СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КРЕСТОВИН С РЕЛЬСАМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

G^i ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

- зёрна, обладающие более вытянутой игольчато-пластинчатой формой, т.е. характеризующиеся большими значениями коэффициента формы, имеют наименьшую стойкость;

- длительнее всего в круге работают зёрна, близкие к изометрической форме (имеющие малые значения коэффициента формы);

- разница в стойкости зёрен разной формы может составлять до двух раз.

К*

Рис. 5. Стойкость шлифовальных зерен (Г) в зависимости от их формы

Из полученных данных следует, что: - полное время работы зерен в отрезном круге колеблется от 1,8 до 4,5 с

Список литературы

1. Бокучава Г. В. Износ и стойкость абразивного инструмента : Автореф. дис. ... д-ра тэхн. наук. - Тбилиси, 1£68. -25 с.

2. МишнаевскийЛ.Л. Износ шлифовальных кругов. - Киев: Наукова думка, 1982. - 191 с.

3. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В Износ алмазов и алмазных кругов. - М.: Машиностроение, 1Э67. - 112 с.

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ С0АРН0Г0 СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КРЕСТОВИН С РЕЛЬСАМИ

A.A. НИКУЛИНА, аспирант, В.Г.БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, A.A. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, В.А. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск

Одним из наиболее ответственных элементов стрелочного перевода является крестовина, отлитая из стали 110Г13Л, и ее соединение с рельсовыми окончаниями. Еще около 10 лет назад соединение этих элементов было разъемным. Однако, как показал зарубежный опыт, более эффективным и экономичным является сверное соединение. Основная проблема, появившаяся в связи с производством крестовин с приварными рельсовыми окончаниями, - хрупкое разрушение сварного соединения по шву между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой, используемой для «совмещения» условий сварки рельсовой стали и стали Гадфильда. Проведенные исследования показали, что основной причиной разрушения сварного соединения является мартенсит, образующийся в переходной зоне в процессе сварки.

Введение

С 1996 года в России освоено серийное производство сварных железнодорожных крестовин. Зарубежный опыт показал [1], что применение сварки для соединения крестовины, отлитой из стали 110Г13Л, и примыкающих к ней рельсов из высокоуглеродистой стали позволяет повысить надежность и срок службы стрелочных переводов, уменьшить затраты на их текущее содержание и снизить расход высокомарганцовистой стали.

Соединение крестовины из стали 110Г13Л с рельсовыми окончаниями является одной из наиболее ответственных зон стрелочного перевода. Способ соединения указанных элементов заключается в контактной стыковой сварке по схеме пульсирующего оплавгения. Такой способ сварки ускоряет нагрев детали и уменьшает машинное время процесса более чем вдвое по сравнению со сваркой с подогревом. ВысокомарганцоЕистая сталь относится к числу трудносвариваемых, поэтому сварка ее с рельсовой сталью производится через промежуточную вставку из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Этот материал хорошо сваривается как со сталью 110Г13Л, так и с рельсовой сталью М75 [2-4]. Главная проблема, возникающая в процессе сварки, связана с образованием трещин между рельсовой статью и хромоникелевой вставкой. Ко-

личество бракованных изделий даже в пределах 5 ... 7 % приводит к значительным экономическим потерям. Проведенные исследования показали, что основной причиной разрушения сварного соединения является мартенсит, образующийся в переходной зоне в процессе сварки.

Материалы и методы исследования В качестве объектов исследования использовались сварные элементы стрелочных переводов производсва Новосибирского стрелочного завода (НСЗ). Исследования сварных соединений пэоводили на оптическом микроскопе NU 2Е и микротвердомере ПМТ-3, испытания по схеме «трехточечный из-иб» выполняли на прессе МИИМ 2500-К на НСЗ. фрактографические исследования разрушенных образцов осуществляли в лаборатории динамических воздействий Института гидродинамики имени Лаврентьева СО РАН на микроскопе LEO 420. Микрорент-геноспектральный анализ прозодили в Институте геологии на рентгеновском микрсанализаторе типа JXA-5A (JEOL). Для испытаний на ударьую вязкость использовался маятниковый копер КМ - 5Т с максимальным запасом энергии 50 Дж.

