CC BY
140М ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.791
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВАРНЫХ ШВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СТЫКОВОЙ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ЗАГОТОВОК ИЗ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
А.А. НИКУЛИНА, канд. техн. наук, доцент, А.А. БАТАЕВ, доктор техн. наук, профессор, А.И. СМИРНОВ, канд. техн. наук, доцент, В.Г. БУРОВ, канд. техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск
Статья получена 06 апреля 2010 г.
Никулина А.А. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, E-mail: aelita27@mail.ru
Основным объектом исследований являлись соединения элементов железнодорожных стрелочных переводов, полученные методом стыковой контактной сварки. Проведены структурные исследования сварных швов на различных масштабных уровнях, определена микротвердость структурных составляющих. Анализ результатов выявил наличие высокопрочных структур в переходной зоне сварного шва, которые являются главной причиной образования хрупких трещин при эксплуатации стрелочных переводов.
Ключевые слова: разнородные стали, сварка, структура.
In the article the welded joints of railway element were studied. It was found that the main reason of destruction of the switches is martensite structure formed at welding. Martensite is the brittle, high-strength and high-hardness structure, thus has low plasticity. It causes high level of internal stresses in the welded joint, which give rise to cracking and further final destruction.
Key words: heterogeneous steels, welding, structure.
ВВЕДЕНИЕ
Особенности сварки разнородных сталей связаны с различным структурным состоянием и химическим составом соединяемых деталей. При сварке сталей аустенитного и перлитного класса следует учитывать также различные условия охлаждения после формирования сварного шва.
В связи с ростом уровня механической нагрузки, прикладываемой к рельсам, и необходимостью существенного повышения скорости движения поездов резко возрастают требования к надежности важнейших элементов железнодорожного пути, в том числе к стрелочным переводам. Технология их изготовления должна обеспечивать высокий уровень прочностных свойств и трещиностойкости применяемых материалов.
В значительной степени это требование относится к сварным швам современных стрелочных переводов. В процессе получения железнодорожных крестовин (рис. 1) по технологии, предложенной авторами патента [1], образуется два шва: между сталями 12Х18Н10Т и Э76 (рельс), а также между сталями 12Х18Н10Т и 110Г13Л (крестовина). Комбинированная конструкция, включающая крестовину и рельсовые окончания, является достаточно сложной с точки зрения получения качественного соединения, так как сталь Гадфильда (110Г13Л) относится к трудносварива-емым. После сварки эта сталь должна ускоренно охлаждаться с целью исключения формирования карбидной сетки по границам аустенитных зерен. Для рельсовой же стали необходимо охлаждение
Рис. 1. Железнодорожная крестовина
с умеренными скоростями. В значительной степени проблема решается путем применения промежуточной вставки из стали 12Х18Н10Т [2-4]. Однако при использовании такого перехода не исключается возможность образования трещин в сварных швах. В наибольшей степени эта опасность характерна для шва между рельсовыми окончаниями и промежуточными вставками.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основным объектом исследования в работе являлись сварные крестовины производства Новосибирского стрелочного завода (НСЗ). Образцы были вырезаны в зоне сварных швов и включали в себя все три стали. Структурные исследования образцов проводили на световом микроскопе AxioObserver Alm, растровом электронном микроскопе Zeiss EVO50 XVP с микроанализатором EDS X-Act и просвечивающем электронном микроскопе FEI Tecnai 20 TWIN. Дюрометрические исследования выполняли на микротвердомере ПМТ-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные ранее исследования [4] позволяют говорить о причинах разрушения сварного соединения между рельсовой и хромоникелевой сталями, которые заключаются в формировании в переходной зоне сварного шва высокопрочных
б
Рис. 2. Закаленные области в переходной зоне сварного шва со стороны рельсовой стали
структур за счет диффузии присутствующих в сплавах элементов из более обогащенных в соседние обедненные области, а также за счет перемешивания свариваемых материалов. Основную роль в формировании неблагоприятной структуры играет диффузия углерода из рельсовой стали и хрома из стали 12Х18Н10Т в зону сварного шва. За счет этого в рельсовой стали образуются области, насыщенные хромом, а в хромоникеле-вой - углеродом, что приводит к появлению мар-тенситной структуры даже при медленном охлаждении. На рис. 2 представлены закаленные зоны, которые сформировались со стороны рельсовой стали. Проведенные исследования показали, что микротвердость данных зон составляет 4500... 5000 МПа, в то время как уровень микротвердости основного материала равен 2000.2500 МПа. Мартенситная структура со стороны хромонике-левой стали (рис. 3) также характеризуется высоким уровнем микротвердости (до 7000 МПа).
