CC BY
24
УДК 629.4.027.4
I. О. ВАКУЛЕНКО, В. Г. АНОФР1СВ, Ю. Л. НАДЕЖД1Н (ДПТ)
ЗМ1НА ТВЕРДОСТ1 МЕТАЛУ ПО ПОВЕРХН1 КОЧЕННЯ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С П1СЛЯ ФОРМУВАННЯ ПОВЗУНА
Розглянуто питання стосовно оцшки характеру змiни твердостi вздовж дефекту, сформованого тд час експлуатацп залiзничного колеса.
Рассмотрены вопросы оценки характера изменения твердости вдоль дефекта, сформированного при эксплуатации железнодорожного колеса.
The issues re. estimation of character of hardness change along a defect formed during operation of a railway wheel are considered.
В сучасних умовах експлуатацп затзнично-го транспорту, яким вщповщають висок р1вн1 тягових та гальм1вних потужностей, процес ру-ху вщбуваегься на меж1 зчеплення. На п1дстав1 цього, питання оптимального структурного стану металу зал1зничних колю та бандажiв на-бувае достатньо актуального значення. Сього-дш, при виробнищи затзничних колю для внутршнього використання в Укра!ш, застосо-вуються вуглецев1 стал на основ1 базового складу, який вщповщае стал 60 з мшродобав-ками легуючих елеменпв. За стех1ометр1ею в таких сталях об'емна частка структурно вшьно-го фериту мае значення в межах 30.. .14 %.
На основ1 вщомих наукових даних [1, 3, 4], шдвищення твердосп та мщносп вуглецевих сталей, яю використовуються для виготовлення затзничних колю, може бути досягнуто за ра-хунок упровадження технологш терм1чного змщнення. Так, тддаючи прискореному охоло-дженню общ затзничного колеса (по поверхш кочення), формуеться визначений град1ент структур залежно вщ швидкосп тепловщводу, який досягаеться. Якщо в тонкому приповерх-невому прошарку металу юнуе висока в1рог1д-нють розвитку структурних перетворень за зсу-вним або пром1жним мехашзмом (охолодження до температур 400.350 °C), то вже тсля при-пинення процесу примусового охолодження послщуючий роз1гр1в указаних прошарюв металу за рахунок внутршшх об'ем1в приведе до визначеного розпаду мартенсито-бейштних структур. В цьому випадку формуються струк-тури, по зовшшньому вигляду под1бн1 голчас-тш будов^ але з приблизно р1вном1рним розпо-дшом р1зно! форми i дисперсносп часток цементиту [1, 3]. З шшого боку, основний об'ем металу ободу, який тддаеться примусовому
охолодженню, супроводжуеться перетворенням аустенiту за дифузiйним механiзмом, тобто формуеться сумш iз феритних та перлiтних дшя-нок. Причому, чим до бшьш низько! темпера-тури охолоджуеться визначений прошарок ободу, тим формуеться бшьш дисперсна перлггна колотя. Одночасно спостер^аеться зменшення об'емно! частки структурно вiльного фериту за рахунок формування псевдоевтекто!да. Необ-хiдно враховувати, що для сталi марки 60, в межах марочного складу для максимально! концентраци вуглецю, об'емна частка структурно вшьного фериту, який видiляеться при охо-лодженнi по велико-кутових границях аустеш-тних зерен, може зменшуватись до двох разiв. Таким чином, формування псевдоевтекто!да приведе до додаткового зменшення указано! структурно! складово! та врештьрешт можуть бути досягнутi умови, коли взагат присутнiсть структурно вiльного фериту буде складно ви-значити в структурi сталi. Але треба пам'ятати, що присутнють визначено! об'емно! частки структурно вшьного фериту мае вплив на дося-гнення необхiдного рiвня ударно! в'язкостi металу затзничних колiс [2]. На пiдставi цього, можна з великою вiрогiднiстю вважати, що шдвищення мщносп стал за рахунок збiльшення вмiсту вуглецю з подальшим термiчним змiц-ненням може привести до зниження ударно! в'язкосп - однiе! з характеристик, яка вщпов> дае за опiр металу процесам зародження та зро-стання трiщин при експлуатацi! залiзничних колю.