Результаты и обсуждение

Сталь 110Г13Л и хромоникелевая вставка относятся к одному структурному классу (обладают аустенитной

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

I Видимая 1 граница г ¡сварного шва|

Сгаль Гадфильда

Хромоникелевая вставка

Локализованные закаленные зоны представлены на рис. 4, а, б, участки в виде сплошной мартенситной прослойки - на рис. 4, в, г.

,2 45СО 2

g 40С0

8. 3500

ж

Я

5

3000

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

Расстояние от сварного шва, мкм

Рис. 1. Микротвердость сварного шва между хромоникелевой сталью и сталью Гадфильда

структурой), поэтому их соединение не вызывает особых проблем. Сварной шов получается достаточно ровным без каких-либо дефектов. Косвенно об этом свидетельствуют результаты измерения микротвердости в переходной зоне (рис. 1). В закаленном состоянии сталь 110Г13Л обладает характерной зеренной структурой ау-стенита, преимущественно свободной от карбидов (рис. 2, а). В некоторых случаях в ней наблюдаются зерногра-ничные карбиды и карбиды игольчатой формы (рис. 2, б). Такая структура является нежелательной и, по всей видимости, связана с нарушением технологии термической обработки сварного соединения.

Рис. 5. Микротвердость сварного шва между хромоникелевой и рельсовой сталями

Для оценки качества сварных соединений были проведены испытания на статический трехточечный изгиб. В процессе нагружения образцы разрушались по сварному шву между рельсовой и хромоникелевой сталями. Полученный излом характеризуется металлическим блеском и является относительно гладким (рис. 6), что свидетельствует о его хрупком характере. Причина такого разрушения - наличие хрупкой высокопоочной структуры в сварном шве.

Рис. 6. Излом сварного соединения между рельсовой Рис. 3. Схема строения сварного шва между и хромоникелевой сталями после испытаний на статический

рельсовой и хромоникелевой сталями трехточечный изгиб

Счаль М76

(сталь M76I исходное состояние) Перлит феррит |

11срлит феррит мартенсит

Псрсх.зона

Сталь 12X18H10T

Мартенсит аустенит

Аустенит исходное состояние (сталь 12Х18Н10Т)

а б

Рис. 2. Аустенитная структура стали 110Г13Л свободная от карбидов (а) и с карбидами игольчатой формы (б)

Рельсовая и хромоникелевая стали относятся к различным структурным классам и значительно отличаются по содержанию легирующих элементов, в результате чего в процессе сварки в приграничной зоне сварного шоа возникают иооые структуры (рис. 3).

Рис. 4. Локализованные закаленные зоны в рельсовой стали (а, б) и мартенситная прослойка в хромоникелевой стали (в, г)

Исследования микротвердости полностью подтверждают результаты металлографических данных. Уровень микротвердост^ локализованных закаленных зон достигает 4500...6000 МПа, сплошной мартенситной прослойки - 4000...5000 МПа (рис. 5).

5500

(Ц

С 5000

£

J 4500

5

О 4000 g

§" 3500 О 3000

- -1 1 1 _______1- 1 Хромоникелевая вставка { | Рельсовая сталь |

! А

А

i та л

0 \J V ,1 к и 1

—|— Видима границ« сварного -r.-1-пт- : ь J

, 1, пва -

-500 -400 -300 -200 -10U О 100 200 JOO 400 500

Расстояние от сварного шва, мкм

№ 1 (34)2007

33

Cfa ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

Испытания на ударную вязкость показали, что разрушение образцов происходит как по хромоникелевой, так и по рельсовой сталям. Такое непостоянство результатов объясняется, видимо, тем, что в первом случае разрушение идет по мартенситной прослойке, а во втором - по закаленным зонам в зависимости от того, какая из областей обладает более высоким уровнем внутренних напряжений. На рис. 7, а и 7, б представлены фракто-граммы изломов хромоникелевой и рельсовой сталей соответственно.

