CC BY
27
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО
УДК 621.791.92:629.4.027.4
О. А. ГАЙВОРОНСЬКИЙ1*
1 1нститут електрозварювання iM. С. О. Патона НАН Украши, вул. Казимира Малевича, 11, Кшв, Украша, 03068, тел. +38 (044) 205 20 95, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8146-7790
УМОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТ1
В1ДНОВЛЕНИХ НАПЛАВЛЕННЯМ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С
Мета. В робот передбачаеться встановити законо]шрносп формування структури i фiзико-механiчних властивостей колюних сталей при дуговому наплавленш та розробити технологiчнi рекомендацй' щодо ввд-новлення поверхонь зносу залiзничних колiс. Вони забезпечать пвдвищення надшносп та безпеки руху транспорту в умовах зростаючих експлуатацiйних навантажень. Методика. Для досягнення поставлено! мети дослщжено: 1) вплив експлуатацiйних навантажень на структурш змiни та властивосп металу колеса; 2) вплив дугового наплавлення на структурно-фазовий склад та властивосл металу зони термiчного впливу, його ошршсть крихкому i уповшьненому руйнуванням; 3) вплив наплавленого металу на формування на-пруженого стану наплавлень та 1'х опiрнiсть утворенню трiщин; 4) зносостiйкiсть вiдновленого металу при тертьковзанш пари «колесо-рейкам». Результата. Найбшьш напруженою дiлянкою профiлю кочення залiз-ничних колiс вантажних вагошв при експлуатацп е мiсце переходу вщ поверхнi кочення до гребеня. Тому при вiдновленнi наплавленням колю необхщно, перш за все, забезпечити шдвищену опiрнiсть крихкому руйнуванню металу в цш зонi. Для уникнення появи холодних трiщин при наплавленш необхвдно обмежу-вати швидкiсть охолодження в зонi термiчного впливу до 16,0 °С/с (в iнтервалi 600... 500 °С) при вмюп вуг-лецю С < 0,60 % та до 8,0 °С/с при С = 0,60.0,65 %. При цьому, порiвняно висока отршсть крихкому руй-нуваннi забезпечуеться, коли буде сформована структура, яка не мютить верхнш бейнiт, а частка мартенситу не перевищуе кiлькостi нижнього бейнiту (спiввiдношення М/Бн < 1). Витримка колеса на протязi 3,5-4,5 годин при температурi 100 °С пiсля наплавлення в процесi його уповшьненого охолодження сприяе шдви-щенню опiрностi крихкому руйнуванню металу зони термiчного впливу в 1,8-2,3 рази. Наукова новизна. Автором розвинуто уявлення щодо структурно-фазових змiн, якi ввдбуваються в металi залiзничного колеса при дуговому наплавленш. Встановлений взаемозв'язок м1ж вмютом вуглецю в сталi, швидшстю Ii охолодження при наплавленш, ошршстю утворенню трiщин i крихкому руйнуванню. Встановлено вплив умов охолодження колеса тсля наплавлення на властивосп металу. Практична значимiсть. Розробленi техноло-гiчнi рекомендацй' щодо ввдновлення наплавленням залiзничних колiс вантажних вагонiв. 1х застосування забезпечить пiдвищення якостi вщновлення наплавленням залiзничних колiс, надiйнiсть та безпеку руху транспорту в умовах зростаючих експлуатацшних навантажень.
Ключовi слова: залiзничне колесо; дугове наплавлення; зона термiчного впливу; структура; холоднi трь щини; крихке руйнування; наплавлений метал; зносостшшсть; технологiчнi рекомендацй'
Вступ
Для виготовлення колю вантажних вагошв сьо-годш в Укрш'ш використовуеться колюна сталь марки 2, вмют вуглецю в якш складае 0,55-0,65 %. Колеса з тако! стал мають достатньо високу на-
дшнють при експлуатацп. Р1вень навантаження на вюь колюно! пари вантажних вагошв при експлуатацй на зал1зничних кол1ях становить до 23,5 т.
З метою шдвищення експлуатацшно! мщно-ст i зменшення зносу зал1зничних колю сього-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
дш в Укра!ш розглядаються декшька напрям1в створення нових колюних сталей. По-перше, пропонуеться збшьшення вмюту вуглецю в стал до 0,75 %, як i при виготовленш колю в €С, США та Япони. Це найбiльш простий шлях, який не потребуе додаткових витрат та змши технологiчного процесу виготовлення затзничних колiс. Другий напрямок, мшроле-гування юнуючо! колюно! сталi карбо- i штрь доутворюючими елементами, за рахунок чого можливо забезпечити диспергування структури металу. Це буде сприяти зростанню пластичних властивостей металу колеса при бшьшому рiвнi його мiцностi [1, 3].
Пщвищити мiцнiсть виробiв та знизити в> рогiднiсть утворення дефектов на поверхнi ко-чення затзничних колiс можливо також за рахунок отримання бейштно! структури металу. Це третш напрямок. При цьому забезпечуються високi показники механiчних властивостей i опiрностi крихкому руйнуванню металу при збшьшенш зносостiйкостi залiзничних колю. Але при юнуючому вмiстi вуглецю в колюнш сталi марки 2 отримання бейштно! структури металу потребуе змши технолопчного процесу при виготовленш затзничних колiс. За кордоном розглядаеться також можливють застосу-вання колiс, виготовлених зi сталi при зниже-ному вмiстi вуглецю (С < 0,30 %). Формування бейштно! структури металу колеса в цьому ви-падку досягаеться при додатковому легуванш сталi нiкелем, хромом, молiбденом та iншими елементами (разом до 8,0 %) [14, 18].
Всi напрями розробки нових колюних сталей сьогодш активно вiдпрацьовуються. Але при створенш нових залiзничних колiс шдви-щено! мiцностi необхiдно також передбачати, чи можливо буде !х вiдновлювати пюля зносу в умовах вiтчизняного виробництва.
В процесi експлуатаци колеса зношуються за профiлем кочення. Через особливосп роботи пари тертя-кочення «колесо-рейка» бшьш всьо-го схильна до зносу робоча поверхня гребеня колеса. Цей знос пов'язаний з мехашчним тер-тям контактуючого металу. Величина зносу залежить вщ багатьох факторiв, пов'язаних з умовами навантаження колiсних пар при експлуатаци, станом контактуючих поверхонь i геометричних параметрiв профiлю колеса та рейки, сшввщношення !х твердостi та ш. На
поверхнi кочення колiс виникають також дефе-кти, якi мають назву «вищербини». Ц дефекти мають термомехашчний характер, якi утворю-ються при проковзуванш колiс по рейках з фо-рмуванням гартiвних структур в приповерхне-вому шарi металу, що в подальшому призво-дить до його вщшарування [2, 4, 6, 9, 13]. При збшьшенш вмюту вуглецю в колюнш стат в> рогiднiсть утворення «вищербин» рiзко зростае.
Застосування технолог^' наплавлення при вщновленш колiс економiчно вигiдно. Вiднов-лення наплавленням дозволяе зменшити вiдхо-ди металу обода при його мехашчному обточу-ваннi за профiлем кочення, а також шдвищити зносостiйкiсть колеса за рахунок наплавлення металу з наперед заданими властивостями. Для цього застосовуються способи дугового напла-влення тд шаром флюсу дротами суцiльного перетину, а також спещальне зварювальне i до-помiжне устаткування. Технолог^! вщновлення наплавленням колiс, що зараз застосовуються, не завжди враховують всi чинники, яю вплива-ють на надшнють вiдновлених виробiв. В ре-зультап, в деяких випадках, при наплавленш утворюються трiщини. Це значно шдвищуе ри-зик виникнення аварiйних ситуацш в умовах експлуатац^! i може призвести до суттевих по-шкоджень залiзничного транспорту.
Зварюванiсть високомiцних вуглецевих сталей, до яких вщносять i колiснi сталi, до сьогодш практично не дослщжувалась, про що свщ-чить вiдсутнiсть шформаци в спецiалiзованiй лiтературi. Було прийнято тезу, що вироби з цих сталей не можливо зварювати в звичай-них умовах виробництва без уникнення в них трiщин. Винятком е тiльки технолог^! вiднов-лення наплавленням виробiв, якi були розроб-ленi за результатами обмежених експеримеш!в. Тому розробка науково обгрунтованих техно-логiй наплавлення залiзничних колiс, яю б ба-зувалися на результатах глибоких дослiджень впливу дугового зварювання на структурш змi-ни та властивосп металу зони термiчного впливу (ЗТВ) колюних сталей залежно вщ вмiсту в них вуглецю, на особливосп опiрностi напла-влень уповшьненому i крихкому руйнуванням при статичних та циклiчних навантаженнях, е актуальним завданням. Це дозволить суттево пiдвищити безпеку руху на затзничному тран-спортi в умовах зростаючих експлуатацiйних навантажень.
