CC BY
23
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
УДК 621.791.92
© Мазур В.О.*
ПЛАЗМОВА ОБРОБКА КРАНОВИХ РЕЙОК
Експлуатащя кратв супроводжуеться зношуванням рейок та кранових колес. Ак-туальним напрямком е реноващя та тдвищення працездатност1 цих деталей. Сучасш технолога в1дновлення колес та рейок передбачають наплавлення. Запро-поновано тдвищувати працездаттсть кранових рейок поверхневою плазмовою об-робкою. Проведено роботу з вибору режим1в обробки, що в1дпов1дають вимогам виробництва. Досл1джено структурш перетворення в матер1ал1 крановог рейки при плазмовому змщнент.
Ключовi слова: рейка, кран, плазма, структура, перетворення, змщнений шар, тверд1сть.
Мазур В.А. Плазменная обработка крановых рельсов. Эксплуатация кранов сопровождается изнашиванием рельсов и крановых колес. Актуальным направлением является реновация и повышение работоспособности этих деталей. Современные технологии восстановления колес и рельсов предусматривают наплавку. Предложено повышать работоспособность крановых рельсов поверхностной плазменной обработкой. Проведена работа по выбору режимов обработки, которые отвечают требованиям производства. Исследованы структурные превращения в материале кранового рельса при плазменном упрочнении.
Ключевые слова: рельс, кран, плазма, структура, превращение, упрочненный слой, твердость.
V.O. Mazur. Plasma treatment of crane rails. Crane operation results in wear and tear of rails and crane wheels. Renovation and efficiency of these details is therefore relevant. Modern technologies of wheels and rails restoration use surfacing or high-frequency currents treatment. Surface treatment with highly concentrated streams of energy- with a laser beam, plasma jet- is a promising direction.. It is proposed to increase the efficiency of crane rails by means of surface plasma treatment. The modes of treatment have been chosen.. Modelling of plasma jet thermal impact on a solid body of complex shape has been made. Plasma hardening regimes that meet the requirements of production have been defined. Structural transformation of the material in the crane rails on plasma treatment has been investigated. It has been concluded that for carbon and low alloy crane steels the plasma exposure zone is characterized by a high degree of hardened structure dispersion and higher hardness as compared to the hardness after high-frequency quenching. As this takes place phase transformations are both shift (in the upper zone of plasma influence) and fluctuation (in the lower zone of the plasma). With high-speed plasma heating granular or lamellar pearlite mainly transforms into austen-ite. The level of service characteristics of hardened steel, which is achieved in this case is determined by the kinetics and completeness of pearlite ^ austenite transformation. For carbon and low alloy rail steels plasma hardening can replace bulk hardening, hardening by high-frequency currents, or surfacing. The modes for plasma treatment which make it possible to obtain a surface layer with a certain service characteristics have been defined.
Keywords: rail, faucet, plasma, structure, transformation, work-hardened layer, hardness.
Постановка проблеми. Взаeмодiя колеса i рейки e фiзичною основою руху. Вщ napaMeTpiB ще! взаемоди багато в чому залежать безпека руху i основш технiко-економiчнi по-
канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний технгчний умверситет», м. Маргуполь, v. a. mazurini@gmail. com
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
казники. Так, зокрема, втрати енерги, обумовленi зношуванням в системi колесо-рейка, скла-дають 10% - 30%, що витрачаються на перемщення. Крiм того, витрати на реноващю рейок i колiсних пар складають чималу частину загальних витрат кранового господарства.
Аналiз останнiх дослщжень та публiкацiй. Пiдвищення працездатностi кранових рейок та колес е важливим та перспективним напрямком застосування поверхнево! обробки високо-концентрованими джерелами на^ву.
Вiдомi способи пiдвищення працездатностi кранових колес та рейок дуговим наплавлен-ням матерiалами з вмiстом марганцю [1-3]. Окрiм того, пiдвищення працездатносп можливо за рахунок поверхневого змщнення токами високо! частоти (ТВЧ) [4, 5]. Перспективною, але найменш дослщженою, е обробка кранових рейок та колес висококонцентрованими джерелами на^ву: лазерним випромшюванням, плазмовим струменем. Вплив лазерного променя на структуру та властивосп сталей, подiбних до рейкових, дослщжено в роботi [6].
