CC BY
26
УДК 629.4.027.4:669.14
I. О. ВАКУЛЕНКО, М. А. ГРИЩЕНКО (ДПТ), О. М. ПЕРКОВ (1ЧМ НАНУ)
ПЕРСПЕКТИВИ ВИР1ШЕННЯ ПИТАНЬ З П1ДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНО1 БЕЗПЕКИ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С I БАНДАЖ1В
Аналiз змiни структури пiсля рiзноманiтних термомехашчних обробок вуглецево! сталi дозволяе визна-чити умови щодо пiдвищення безпеки експлуатаци залiзничних колiс i бандашв.
На основе исследования изменения структуры углеродистой стали после различных термомеханических обработок определены условия повышения эксплуатационной безопасности железнодорожных колес и бандажей.
The conditions of improving the operational safety of rail wheels and tread bends are determined on the basis of investigation of the structure change in carbon steel after different thermomechanical treatments.
В останш десятирiччя прискорений розви-ток промисловосп супроводжувався неухиль-ним зростанням штенсивносп експлуатацii за-лiзничного транспорту. При цьому одночасне шдвищення навантаження на вiсь колiсноi пари, разом iз зростанням швидкост руху, супро-воджувалося закономiрним збiльшенням кшь-костi випадкiв передчасного вилучення колiс i бандажiв iз експлуатацii [1]. На пiдставi цього, тшьки для компенсацii вилучених колю необ-хiдно нарощувати iх виробництво приблизно на рiвнi 5...10 % на рш [2]. З урахуванням наведе-ного стае актуальною проблема шдвищення експлуатацiйноi безпеки залiзничного транспорту. Проблема достатньо складна i залежить вiд вирiшення низки питань, яю обумовлюють ви-значенi впливи на рiвень експлуатацiйноi безпеки колю i бандажiв.
Так, при експлуатаци рухомого складу в р> зних клiматичних умовах використання матер> алiв для виготовлення гальмiвних колодок з шдвищеним коефiцiентом тертя, навт за умови незмiнностi коефщента температуропровщ-ностi, в значнiй ступеш ускладнюються умови роботи таких важливих опорних елементiв, як залiзничнi колеса та бандаж. Експлуатацiйнi властивостi колю i бандажiв в значнiй мiрi обу-мовленi спроможнiстю витримувати численш напруження, що циклiчно змiнюються, яю ви-кликанi статичними та динамiчними наванта-женнями. Окрiм геометричних розмiрiв та осо-бливостей будови колю i бандажiв, надiйнiсть експлуатацii в значнш ступенi залежить вiд комплексу властивостей сталей, з яких вони виготовлеш.
Одним iз напрямкiв вирiшення наведено1' проблеми е використання сталей з тдвищеною якiстю. Пропозицiя складаеться з питань, яю вирiшуються на рiвнi металургiйноi галузi -
зниження ступеня забруднення сталi по неме-талевих включеннях рiзноi природи походжен-ня, по хiмiчних елементах, якi вщносяться до розряду шкiдливих домiшок та ш. Другий на-прямок - це запровадження для виготовлення опорних елеменпв рухомого складу низьковуг-лецевих марок сталей, таких як, наприклад, 60ГФ, 65Г замють середньо- та високовуглеце-вих. Однак, тiльки змiна хiмiчного складу сталей не буде достатньо ефективним важелем впливу на комплекс властивостей порiвняно ыз впливом структурного стану металу. Так, на пiдставi аналiзу виникаючих напружень в зат-зничному колесi пiд час експлуатаци, розробка пропозицш iз вдосконалення технологи термiч-ного змiцнення буде неодмшно сприяти тдви-щенню комплексу властивостей. Один iз при-кладiв виршення цього питання - використання змщнюючо1' обробки окремих елементiв за-лiзничного колеса, з урахуванням перетину металу та конструктивних особливостей будо-ви. Додаткове штенсивне охолодження металу в мюцях переходу диску до обода сприяло не тiльки тдвищенню швидкостi охолодження обода, але i дало змогу пiдвищити трщиностш-кють в наведених мiсцях залiзничного колеса [3].