Шука та npo^ec тpaнcпopтy. Bi^m Дкiпpoпeтpoвcькoгo кaцioкaлькoгo yкiвepcитeтy зaлiзкичкoгo тpaнcпopтy, 2016, № 5 (65)
Cлiд також зазначити, що вiднoвлeння на-плaвлeнням cьoгoднi дoзвoлeнo гaлyзeвими но-рмативними дoкyмeнтaми та зacтocoвyeтьcя при peмoнтax зaлiзничниx кoлic ватажн^ вaгoнiв мaгicтpaльнoгo тpaнcпopтy, кoлic та бaндaжiв тpaнcпopтy гipничo-збaгaчyвaльниx та мeтaлyp-гiйниx пiдпpиeмcтв, кpaнoвиx кoлic, бaндaжiв тpaмвaйниx кoлic мicькoгo тpaнcпopтy.
Мета
Meтoю роботи 6уло вcтaнoвлeння о^овн^ зaкoнoмipнocтeй у фopмyвaннi cтpyктypи i ф> зикo-мexaнiчниx влacтивocтeй кoлicниx статей при дуговому нaплaвлeннi та poзpoблeння тex-нoлoгiчниx peкoмeндaцiй щодо вiднoвлeння пoвepxoнь знocy зaлiзничниx кoлic, яю зaбeзпe-чать пiдвищeння нaдiйнocтi та бeзпeки pyxy тpaнcпopтy в yмoвax зpocтaючиx eкcплyaтaцiй-ниx нaвaнтaжeнь.
Методика
Для дocягнeння пocтaвлeнoï мeти при вико-нaннi роботи дocлiджeнo вплив eкcплyaтaцiй-ниx нaвaнтaжeнь на структурш змiни i власти-вocтi мeтaлy кoлeca, вплив дугового наплав-лeння на cтpyктypнo-фaзoвий cклaд i властиво-cтi мeтaлy ЗТB, його ошршсть кpиxкoмy i yпoвiльнeнoмy руйнуванням, вплив нaплaвлe-ного мeтaлy на формування нaпpyжeнoгo cтaнy нaплaвлeнь та ïx oпipнicть yтвopeнню тpiщин, дocлiджeнo зно^ст^^^ вiднoвлeнoгo мeтaлy при тepтi-кoвзaннi пари «кoлeco-peйкa».
Kiнeтикy cтpyктypниx пepeтвopeнь в мeтaлi ЗТB дocлiджyвaли мeтoдoм iмiтaцiï тepмoдeфo-pмaцiйнoгo циклу дугового нaплaвлeння. Для цього викopиcтoвyвaли cyчacний достщний кoмплeкc «Gleeble-3800», ocнaщeний тepмocтa-том i вдаокошвидкюним дилaтoмeтpoм [7]. При дocлiджeнняx cтpyктypниx змiн в мeтaлi засто-coвyвaли тpaдицiйнi мeтoди оптично!, растро-во1 i eлeктpoннoï мiкpocкoпiï. Для oцiнки мщ-ност!, в'язкocтi руйнування та piвнiв внутрь шнix нaпpyжeнь в cтpyктypi мeтaлy ЗТB вико-pиcтoвyвaли нoвiтнiй poзpaxyнкoвo-aнa-лiтичний мeтoд oцiнки, poзpoблeний в ШЗ iм. G. О. Патона HAHY [17]. Цeй мeтoд оцшки ба-зyeтьcя на викopиcтaннi пapaмeтpiв cтpyктypи та cyбcтpyктypи, визнaчeниx мeтoдaми растро-во1' i eлeктpoннoï м^ро^от].', при poзpaxyнкax влacтивocтeй мeтaлy. doi 10.15 802/stp2016/84078
Oпipнicть yтвopeнню xoлoдниx тpiщин ви-значали при випpoбyвaнняx зpaзкiв з одноша-ровими нaплaвлeннями за мeтoдoм Iмплaнт [8]. Ошршсть мeтaлy ЗТB кpиxкoмy руйнуванню oцiнювaли при тpьoxтoчкoвoмy вигинi мoдeль-ниx зpaзкiв з викopиcтaнням ^ш^рив мexaнiки руйнування [11]. Пoпepeдньo мoдeльнi зразки були тepмooбpoблeнi по заданому тepмoдeфop-мaцiйнoгo циклу дугового нaплaвлeння, i в цeнтpaльнiй чacтинi якж була виpoщeнa тpiщинa втоми глибиною 3 мм. Трщиностш-кicть оцшювали при триточковому вигинi та при цикшчному нaвaнтaжeннi зpaзкiв бaгaтoшapoвиx зварнж з'еднань товщиною 20 мм на OTe^arn-зованому дocлiднoмy oблaднaннi (установка Фрщлянда та УMП-1 вiдпoвiднo). Отр знocy oцiнювaли при тepтi-кoвзaннi мoдeльниx зpaзкiв з багатошаровим нaплaвлeнням на достщному oблaднaннi IЕЗ iм.G.O. Патона HAHY [12].
Як об'ект дocлiджeнь викopиcтoвyвaли ко-лicнy cтaль марки 2 (КС2), а також для визна-чeння впливу вмicтy вyглeцю в cтaлi - констру-кцшну cтaль 65Г та peйкoвy сталь M76 такого отладу (мac. %):
- КС2: 0,58 С; 0,44 Si; 0,77 Mn; 0,10 Ni; 0,05 Cr; 0,012 S; 0,011 P;
- 65Г: 0,65 С; 0,19 Si; 0,91 Mn; 0,18 Ni; 0,16 Cr; 0,017 S; 0,010 P;
- M76: 0,74 C; 0,30 Si; 0,80 Mn; 0,10 Ni; 0,15 Cr; 0,012 S; 0,011 P.
Результати
Ha шршому eтaпi роботи мeтoдaми оптич-нoï, pacтpoвoï i eлeктpoннoï мiкpocкoпiï, а також poзpaxyнкoвo-aнaлiтичним мeтoдoм визна-чeнo дiлянкy пpoфiлю кoчeння зaлiзничнoгo кoлeca, яка зазнае найб^ьш^ змiн cтpyктypи мeтaлy пiд дieю тpивaлиx eкcплyaтaцiйниx на-вaнтaжeнь. Bcтaнoвлeнo, що цe е зона пepexoдy вiд пoвepxнi кoчeння до гpeбeня кoлeca (3К, pиc.1, а).
Для ^eï дiлянки xapaктepнe пiдвищeння м> цнocтi пpипoвepxнeвoгo шару мeтaлy в 1,5-1,8 разу (вщ 950 до 1 400-1 700 Mm) при форму-вaннi пpoтяжкиx cмyгoвиx структур шириною до 30-70 мкм, наявшсть poзкaтaниx нeмeтaлe-виx вкpaплeнь довжиною до 160 мкм i штки трщин довжиною до 350 мкм (рж. 1, б). Bcra-нoвлeнo, що щiльнicть диcлoкaцiй в CTpyCTypi мeтaлy пiдвищyeтьcя до p « 2... 4* Ю^м"2,
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
а критичний коефщент штенсивносп напру-жень К1С, визначений розрахунковим методом за параметрами структури, знижуеться в серед-ньому на 50 % (з 30 до 15 МПам1/2).
а—а
б-b
Рис. 1. Умовна схема (а) профшю кочення затзничного колеса та структура металу (б,*500) в приповерхневому шар1 при експлуатацшних навантаженнях
Fig. 1. Conventional diagram (a) of railway wheel rolling profile and metal structure (b, x 500) in the surface layer at operational loads
Отримаш результата дослщжень дозволили зробити висновок, що перед наплавленням необхщно метал поверхш кочення, прилеглий до гребеня, мехашчно видаляти на глибину не менше шж 1,0 мм. А при вщновленш металу колю необхщно забезпечити шдвищену отр-нють крихкому руйнуванню наплавлень особливо в цш зош. Це може бути реал1зовано лише за умови застосування контрольованого терм> чного циклу. При цьому наплавлення необхщно починати з-тд гребеня колеса при горизонтальному положенш колюно! пари.
При ¡мтоаци термодеформацшного циклу наплавлення (комплекс «Gleeble 3800») моде-
лью зразки нагр1вали до температури 1 250 °С з1 швидкютю 25 °С/с (характерно для умов зви-чайно! терм1чно! обробки) та 210° С/с (умови дугового наплавлення). Час перебування металу при температурах вище Ас3, залежно вщ умов нагр1ву i швидкосп охолодження, стано-вив ti = 23-66 с та ti = 7-10 с вщповщно. Шви-дкiсть охолодження зразкiв W6/5 (в дiапазонi температур 600-500 °С) змiнювалася в межах 2,5-64 °С/с. Використовували також можли-вiсть дослiдного устаткування охолоджувати зразки при постшному зниженнi температури, iмiтуючи реальнi умови при дуговому наплав-леннi. За результатами дослщжень побудованi термокiнетичнi дiаграми перетворення пере-охолодженого аустенiту в металi ЗТВ сталi КС2 (рис. 2).
