CC BY
165
УДК 629.421
А. Ф. Богданов, А. М. Будюкин, И. А. Иванов,
Д. А. Жуков, С. В. Урушев
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ОБОДА КОЛЕСНЫХ ПАР ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Рассмотрены возможности использования индукционной термоциклической обработки для улучшения механических свойств металла обода после восстановления профиля поверхности катания. Теоретически и экспериментально исследован процесс восстановления механических свойств поверхности катания изношенных колес с использованием индукционной термообработки в процессе ремонта. Исследовано структурное состояние металла обода, подвергнутого термоциклической термообработке (ИТЦО). Эксплуатационные испытания опытных колес после ИТЦО показали повышение износостойкости гребня и поверхности катания на 20-50 %.
бандаж, восстановление профиля, индукционная термоциклическая обработка.
Введение
Изменения в конструкции и содержании пути привели к значительному износу гребней колес и боковых поверхностей головок рельсов, повышению расхода энергии на тягу поездов, значительным экономическим потерям железных дорог [1].
Ряд принятых мер (лубрикация, улучшение физико-механических свойств бандажей и др.) позволили уменьшить износ гребней, но его интенсивность все равно превышает условный базовый уровень (у локомотивов 0,15 мм на 10 000 км). И восстановление профиля поверхности катания производится в основном в связи с износами гребня, а не в связи с износом поверхности катания, определяя тем самым неэкономичное восстановление профиля и его «технологический» износ.
В настоящее время все чаще ставится вопрос об использовании новых марок колесных сталей с повышенной стойкостью к тепловым нагрузкам [2]. Речь идет о сталях бейнитного класса, у которых контактно-усталостная прочность и стойкость к усталостным выщербинам превышают показатели существующих колесных сталей. Кроме того, при торможении на сталях это-
22
го класса не образуется так называемый «белый слой», что предотвращает образование тормозных выщербин.
Определяя общие требования к процессу восстановления профиля поверхности катания колес колесных пар, можно разделить их на ряд направлений. Это требования к геометрическим параметрам обода колеса, к процессу восстановления и к физико-механическим показателям металла обода. Но до сих пор требования к физико-механическим показателям металла бандажа после восстановления в нормативных документах не приводятся.
Новый ГОСТ 398-2010 устанавливает следующие требования к химическому составу и механическим свойствам металла новых бандажей (табл. 1 и 2).
ТАБЛИЦА 1. Химический состав стали бандажей
Марка стали Массовая доля элементов, %
Углерод Марганец Кремний Хром Ванадий Фосфор Сера
не более
2 0,57-0,65 0,60-0,90 0,22-0,45 не более 0,20 0,15 0,03 0,02
4 0,65-0,75 0,20-0,60
ТАБЛИЦА 2. Механические свойства, твердость и ударная вязкость бандажей
Марка стали Временное сопротив- ление разрыву, Н/мм2 Относитель- ное удлинение, % Относитель- ное сужение, % Твердость НВ Ударная вязкость KCU, Дж/см2
на глу -бине 20 мм на гребне при +20 °С при -60 °С
не менее не менее
2 930-1110 10 14 не менее 269 321 25 15
4 не менее 1050 9 12 320-360 380 20
Примечание. По согласованию с потребителем допускается устанавливать нижний предел твердости на глубине 20 мм для стали марки 4 не менее 300 НВ.
Технология термической обработки бандажей обеспечивает неравномерную, убывающую вглубь по сечению обода твердость [3].
После ряда ремонтных обточек (особенно при наличии подреза гребня) твердость металла обода будет меньше, чем на поверхности нового бандажа, на 10-30 НВ. Учитывая, что увеличение твердости на 1 НВ в эксплуатаци-
23
онном интервале твердости колес увеличивает их износостойкость на 1-2 % [4], можно говорить о снижении износостойкости металла обода в связи с уменьшением твердости после каждой ремонтной обточки, т. е. при ремонте целесообразно не только восстановление геометрии профиля колеса, но и восстановление механических свойств металла обода.
