CC BY
54
УДК 621.785.5
В. Д. ШЕЛЯГ1Н, В. Ю. ХАСК1Н, О. Т. НЖУЛГН, А. В. БЕРНАЦЬКИЙ,
О. В. СЮРА (1нститут електрозварювання iM. С. О. Патона НАН Укра!ни, Кшв)
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРИЙОМ1В ЛАЗЕРНО1 ПОВЕРХНЕВО1 ОБРОБКИ ВАЖКОНАВАНТАЖЕНИХ ДЕТАЛЕЙ КОЛ1СНИХ ПАР ВАГОН1В
Дослщжено можливють застосування процеав лазерно! поверхнево! обробки для вщновлення й збшь-шення довгов1чност1 колюних пар зал1зничних вагошв. Визначено вплив критичних параметр1в процесу на глибину зони лазерного впливу i !хнш взаемозв'язок з отриманою структурою й твердютю.
Исследована возможность применения процессов лазерной поверхностной обработки для восстановления и увеличения долговечности колесных пар железнодорожных вагонов. Определено влияние критических параметров процесса на глубину зоны лазерного влияния и их взаимосвязь с полученной структурой и твердостью.
Possibility of application of processes of laser superficial processing for restoration and increase of a resource of operation of shafts and rims of wheels of railway cars is investigated. The influence of critical parametres of process on depth of a zone of laser influence and their interrelation with the structure obtained and hardness is determineed.
Протягом останнього часу проблема шдви-щення довговiчностi деталей i вузлiв залiзнич-ного транспорту, яю швидко зношуються, ви-ршувалася шляхом шдвищення фiзико-меха-нiчних властивостей поверхневих шарiв за ра-хунок оптимального вибору матерiалiв пар тер-тя, використання процесiв термiчноi та х1мшо-термiчноi обробок, гальванiчних i юнно-плаз-мових покриттiв, змiцнення робочих поверхонь обкаткою, струмами високо! частоти тощо. Од-нак, змiни фiзико-механiчних властивостей поверхневих шарiв матерiалiв традицiйними методами не завжди забезпечують оптимальне поеднання характеристик мщносп, трибологii та iнших, якi ютотно збiльшують довговiчнiсть деталей виробiв.
У процес експлуатацii рухомого складу де-талi залiзничного транспорту змiнюються вна-слiдок зношування або появи рiзного роду не-справностей. У результат виникае необхiднiсть застосування технологiй дiагностики й ремонту. Так, наприклад, актуальним е завдання вщ-новлення й ремонту ходово! частини залiзнич-них вагонiв [1, 2].
Одним з вузлiв ходово! частини вагона, що працюе в найбiльш важких умовах, е колiсна пара. I! вюь постiйно вiдчувае вплив значних статичних i динамiчних навантажень. К^м того, на не! ддать додатковi напруги стискання в мюцях пресових з'еднань iз колесами та удари вщ рейок за наявносп дефектiв на поверхнi ко-чення колю i на стиках. На працездатшсть осi впливають рiзнi технолопчш порушення при ii
виготовленнi й обробщ. Сполучення низки цих факторiв сприяе виникненню в осi мюцевих напружень, якi разом з явищами втоми призво-дять до утворення трщин. Глибина дефектного шару на шийках осей становить порядку 0,1...0,3 мм на дiаметр.
При вiдновленнi шийок осей !х необхiдно попередньо мехашчно обробити (проточити) у розмiр, менший номшального на 0,4...0,5 мм на дiаметр, потiм наплавити з урахуванням припуску пiд фiнiшну мехашчну обробку й, остаточ-но, прошлiфувати у номiнальний розмiр. При цьому таю дефекти наплавленого шару, як тр> щини, раковини й пори, неприпустимь Твер-дiсть наплавленого шару повинна становити HRC 30...35.