Встановлено, що незавершенють процешв гомогешзацн аустенiту, внаслiдок швидкого на^ву i обмеженого часу перебування металу при температурах вище точки Ас3 при дуговому наплавленш, суттево впливае на перетворення переохолодженого аустешту в ЗТВ. При швидкост охолодження 2,5-30 °С/с, яка характерна дуговому наплавленню, в металi ЗТВ фо-рмуються виключно гартiвнi структури. При цьому мшмальна швидкiсть охолодження W6/5, при якiй починаеться формування мартенситно! складово! в структурi металу при С = 0,58 %, знижуеться вщ 30 °С/с до 8 °С/с, а критична швидкiсть охолодження W50M, при якiй в струк-турi металу ЗТВ утворюеться 50 % мартенситу, становить 20 °С/с. Структура металу ЗТВ залежно вщ швидкосп охолодження наведена на рис. 3, де мартенситна складова подана у ви-глядi свтолих дiлянок.
Пiд впливом термодеформацiйного циклу дугового наплавлення змшюеться також характер перетворення переохолодженого аустешту в промiжнiй область Утворення нижнього бей-нiту починаеться при 12° С/с. Максимальна йо-го кiлькiсть (61 %) при 16 °С/с. При збшьшенш швидкостi охолодження до 25 °С/с об'емна час-тка нижнього бейшту знижуеться до 26 %, а мартенситу збшьшуеться до 71 %. При швидкосп охолодження W6/5 < 8°С/с перетворення вщбуваеться в iнтервалi 680-560 °С, формуеть-ся структура верхнього бейнiту. Перлгг в струк-турi, на вiдмiну вiд уповiльненого нагрiву, не виявлено. Вплив швидкосп охолодження W6/5
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
на зм1ну структурного складу залежно ыд умов ди ТДЦН наведено на рис. 4.
а—а
а-а т, °с
б—b
Рис. 2. Термошнетичш д1аграми перетворення переохолодженого аустенгту в метал1 ЗТВ стал КС2:
а - t1 = 23-66 с; б - t1 = 7-10 с
Fig. 2. CCT diagram for transformation of supercooled austenite in HAZ simulated metal of KS2 steel:
a - t1 = 23-66 s; b - t1 = 7-10 s
При збшьшенш вмюту вуглецю в стал1 до 0,65 % утворення мартенситу змщуетъся на 40°С в область бшьш низьких температур, а твердють загартованого металу тдвищуеться в 1,4 рази. При цьому мартенсит утворюсться вже при 2,0 °С/с. А критична швидкють охоло-дження W50M зменшуеться до 7,0 °С/с. Змшю-еться також характер пром1жного бейштного перетворення. Структура металу переважно верхнього бейшту, яка утворюеться в метал1 ЗТВ стал1 з С = 0,58 % при 8,0 °С/с, при збшьшенш вмюту вуглецю змшюеться на структуру нижнього бейшту, в якш об'емна частка верхнього бейшту не перевищуе 10 %, а твердють загартованого металу тдвищуеться в 1,2 разу.
б—b
в—с
Рис. 3. Структура металу ЗТВ стал КС2 (х320): а - W6/5 = 8 °С/с; б - 16°С/с; в - 25 °С/с
Fig. 3. Structure of HAZ metal of KS2 steel (x320):
a - W6/5 = 8 X/s; b - 16 X/s; с - 25 °С/s
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
а—а
бражае 3MiHy onipHOCTi металу ЗТВ залежно вiд вмюту вуглецю в сталi.
б—b
в—с
n, %
15 Ш/5,° Q
Рис. 4. Структурний склад металу в ЗТВ
сталi КС2 (а, б) та сталi 65Г (в): а - t1 = 23-66 с; б, в - t1 = 7-10 с; 1 - перлщ 2 - бейтт; 3 - мартенсит
Fig. 4. Structural composition of HAZ metal of KS2 steel (a, b) and 65G steel (c): a -11 = 23-66 s; b, c -11 = 7-10 s; 1 - perlite; 2 - bainite; 3 - martensite
Формування гарт1вних структур зумовлюе шдвищеш показники мщносп i низью пластич-m властивостi металу ЗТВ. Тимчасовий отр металу, який зазнав дп ТДЦН, залежно вiд вм> сту вуглецю та швидкостi охолодження, стано-вить 940-1280 МПа, границя текучостi 600-920 МПа. При збшьшент вмiсту вуглецю в сталi показники пластичност при статичному руй-нуванш знижуються майже в 3 рази (S5 вiд 13,3 до 4,7 %, у вщ 33,3 до 12,6 %). В'язюсть загар-тованого металу при ударi (KCU) при темпера-турi -40°С не перевищуе 5,0-8,0 Дж/см2.
Кiлькiсну оцiнку ошрносп утворення холо-дних трiщин (уповшьненому руйнуванню - УР) одношарових наплавлень виконували вщповщ-но до загальновщомого методу 1мплант. При випробуваннях використовували зразки 0 6 мм. За результатами випробувань побудовано дiаг-раму W6/5 = f(C), наведену на рис. 5, яка вщо-
2.75 С, о,о
Рис. 5. Отршстъ утворенню холодних трiщин в наплавленнi залежно вiд BMiCTy вуглецю в сталт
1 - область активного розвитку, де попередити утворення трщин не можливо (аКР < 0,30 а0,2); 2 - область
тдвищено! отрносп, де за певних умов можливо уникнути утворення трщин (аКР > 0,45 а0,2);
3 - умови наплавлення, де трщини не утворюються навiть при наявностi концентратора
Fig. 5. Resistance to formation of cold cracks in building-up depending on the carbon content of steel:
1 - area of active development where it is not possible to prevent the crack formation (aKR <0.30 a0.2);
2 - area of high resistance where under certain conditions it is possible to prevent the crack formation (aKR > 0.45 a02);
3 - building-up conditions where cracks do not form even if there is a concentrator
У ход1 дослщжень встановлено, що при наплавленш на погоннш енергп Q3B < 8,6 кДж/см без попереднього пщ1гр1ву метал ЗТВ, незалежно вщ вмюту вуглецю в стал1, мае дуже низьку ошрнють до УР, кри-тичш напруження руйнування становлять оКР = 0,07-0,14 о0>2. При цьому встановлено та-кож, що р1вень отрносп УР суттево залежить вщ структурного стану металу ЗТВ. Для пщви-щення отрносп уповшьненому руйнуванню металу ЗТВ вщ оКР = 0,07 о0,2 до оКР > 0,45 о0,2 необхщно обмежувати швидкють охолодження до W6/5 < 16,0 °С/с для стал1 при вмют вуглецю С < 0,60 %, до W6/5 < 8,0°С/с при С = 0,60-0,65 %, до W6/5 < 5,0°С/с при С <0,75%. За таких умов в метал1 ЗТВ форму-ються гарт1вш бейштно-мартенситш структури, як мають достатньо високу здатнють до мшро-пластичного деформування без утворення мш-ротрщин.
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^HinponeTpoBcbKoro Ha^OHanbHoro yHiBepcHTeTy 3ani3HHHHoro TpaHcnopTy, 2016, № 5 (65)
^k^o npoaHani3yBaTH pe3ynbTaTH Bunpo6y-BaHb, aKi HaBegeHi Ha pnc. 2-5, to MOXHa 3po6u-th TaKHH bhchobok. npn ^opMyBaHHi rapTiBHoi' CTpyKTypn, aKa Mae cniBBigHomeHHa crpyKTyp-hhx cKnagoBHx Ha piBHi m/eh > 1, b 3TB aKTHBHO yTBoproroTbca xonogHi Tpi^HHH. ^k noKa3aB eKC-nepuMeHT, Hac yTBopeHHa MaricTpanbHOi Tpi^H-hh, aKa Bpaxae 100 % nepepi3y MeTany, cTaHO-BHTb He 6inbme Hix 5 xbhhhh. I nonepegrnu ii yTBopeHHa b TaKHx yMOBax HannaBneHHa npaKTH-hho He MOxnuBO.
npu ^opMyBaHHi rapTiBHoi' crpyKTypu, aKa Mae cniBBigHomeHHa crpyKTypHHx cKnagoBHx Ha piBHi M/Eh < 1, b 3TB yTBopeHHa Tpi^HH Big6yBaeTbca npoTaroM 40-50 xbhhhh. Ane nonepegrnu ix yTBopeHHa MOxnuBO 3a paxyHOK 3aTpuMKH oxono-gxeHHa MeTany b o6nacTi TeMnepaTyp 100-200 °C npu MapTeHcuTHOMy nepeTBopeHHi (T < TMH).3a TaKHx yMOB oxonogxeHHa MeTany 6yge c$0pM0-BaHa cTpyKTypa 3 MapTeHcuTOM BignycKy.
BnnuB noroHHoI eHeprii HannaBneHHa Ta TeM-nepaTypu nonepegHboro nigirpiBy Ha mBHgKicTb oxonog^eHHa MeTany Ta crpyKTypH0-$a30BHM cKnag MeTany 3TB KonicHoi cTani HaBegeHO b Ta6n. 1.