Исследованиями установлено [5], [6] и практикой подтверждено [7] -[9], что область рациональных значений твердости материала колеса при минимальном суммарном износе элементов пары трения колесо-рельс с учетом величины проскальзывания и твердости рельсов находится в диапазоне 360...400 НВ. Для повышения износостойкости колес при ремонте необходимо применять упрочняющую термообработку с получением в рабочем слое колеса пластинчатых мелкодисперсных продуктов распада аустенита. Пластичность и вязкость упрочненной стали, а также другие механические свойства должны быть не менее тех, что указаны в ГОСТ 398-2010.
Следует особо отметить возможности индукционной термоциклической обработки (ИТЦО). Использование ИТЦО дает возможность существенно повысить износостойкость металла за счет измельчения зерна стали. Такие режимы позволяют получать особые структуры стали - смешанные - в результате действия так называемого смешанного механизма превращения а-фазы в у-фазу. Смешанные структуры, получаемые при незавершенных процессах распада высокотемпературной фазы, обладают повышенной износостойкостью (структуры зернисто-пластинчатого перлита). Под действием переменной температуры при неоднократных нагревах и охлаждениях возникают термические и структурные микронапряжения, способствующие формированию упорядоченной структуры. Упорядочение структуры феррита является одной из основных причин увеличения ударной вязкости и пластичности стали в результате ИТЦО [10].
1 Оборудование, методика и результаты исследований
Как было отмечено выше, восстановить или улучшить физико-механические свойства металла обода при ремонте можно с помощью индукционной термической обработки. Блок-схема индукционной установки приведена на рисунке 1.
Нагревательным элементом системы служит двухполувитковый индуктор. Устройство вращения 5 обеспечивает заданное равномерное перемещение колеса относительно индуктора. Устройство охлаждения 4 используется для охлаждения генератора (или преобразователя) 2, а также колебательного контура (закалочного трансформатора, конденсаторной батареи и индуктора) 3. Положение спрейера относительно индуктора определяет время начала управляемого охлаждения водой.
24
Рис. 1. Блок-схема установки:
1 - пульт управления; 2 - генератор; 3 - колебательный контур; 4 - теплообменник; 5 - устройство вращения колесной пары; И - индуктор; С - спрейер; К - колесо
Экспериментальные методы исследования теплового состояния ко -лес методом термометрирования связаны с большими затратами времени и средств. Часто оказывается, что получить полную картину температурных полей в реальном процессе затруднительно. В таком случае удобны расчетные методы исследования. Таким образом, целесообразно использовать расчетные методы, позволяющие получать многовариантные полные картины изучаемых процессов. Тогда как эксперимент проводится только для контроля и сопоставления с результатами теоретических исследований.
Теоретически краевая задача теплопроводности формулируется одинаково для любых объектов. Конкретизация возникает при записи условий однозначности, т. е. граничных и временных условий [11].
В расчете моделировался следующий натурный эксперимент. В тонком приповерхностном слое в точках, расположенных на расстоянии 0,5 мм друг от друга, фиксируются значения температуры через равные промежутки времени.
Полученные результаты показывают (рис. 2), что после нагрева поверхности катания вращающегося колеса под первым витком индуктора до температуры 820 °С и несколько выше с принятой скоростью нагрева 170 °С/с происходит падение температуры в результате теплоотвода в тело холодного колеса. Затем за счет нагрева под вторым витком индуктора температура возрастает, а потом начинает постепенно снижаться. В верхних слоях металла при этом образуются структуры, обеспечивающие твердость 340-380 НВ, а в подстилающих слоях обеспечивается твердость основного металла обода. Кроме того, в результате индукционного нагрева поверхности катания и гребня до температур 820-840 °С твердые участки поверхности катания колес (ползуны и т. п.) претерпевают фазовые превращения и их твердость выравнивается с твердостью остального металла.
25
Рис. 2. Эволюция распределения температур в поверхностном слое
Для сопоставления результатов расчета температурных полей с экспериментальными данными были произведены замеры температур, возникающих при индукционной термообработке колеса.
На рисунке 3 приведены результаты замеров изменения температур в цельнокатаном колесе (0, 2, 4, 6 мм - точки 0,1, 2, 3).
На рисунке 4 показаны результаты замеров изменения температур в бандажном колесе [12] (0,5; 2,0; 8,0; 15 мм - точки I, II, III, IV).
Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента показало расхождение в пределах 10-15 % в сторону завышения температуры. Несовпадение расчетных данных с опытными можно объяснить неточностью задания граничных условий на поверхностях колеса. Можно предположить, что действительное значение коэффициента теплоотдачи носит переменный характер, связанный с его лучистой составляющей. Ее величина зависит от температуры колеса. Поэтому в первые моменты времени, когда колесо начинает нагреваться, лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи незначительна и общее его значение меньше принятого в расчете. Затем, по мере нагрева колеса, его температура увеличивается до значений, когда лучистая
26
Рис. 3. Результаты эксперимента по замерам температур в цельнокатаном колесе
t, °С
Рис. 4. Результаты эксперимента по замерам температур в бандажном колесе
составляющая будет играть определяющую роль в процессе теплообмена ко -леса с окружающей средой. Для получения действительного характера изменения коэффициента теплоотдачи необходимо решение ряда обратных задач.
27
Для оценки структурного состояния металла обода были проведены исследования колесной и бандажной стали в состоянии поставки и после циклической термообработки (ИЦТО) на установке ТВЧ.
При сравнительном анализе использовался метод растровой электронной микроскопии (РЭМ) и локальный рентгеноспектральный анализ (ЛРСА) с использованием растрового электронного микроскопа -рентгеновского анализатора «Камебакс SX-50» (Франция). Исследования проводились на поверхности микрошлифов и изломов образцов после испытания на ударный изгиб во ВНИИЖТе [13].
После ИТЦО структура колесной стали становится более дисперсной и однородной. Многократное полиморфное (а^у^а)-превращение приводит к образованию дисперсной структуры с высокой степенью однородности за счет многократной фазовой перекристаллизации. Характерно отсутствие в структуре стали фрагментов избыточного феррита, что свидетельствует о высокой однородности структуры и ее высокой работоспособности. Следует также отметить, что короткое время индукционного нагрева препятствует обезуглероживанию стали, что существенно для обеспечения износостойкости. В то же время следует отметить, что индукционная термообработка воздействует лишь на поверхностные слои стали.
Проведен качественный микрорентгеноспектральный анализ металлической матрицы (чувствительность 0,11-0,02 %) на глубину до 10 мм. Он показал, что ликвация в рассматриваемой области отсутствует.
Количественный линейный рентгеноспектральный анализ (ЛРСА) проводился от поверхности металла до глубины 3 мм. Распределение углерода равномерное, что свидетельствует о том, что обезуглероживания при ИТЦО не происходит.
Эволюция микроструктуры колесной стали по мере удаления от поверхности после ИТЦО кардинально проявляется на глубину до 2 мм. В этом диапазоне структура представляет собой дисперсный сфероидизированный сорбит. Мелкозернистая структура в сочетании с повышенной твердостью придает колесной стали рациональный комплекс механических свойств в пределах допустимой твердости. Изменение структуры наиболее полно протекает у поверхности колеса. Это объясняется спецификой индукционного нагрева ТВЧ. Наиболее полное изменение структуры протекает в зонах, претерпевших полную аустенитизацию в процессе нагрева.
Визуальная оценка структуры имеет субъективный характер и низкую точность. Поэтому на автоматическом анализаторе изображений «Квантимет 520» произведен расчет параметров, характеризующих измельчение структуры, за которые были приняты средний размер включений остаточного феррита площадью более 8 мкм, а также площадь, занимаемая ими. Ограничение минимального размера частиц позволило избавиться от «шумов» и выделить наиболее информативную часть распределения по размерам. Результаты при-
28
ведены на рисунке 5. Судя по полученным данным, глубина, на которой происходит измельчение структуры при ИТЦО, достигает 3-5 мм.
Следует также отметить, что получаемая в результате ИТЦО структура - сорбит (квазиэвтектоид) - является неравновесной, т. к. образуется при ускоренном охлаждении. Возникающие при образовании сорбита сжимающие напряжения оказывают позитивное влияние на работоспособность поверхности бандажа. В результате повышается надежность работы колеса при случайных отказах (выщербинах, сколах и т. д.) и, как следствие, повышается безопасность эксплуатации подвижного состава.