Позитивний вплив на комплекс властивос-тей обумовлено в першу чергу шдвищенням опору зародженню мшротрщин при експлуа-тацii затзничних колiс. Це досягаеться розвит-ком процешв структуроутворення за промiж-ним мехашзмом - коли паралельно з мехашз-мом зсуву змiна структури вщбуваегься за про-цесами дифузшного масопереносу [4]. Виникаючий при такому прискореному охоло-дженнi (при виготовленш колеса) градiент температур по перетину елемента колеса супрово-джуеться неодмшними структурними змiнами
внутршньо! будови металу, що в свою чергу сприяе формуванню потрiбно! системи внутрь шнiх напружень. Враховуючи, що умови заро-дження мiкротрiщин тд час експлуатаци колiс i бандажв в значнiй ступенi обумовленi рiвнем i знаком остаточних внутрiшнiх напружень, сформованих при термiчних змiцнюючих обро-бках, для зниження цих напружень колеса тд-дають вiдпуску. Використання тепла вщ внут-рiшнiх об'eмiв металу дозволяе розiгрiти пове-рхневi прошарки прискорено охолоджено! сталi до рiвня впливу, як при окремому розiгрiвi до 500 °С. В наведених прошарках термiчно змщ-неного металу за рахунок змши температурного поля виникаючi напруження сприяють зб> льшенню щiльностi дефектiв кристашчно! будови i, як наслщок цього, прискорюються про-цеси сферо!дизаци попередньо сформованих дрiбнодисперсних карбiдних часток. На тдста-вi цього, в залежносп вiд вiдстанi вiд поверхш виробу (ободу колеса) спостерiгаеться визначе-не спiввiдношення мiж кiлькiстю карбщних часток пластинково! та глобулярно! форми. Не-обхiднiсть пiдтримки визначеного сшввщно-шення мiж частками з рiзною морфологiею обумовлено змiною характеру впливу часток на розвиток процешв деформацшного змiцнення металу при розвитку пластично! деформаци. Наведене питання е одночасно важливим i складним, особливо за умови залежносп почат-кових етатв зародження субмiкротрiщин в метал^ якi зв'язанi з характером опору стат пере-творенню негомогенностей дислокацшного розподiлу в структурi на осередки трщин. Так, порiвняно з пластинковою формою цементиту, який у складi перлггно! колони спроможний витримувати велик пластичнi деформаци [4], глобулярний, навпаки, залишаеться практично незмiнним. Таким чином, необхщно вщзначи-ти, що рiзна морфологiя карбщно! складово! структури, якiсно змiнюючи характер розвитку процешв деформацiйного змiцнення, неодмiнно впливае на трщиностшюсть металу.
Розвиток процесiв дисперсшного змiцнення фериту вiд присутностi глобулярних часток, в свою чергу, в значнш ступеш обумовленi роз-ташуванням часток вiдносно великокутових границь матриц металу. При розташуваннi глобулiв цементиту примусово по великокутових границях зерен фериту спостерiгаеться пiд-вищення опору металу процесам зародження мшротрщин [4]. Наведений вплив зв'язаний iз зростанням одночасно кiлькостi мiсць зародження дислокацш, при розвитку пластично! течи, i !х анiгiляцi!. Отже, можливють достат-
ньо легкого виведення дислокацш, тсля ство-рення акту пластично! деформаци, iз об'ему металу навколо площини ковзання е важливим питанням. Враховуючи, що при розташуванш глобулiв по великокутових границях фериту мiжфазова ферит-цементит поверхня спромож-на виконувати функци як мiсця зародження, так i анiгiляцi! дислокацiй при деформаци вуглеце-во! сталi [5]. Таким чином, збшьшення площи-ни мiжфазово! поверхнi буде сприяти зростан-ню критичного ступеня деформацi!, пiсля яко! спостерiгаемо появу перших субмiкротрiщин (збшьшення трщиностшкосп металу).