Ta6nuua 1
CTpyKTypH0-$a30BHH CK^ag MeTany 3TB KonicHoi cra^i MapKH 2 (058 % C)
Table 1
Structural and phase composition of HAZ metal of grade 2 wheel steel (058 % C)
QHAn^; k^X/CM Tnn, °C W6/5, °C/c CTpyKTypa 3TB
8,6 - 25-30 71-74 %M
100 12-15 12-34 % M
150 8-10 2-9 % M
200 5-7 > 95 % E
250 3-4 > 95 % E
11,5 - 15-17 34-39 %M
50 12-14 12-30 % M
100 6-8 > 95 % E
15,0 - 10-12 9-16 % M
3 HaBegeHHx gaHHx BugHO, npu 0gH0gyr0B0My HannaBneHHi 3ani3HHHHHx Konic, BHr0T0BneHHx 3 KonicHoi cTani MapKH 2 npu BMicTi вyrneцro
0,58 %, Ha noroHHiM eHeprii 11-12 k^^/cm, ^o BignoBigae pexuMy - cTpyM 300-350 A, Hanpyra Ha gy3i 32-34 B, mBHgKicTb 15-20 M/r, HaBiTb 6e3 nonepegHboro nigirpiBy b 3TB 6yge c^0pM0-BaHa cTpyKTypa MeTany, b aKiM MOxnuBO nonepe-guTH yTBopeHHa xonogHHx Tpi^HH, 3acrocoByro-hh ynoBinbHeHe oxonogxeHHa Koneca nicna HannaBneHHa. npu 3acT0cyBaHHi nonepegHboro nigirpiBy go 100 °C yTBopeHHa xonogHHx Tpi^HH b HannaBneHOMy Koneci npaKTHHHO He MOxnuBO.
Ane, aK n0Ka3ye npaKTHKa, BigHOBneHi Koneca, npu HannaBneHHi aKHx 3acT0c0ByeTbca nonepe-gHiM nigirpiB 3 TeMnepaTyporo 150 °C, iHogi 3a-3HaroTb pyMHyBaHHa 6e3nocepegHbo b цexовнx yMOBax peMOHTy. flna BuaBneHHa цнx npuHHH yTBopeHHa Tpi^HH 6ynu BHKOHaHi noganbmi go-cnig^eHHa, cnpaMOBaHi Ha nigBH^eHHa onipHocTi BigHOBneHux Konic KpuxKOMy pyMHyBaHHro.
Big0M0, ^o criHKicTb внcокомiцннx craneM npoTH yTBopeHHa Tpi^HH nig giero HaBamaxeHb 3ane^HTb Big cryneHa Moro 3arapT0BaH0cTi Ta HaaBHocri gu$y3iMHoro BogHro, aKHM nepeMi^y-eTbca go He^inbHocreM crpyKTypu Ta nigBH^ye b HiM BHyTpimHi HanpyxeHHa. EaraTbMa gocnig-HHKaMH BigMinaeTbca TaKOx tom $aKT, ^o 3i 36i-nbmeHHaM мiцноcтi Ta cTyneHa 3arapT0BaH0cTi cTani HeraTHBHHM BnnuB BogHro nocunroeTbca. Big0M0 TaKOx, ^o mBHgKicTb gu^y3ii BogHro 3a-ne^HTb Big xiMiHHoro cKnagy Ta cTpyKTypu MeTany, a TaKOx Moro TeMnepaTypu. I3 3pocraHHaM TeMnepaTypu gH$y3iMm npоцecн Big6yBaroTbca 6inbm iHTeHcuBHO i npu TeMnepaTypi cepegoBH^a 100°C KinbKicTb BogHro, ^0 BuginaeTbca 3 MeTany 3a ogHH i tom xe Hac, 6yge MaMxe Ha nopagoK 6inbma Hix npu KiMHaTHiM TeMnepaTypi.
Oco6nuBocTi KpuxKoro pyMHyBaHHa 3arapT0-BaHoro MeTany 3TB gocnigxyBanu 3a opurmanb-Horo MeToguKoro 3 BHKopucTaHHaM MogenbHux 3pa3KiB npaMOKyTHoro nepepi3y 3 Hagpi30M no цeнтpy, 3 BepmuHH aKoro 6yna Bupo^eHa Tpi^H-Ha btomh rnu6uH0ro 3 mm. 3pa3KH HaBamaxyBa-nH cTanHM 3ycunnaM npH TpHTOHKOBOMy BHrHHi. HacTHHa 3pa3KiB Bunpo6oByBanacb y cTaHi nicna TepM0o6po6KH Ta Bupo^yBaHHa Tpi^HHH,
a iHma HacTHHa - gogaTKOBO HaBogHroBanacb ene-KTponiTHHHHM cnoco6oM go cTaHy, Konu BMicT gu^y3iMHoro BogHro [H]gu^ b hhx gocaraB 0,2; 0,5; 1,2 Ta 1,5 Mn/100 r. KpuTepieM оцiнкн nig Hac gocnig^eHb 6yB kphthhhhm коe^iцieнт iHTe-HcuBHocTi Hanpy^eHb KiC.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
Дослщженнями встановлено, що метал ЗТВ високомщних вуглецевих сталей мае шдвище-ну схильнiсть до крихкого руйнування. Порiв-няно з вихiдним станом ошрнють крихкому руйнуванню металу ЗТВ знижуеться для сталi КС2 в 1,5-2,3 разу, а для CTUTi 65Г в 1,4-3 рази. При цьому суттево впливае структурно-фазовий склад загартованого металу. При фор-муванш в металi ЗТВ бейштно! структури, яка складаеться переважно з верхнього бейшту, показник К1С найнижчий. Узагальнеш резуль-тати дослiджень наведено на рис. 6.
а—а
б-b
Наявшсть дифузшного водню в наплавлен-нях додатково окрихчуе загартований метал ЗТВ, його здатшсть до мшропластичного дефо-рмування суттево знижуеться, а процеси розви-тку трiщин прискорюються. При вмют дифу-зiйного водню в ЗТВ на рiвнi 0,2 мл/100г ошр-нiсть крихкому руйнуванню загартованого металу знижуеться, залежно вщ його структурного стану та вмюту вуглецю в стал^ в 1,2-3,2 разу. При збшьшенш його вмiстy до 1,5 мл/100г опiрнiсть крихкому руйнуванню металу ЗТВ CTUTi КС2 знижуеться в 1,5 разу, для CTUTi 65Г - в 5-6,5 разу.
Узагальнеш результати фактографiчних до-слiджень поверхнi зламiв металу ЗТВ сталей КС2 та 65Г наведено в табл. 2.
Характерш поверхш зламiв в зош мапстра-льного розвитку трiщини CTUTi 65Г наведено на рис. 7.
a—a
б—b
Рис. 6. Крихке руйнування модельних зразшв стал КС2 (а) та 65Г (б):
а) 1 -сталь у вихщному сташ; 2 -ЗТВ, 20°С/с;
3 - 13,5°С/с; 4 - 6°С/с; б) 1 - сталь у вихщному сташ; 2 - ЗТВ, 6°С/с; 3 - 13,5°С/с
Fig. 6. Brittle fracture of modelling samples of KS2 (a) and 65G steel (b):
a) 1 - steel in initial state; 2 - HAZ, 20°C/s;
3 - 13.5°C/s; 4 - 6°C/s; b) 1 - steel in initial state;
2 - HAZ, 6°C/s; 3 - 13.5°C/s
Узагальнюючi наведеш данi можна конста-тувати, що для досягнення порiвняно високо! ошрносп крихкому руйнуванню необхiдно за-безпечити умови, коли в металi ЗТВ буде сформована бейштно-мартенситна структура, яка не мютить верхнш бейшт (Бв), а частка мартенситу не перевищуе кшькосп нижнього бейшту (сшввщношення М/Бн < 1).