Традицшно деталi вагонiв вiдновлювали ду-говими або газополум'яними способами зварю-вання (ручним дуговим, автоматичним i нашв-автоматичним пiд шаром флюсу й у середовищi захисних газiв) й наплавлення (плазмово-дуго-вим, газовим тощо) [3]. До недолшв цих спо-собiв варто вiднести великий (понад 1 мм) припуск на чистову мехашчну обробку й значний розiгрiв вщновлювально! деталi, що може негативно позначитися на ii геометри пiсля ости-гання. Крiм того, матерiал осi колiсноi пари (Сталь 60) е важкозварним i не рекомендуеться для дугових способiв зварювання й наплавлення [4]. Тому, на наш погляд, доцшьно для вщ-новлення шийок осей вагошв застосувати лазе-рне наплавлення неперервним випромшюван-
© Шелягiн В. Д., Хаскш В. Ю., Нiкулiн О. Т., Бернацький А. В., Сюра О. В., 2009
ням СО2-лазеру, що дозволяе усунути зазначеш недолiки.
До переваг лазерного наплавлення належать: забезпечення високо! металургшно! якос-тi наплавленого шару, дрiбно! дисперсностi структури i мшмально! зони термiчного впли-ву (ЗТВ); мiнiмiзацiя ефекту перерозподiлу компонентiв з матерiалу основи в наплавлений шар; можливють управлiння фiзичними i гео-метричними параметрами шару, який наплав-ляють; практична вiдсутнiсть деформацiй i жо-лоблень деталей пiсля наплавлення тощо.
В промислово розвинених кра!нах активний розвиток технологш лазерно! поверхнево! об-робки розпочався ще у середиш 90-х рокiв й тривае до сих тр. В першу чергу, змши пов'я-занi з появою лазерного обладнання нового по-колшня. До нього можна вiднести компактш, достатньо потужнi СО2-лазери i технолопчш комплекси з комп'ютерним управлiнням на !х основi. Окремий iнтерес викликають щiлиннi СО2-лазери, якi мають значний потенщал тех-нологiчних застосувань завдяки достатньо ве-ликiй потужностi випромшювання, яке вони генерують (до 8 кВт), вщсутност прокачного засобу, дуже малим витратам робочих газiв (повна замша робочо! сумiшi - раз на твроку -рiк), малим габаритам. О^м нових моделей СО2-лазерiв з'явилися Nd:YAG-лазери з тдви-щеним експлуатацiйним ресурсом i потужшс-тю, що мають дiодну накачку, а також вкрай компактш i достатньо потужш дiоднi та дисковi лазери. Вщм^имо також появу принципово нових оптоволоконних лазерiв, що дозволяють сполучати високi (до 100 кВт) потужносп не-перервно! генерацп випромшювання з особливо тривалим (вiд 100 тис. до 1 млн мотогодин) ресурсом роботи. Основною рисою лазерiв нового поколшня е тдвищення !х загального ККД. Для СО2-лазерiв вiн збiльшився з 5... 10 % до 8... 15 %, для Nd:YAG-лазерiв - з 1.2 % до 5.8 % i бшьше, у дiодних лазерiв вiн стано-вить до 42.50 %. Щцвищення ККД у сполу-ченнi зi зниженням собiвартостi лазерного обладнання, збшьшенням його компактностi та економiчностi витрат газiв знижують собiвар-тють процесiв лазерно! обробки, роблять !х бiльш доступними.
В 1ЕЗ iм. С. О. Патона проводилося вщпра-цьовування технологи лазерного наплавлення достатньо широко! номенклатури деталей дви-гушв та ходово! частини залiзничного транспорту. В процес таких дослщжень було встанов-лено, що у зв'язку з особливостями основного металу осей вагошв, у якостi присаджувального
матерiалу для лазерного наплавлення шийок рекомендуеться використовувати порошки сплавiв на основi нiкелю, що самофлюсуються. Технолопя наплавлення таких матерiалiв до-сить докладно описана в [5].
Авторами проводилося вщпрацьовування технологi! лазерного наплавлення шийок ва-гонних осей на зразках^мгаторах, виконаних зi сталi 60, iз присадкою порошкiв ПГ-СР2 i ПГ-12Н-01, що дають твердiсть порядку ИЯС 40 [6]. В якосп джерела лазерного випромшювання використовували СО2-лазер ЛТ-104 (довжина хвилi випромiнювання X = 10,6 мкм). У результат були обранi наступш параметри режиму: потужнiсть випромiнювання 3,2...3,5 кВт; швидюсть наплавлення 64...72 м/год; дiа-метр плями фокусування випромшювання 2,5...3,0 мм; масовi витрати порошку для наплавлення 0,2... 0,25 г/с. В експериментах застосо-вували лшзи з монокристалiв хлориду калiю з фокусною вщстанню Б = 300 мм. Дослщи про-водилися й з шшими присаджувальними мате-рiалами (порошки ПГ-10Н-01, ПГ-10Н-04, ПГ-АН6, ПГ-АН9, ПГ-12Н-02, ПГ-Н1 з грану-лящею 40...160 мкм).