В iнших випадках, коли, наприклад, розмiр зерна фериту значно перебшьшуе мiжкарбiдну вiдстань в глобулярних структурах, зростання кiлькостi карбщних часток буде сприяти при-множенню кшькост мiсць зародження дислокацш, але не буде впливання на кшьюсть мiсць анiгiляцi!. Обумовлено це тим, що мiжфазова поверхня цементит-ферит е зовшшньою повер-хнею, i на нiй може вiдбуватися аншлящя дис-локацiй тiльки у випадку, коли частка розташо-вуеться в кристалографiчнiй площинi ковзання дислокацiй. Великокутовi ж границi зерен фериту, навпаки, являють собою поверхш, яю об-межують об'еми металу, в яких вщбуваеться розвиток пластично! деформаци. Тодi дислока-цi!, якщо не будуть загальмоваш в серединi зерна фериту, будуть мати вихщ на феритну гра-ницю, а це вже акт ашгшяци. В цьому випадку зростання кшькост глобулiв цементиту буде сприяти достатньо швидкому збiльшенню дис-локацiй, якi тсля акту пластичного деформу-вання будуть залишатися в системi, ускладню-ючи протшання пластично! течi! металу. Дуже швидке накопичення дислокацiй приведе вже на початкових етапах деформування до при-скореного виникнення неоднорщностей в розташуванш дислокацш ^ як наслщок цього, до формування осередкiв перших субмшротрщин у феритнiй складовiй структури.
На шдст^ проведеного аналiзу залежносп розвитку процесiв структурних перетворень в вуглецевих сталях з рiзним структурним станом тд час експлуатаци залiзничних колiс стае можливим розпочати розробку пропозицш iз визначенню змш до нормативно-технiчно! до-кументацi! як на виготовлення виробу, так i до умов його експлуатаци.
За умови незмшност геометричних розмiрiв колю i бандажiв, стану рейкового господарства, зниження верхньо! межi по кшькосп вуглецю в сталi приведе, в середньому, до шдвищення об'емно! частки структурновшьного фериту - а
це напрямок зростання трщиностшкосп залiз-ничних колю. Для бандагав картина дещо iнша. Якщо в ободi залiзничного колеса обов'язково повиннi бути сформоваш напруження стиску-вання, що сприяе гальмуванню процесiв заро-дження i зростання трiщин, то пiсля посадки бандажа на центр формуються тшьки напруження розтягнення. Таким чином, достатньо важливим стае питання визначення сшввщно-шення мiж внутрiшнiм дiаметром бандажу та посадочним дiаметром центра. Перегляд питань стосовно обмежень по штервалу коливань ука-заних геометричних розмiрiв дозволить, без зниження якост посадки бандажу на центр, знизити рiвень остаточних напружень розтягнення в бандаж пiсля операци збирання колеса.
Проведення наведених робiт буде сприяти вирiшенню питань стосовно тдвищення екс-плуатацшно! безпеки залiзничних колю i бан-дажiв.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Исследование повреждений и причин преждевременного выхода железнодорожных колес из эксплуатации [Текст] : отчет о НИР. - Д., 2007. - № ГР 0108и003063. - 76 с.
2. К вопросу надежности и долговечности железнодорожных колес [Текст] / О. Н. Перков и др. // Зб. наук пр. Нац. прн. акад. «Теория и практика металлургии». - Д., 2008. - № 3. -С. 43-46.
3. Вакуленко, И. А. Использование термического упрочнения элементов железнодорожных колес с целью повышения эксплуатационной надежности [Текст] / И. А. Вакуленко, О. Н. Перков // В1сник Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. ш. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 24. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. - С. 195-196.
4. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали [Текст] / И. А. Вакуленко, И. И. Большаков. - Д., 2008. -196 с.
5. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Должен-ков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
Надшшла до редколегп 17.01.2009.