Метою роботи е ощнка можливо! змiни р> вня твердостi металу по поверхш кочення зат-зничного колеса тсля формування повзуна.
Матерiалом для дослщжень були залiзничнi колеса тдвищено! твердостi (КПТ) з максима© Вакуленко I. О., Анофр1ев В. Г., Надеждш Ю. Л., 2010
льним вмютом вуглецю в межах марочного складу виробництва ВАТ «1нтерпайп НТЗ», яю були вилучеш з експлуатаци з причини виник-нення дефекпв на поверхш кочення. В якост характеристики мщност була вибрана твер-дють, яку вим1рювали за методом Бринелля, з використанням переносного приладу DINA TEST-SC Emst.
На рис. 1, 2 наведено вигляд сформованих поверхневих ушкоджень двох зал1зничних колю одше! колюно! пари.
Рис. 1. Зовшшнш вигляд ушкодження по поверхш кочення зал1зничного колеса 1
Рис. 2. Зовшшнш вигляд ушкодження по поверхш кочення зал1зничного колеса 2
З урахуванням мюць розташування ушкоджень та за зовшшшми ознаками, можна з до-статньою впевненютю вважати, що причиною формування дефекту (вищербини металу) е по-
взун [3]. Характер змiни твердост металу по поверхнi кочення вздовж повзуна для досл> джуваних колю наведено на рис. 3, 4. За зовшшшми ознаками наведеш ушкодження шдроз-дшяють на двi пiдгрупи: перша - це коли вини-каючi вищербини обумовленi формуванням розшарувань металу на визначенiй глибиш вiд поверхнi кочення i друга - коли розшарування вiдсутнi. Ушкодження, яке наведене на рис. 1, може бути вщнесене до першо! групи. Незва-жаючи на те, що прошарок металу, на якому поводились вимiрювання твердосп (рис. 3), в дiйсностi частково був вщокремлений розшарування на глибиш до 5 мм), характер змши НВ не мае випадкового вигляду. Як для першого, так i для другого колiс (рис. 3, 4), по мiрi вщда-лення вiд вiзуально визначено! границ появи повзуна, спостерiгаеться монотонне тдвищен-ня твердостi.
НВ.
кг мм 500
■100-
300
100
_-----^
20 40 60 80 100 I,
Рис. 3. Змша значень твердосп HB при вим1рюванш у вздовж повзуна на колей 1
нй-
ММ' у] Iii-
____
loo
0 20 0 60 8 0 НЮ 0 1-ГО 1
Рис. 4. Змша значень твердосп НВ при вим1рюванш у вздовж повзуна на колей 2
Приблизно в середиш повзуна досягаються найвищi значення НВ. Наведений екстремаль-ний характер змши твердосп вздовж повзуна мае свое пояснення. Так, прошарок металу за-лежно вiд вщсташ вiд поверхнi кочення мае визначений градiент накопичених дефектiв кристалiчноl будови. В процес експлуатаци залiзничне колесо, за рахунок взаемоди з галь-мiвними колодками, пiддаеться розiгрiву по поверхш кочення. Причому, як i розподiл дефе-ктiв кристалiчноl будови, як введенi в метал
колеса вщ взаемодп з рейкою, так i температура розiгрiву знижуеться вщ поверхнi кочення у глиб ободу. Таким чином, можна з упевнешстю вважати, що залежно вiд вщсташ вiд поверхнi кочення углиб металу ободу маемо набiр структур, в яких вiдбулися процеси структурних пе-ретворень у визначеному порядку. Найбшьш наближенi до поверхнi кочення прошарки металу з тдвищеним ступенем пластично! дефо-рмаци (максимальна накопичена щшьшсть де-фектiв кристалiчно! будови, в першу чергу дис-локацiй) можуть бути розiгрiтi до температур початку фазових перетворень [4]. Для бшьш заглиблених об'емiв стан металу вщповщае умовам розвитку процешв структурних перетворень при одночасному зменшенш ступеня наклепу i температури на^ву. Таким чином, до формування повзуна обiд залiзничного