Анализ фольг, приготовленных из материала переходной зоны «сталь Э76 - сталь 12Х18Н10», на просвечивающем микроскопе свидетельствует о формировании сложной структуры.
а б
Рис. 3. Высокопрочные структуры, сформированные в сварном шве со стороны хромоникелевой стали
Наиболее часто встречаются микрообъемы мартенсита и перлита (рис. 4, а, б), однако в структуре сварного шва зафиксированы также аустенит и бейнит (рис. 4, в, г). Выделение перлита обычно происходит в пластинчатой форме и реже - в глобулярной. Во многих случаях пластины цементита изогнуты по винтовой линии (рис. 4, д), что обусловлено, вероятно, высокими степенями пластической деформации при формировании сварного соединения. При охлаждении аустени-та образуется мартенсит как двойникованного, так и реечного типа (рис. 4, е). Наличие мартенсита обоих типов, очевидно, обусловлено недостаточным временем для завершения диффузионных процессов и образования однородного по химическому составу аустенита.
Сложная структура переходной зоны сварного шва между рельсовым окончанием и хромо-никелевой вставкой обусловливает возможность проявления различных механизмов разрушения при динамической нагрузке. Анализ изломов на растровом электронном микроскопе показал, что чаще всего образцы разрушались по одной из сталей - хромоникелевой (рис. 5, а) или рельсовой (рис. 5, б). В некоторых случаях реализуется сложный механизм разрушения по двум сталям (рис. 5, в), что подтверждается результатами микрорентгеноспектрального анализа (рис. 6). В случае прохождения трещины по рельсовой стали наблюдаются участки вязкого и хрупкого разрушения (рис. 5, г), что также свидетельствует о наличии высокопрочных закаленных зон.
а б в
Рис. 4. Тонкое строение сварного соединения между рельсовой и хромоникелевой сталями
(см. также с. 27)
г д е
Рис. 4. Окончание
в г
Рис. 5. Поверхности разрушения сварного соединения между рельсовой и хромоникелевой сталями
Ш 1 1Й i 3 3 5 Si 4 3 . 5 5.5 6 is-
Полная щкггда'З&ЗЗ.имп. Курсор:.0.000 кзЗ
а в
Рис. 6. Результаты микрорентгеноспектрального анализа поверхности разрушения сварного соединения:
а - электронное изображение; б - спектр 1; в - спектр 2
б
Проведенные исследования показали, что при сварке литых сердечников и рельсовых окончаний с использованием промежуточной хромоникелевой вставки мартенсит образуется практически всегда. Особенностью этой структуры в сварных швах и прилегающих к ним зон является различный уровень твердости, обусловленный различием химического состава микрообъемов аустенита, из которого он образуется. Чем выше твердость мартенсита и выше степень его неоднородности, тем опаснее его присутствие в сварном шве. Экспериментально установлено, что приемлемый уровень микротвердости мартенсита, обеспечивающий достаточную надежность сварного шва, составляет ИУ = 3500.4000 МПа.
Список литературы
1. Патент 1819305 СССР, МКИ5 Е01В11/44. Способ соединения деталей стрелки / Иоханесс Блумау-ер; заявитель и патентообладатель Фоест Альпине Айзенбанзюстеме ГмбХ (АТ). - № 5001090/11; за-явл. 19.07.91; опубл. 30.05.93, Бюл. № 20. - 2 с.
2. Генкин И.З. Сварные рельсы и стрелочные переводы / И.З. Генкин // Путь и путевое хозяйство. -2000. - № 12. - С. 14 - 20.
3. Никитин А.С. Контактная стыковая сварка стали Гадфильда с рельсовой сталью / А.С. Никитин // Сварочное производство. - 2000. - № 9. -С. 38 - 40.
4. Особенности хрупкого разрушения сварных соединений разнородных сталей / А.А. Бивальке-вич, А.А. Батаев, В.Г. Буров, В.А. Батаев, С.В. Хлебников // Ползуновский вестник. - Барнаул, 2004. -№ 2. - С. 44 - 46.