Для виявлення структур отриманих наплав-лених шарiв iз зразкiв вирiзали темплети розм> ром 20x20x20 мм, затискали !х в оправки та виготовляли макро- i мiкрошлiфи. Останнi протравлювали електролiтичним способом у 20 %-ому водному розчиш сiркокислого амо-нiю. Мiкроструктури дослщжували на мшро-скопi «Neophot 32», твердють вимiрювали на твердомiрi т-400 «Ьеео» при навантаженнях 50 г та 10 г.
При вивченш поверхнi отриманих зразкiв було встановлено, що в наплавленому шарi утворюються мшротрщини. 1хня кiлькiсть, ро-змiр i перiодичнiсть повторення залежать вщ багатьох факторiв (наприклад, твердостi шару, що наплавляеться, хiмiчного складу й грануля-цi! присаджувального порошку, характеру й швидкост вiдведення тепла). Визначення !хньо! кiлькостi, ширини i довжини здiйснювалося за допомогою мiкроскопа МБС-10. Вдалося уста-новити наступне. Чим вище густина потужносп лазерного випромшювання i чим бiльше про-^в зразка, що наплавляють, тим менша кшь-кiсть мiкротрiщин спостерiгаеться. При цьому трщини простягаються у напрям^ поперечному наплавленим валикам, i мають значну дов-жину (часто проходять через весь наплавлений шар). 1з збiльшенням погонно! енергi! вiдстань мiж такими поперечними трiщинами зростае (може досягати 5...10 мм i бшьш). Ширина тр>
щин може коливатися в межах вщ 10 до 100 мкм. Зi зниженням густини потужностi випро-мшювання, пiдвищенням швидкостi наплав-лення, зниженням погонно! енергн, зменшен-ням сумарного теплового внеску в деталь, яку наплавляють, з'являеться сiтка трiщин з порiв-няно дрiбним кроком (1...5 мм). Ширина тр> щин у випадку тако! сiтки зазвичай коливаеться в межах 3...40 мкм. У перехщних варiантах мо-жлива штка трiщин iз бiльш широкими попере-чними трiщинами i вузькими повздовжшми.
Фрактографiчнi дослiдження поверхонь тр> щин на оптичнi й растровому електронному мшроскопах дозволили встановити, що поверх-ня зламу валика аналогiчна поверхш руйнуван-ня гладкого цилiндричного зразка при одно-осьовому розтягуваннi. У поверхш валика е зона зрiзу, тд нею перебувае радiальна зона, що займае основну частину поверхш трщини. У радiальнiй зонi дрiбнi рубцi спрямованi до мiсця зародження трiщин. Мiсцями зародження трiщин е рщю прошарки, застигаючi при бшьш низькiй температурi, нiж основний сплав, а та-кож нерозплавленi пори й частки порошку, яким наплавляли. При великому збшьшенш можна розрiзнити слабко обкресленi фасетки вiдколу на мющ бiльше крихко! фази.
Найбшьш радикальним i, разом з тим, простим методом усунення трщиноутворення е по-переднiй пiдiгрiв детал^ що наплавляеться. Од-нак, з огляду на бшьшу масу вагонних осей i порiвняно повiльне вщведення тепла, необхiдно сполучення попереднього й супутнього щщгр> ву дiлянки детал^ що наплавляеться, до темпе-ратури, що перевищуе нижню границю температурного штервалу крихкостi для використо-вуваного присаджувального матерiалу.
За результатами аналiзу мiкроструктур на-плавлених зразюв, вимiрiв 1хньо1 твердостi й мшротвердосп, рентгенофазового аналiзу можна сказати наступне. При лазерному наплав-ленш на границi валика з основним металом утворюеться тонкий свiтлий пластичний шар, як видно з рис. 1. Як показують результати рен-тгеноспектрального аналiзу, вiн являе собою перехщну зону зi структурою неперервного ряду твердих розчинiв вiд залiзноl до шкелево! основи. Товщина перехвдно! зони збiльшуеться при зниженнi швидкосп наплавлення. Пiд пе-рехiдною зоною в основному металi спостер> гаеться зона термiчного впливу (ЗТВ).