колеса тсля процесу гальмування, за рахунок розвитку процешв динамiчноl рекристатзаци в найбiльш наближених до поверхш кочення об'емах, повинен мати бшьшу ступiнь знижен-ня твердостi порiвняно з бiльш заглибленими прошарками. Рiч у тому, що коли ступеня де-формаци недостатньо або температура занадто низька для розвитку рекристатзаци, змiна комплексу властивостей обумовлена протшанням процесiв пол^ошзацп [1, 3] або деформацшно-го старiння [1]. Справа у тому, що для сталей з тдвищеним вмютом вуглецю, таких як напри-клад сталь марки 60, чим вище стушнь змщ-нення за рахунок пластично! деформаци, тим вище буде зниження характеристик мiцностi за рахунок розвитку рекристатзацп [1]. З iншого боку, неоднорщшсть наклепу металу по шириш поверхнi кочення, частота, час та швидюсть розiгрiву можуть суттево впливати на градiент структурного стану металу ободу ^ як наслiдок цього, змшювати мiцнiсть в широкому штерва-лi значень.
Формування повзуна веде до шдвищення температури розiгрiву металу з одночасним зшманням розiгрiтого прошарку металу. Таким чином, у першому наближеннi можна вважати, що тсля зшмання сегменту металу по поверхш кочення формуеться площадка, а шдвищений розiгрiв компенсуеться тепловiдводом по всш площинi контакту до холодних об'емiв колеса та рейки. На пiдставi розвитку процесiв за на-веденою схемою, повзун повинен привести до зниження твердосп металу на його периферш-них дiлянках.
Аналiз експериментальних даних по вим> рюванню твердосп вздовж повзунiв на двох колесах одше! колiсно! пари якiсно шдтвер-джуе наведенi пояснення та узагальнення. Мак-симальнi значення НВ (положення екстремуму на залежностi НВ вщ Ь, рис. 3, 4 ) приблизно вщповщають серединi повзуна. Як для першо-го, так i для другого колеса на залежносп НВ = /(Ь) спостертаеться iснування другого екстремуму. Пюля замiру геометричних розм> рiв колю було визначено, що наведеш екстре-мальнi значення НВ можуть бути пов'язаш з iснуванням додаткових, значно менших розм> рiв повзунiв з границями, як складно визначи-ти. Це можуть бути повзуни, як в процес екс-плуатацi! колеса були частково закаташ, хоча характер змши НВ залишився якiсно незмш-ним.
Висновки
1. Екстремальний характер змши твердосп по поверхш кочення колеса вздовж площадки формування повзуна обумов-лений рiзним ступенем розвитку проце-сiв структурних перетворень при нагрiвi холоднодеформованого металу.
2. Несвоечасне визначення повзушв малих розмiрiв може привести до !х вуалiзацi! при експлуатацi! колiс i, як наслщок, до розвитку розглянутих процешв структурних перетворень в металi до формування ушкоджень по поверхш кочення.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Должен-ков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
2. Терентьев, В. Ф. Влияние размера зерна на сопротивление усталости метала [Текст]. - В кн.: Усталость и вязкость разрушения металлов / В. Ф. Терентьев, В. Г. Пойда. - М.: Наука, 1974. - С. 109-140.
3. Дефекти зал1зничних колю [Текст] / I. О. Ваку-ленко [та ш.]. - Д.: Маковецький, 2009. - 112 с.
4. Стародубов, К. Ф.Влияние термической обработки на прочность железнодорожных колес [Текст]. - В кн.: Вопросы производства цельнокатаных колес / К. Ф. Стародубов, В. Я. Савенков. - М.: Металлургия, 1969. - С. 71-77.
Надшшла до редколегп 11.01.2010. Прийнята до друку 22.01.2010.
