НВ = 2410 МПа. Пор1вня-льний анатз показуе, що змша структурного стану металу (теля норматзацп), при незмш-ному х1м1чному склащ (сталь 50) дозволить шдвищити мщшсть на 7 %. Пщдаючи наведений метал полшшенню (гартування вщ норма-льних температур нагр1ву та послщуючий вщ-пуск) досягаеться подальше шдвищення мщно-стг сг до 460 МПа, св = 700...850 МПа, 8 = 15 %, у = 30 %, НВ = 3500.4000 МПа. Пор1вняльний анатз ¿з комплексом властивостей гарячекатаного металу показуе на можли-вють шдвищення мщност1 на 30.40 %, при практично незмшнш пластичность
Для виготовлення кузова вагона достатньо широкого застосування отримали стал1 типу 09Г2, 09ГС та ш. ¿з вмютом вуглецю на р1вш 0,08.0,1 %. В гарячекатаному сташ наведен! стат мають властивостк ат = 305 МПа, св = = 440 МПа, 8 = 21 %, у = 35.39 %.
1нша марка стал1 така, як 15Г2АФД, з вуг-лецем до 0,12 %, але з м1кродобавками легую-чих елемент1в, в гарячекатаному сташ мае дею-лька п1двищений р1вень м1цн1сних властивостей: ат = 390 МПа, св = 540 МПа, з практично незмшною пластичн1стю (5 = 19 %, у = = 39.44 %). Аналопчною е сталь 10Г2ФБ ¿з м1кродом1шками бору. При вмют1 вуглецю 0,09 %, в гарячекатаному сташ вона мае такий комплекс властивостей: ат = 550 МПа, св = = 640 МПа, 8 = 20,5 %, у = 39.44 %.
Пщдаючи ¿зотерм1чному розпаду при р1зних температурах, за рахунок диспергування фазо-вих складових сталей досягаеться шдвищення вщповщних показниюв комплексу властивос-тей. Так, для температур розпаду 450, 500, 550 °С <5Т прпймае вщповщш значения 669, 627, 614 МПа; св - 721, 684, 678 МПа, 8 - 13, 16,6, 25,4 %. Якщо проводити оцшювання по межи плинност1, то шдвищення буде складати прпблпзно 20 %. Наведен! приклади змши комплексу властивостей низьковуглецевих еконо-мнолегованих сплав1в свщчать, що стввщно-шення м1ж мщшсними та пластпчними характеристиками може змшюватись в широкому д1апазош значень.
Розглядаючи конкретно елементи вагона, слщ вщзначити, що найбшьш металомюткими слщ вважати кузов 1 раму. 1х маса для сучасних вагошв, що знаходяться в експлуатацп складае приблизно 50.60 % вщ загально! маси всього вагона. Використання сучасних конструкцшних матер1атв дозволить змшити наведену долю металу. Так, окрем1 елементи - обшиву кришки люка нашввагона виготовляють з1 стал1 10ХНДП, а гарячекаташ профш - ¿з стат 09Г2Д, з класом мщноси на р1вш 345 МПа.
Проведен! дослщження показали можли-вють використання низьколегованих сталей з достатньою холодостшюстю для виготовлення хребтово! балки ¿з стал1 10Г2БД, двотавра № 19 1 бокову обв'язку ¿з стал1 08ХГСДП шдвищено! корозшно! стшкостг
Цшеспрямоваш дослщження по викорис-танню низьковуглецевих сталей для виготовлення крупногабаритних зварних конструкцш показали необхщшсть класифшацп сталей за класом мщносп. Так, для класу мщносп 235.255 використовують стат типу 10Г, 15Г з кшьюстю вуглецю до 0,22 %. Наступний клас мщност1 345 може бути досягнутий з викорис-танням вже низьколегованих сталей типу 10ХГ2СНД з кшьюстю вуглецю на р1вш до 0,15 %, марганцю на меж1 до 1,8 %, кремшю -до 0,8 %, мщ, хрому та шкелю - на р1вш 0,3... 0,6 %. Враховуючи, що основний вплив на р1вень мщшсних характеристик сталей спосте-р1гаеться з боку вуглецю, вже невелик! його добавки можуть суттево сприяти зростанню класу мщносп металу. Так, дшсно, збшьшення вуглецю на 0,05 %, в межах марочного складу стат 15Г2СД, дозволяе збшьшити клас мщнос-т! приблизно на 10 % - до 375.390 МПа. Мк-ролегуюч1 добавки ванадда або нюб1ю на р1вш до 0,12.0,15 % дозволяють вже в гаряче катаному сташ, через подр1бнення аустештного зе-
рна, шдвищити характеристики мщноеп металу з одночасним зростанням опору зародженню трщин. Добавки азоту також сприяють пода-льшому шдвищенню класу мщноеп металу. Прикладом може бути сталь типу 15Г2АФС ¿з приблизно 0,015.0,025 % азоту, що дае змо-гу перевести метал в бшьш високий клас мщносп - 400.420. Подальше шдвищення класу мщноеп стае можливим досягти завдяки шд-вищення стшкосн аустешту при охолодженш за рахунок спещального легування. Наведене змша х1м1чного складу металу дозволяе в прочее його прискореного охолодження змшити структурний стан. Так, клас мщноеп на р1вш 590 (сталь типу 10Г2ХСН2ФАМ) стало можливим досягти за рахунок розвитку процес1в структурних перетворень частково за зсувним мехашзмом. Р1вень мщноеп, який знаходиться в штерват значень 600.1 000 МПа, може бути досягнутим в аналопчнш стат з шдвищеним вмютом хрому до 3 % та шкелю до 3.4 %. В наведених сталях (сталь 10Г2Х2Н3АФ) значна доля структури складаеться ¿з мартенситу з ви-значеною кшьюстю аустештно! фази.