При лазерному наплавленш сплаву ПГ-12Н-01 за даними рентгенофазового аналiзу у наплавлених шарах утворюються двi основнi структурш складовi: iзольованi комiрковi, а
iнодi й розгалуженi зерна у-твердого розчину нiкелю й евтектика у-№+№„(Б,С). Також на-плавлений шар мае в своему складi карбiд Сг23С6 з гексагональною граткою, борiд нiкелю №3Б з ромбiчною граткою, борiд №4Б3 з орто-ромбiчною граткою, евтектику у-№+№5812 , утримуючу силiцид №5812 з гексагональною граткою. Результати рентгеноструктурного ана-лiзу добре погоджуються з результатами ска-нуючо! електронно! мшроскопп.
б)
Рис. 1. Фотографп мжроструктур наплавленого лазером шару порошку ПГ-12Н-01 на Сталь 60 при збшьшеннях: а)х100; б)х400
Всi структурнi складовi е дрiбнодисперсни-ми. Твердий розчин пересичений легуючими ко мпонентами. Аналiз показуе, що процес утво-рення карбадв i боридiв iде через утворення сегрегацiй хрому або утворення метастабшьних промiжних фаз. Розподiл мшкодисперсних тве-
рдих фаз, що утворилися, е рiвномiрним. У ре-зультатi мiкротвердiсть наплавленого сплаву значно вирiвнюеться порiвняно iз традицiйни-ми методами наплавлення.
Крiм вiдновлення шийок осей вагошв також актуальним е завдання шдвищення експлуата-цiйного ресурсу поверхонь катання колюних пар, тобто ободiв колiс. Однак, такий ефект не повинен супроводжуватися зниженням термiну служби рейок. Нашi дослiдження показали, що найбшьше наближення до необхiдного результату дае «ос^вкове» змiцнення, що створюе твердi зносостiйкi дiлянки металу порiвняно м'якiй матрицi, що демпфiруе. Реалiзувати таке змiцнення можна лазерною термообробкою (ЛТО) без оплавлення, застосовувано! як фш> шна операцiя.
1дея запропоновано! розробки полягае в за-стосуваннi лазерного випромiнювання для створення високошвидюсного термiчного циклу локального на^ву-охолодження поверхне-вих шарiв змщнюваних сталевих виробiв iз отриманням твердих i зносостiйких дрiбнокри-сталiчних структур, а також для локального розплавлення цих шарiв з метою 1хньо! моди-фшаци та отримання нових структур iз наперед заданими властивостями.
В 1ЕЗ iм. С. О. Патона на зразках^мгаторах була вiдпрацьована технологiя ЛТО сталей без оплавлення. Вона мютить у собк очищення й знежирення змщнювано! поверхнi, нанесення поглинаючого покриття, властиво ЛТО й вида-лення залишюв поглинаючого покриття. Для пiдвищення ефективносп лазерно! обробки деталей використовуються рiзного роду покриття для штучного зниження коефiцiента вiдбивання лазерного випромшювання. Як поглинаючi покриття зручшше за все наносити спецiально розроблеш водорозчиннi полiмернi (наприклад, МЦС-510, СГ-504, ФС-1М) [7]. Вони мають високу (порядку 80...90 %) поглинаючу здат-нiсть, дешевi, не токсичнi, не горять, не вид> ляють кштяви при лазерному нагрiваннi, легко наносяться пневморозпилюванням, фарбуван-ням пензлем або валиком. У випадку застосу-вання покриття МЦС-510 е прийнятним режим ЛТО з наступними параметрами: потужнють випромшювання 3,0... 3,2 кВт; ширина дорiжки загартування 9 мм; швидюсть 60 м/год. Глиби-на дорiжки ЛТО при цьому становила 0,7...0,8 мм, оплавлення на поверхш було вщсу-тне. Для досягнення ефекту «ос^вкового» зм> цнення на ободi колеса, жолобника й частини реборди варто застосовувати сканування, що надае дорiжцi змiцнення пилкоподiбну форму.