Плазмовий струмшь е найбiльш економiчним висококонцентрованим джерелом на^ву в порiвняннi з лазерним i електронним променями, мае достатньо високий ККД (50% i бшьш -залежно вiд типу плазмотрону) [7]. З використанням доступного сершного устаткування при мiнiмальних матерiальних витратах можна отримати джерело на^ву з високою щiльнiстю теплового потоку (105- 106 Вт/см2) при загальнш тепловiй потужностi 30 кВт i бiльше, що значно вище за потужнiсть сучасних лазерних i електронно-променевих технологiчних установок. Це дозволяе отримувати змщнеш шари набагато бшьших розмiрiв, нiж при лазернiй обробщ.
Мета статтi. Встановити можливiсть тдвищення експлуатацiйних властивостей крано-вих рейок та колес поверхневою обробкою висококонцентрованим плазмовим струменем. Ви-значити режими плазмово! модифшацп, що дозволяють сформувати в поверхневому шарi мета-лу рейок комплекс властивостей, вщповщний до вимог виробництва та техшчних умов.
Викладення основного матерiалу. Виконувалась обробка головки краново! рейки, виготовлено! зi сталi М76, плазмовим струменем за допомогою плазмотрону непрямо! дп з секцюнованою мiжелектродною вставкою. Для попереднього визначення режимiв виконува-лось моделювання процесу плазмового нагрiву рейки за допомогою прикладного пакету FEMAP, що дозволяе виконувати кшцево-елементне моделювання розповсюдження теплового потоку в тшах складно! форми. Плазмова обробка виконувалась з вардаванням сили струму плазмово! дуги при постшних значеннях швидкосп сканування та розходу плазмоутворюючого газу. Застосовувалась обробка як без оплавлення поверхш, так i з оплавленням. Проводилося дослщження зразюв №№ 1-3, виготовлених з голiвки рейки крану КР-100 (матерiал - сталь М 76), з метою визначення структурного складу, геометри зони плазмового впливу та твердосл загартованого шару, отриманого плазмовим гартуванням.
У зразках №№ 1, 2 плазмове гартування виконане по шириш голiвки рейки. Загартована зона розташовуеться в центрi проби. У зразку № 3 загартування виконане по резу з боку шийки рейки. Зовшшнш вигляд дослiджуваних проб показан на рис. 1.
Рис. 1 - Зовшшнш вигляд дослщжуваних зразюв з загартованою поверхнею
Для вивчення структурно! будови i визначення глибини загартованого шару в поперечному перерiзi виготовлялися мiкрошлiфи. На зразках була вимiряна мшротвердють по глибиш загартованого шару. Також була ощнена мiкроструктура основного металу зразюв.
Твердiсть основного металу i оброблено! поверхнi вимiряна згiдно з ГОСТ 9013-59.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Мшроструктуру виявляли хiмiчним тру!нням 4% спиртовим розчином азотно! кислоти. Мiкроструктура основного металу феррито-перлитна крупнозерниста, ферит видшився у виглядi сiтки. Величина зерна 2-1 номера по ДОСТ 5639-82. Мшроструктура стат М76 у вихiдному станi показана на рис. 2.
Рис. 2 - Мшроструктура стат М76 у вихщному станi; ><500 Поперечний перерiз поверхонь, оброблених плазмою, наведено на рис. 3.
Зразок № 1
9,75 глт 9,71 тпт 9,7 тт
Рис. 3 - Макроструктура загартованого шару дослщжуваних зразкiв ><6,5
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
У зразку № 1 загартований шар шириною 29,2 мм виконано за три проходи, мае глибину 1,76-1,88 мм. Обробка плазмою в зразку № 2 виконана за два проходи з вщстанню 1 мм мiж ними. Ширина загартовано! зони 13 мм, глибина 0,9 мм. Розмiри зони плазмового гартування цього зразка виявилися занадто малими i режим обробки було визнано не оптимальним. На зразку № 3 загартування виконане за декшька проходiв. Обробка проводилася з оплавленням поверхш. Глибина виплеску становила 1 - 1,5 мм. Загартована дшянка мае ширину 22 мм, глибину 2-2,3 мм. В мюцях перекриття проходiв виявлена зона термiчного впливу (перехщна або зона вщпуску).
Оскшьки вимоги до кранових рейок регламентують твердють поверхш, режими плазмового гартування були вщповщно скореговаш i отримана глибина зони плазмового впливу дещо менша, шж при обробщ на максимальну твердють.
Результати вимiру твердосп оброблено! поверхнi i основного металу зпдно з ДОСТ 901359 приведет в таблиц 1. Режими плазмово! обробки наведено в таблицi 2.