Рис. 7. Злам металу ЗТВ стал1 65Г (13,5 °С/с) в зош мапстрального розвитку трiщини (х1010):
а - зразок без наводнения; б - 0,5 мл/100 г
Fig. 7. Fracture of HAZ metal of 65G steel (13.5 °C/s) in the main crack area (x 1010): a - sample without hydrogenation; b - 0.5 ml/100 g
Hayra тa npo^ec тpaнcпopтy. BicKm Днiпpoпeтpoвcькoгo нaцioнaльнoгo yнiвepcитeтy зaлiзничнoгo тpaнcпopтy, 2016, № 5 (65)
Taблиця 2
Характер зламу металу ЗТВ в 30HÍ розвитку магктральноТ трiщини
Table 2
Nature of HAZ metal fracture in the main crack area
КС2
0 0 6,0 "C/c (98 % Бв) 13,5 "C/c (25 % Бв, 50 % Бн, 23 % M)
к KBЗ,% KMa% ^ЗГо КИЗ,%
LBT,мкм LBT,мкм L^mrm LBT,MRM
0 100 100
40 5
0,2 80 20 70 30
100 100 40 40
0,5 70 30 65 35
120 120 60 60
Зaкiнчeння тaбл. 2 End of table 2
Cтaль 65Г
1-е 0 0 -€ф 6,0 "C/c (60 % Б, 40 % M) 13,5"C/c (100 % M)
к KBЗ,% КИЗ,% KBЗ,% KMa%
LBT,MRM LBT,MRM LBT,MRM LBT,MRM
0 95 5 80 20
30 30 60 60
0,2 50 50 30 70
150 150 220 220
0,5 40 60 20 80
170 170 250 250
При нaвoднeннi мeтaлy ЗTB poзвитoк Maric-тpaльнoï тpiщини xapaктepизyeтьcя нe тшьки як кpиxкe pyйнyвaння пo тшу зepeн (KBЗ), a тaкoж як кpиxкe мiжзepeннe (КЫЗ). З пiдвищeнням вмicтy дифyзiйнoгo вoдню в злaмi збiльшyeтьcя чacткa KЫЗ тa дoвжинa втopинниx тpiщин (LBT). Haйбiльш piзкi змiни в xapaктepi руйну-вaння при пiдвищeннi вмicтy вoдню crocrepi-
гaютьcя в мeтaлi з бiльшим вмicтoм вугтецю. При швидкocтi oxoлoджeння 6,0 "C/c в мeтaлi ЗTB cтaлi 65Г фopмyeтьcя бeйнiтнo-мapтeнcитнa cтpyктypa (60 %Б, 40 %M). Haвoд-жння тaкoгo мeтaлy piвнeм 0,2 мл/100г при-звoдить дo cyrтeвoгo знижeння йoгo oпipнocтi кpиxкoмy pyйнyвaнню, кoeфiцieнт К1С знижу-erьcя мaйжe в 3,2 paзy. При цьoмy чacткa KЫЗ пiдвищyeтьcя пpaктичнo нa пopядoк - вiд 5 дo 50 % [15].
Як пoкaзaли ви^шт дocлiджeння, нaяв-нicть вoдню в ЗTB piзкo oкpиxчye мeтaл. При цьoмy з пiдвищeнням вмicтy вyглeцю в cтaлi нeгaтивний вплив вoдню збiльшyeтьcя. При дyгoвoмy нaплaвлeннi шд шapoм флюcy йoгo вмicт в мeтaлi ЗTB нeмoжливo oтpимaти нижчe 0,2 мл/100г (в нaплaвлeнoмy мeтaлi [Н]диф > 1,5 мл/100г). ToMy нeoбxiднo зacтoco-вyвaти дoдaткoвi тexнoлoгiчнi oпepaцiï пo йoгo видaлeнню з мeтaлy нaплaвлeнь. При вщвдв-лeннi зaлiзничниx кoлic знижeння вмicтy вoдню в мeтaлa ЗTB мoжнa дocягти тiльки в пpoцeci yпoвiльнeнoгo oxoлoджeння кoлic пicля rnraa-влeння.
^й виcнoвoк пiдтвepдили peзyльтaти пoдa-льшж дocлiджeнь при визнaчeннi впливу yмoв oxoлoджeння нa oпipнicть кpиxкoмy pyйнyвaн-ню мeтaлy ЗTB cтaлi КС2. Bcтaнoвлeнo, щo ш-двищити omprncra кpиxкoмy pyйнyвaнню Me-тaлy ЗTB в 1,8-2,3 paзy мoжливo при витримщ мeтaлy при тeмпepaтypi 100"С. При цьoмy raa-cтичнi влacтивocтi мeтaлy збiльшyютьcя в 1,5-1,8 paзy, a чacткa в'язкoю cклaдoвoï в ^py^ypi злaмy при poзвиткy мaгicтpaльнoï тpiщини пiдвищyerьcя дo 20 % ^бл. 3). Цe в> дбyвaeтьcя внacлiдoк видaлeння дифyзiйнoгo вoдню з мeтaлy тa, як пoкaзaли cпeцiaльнi Me-тaлoгpaфiчнi дocлiджeння, змeншeння щ^ь^^ тi диcлoкaцiй в зaгapтoвaнiй CTpy^ypi (в 1,5
разу) [16].
Зaбeзпeчити тaкi yмoви нa виpoбництвi mo-жливo при зacтocyвaннi тexнoлoгiчнoï orapa^ï yпoвiльнeнoгo oxoлoджeння кoлic пicля rnraa-влeння в тepмoкaмepax, дe вoни пoвиннi знaxo-дитьcя при тeмпepaтypi 250-100 "С пpoтягoм 3-5 годин (тeмпepaтypa oбoдy кoлeca пicля ш-плaвлeння гpeбeня 260-295 "С). Шрб витpимa-ти мeтaл у вкaзaнoмy дiaпaзoнi тeмпepaтyp швидкicть oxoлoджeння говинт бути нe бшь-шe шж 35-40 "С зa гoдинy. Дocягти тaкиx yмoв
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
можливо в спец1альних термокамерах, виготов-лених Í3 застосуванням тепло1золюючих мате-р1ал1в.
Виб1р зварювальних матер1ал1в для наплав-лення зал1зничних колю виконували за результатами дослщжень впливу типу наплавленого металу на його ф1зико-мехашчних властивость
Встановлено, що необхщний р1вень мехаш-чних властивостей наплавленого металу (оВ > 700 МПа, KCU+20 > 20 Дж/см2) при вщно-вленш колю можливо забезпечити при викори-станш дрот1в Св-08ХМ, Св-08ХМФ та порошкового дроту ПП-АН180МН/90 (система легу-вання 10ХНМГСФТ) (табл. 4).
Таблиця 3
Вплив умов охолодження на характер зламу металу ЗТВ er&ii КС2 (6,0°С/с; 0,5 см3/100г)
Table 3
Influence of cooling on the fracture nature of HAZ metal of KS2 steel (6.0°C/s, 0.5 cm3/100g)
Умови К1С, МПа^м Характеристика зламу
КВЗ, % ЬВТ,мкм КМЗ, % ЬВТ,мкм В'язкий, %
звичайш 17,5 70/120 30/120 -
3 доби
при 26 95/30 - 5
20 °С
2 години
при 32 90/30 - 10
100 °С
6 годин
при 40 80/30 - 20
100 °С
Таблиця 4 Мехашчш власrивосri наплавленого металу
Table 4
Mechanical properties of weld metal
Дргг Oü2, 0В, S5, % % КСи, Дж/см2
МПа МПа +20 °С -40 °С
Св-08ХМ 535 705 21,0 61,0 98 42
Св-08ХМФ 610 730 17,2 56,3 86 40
ПП- АН180МН/9 0 680 750 16,5 57,5 145 98
При використанш дроту ПП-АН180МН/90 забезпечуеться необхщний р1вень твердост наплавленого металу (для КС2 НВ > 2 500 МПа) незалежно вщ кшькосп шар1в наплавлень та температури попереднього шд1гр1ву (рис. 8).
а—а
б-b
Phc. 8. TBepgicTb MeTa^y, Han^aMeHoro npu TeMnepaTypi 150 °C (a) Ta 250 °C (6): 1 - ogHomapoBe HannaB^eHHa; 2 - gBomapoBe;
3 - HannaB^eHHa B Tpu mapu
Fig. 8. Hardness of the metal, built-up at temperature of 150 °C (a) and 250 °C (b): 1 - one layer building-up; 2 - double-layer;
3 - three-layer building-up
BoTaHoBneHo, ^o npu 3acTocyBaHHi HH3bKo-neroBaHHx MarepiamB 6eHHiTHoro a6o 6eHHiTHo-MapTeHCHTHoro raacy (cncTeMa neryBaHHa 10XHrC0T), b HannaBneHoMy MeTani, 3oHi cnna-BneHHa Ta 3TB HannaBneHb ^opMyeraca cTpyKTy-pa 3 piBHoMipHHM po3noginoM Hanpy^eHb II pogy [5]. Kphthhhhh Koe^i^eHT iHTeHcHBHocri Ha-npy^eHb KiC gna HannaBneHoro MeTany, skhk BHpaxoByBaBca 3a napaMeTpaMH cTpyKTypu Ta
cy6cTpyKTypu, B cepegHboMy Ha 25 % BH^HH ctocobho HannaBneHb, BHKoHaHHx gpoTOM Cb-08r2C (25 Ta 20 Mna^M BignoBigHo). noB'a3aHo цe 3 thm, ^o b HannaBneHoMy MeTani 3 6eMmTHo-MapTeHcHTHoro cTpyKTyporo ^opMyeTbca cy6-crpyKTypa, 3epHa skoi MaroTb MeHmi po3Mipu, a po3nogin gucnoKa^M Big6yBaCTbca 6inbm piB-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
ном1рно, шж в метал1 з феритно-перл^ною структурою. При цьому добре вщомо, що метал з перлггною структурою, яка мае фазов1 вид> лення цементиту, руйнуеться бшьш крихко. Це повинно сприяти шдвищенню трщиностшкосп зазначених наплавлень при експлуатацшних навантаженнях.