Змiцненi зразки випробовували на зносо-стiйкiсть методом сухого тертя за схемою «ци-лшдр - штир» на спещально розробленiй ма-шинi. Контртiла виготовляли зi Сталi 45 з на-ступним загартуванням до твердостi порядку ИЯС 55. Питомий тиск установлювали в межах 10...16 МПа, число обер^в випробовуваного зразка - у межах 50...1600 хв-1, лiнiйнi швидко-стi тертя - 1600...54000 м/год. Зношування зра-зкiв вимiрювали по змш дiаметра мiкрометром iз щною розподiлу шкали 0,01 мм, а також по змш маси зважуванням на коромислових вагах МТЗ № 206 з точнютю ±10 мг. Для шдвищення точносп вимiрiв збшьшували час тертя. Резуль-тати випробувань показали, що змщнеш зразки перевищують по зносостiйкостi зразки, викона-ш з матерiалу стандартного вагонного колеса, в 2...3 рази.
Висновки
1. Для ведення процесу вщновлення ши-йок вагонних осей можливе використання лазерного наплавлення iз застосуванням присаджу-вальних твердих сплавiв на основi нiкелю.
2. Експериментально встановлено залеж-ностi мiж технологiчними параметрами лазерного випромшювання й розмiрами наплавлених шарiв. Проведення експериментiв на цилшдри-чних зразках показало, що в дiапазонi потужно-стi лазерного випромшювання вщ 1 до 3 кВт оптимальний дiаметр плями випромшювання на поверхш, що наплавляють, прямо пропор-цшний потужностi й становить 1 мм на 1 кВт для швидкостей процесу 10...30 мм/с i масових витрат наплавочного порошку 0,1...0,3 г/с. Вщповщний дiапазон густин потужносп ви-промiнювання Жр = (0,5...5,0)-105 Вт/см2. Час iснування ванни розплаву при цьому може ва-рiюватися вiд 0,03 до 0,3 с.
3. При лазерному наплавленш забезпечу-еться рiвномiрний розподiл твердих фаз в бшьш м'якiй i пластичнiй матрицi та утворення вузь-ко! перехщно! зони, яка е визначальною для мiцностi зчеплення нанесеного шару з основ-ним металом, а також для мiнiмiзацil проник-нення основного металу у наплавлений та ве-личини ЗТВ у основному металл
4. Для усунення характерного дефекту лазерного наплавлення - появи мшротрщин, не-обхiдно ведення попереднього й супутнього пiдiгрiву дшянки деталi, що наплавляеться, до температури, що перевищуе нижню границю температурного штервалу крихкостi для вико-ристовуваного присаджувального матерiалу.
5. Дослщження показали, що зносостш-юсть металу, змiцненого лазерним випромшю-ванням без оплавлення, пiдвищуeться щонай-менше у 2...3 рази. При цьому для усунення мiкротрiщин i зниження залишкового напруже-ного стану змщнених шарiв доцiльно переме-жати змщнеш дiлянки основного металу iз не-обробленими.
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. 1нструкц1я з формування й зм1сту колюних пар тягового рухливого состава зал1зниць коли 1520 мм [Текст] : ЦТ/4351 ввд 31.12.1985. - М.: Транспорт, 1988. - 87 с.
2. Инструкция по формированию и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм [Текст] : ЦТ/4351 от 31.12.1985. - М.: Транспорт, 1988. - 87 с.
3. Богданов, А. Ф. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов [Текст] / А. Ф. Богданов, В. Г. Чурсин. - М.: Транспорт, 1985. - 269 с.
4. Марочник сталей и сплавов [Текст] / В. Г. Сорокин и др.; под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
5. Величко, О. А. Лазерное упрочнение и наплавка промышленных изделий [Текст] / О. А. Величко // Новые процессы и оборудование для газотермического и вакуумного покрытия: сб. науч. тр. / АН УССР. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона; редкол.: К. А. Ющенко (отв. ред.) и др. - К., 1990. - С.17-21.
6. ГОСТ 21448-75. Порошки из сплавов для наплавки [Текст]. - Введ. с 01.01.77 до 01.01.87.
7. Технологические лазеры [Текст] : справочник в 2 т. - Т.1: Расчет, проектирование и эксплуатация / Г. А. Абильсиитов и др.; под общ. ред. Г. А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991. - 432 с.
Надшшла до редколеги 03.06.2009.
Прийнята до друку 18.06.2009.