Таблиця 1
Твердють зразюв з краново! рейки КР-100
Номер зразка Твердють, HRC
загартований шар основний метал
1 55-59
2 56-59 21
3 45-50
Таблиця 2
Режими плазмово! обробки краново! рейки КР-100
Номер зразка Сила струму, А Швидкють ска-нування см/хв Витрата плазмоу-творюючрго газу л/хв
1 300 - 320 50 11-12
2 250 - 280 50 11-12
3 360 - 400 50 11-12
При вимiрi мшротвердосп по товщинi загартованого шару встановлено, що в зразках №№ 1, 2 твердють загартовано! зони 610-800 НУ1 (55-60 HRC). У зразку № 3 отримаш неоднорiднi значення мшротвердосп. На поверхнi зразка в мюцях накладення проходiв твердiсть металу 226-240 НУ1 (22-24 HRC), в перехщнш зонi 285-320 НУ1 (30-35 НЯС), в змiцненiй зонi 502-587 НУ1 (48-52 HRC).
Перехiдна зона в ушх зразках мае глибину до 0,2 мм i твердють 24-30 HRC.
Мiкроструктура загартованого шару дослщжуваних зразкiв показана на рис. 4. У зразках №№ 1, 2 вона е дисперсною структурою гартування. На поверхш зразка № 3 на дшянках перекриття проходiв структура характерна для вщпущено!.
Швидкюний плазмовий на^в високовуглецевих сталей до температур, близьких до Тпл, викликае штенсившше, нiж при об'емному гартуванш або гартуваннi ТВЧ, розчинення первин-них карбiдiв i додаткове легування твердого розчину вуглецем i легуючими елементами. Це зафiксовано по збшьшенню перiоду кристалiчно!' гратки мартенситу. У зв'язку з дуже малою тривалютю витримки при високих температурах процеси гомогешзаци не встигають пройти в повному обсяз^ що призводить до концентрацшно! неоднорiдностi твердого розчину.
На^в до дуже високо! температури при вкрай малiй тривалостi витримки (по розрахун-ковим оцiнкам - порядка 0,1..0,01 с) не викликае зростання зерна аустешту (як при об'емному гартуванш з пере^вом) - структура загартовано! зони мае високий стутнь дисперсносп i однорiдна за вшм обсягом ЗПД - аж до межi з початковим металом (рис.4, а). Межi аустенiтних зерен в структурi загартовано! зони металографiчно не виявляються (рис. 4, б).
Температура на^ву та швидкiсть охолодження в рiзних точках ЗПД ютотно вiдрiзняються. Проте, не дивлячись на це, структура загартовано! зони однорщна як за ступе-нем дисперсности так i за значеннями твердости Отже, металографiчнi дослiдження показують,
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
що при плазмовому гартуваннi мають мюце обидва механiзми фазових перетворень - i флюктуацiйний, i зсувний.
Рис. 4 - Мшроструктура вуглецево! стат евтекто!дного складу М76: а - перехщна
зона; б - зона плазмового змщнення; а х500; б х 1000
Висока однорщнють дисперсно! структури у всьому об'емi ЗПД свщчить про важливу роль дифузiйних процешв. Хоча зсувне перетворення не пов'язане з концентрацшним перерозподiлом вуглецю, можливе тдвищення його концентрацi! у ферит полегшуе протiкання а^-у-перетворення по зсувному мехашзму.
У структурi вуглецевих сталей М76 надмiрна фаза (ферит) знаходиться в незначнш кiлькостi, тому при швидюсному плазмовому нагрiвi основним е перетворення зернистого або пластинчастого перлггу на аустешт. Рiвень експлуатацiйних властивостей змщнених сталей, що досягаеться, при цьому визначаеться повнотою i кшетикою П^-А-перетворень.
Висновки
1. Плазмова обробка е ефективним напрямом тдвищення працездатносп кранових рей-ок та колес. Змщнення ВКДН дозволяе отримати експлуатацшш властивостi вищi за вiдповiднi при наплавленш або гартуваннi ТВЧ. При цьому збшьшення твердостi не призводить до зро-стання крихкостi поверхш за рахунок зменшення розмiрiв зерна зони плазмового впливу.
2. Для вуглецевих i низьколегованих рейкових сталей плазмове змщнення по властиво-стях, що досягаються, може ефективно замшити гартування ТВЧ або наплавлення. Встановле-но дiапазон режимiв плазмово! обробки, який дозволяе отримати поверхневий шар з визначе-ним комплексом експлуатацшних властивостей.