надежность сварного шва, составляет НУ < 4000 МПа. На качество сварного соединения отрицательно влияет также наличие хрупких включений сулэфида титана. Анализ полученных результатов свидетельствует о необходимости усовершенствования технологии стыковой контактной сварки с целью повышения трещиностойкости сварных швов и надежности стрелочных переводов.

а б

Рис. 7. Фрактограммы йзломов хромоникелевой зтали (а) и рельсовой стали (б)

Для уточнения химического состава структурных составляющих, образующихся в переходной зоне в процессе сварки, был проведен микрорентгеноспектральный анализ образцов в направлении, перпендикулярном линии сварного шва (рис. 8). На полученных кривых можно выделить три участка, соответствующих хромоникелевой стали, переходной зоке и рельсовой стали. В рельсовой стали наблюдается несколько пиков по содержанию никеля и хрома (с одновременным снижением содержания железа). Появление этих пиков связано с прохождением зонда по локализованным закаленным зонам. Таким образом, образование отмеченных зон объясняется диффузией хрома и никеля в процессе сварки из хромоникелевой вставки в рельсовую сталь. В зоне видимой границы раздела наблюдается значительный всплеск содержания углерода, что также способствует охрупчиванию мартенситной прослойки. Важное значение имеют результаты, отражающие распределение титана. В хромоникелевой стали наблюдаются значительные всплески его содержания. Результаты исследований свидетельствуют о том, что всплески содержания титана соответствуют наличию его сульфидов (рис. 9).

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что сварные соединения железнодорожной крестовины с рельсовыми окончаниями не являются достаточно надежными. В процессе сварки рельсовой и хромоникелевой сталей в переходной зоне возникает высокохрупкая мартенситная структура. Она вызывает высокий уровень внутренних напряжений и может привести к катастрофическому разрушению сварного соединения. При использовании принятой в настоящее время технологии сварки мартенсит образуется практически всегда. Во всех исследованных сварных соединениях мартенсит был обнаружен металлографически. Свойства мартенситной прослойки в разных сварных соединениях (или даже в пределах одного образца) отличаются. Чем выше уровень микротвердости мартенсита, тем более негативно его воздействие. Установлено, что приемлемый уровень микротвердости мартенсита, обеспечивающий достаточную

Рис. 8. Результаты микрорентгеюспектрального анализа сварного соединения рельсовая сталь - хромоникелевая вставка

Рис. 9. Сульфиды титана в хромоникелевой матрице

Список литературы

1. Патент 1819305 СССР Е01 В 11/44. Йоханесс Блумауеэ. Способ соединения деталей стрелки.

2. Генкин И.Я. Сварные рельсы и стрелочные переводы // Путь и путевое хозяйство. - 2000. - № 12. - С. 14 - 20.

3. Никитин A.C. Контактная стыковая сварка стали Гадфиль-да с рельсовой сталью // Сварочное производство. - 2001

- № 9. - С. 38 - 40.

4. Бивалькевич A.A. Особенности хрупкого разрушения стрелочных переводов // Физическая мезомеханика. - Томск, 2004. -Т.7. - ч.1. - С. 199-201.

5. Бивалькевич A.A., Батаев A.A., Буров В.Г., Батаев В.А., Хлебников C.B. Особенности хрупкого разрушения сварных соединений разнородных сталей // Ползуновский вестник.

- Барнаул, 2004. - №2. - С. 44 - 46.

34 № 1 (34) 2007

рШ

Рельсовая

сталь

1ереходная зона сварки