Дослщжено трщиностшюсть зварних з'еднань при цикл1чному навантаженш виги-ном (рис. 9). Встановлено, що при застосуванш попереднього п1д1гр1ву i уповшьненого охоло-дження шсля зварювання зi швидкiстю 35-40 °С/годину, забезпечуеться достатньо ви-сока ошршсть з'еднань руйнуванню вiд втоми. Критичш напруження руйнування в 1,5-1,9 разу перевищують максимальнi напруження, що утворюються в ободi колеса при експлуатацп (opieHTOBHO оа < 55 МПа).
МПа
120
.
100:
}
so 60
1 5 9 13 17
Рис. 9. Циктчна довгов1чн1сть з'еднань стал КС2 при зварюванш:
1 - дргг Св-08ХМ; 2 - ПП-АН180МН/90; 3 - Св-08Г2С
Fig. 9. Cyclic durability of KS 2 steel joints during welding:
1 - wire Sv-08HM; 2 - PP-AN180MN/90; 3 - Sv-08G2S
Виконано порiвняльну оцiнку зносостшкос-тi вщновленого наплавленням металу при застосуванш зварювальних матерiалiв бейнiтного та бейштно-мартенситного класу. Встановлено, що метал, наплавлений дротами Св-08ХМ, Св-08ХМФ та ПП-АН180МН/90, мае достатньо високий отр зносу при тертi-ковзаннi при кон-тактi з рейкою (рис. 10).
Встановлено, що порiвняно з парою «КС2 -М76» зносостiйкiсть наплавленого цими дротами металу зростае до 2,5 разу. При цьому та-кож суттево зменшуеться знос рейки. При на-doi 10.15 802/stp2016/84078
плавленнi дротом ПП-АН180МН/90 в металi формуеться однорiдна i дисперсна структура, метал бiльш здатний до опору зносу тд наван-таженням i його зносостшюсть не залежить вiд кiлькостi шарiв наплавлень. В приповерхнево-му шарi наплавленого металу на глибину до 100 мкм спостертаються смуги пластичного деформування, розмiр яких знаходиться в межах 310*25...60 мкм, (коефщент форми ж ~ 6-8). 1нтегральна твердiсть металу тдви-щуеться до 2 860 МПа. Отримаш результати дозволили остаточно визначитися з вибором зварювальних матер1ал1в для наплавлення.
V. мн^; g, мг
<U
0i
о
Phc. 10. 3hoc HannaBneHoro MeTany (V) b KOHTaKTi 3 peMKoro (g - 3hoc peMKH, mTpuxoBam ctobehhkh). OgHomapoBe HannaBneHHa, nigirpiB 150 °C:
1 - cTanb KC2; 2 - CB-08r2C; 3- CB-08XM, 4 - CB-08XM0, 5 - nn-AH180MH/90
Fig. 10. Weld metal wear (V) in contact with track (g - track wear, primed columns). Single-layer building-up, heated to 150 °C:
1 - KS2 steel; 2 - Sv-08G2S; 3 - Sv08HM, 4 - Sv08HMF, 5 - PP-AN180MN/90
Y3aranbHroroHH pe3ynbTaTH KOMnneKcHHx go-cnigxeHb ochobhhx 3aK0H0MipH0cTeM y $opMy-BaHHi cTpyKTypu i $i3HK0-MexamHHHx BnacTHBO-cTeM KonicHux cTaneM Ta HannaBneHoro MeTany MOxnuBO HayKOBO o6rpyHTyBaTH BHMoru go Tex-Honorii BigHOBneHHa HannaBneHHaM npo^inro ko-HeHHa 3ani3HHHHux Konic Bama^Hux BaroHiB. TexHonoriHHi peKOMeHgauji, aKi 3a6e3nenaTb nig-BH^eHHa aKocTi BigHOBneHHa HannaBneHHaM 3a-ni3HHHHux Konic, BHr0T0BneHHx 3 KonicHoi cTani MapKH 2, ix HagiMHicTb Ta 6e3neKa pyxy TpaHcno-
r-
Г
L m 1 Bl, Я
'Л й. 1
I 2 3 4- 5
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
рту в умовах зростаючих експлуатацшних на-вантажень, наведено в табл. 5. Вони складають-ся з вимог до тдготовки колю перед наплав-ленням, до способу, техшки та режим1в напла-влення, до зварювальних матер1ал1в, до темпе-ратури попереднього п1д1гр1ву залежно вщ вмюту вуглецю в стал1 та умов уповшьненого охолодження колю пюля наплавлення. Викона-ш дослщження показали, що технолопчна операщя з уповшьнення охолодження колю пюля наплавлення е найбшьш важливою з точки зору забезпечення надшно! працездатност вщнов-лених колю.
Таблиця 5
Технолопчш рекомендаци щодо вiдновлення наплавленням зaлiзничних колк вантажних вагошв магiстрального транспорту
Table 5
Technological recommendations for building-up by welding of freight wagons wheels of main transport
Зак1нчення табл. 5 End of table 5
№ п/п
1
Технолопчна операщя
Обробка по-верхш пщ гребенем перед наплав-ленням
Встановлення котсно! пари в горизонта-льне положения для наплавлення
Прожарю-вання флюсу
(1) та порошкового дроту
(2)
Застосування матер1ал1в для наплав-лення бейшт-ного та бей-нгтно-
мартенситно-го класу
Параметр
Товщина ви-даленого шару > 1,0 мм
Початок наплавлення -мюце переходу ввд повер-хш кочення до гребеня
1. при 350°С, 2 години;
2. при 230 °С, 2,5 години.
Св-08ХМ або Св-08ХМФ 03-4 мм, ПП-
АН180МН/90 (10ХНМГСФ Т)
02 мм та шш1
Результат
Видалення дефе-кпв на поверхш колеса в м1сш початку наплав-лення
Забезпечення оптимальних властивостей металу ЗТВ в найбшьш наван-таженш д1лянш профшю колеса
Зниження вмюту [Н]диф в напла-вленому метал1
Мщшсть вщнов-леного металу сВ > 700 МПа, тд-вищена зносо-стшшсть, р1вно-м1рний розподш напружень II роду
№ п/п Технолопчна операщя Параметр Результат
5 Попереднш - ТПП = 100°С Виключення вь
пщгр1в ободу при С<0,60%; ропдносп утво-
колеса (шви- - Тпп= 150°С рення холодних
дк1сть нагр1ву при С = трщин при на-
< 10 °С/хв.) 0,61-0,65 % плавленш
6 Однодуго- 1 Онапл = При двохдуго-
ве(1) або дво- 12-15 кДж/см вому наплавлен-
хдугове (2) 2- ОнАПЛ = m в 1,5 рази ви-
наплавлення 10-12 кДж/см ще працездат-
шсть та можливо
знизити ТПП на
50 °С вщ вказа-
но!
7 Уповшьнене Охолодження Видалення вод-
охолодження до 4-5 годин ню з наплавлень,
кол1с тсля 1з швидк1стю зниження р1вня
наплавлення <35-40 °С/год напружень II
в термокаме- (в штервал роду, пщвищен-
рах температур ня в 1,8-2,3 рази
250-100 °С) ошрносп крих-
кому руйнуван-
ню
Наукова новизна та практична значимкть
Розвинуто уявлення щодо структурно-фазових змш, як вщбуваються в метал! зал1з-ничного колеса при дуговому наплавленш. Встановлено взаемозв'язок м1ж вмютом вуглецю в стал1, швидкютю ii охолодження при наплавленш та ошрнютю утворенню трщин i крихкому руйнуванню. Встановлено вплив умов охолодження колеса пюля наплавлення на властивосп металу.
За результатами роботи розроблено науково обгрунтоваш технолопчш рекомендаци щодо вщновлення наплавленням залiзничних колiс вантажних вагонiв, якi визначають конструкти-вну схему та метод наплавлення, вибiр зварювальних матерiалiв, температури попереднього пiдiгрiву колеса залежно вщ вмiсту вуглецю в стал^ параметри уповiльненого охолодження колiс пюля наплавлення. Застосування рекоме-ндацiй забезпечить шдвищення якостi вщнов-лення наплавленням залiзничних колiс, !х на-
2
3
4
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
дшнють та безпеку руху транспорту в умовах зростаючих експлуатацшних навантажень. Ос-новш положення технологи наплавлення зал1з-ничних колю захищеш Патентом Украши [10].
Розроблено Техшчш умови Украши ТУ У 30.2-05416923-106:2013 «Вщновлення дуговими процесами зварювання профшю по-верхш кочення зал1зничних колю», яю регла-ментують техшчш вимоги як до процесу вщно-влення наплавленням зношених гребешв колю, так i до вщновлення всього профшю кочення колю, включаючи ремонт локальних дефектов типу «вищербини».
Висновки
1. Метал колеса на дшянщ переходу вщ по-верхнi кочення до гребеня при експлуатацп за-знае найбшьших деформацiй i змiцнення, а в приповерхневому шарi утворюються мшро-трщини довжиною до 350 мкм. Тому перед наплавленням необхщно механiчно видаляти метал на глибину не менше нiж 1,0 мм. А при вщновленш колiс необхiдно забезпечити тд-вищену опiрнiсть крихкому руйнуванню наплавлень особливо в цш зош.