3. Дослщжено структурнi перетворення в матерiалi кранових рейок при плазмовш обробцi. У вуглецевих та низьколегованих крановых сталей зона плазмового впливу характеризуеться високим ступенем дисперсносп загартовано! структури i бiльш високою в порiвняннi з гартуванням ТВЧ твердютю. При цьому реалiзуеться як зсувний (у верхшх шарах ЗПД), так i флюктуацiйний (у нижшх шарах ЗПД) механiзми фазових перетворень.
Перелж використаних джерел:
1. Малинов В.Л. Ресурсосберегающие инновационные наплавочные материалы и упрочняющие технологии, обеспечивающие динамическое деформационное мартенситное превращение / В.Л. Малинов // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету : Зб. наук. пр. / ПДТУ. - Марiуполь, 2011. - Вип. 22 - С. 96-103.
2. Малинов Л.С. Ресурсосбережение за счет применения экономнолегированных сплавов и упрочняющих технологий, обеспечивающих получение многофазных метастабильных структур и управление структурными и фазовыми превращениями / Л.С. Малинов,
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
B.Л. Малинов // Hobí матерiали i технологи в металургп та машинобудуваннi. - 2011. -№ 1. - С. 93-105.
3. Малинов В.Л. Влияние марганца на структуру и износостой- кость наплавленного металла типа низкоуглеродистой стали / В.Л. Малинов // Автоматическая сварка. - 2011. - № 8. -
C. 15-20.
4. Повышение качества и расширение сортамента закаленных рельсов из конвертерной стали /
A.С. Рудюк, А.А. Азаркевич, А.Д. Лебедев, Е.С. Попов, Е.В. Гончаренко, О.И. Труфанова // Металл и литье Украины. - 2013. - № 6 (241). - С. 25-29.
5. Дегтярев С.И. Исследование и разработка технологии поверхностной индукционной закалки железнодорожных рельсов из низколегированной стали / С.И. Дегтярев, Т.С. Скобло,
B.Е. Сапожков // Металловедение и термическая обработка материалов. - 1998. - № 2. -
C. 7-12.
6. Лясоцкий И.В. Образование аустенита и кинетика растворения цементита в сталях с рекри-сталлизованной структурой зернистого перлгга при лазерном нагреве / И.В. Лясоцкий, Д.В. Штанский // Физика металлов и металловедение. - 1993. - Т. 75. - Вып. 1. - С. 109-118.
7. Самотугин С.С. Плазменное упрочнение инструментальных материалов / С.С. Самотугин, Л.К. Лещинский. - Донецк : Новый мир, 2002. - 338 с.
Bibliography:
1. Malinov V.L. Resource innovative surfacing materials and strengthening technologies that enable dynamic deformation martensite transformation / V.L. Malinov // Reporter of the Priazovskyi state technical university : Collection of scientific works / PSTU. - Mariupol, 2011. - Issue 22. - P. 96103. (Rus.)
2. Malinov L.S. Resource conservation through the use of economically alloys and hardening technologies for obtaining polyphase metastable structures and management of structural and phase transformations / L.S. Raspberry, V.L. Malinov // New materials and technologies in metallurgy and machine building. - 2011. - № 1. - P. 93-105. (Rus.)
3. Malinov V.L. Influence of manganese on structure and wear resistance of the deposited metal such as mild steel / V.L. Malinov // Automatic welding. - 2011. - № 8. - P. 15-20. (Rus.)
4. Improving the quality and assortment of hardened rails from converter steel / A.S. Rudyuk, A.A. Azarkevich, A.D. Lebedev, E.A. Popov, E.V. Goncharenko O.I. Trufanova // Metal & Cast Ukraine. - 2013. - №6 (241). - P. 25-29. (Rus.)
5. Degtyarev S.I. Research and development of technology of surface induction-hardened rails of low-alloy steel / S.I. Degtyarev, T.S. Scoble, V.E. Sapozhkov // Metallurgy and heat treatment of materials. - 1998. - №2. - P. 7-12. (Rus.)
6. Lyasotsky I.V. The formation of austenite and kinetics of dissolution of cementite in steels with a recrystallized grain pattern perlita by laser heating / I.V. Lyasotsky, D.V. Shtansky // Physics of Metals and Metallography. - 1993 - T. 75. - Vol. 1. - P. 109-118. (Rus.)
7. Samotugin S.S. Plasma hardening of tool materials / S.S. Samotugin, L.K. Leszczynski. - Donetsk : Novyy mir, 2002. - 338 p. (Rus.)
Рецензент: В.В. Суглобов
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 30.10.2015