Таким чином, змшюючи у визначеному ш-тервал1 значень концентращю легуючих елеме-нпв в стат та шддаючи в подальшому метале-вий прокат прискореному охолодженню, можна досягти достатньо високих р1вшв мщноеп в пор1внянш з гарячекатаними низьковуглецеви-ми сталями, такими як, наприклад, стат 09Г, 10Г, 15Г.
Анатз нормативно-техшчно! документацп кра!н СНД 1 Балтп стосовно розробки вагошв нового поколшня показуе, що зниження маси вагону з одночасним збшьшенням несучо! спроможносп, може бути досягнуто за рахунок використання гарячекатаних профшв прокату з класом мщноеп 390.420 МПа, або навиъ 450. Враховуючи, що зростання мщшсних характеристик прокату, втому числ1 1 того який шдда-ють терм1чнш обробщ змщненням, мае шдви-щений р1вень остаточних внутршшх напру-жень, 1х вплив на поведшку металу, особливо за умови циктчного навантаження, не завжди мае однозначний характер. Таким чином, теля виготовлення конструкций треба ураховувати розподш внутршшх напружень, !х знак пор1в-нюючи з можливим р1внем напружень, яю ви-никають в елементах конструкцп шд час И експлуатацп.
Заслуговують спещально! уваги питания по використанню металевих матер1атв з шдвище-ним р1внем опору зношуванню при експлуатацп. Одними з таких матер1атв можуть бути ча-
вуни, в яких, за рахунок видшення карбщу ва-надда при визначених температурних умовах ¿з пересичених ванавдем евтектичних карбадв, досягаеться збшьшення пластичних властивос-тей. В результат! наведеного карбщного пере-творення евтектична с1тка карбадв руйнуеться. Сформована структура з р1вном1рним розташу-ванням карбадв в металевш матриц! дозволяе в чавуш досягти р1вня властивостей бшьшосп складно легованих високомщних сталей, виго-товлених за достатню складними технолопями.
На шдстав1 детального анатзу змши комплексу властивостей сталей вщ вмюту легую-чих елеменпв та структурного стану (гарячека-таний метал або терм1чно змщнений на р1зш р1вш) стае необхщним визначити прюритетш напрямки використання прокату з конкретним р1внем мщшсних, пластичних властивостей, опором зародженню трщин р1зно! природи по-ходження. Заслуговуе уваги використання про-фшв прокату, яю дозволять шдвищити жорст-юсть конструкцш, в тому числ1 гнуп профш прокату. Використання таких профшв замють катаних, може дати змогу знизити металомют-юсть вагошв без зниження жорсткост1 констру-кцп в цшому.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали [Текст] / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д., 2008. -196 с.
2. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Должен-ков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
3. Вакуленко, И. А. Использование термического упрочнения элементов железнодорожных колес с целью повышения эксплуатационной надежности [Текст] / И. А. Вакуленко, О. Н. Перков // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 24. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. - С. 195-196.
4. К вопросу надежности и долговечности железнодорожных колес [Текст] / О. Н. Перков [и др.] // 36. наук пр. Нац. прн. ун-ту «Теория и практика металлургии». - Д., 2008. - № 3. -С. 43-46.
5. Федин, В. М. Металлопродукция для железнодорожного транспорта: повышение эффективности [Текст] / В. М. Федин, А. И. Борщ, И. В. Шарапова // Ж.-д. трансп. - 2005. - № 6. -С. 45-49.
6. Конюхов, А. Д. Грузовому вагоностроению -современные конструкционные материалы [Текст] / А. Д. Конюхов // Ж.-д. трансп. - 2001.
- № 11. - С. 60-63.
7. Залежшсть структурних змш в метал1 зал1знич-но1 вю1 в1д схеми навантаження [Текст] / I. О. Вакуленко [та ш.] / Зал1зн. трансп. Укра!-ни. - 2010. - № 1. - С. 3-4.
8. Сапожников, С. А. Новые материалы и технологии [Текст] / С. А. Сапожников // Ж.-д. трансп.
- 2008. - № 4. - С. 65-68.
Надшшла до редколегп 24.01.2011.
Прийнята до друку 27.01.2011.