2. При наплавленнi в металi зони термiчного впливу колеса утворюються гар^вш бейнтоно-мартенситнi структури. Мшмальна швидкiсть охолодження металу, при якш починаеться фо-рмування мартенситу, становить 8 °С/с (в ш-тервалi 600-500 °С) при вмiстi вуглецю в сталi з 0,58 % та 2 °С/с при 0,65 % вуглецю.
3. Для шдвищення отрносп утворенню трiщин необхiдно обмежувати швидкють охолодження до 16,0 °С/с при вмiстi вуглецю С < 0,60 %, та до 8,0 °С/с при С = 0,60-0,65 %. За таких умов метал мае достатньо високу зда-тнiсть до мiкропластичного деформування без утворення трщин.
4. Для упередження крихкого руйнування металу ЗТВ необхщно забезпечити умови, коли в процес наплавлення буде сформована структура, яка не мютить верхнiй бейшт, а частка мартенситу не перевищуе кiлькостi нижнього бейнiту (спiввiдношення М/Бн < 1).
5. Суттевому шдвищенню отрносп крихкому руйнуванню металу ЗТВ сприяе уповшь-нення охолодження колю шсля наплавлення, коли вщбуваегься витримка колеса при темпе-ратурi 250-100 °С протягом 3-5 годин При
цьому швидкють охолодження повинна бути не бшьше шж 35-40 °С за годину. Досягти таких умов можливо в спещальних термокамерах, виготовлених iз застосуванням теп^золюю-чих матерiалiв.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бабаченко, А. И. Влияние микролегирования стали на вязкость разрушения железнодорожных колес / А. И. Бабаченко, И. Г. Узлов, Ж. А. Дементьева // Металлург. и горноруд. пром-сть. - 2005. - № 5. - С. 46-47.
2. Влияние состава наплавленного металла на структуру и механические свойства железнодорожных колес / А. А. Гайворонский, В. Д. Позняков, Л. И. Маркашова [и др.] // Автоматическая сварка. - 2012. - № 8. - С. 18-24.
3. Дефекти зал1зничних колю / I. О. Вакуленко,
B. Г. Анофр1ев, М. А. Грищенко, О. М. Перков. - Дшпропетровськ : Маковецький, 2007. -112 с.
4. Исследование причин образования дефектов на поверхности катания высокопрочных колес в процессе эксплуатации / А. И. Бабаченко,
A. А. Кононенко, Ж. А. Дементьева [и др.] // Зал1зн. трансп. Украши. - 2010. - № 5. -
C. 35-38.
5. Контактно-втомна пошкоджуванють поверхш кочення зал1зничних колю типу КП-2 та КП-Т / О. П. Осташ, I. М. Андрейко, В. В. Кулик,
B. I. Прокопець // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дшпропетровськ, 2011. - Вип. 39. - С. 118-122.
6. Контактно-усталостное повреждение колес грузовых вагонов / под ред. проф. С. М. Захарова. - Москва : Интекст, 2004. - 160 с.
7. Костин, В. А. Современные возможности моделирования превращения аустенита в сварных швах низколегированных сталей / В. А. Костин, Г. М. Григоренко, В. Ю. Орловский // Автоматическая сварка. - 2008. - № 3. - С. 31-34.
8. Макаров, Э. Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей / Э. Л. Макаров. - Москва : Машиностроение, 1981. - 247 с.
9. Новые методы оценки сопротивляемости металлов хрупкому разрушению / под ред. Ю. Н. Роботнова. - Москва : Мир, 1972. -439 с.
10. Пат. 107301 Украна, МПК 2014.01, В 23 Р 6/00. Споаб вщновлення вироб1в з високовуглецевих сталей / Гайворон-ський О. А., Позняков В. Д., Клапатюк А. В. (Украна) ; заявник та патентовласник 1н-т еле-ктрозварювання 1м. £. О. Патона НАН Укра-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
ни. - № а 2013 14813 ; заявл. 17.12.2013 ; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 23. - 5 с.
11. Рябцев, И. И. Блочно-модульная установка для испытаний наплавленного металла / И. И. Рябцев, Я. П. Черняк, В. В. Осин // Сварщик. -2004. - № 1. - С. 18-20.
12. Совершенствование химического состава стали для железнодорожных колес, обеспечивающего повышение их стойкости к образованию дефектов на поверхности катания / А. И. Баба-ченко, П. Л. Литвиненко, А. В. Кныш [и др.] // Фундамент. и прикл. проблемы черной металлургии : сб. науч. тр. / ИЧМ НАН Украины. -Днепропетровск, 2011. - Вып. 23. - С. 226-233.
13. Шур, Е. А. К вопросу об оптимизации соотношения твердости рельсов и колес / Е. А. Шур // Вестн. ВНИИЖТа. - 2006. - № 3. - С. 9-14.
14. Cassidy, Ph. Wrought materials way prolong wheel lifewheel sat technology / Ph. Cassidy // Intern. Railway J. - 2001. - № 12. - P. 40-41.
15. Estimation of the strength and crack resistance of the metal of railway wheels after long-term opera-
А. А. ГАЙВОРОНСКИЙ1*
tion / L. I. Markashova, V. D. Poznyakov, A. A. Gaivoronskii [et al.] // Materials Science. -2012. - Vol. 47. - Iss. 6. - P. 799-806. doi: 10.1007/s11003-012-9458-1.
16. Stevenot, G. L'innovation dans les roué's ferroviates et l'volution des march's / G. Stevenot, F. Damilly // Revue Générale des Chemins de Fer. - 2002. - № 5. - P. 33-39.
17. Structure and mechanical properties of the heat affected zone of restored railway wheels / O. A. Haivorons'kyi, V. D. Poznyakov, L. I. Markashova [et al.] // Materials Science. - 2016. -Vol. 51. - Iss. 4. - P. 563-569. doi: 10.1007/s11003-016-9876-6.
18. Wplyw wodoru dyfuzyjnego na odpornosc pçkaniu kruchemu metalu strefy wplywu termicznego wysokowytrzymalej stali wçglowej / A. Gajworonski, S. Kasatkin, L. Markaszowa, T. Zuber // Przeglad Spawalnictwa. - 2014. -№ 12. - P. 49-55.
1 Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, ул. Казимира Малевича, 11, Киев, Украина, 03068, тел. +38 (044) 205 20 95, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-8146-7790
УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ НАПЛАВКОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
Цель. В работе предполагается установить закономерности формирования структуры и физико-механических свойств колесных сталей при дуговой наплавке и разработать технологические рекомендации по восстановлению поверхностей износа железнодорожных колес. Они обеспечат повышение надежности и безопасности движения транспорта в условиях растущих эксплуатационных нагрузок. Методика. Для достижения поставленной цели исследовано: 1) влияние эксплуатационных нагрузок на структурные изменения и свойства металла колеса; 2) влияние дуговой наплавки на структурно-фазовый состав и свойства металла зоны термического влияния, его сопротивляемость хрупкому и замедленному разрушениям; 3) влияние наплавленного металла на формирование напряженного состояния наплавок и их сопротивляемость образованию трещин; 4) износостойкость восстановленного металла при трении-скольжении пары «колесо-рейка». Результаты. Наиболее напряженным участком профиля качения железнодорожных колес грузовых вагонов при эксплуатации является место перехода от поверхности катания до гребня. Поэтому при восстановлении наплавкой колес необходимо, прежде всего, обеспечить повышенную сопротивляемость хрупкому разрушению металла в этой зоне. Для исключения образованию трещин при наплавке необходимо ограничивать скорость охлаждения в зоне термического влияния до 16,0 °С/с (в интервале 600... 500 °С) при содержании углерода С<0,60 %, и до 8,0 °С/с при С=0,60...0,65 %. При этом, сравнительно высокая сопротивляемость хрупкому разрушению обеспечивается, когда в процессе наплавки будет сформирована структура, которая не содержит верхней бейнит, а доля мартенсита не превышает количества нижнего бейнита (соотношение М/Бн < 1). Выдержка колеса на протяжении 3,5-4,5 часов при температуре 100 °С после наплавки в процессе его замедленного охлаждения способствует повышению сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния в 1,8-2,3 раза. Это происходит в результате удаления диффузионного водорода из металла и снижение в 1,5 раза напряжений второго рода в объеме рельсов бейнита и мартенсита. Научная новизна. Автором развиты знания о структурно-фазовых изменениях, которые происходят в металле железнодорожного колеса при дуговой наплавке. Установлена взаимосвязь между содержанием углерода в стали, скоростью ее охлаждения при наплавке, сопротивляемостью образованию трещин и хруп-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
кому разрушению. Установлено влияние условий охлаждения колеса после наплавки на свойства металла. Практическая значимость. Разработаны технологические рекомендации по восстановлению наплавкой железнодорожных колес грузовых вагонов. Их применение обеспечит повышение качества восстановления наплавкой железнодорожных колес, надежность и безопасность движения транспорта в условиях растущих эксплуатационных нагрузок.