Изменение общей площади частиц феррита
-о---сталь после ИТЦО;
-м---сталь для дополнительной обработки
Рис. 5. Изменение общей площади частиц феррита в зоне поверхности катания
Лабораторные и эксплуатационные испытания [14] термоупрочненных при ремонте колесных пар показали повышение износостойкости колес на 20-50%.
Заключение
Теоретически и экспериментально исследован процесс восстановления механических свойств поверхности катания изношенных колес с использованием индукционной термообработки в процессе ремонта. Исследовано структурное состояние металла обода, подвергнутого термической обработке. Работа опытных колес в эксплуатации показала повышение износостойкости гребня и поверхности катания на 20-50 %.
Рациональное использование технологии индукционного нагрева колес при ремонте позволит повысить эффективность использования подвижного состава за счет снижения количества закупок новых колесных пар.
29
Библиографический список
1. Доминирование бокового износа гребней колес и рельсов недопустимо / Е. П. Блохин, С. В. Мямлин, Н. И. Сергиенко, Н. К. Воробьев // Вюник СМУ iM. В. Даля. -2011. - № 12 (166), ч. 1. - С. 30-34.
2. Результаты полигонных испытаний локомотивных бандажей повышенной твердости / Г. И. Брюнчуков // Вестник ВНИИЖТа. - 2007. - № 2. - С. 23-26.
3. Разработка технологии производства высокопрочных локомотивных бандажей на ОАО «Интерпайп НТЗ» / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, А. И. Бабаченко, А. Н. Хулин и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2009. - № 3. - С. 104-108.
4. Повышение твердости колес подвижного состава / Д. П. Марков // Вестник ВНИИЖТа. - 1995. - № 3. - С. 10-17.
5. Повышение работоспособности колес рельсового транспорта при ремонте технологическими методами / И. А. Иванов, С. В. Урушев, М. Ситаж, А. М. Будюкин ; ред. д-р техн. наук И. А. Иванов. - СПб. : ПГУПС, 1995. - 124 с.
6. О соотношении твердости рельсовой и колесной стали / А. М. Вихрова, Т. В. Ларин, Ю. М. Парышев, Л. С. Хургин // Вестник ВНИИЖТа. - 1983. - № 6. - С. 34-38.
7. Колеса с повышенной твердостью обода производства ОАО ВМВ / И. Л. Пашо-лок, Г. А. Филиппов, А. А. Шишов // Сб. докладов научно-практической конф. «КОЛЕ-СО-РЕЛЬС-2003». - М. : ООО «Интекст», 2003. - С. 56-57.
8. Экономический эффект твердого колеса / Я. Торина // РЖД-Партнер. - 2009. -№ 10 (158). - С. 100-101.
9. Вагоны на крепкой основе / Н. А. Бочкарев // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. научных трудов / СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 9-12.
10. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин / В. К. Федюкин, М. Е. Смагоринский. - Л. : Машиностроение, 1989. - 255 с.
11. Исследование термических процессов при индукционном нагреве железнодорожных колес при ремонте / И. А. Иванов, И. Г. Киселев // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. - 2010. - № 4 (8). - С. 38-45.
12. Влияние индукционного нагрева на напряженное состояние и деформации колеса / К. Врубель, Ю. Капланек, М. Ситаж // Теплообмен в энергетических установках подвижного состава железных дорог и метрополитенов. - СПб. : ПГУПС, 1993. - С. 40-43.
13. Исследование металла гребней и обода локомотивных колес после термообработки при ремонте / Л. М. Школьник, Е. А. Шур, В. М. Дусевич, Д. П. Марков, И. А. Иванов, С. В. Урушев, С. Г. Зальцман, А. М. Будюкин // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. научн. тр. - СПб. : ПГУПС, 1997. - С. 58-63.
14. Технология повышения износостойкости гребней и восстановление профиля поверхности катания железнодорожных колес / И. А. Иванов, Н. С. Продан, А. Ф. Богданов, С. В. Урушев // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. научн. тр. - СПб. : ПГУПС, 1997. - С. 54-58.
© Богданов А. Ф., Будюкин А. М., Иванов И. А., Жуков Д. А., Урушев С. В., 2014
30