Ключевые слова: железнодорожное колесо; дуговая наплавка; зона термического влияния; структура; холодные трещины; хрупкое разрушение; наплавленный металл; износостойкость; технологические рекомендации
0. A. HAIVORONSKYI1*
'*Paton Electric Welding Institute NAS of Ukraine, Kazimir Malevich St., 11, Kyiv, Ukraine, 03068, tel. +38 (044) 205 20 95, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8146-7790
TERMS OF ENSURING QUALITY
OF THE RAILWAY WHEELS BUILT UP BY WELDING
Purpose. The paper assumes to set the basic laws in determining the structure and physical-mechanical properties of wheel steels during arc welding technology and to develop the recommendations for reconstruction of railway wheel wear surfaces that will improve the reliability and safety of traffic in terms of increasing operating loads. Methodology. To achieve this purpose the paper studied 1) the influence of operating loads on structural changes and properties of metal wheels; 2) the impact of arc welding on structural and phase composition and properties of the metal heat-affected zone, its resistance to brittle and slow fracture; 3) the impact of welded metal on the formation of the stress state of the welds and their resistance to formation cracks; 4) wear resistance of built up metal during friction-slip of the «wheel-rail» pair. Findings. The most intense zone of the rolling profile of freight railway wheels during operation is a place of transition from rolling surface to the ridge. Therefore, the wheel building up by welding requires first of all the increased resistance to brittle fracture of metal in this area. It is established that welding in the metal of the wheel heat-affected zone cause formation of the hardened bainite-martensite structures. The minimum metal cooling rate, at which the martensite start forming is 8 °C / s (in the range of 600... 500 °C) when the content of carbon in steel is 0.58 % and 2 °C/s at 0.65 % of carbon. It is shown that to increase resistance to cracking it is necessary to limit the cooling rate to 16.0 °C/s when the carbon content is C < 0.60 % and to 8.0 °C / s when C = 0.60.0.65 %. Under these conditions, the metal has rather high ability to mikroplastic deformation without cracking. It was founded that to improve the critical stress intensity factor К1С at brittle fracture it is necessary to provide conditions when welding would result in the built up structure that does not contain upper bainite and the martensite share does not exceed the number of lower bainite (ratio of M/Bn < 1). It is proved that exposure of wheels within 3.5-4.5 hours at 100 °C after welding, during their slow cooling improves resistance to brittle fracture of metal heat-affected zone by 1.8-2.3 times. This is due to the removal of diffusion hydrogen from the metal and reduction of the II type stress in the lath volume of bainite and martensite by 1.5. Originality. The author has developed the idea of the structural-phase changes that occur in the metal of railway wheels during arc welding. The relation between the carbon content in steel, cooling rate during welding and resistance to cracking and brittle fracture was found. The authors determined the influence of after-welding wheel cooling conditions on the metal properties. Practical value. Technological recommendations for railway freight wheel building up by welding were developed. Their application will improve quality of the railway wheels built up by welding, reliability and safety of traffic in conditions of growing operating loads.
Keywords: railway wheel; arc welding; heat-affected zone; structure; cold cracks; brittle fracture; weld metal; wear resistance; technological recommendations
REFERENCES
1. Babachenko A.I., Uzlov I.G., Dementeva Zh.A. Vliyaniye mikrolegirovaniya stali na vyazkost razrusheniya zheleznodorozhnykh koles [Steel microalloying impact on fracture toughness of railway wheels]. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost - Metallurgical and Mining Industry, 2005, no. 5, pp. 46-47.
2. Gayvoronskiy A.A., Poznyakov V.D., Markashova L.I., Bernikova Ye.N., Klapatyuk A.V., Alekseenko T.A., Shishkevich A.S. Vliyaniye sostava naplavlennogo metalla na strukturu i mekhanicheskiye svoystva
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 5 (65)
zheleznodorozhnykh koles [Impact of weld metal composition on the structure and mechanical properties of railway wheels]. Avtomaticheskaya svarka - Automatic Welding, 2012, vol. 8, pp. 18-24.
3. Vakulenko I.O., Anofriiev V.H., Hryshchenko M.A., Perkov O.M. Defekty zaliznychnykh kolis [Defects of railway wheels]. Dnipropetrovsk, Makovetskyi Publ., 2007. 112 p.
4. Babachenko A.I., Kononenko A.A., Dementeva Zh.A., Litvinenko P.L., Knysh A.V. Issledovaniye prichin obrazovaniya defektov na poverkhnosti kataniya vysokoprochnykh koles v protsesse ekspluatatsii [Research the causes of defects on the surface of high-rolling wheels at operation]. Zaliznychnyi transport Ukrainy -Railway Transport of Ukraine, 2010, vol. 5, pp. 35-38.
5. Ostash O.P., Andreiko I.M., Kulyk V.V., Prokopets V.I. Kontaktno-vtomna poshkodzhuvanist poverkhni kochennia zaliznychnykh kolis typu KP-2 ta KP-T [The contact fatigue damage of the wheel thread by types KP-2 ta KP-T]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akade-mika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryan],
2011, issue 39, pp. 118-122.
6. Zakharov S.M. Kontaktno-ustalostnoye povrezhdeniye koles gruzovykh vagonov [The contact-fatigue damage of wheels in freight cars]. Moscow, Intekst Publ., 2004. 160 p.
7. Kostin V.A., Grigorenko G.M., Orlovskiy V.Yu. Sovremennyye vozmozhnosti modelirovaniya prevrash-cheniya austenita v svarnykh shvakh nizkolegirovannykh staley [Contemporary modeling capabilities of austenite transformation in welding seams of low-alloy steels]. Avtomaticheskaya svarka - Automatic Welding, 2008, no. 3, pp. 31-34.
8. Makarov E.L. Kholodnyye treshchinypri svarke legirovannykh staley [Cold crackings at alloy steels welding]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1981. 247 p.
9. Robotnov Yu. N. Novyye metody otsenki soprotivlyayemosti metallov khrupkomu razrusheniyu [New methods for metallic resistance evaluation to brittle fracture]. Moscow, Mir Publ., 1972. 439 p.
10. Haivoronskyi O.A., Pozniakov V.D., Klapatiuk A.V. Sposib vidnovlennia vyrobiv z vysokovuhletsevykh stalei [Reduction method for products of high-carbon steels]. Patent Ukraine, no. а 201314813, 2014.
11. Ryabtsev I.I., Chernyak Ya.P., Osin V.V. Blochno-modulnaya ustanovka dlya ispytaniy naplavlennogo metalla [Modular facility for weld metal test]. Svarshchik- Welder, 2004, no. 1, pp. 18-20.
12. Babachenko A.I., Litvinenko P.L., Knysh A.V., Dementeva Zh.A., Khulin A.N., Shpak Ye.A. Sovershenstvovaniye khimicheskogo sostava stali dlya zheleznodorozhnykh koles, obespechivayushchego povysheniye ikh stoykosti k obrazovaniyu defektov na poverkhnosti kataniya [Chemical composition improvment of steel for railway wheels, ensuring increase of their resistance to formation of defects on the roll surface]. Sbornik nauchnykh trudov «Fundamentalnyye i prikladnyye problemy chernoy metallurgii» [Proc. «Fundamental and applied problems of ferrous metallurgy»], 2011, issue 23, pp. 226-233.
13. Shur Ye.A. K voprosu ob optimizatsii sootnosheniya tverdosti relsov i koles [To the question of ratio optimization of rails and wheels hardness]. Vestnik VNIIZhTa - Bulelin of.All-Russian SRIRT, 2006, no. 3, pp. 9-14.
14. Cassidy Ph. Wrought materials way prolong wheel lifewheel sat technology. Intern. Railway Journal, 2001, no. 12, pp. 40-41.
15. Markashova L.I., Poznyakov V.D., Gaivoronskii A.A., Berdnikova E.N., Alekseenko T.A. Estimation of the strength and crack resistance of the metal of railway wheels after long-term operation. Materials Science,
2012, vol. 47, issue 6, pp. 799-806. doi: 10.1007/s11003-012-9458-1.
16. Stevenot G., Damilly F. L'innovation dans les roué's ferroviates et l'volution des march's. Revue Générale des Chemins de Fer, 2002, no. 5, pp. 33-39.
17. Haivorons'kyi О.А., Poznyakov V.D., Markashova L.I., Ostash O.P., Kulyk V.V., Alekseenko Т.О., Shyshkevych O.S. Structure and mechanical properties of the heat affected zone of restored railway wheels. Materials Science, 2016, vol. 51, issue 4, pp. 563-569. doi: 10.1007/s11003-016-9876-6.
18. Gajworonski A., Kasatkin S., Markaszowa L., Zuber T. Wplyw wodoru dyfuzyjnego na odpornosc pçkaniu kruchemu metalu strefy wplywu termicznego wysokowytrzymalej stali wçglowej. Przeglad Spawalnictwa, 2014, no. 12, pp. 49-55.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. I. А. Рябцевим (Украина); д.т.н., проф.
И. О. Вакуленком (Украина)
Надшшла до редколегп: 23.05.2016
Прийнята до друку: 15.09.2016
