CC BY
43ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ НАПЛАВКА КОЛЕС ГРУЗОВЫХ
ВАГОНОВ
Файзибаев Ш. С.
Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта, профессор, Узбекистан
Набиев Э. С.
Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта, доцент, Узбекистан,
Самборская Н.А.
Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта, инженер, Узбекистан
RESTORATION WELDING OF WHEELS OF FREIGHT
CARRIAGES
Fayzibaev Sh.S.
Tashkent institute of railway transport engineering, professor,
Uzbekistan Nabiyev E.S.
Tashkent institute of railway transport engineering, assistant professor,
Uzbekistan Samborskaya N.A.
Tashkent institute of railway transport engineering, engineer,
Uzbekistan
АННОТАЦИЯ
В работе представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию термического цикла многоэлектродного процесса на структурообразование в околошовной зоне при наплавке цельнокатаного колеса. Установлено, что особенностью структурообразования при многоэлектродной наплавке вагонных колес являются скоростные условия нагрева и охлаждения в интервале температур аустенитного превращения, следствием которого является измельчение структуры продуктов распада.
ABSTRACT
The paper presents the results of experimental studies of the effect of the thermal cycle of a multi-electrode process on the structure formation in the near-weld zone when the all-rolled wheel is deposited. It is established that the peculiarity of the structure formation in the multi-electrode surfacing of carload wheels is the high-speed heating and cooling conditions in the temperature range of the austenic transformation, the result of which is the grinding of the structure of the decay products.
Ключевые слова: Цельнокатаное колесо, исследования, многоэлектродный процесс, многоэлектродная наплавка, термический цикл, структура и свойства металла.
Keywords: One piece rolling wheel, studies, a process of multi-electrodes, multi-electrode welding, a thermal cycle, a structure and properties of metal.
Введение. Одним из перспективных направлений в решении проблемы повышения срока эксплуатации железнодорожных колес, является изготовление биметаллического колеса с наплавленным поверхностным слоем из сплава, обладающего высокой сопротивляемостью износу и стойкостью против образования выщербин. Результаты исследований по выявлению причин образования выщербин, представленные в работах [1,2] показали, что наплавленный сплав должен иметь содержание углерода не более 0,25%, а необходимая твердость достигаться легированием соответствующими элементами.
Первые опыты по электродуговой наплавке поверхности катания железнодорожных колес (бандажей локомотивов) были проведены в СНГ ещё в 30-е годы [3], а затем в 50-е годы прошлого века [4], но они не получили широкого распространения из-за низкого качества.
В начале 60-х годов прошлого века во ВНИИЖТе и в ИЭС им. Е.О. Патона (Киев) был выполнен целый комплекс исследований и испытаний: по многоэлектродной автоматической наплавке поверхности катания обода цельнокатаных колес из малоуглеродистой стали износостойкой легированной сталью [1]; по многоэлектродной автоматической наплавке локомотивных бандажей при местном прокате [5]; по многоэлектродной автоматической наплавке ободов колесных центров [6]. Испытания механических свойств показали, что наплавленные колеса по прочности и пластичности имеют лучшие характеристики, чем серийные колеса. Испытания опытных колес, поставленных под груженые вагоны, при торможении и юзе показали высокую износостойкость наплавленного металла, а также малую чувствительность его к закалке и выкрашиваниям по сравнению с металлом серийных цельнокатаных колес. Однако выше указанные способы наплавок поверхности катания по
различным причинам не получили дальнейшего развития, несмотря на их актуальность.
Новые разработки по наплавке поверхностей катания цельнокатаных колес начались в 90-х годах прошлого века (многоэлектродным способом в Та-шИИТе [7], а двухэлектродным - во ВНИИЖТе [8]) и до сих пор находятся на стадии исследований, экспериментов и испытаний. Связано это с тем, что материалом цельнокатаных колес служит колесная сталь марки 2 (ГОСТ 10791-11) со сравнительно высоким содержанием углерода (С 0,55-0,63, Si 0,22-0,45, Mn 0,5- 0,9%). Структура основного металла колесной стали представляет ферритно-пер-литную смесь с твердостью обода на глубине 30 мм Ж 255 [9]. Такая сталь, при неправильно определенных параметрах режима наплавки, образует в зоне перехода от основного к наплавленному металлу хрупкие закалочные структуры, которые в условиях работы колес способствуют появлению трещин и соответственно, преждевременному выходу колеса из строя. Также возникающая при длительном нагреве деформация, может привести к сильному короблению колеса при котором, возможен сход колесных пар с рельсов. Таким образом, специалисты железнодорожного транспорта продолжают работать над решением сложной научно -технической проблемы по разработке и внедрению в производство технологии наплавки колес. Исследования в этом направлении предусматривают изучение особенностей структурообразования в наплавляемом металле, а также напряженно - деформационного состояния материала колеса в процессе наплавки при различных технологических воздействиях.
Цель исследования: выявление оптимального режима процесса наплавки, который обеспечивал бы получение необходимых свойств и структур в околошовной зоне при минимальной деформации колеса.
Результаты исследований и их обсуждение.
Исследования, выполненные во ВНИИЖТе, показали, что двухэлектродный способ наплавки приводит к изменению расстояния между внутренними гранями колес. Это объясняется деформацией диска колеса под влиянием сварочных напряжений [8]. Для предотвращения этого явления нами была применена многоэлектродная наплавка, отличающаяся мягким, равномерным тепловым потоком, высокой производительностью и качеством наносимого металла, отсутствием или значительным сокращением участков с высокотемпературным отжигом; возможностью использования большой тепловой мощности. Необходимые механические свойства металла наплавки были достигнуты в основном за счет низколегированной сварочно-наплавочной проволоки марки Св-10НМА (С-0,07-0,12%, №-1-1.5%, Мo-0,4-0,55%) и термического цикла многоэлектродного процесса. Применение
указанной проволоки, близкой по содержанию марганца и кремния к химическому составу колесной стали, позволило получить наплавленный металл с повышенной прочностью и вязкостью.
В зависимости от термического цикла изменяется структура металла околошовной зоны, его пластические свойства. Процесс наплавки колес обеспечивает подвод тепловой энергии с поверхности и распространения ее во внутренние слои металла за счет теплопроводности. При этом объемы, находящиеся на разном удалении от места наплавки, нагреваются до разных температур и как показали расчеты, скорости их нагрева и охлаждения разные. Нами были проведены сравнительные исследования с целью оценки структуры и свойств металла околошовной зоны в зависимости от тепловой мощности процесса наплавки.
Основными параметрами режима наплавки, влияющими на тепловую мощность, являлись напряжение и сила тока, а также скорость наплавки и число электродных проволок. При наплавке двух валиков толщиной 2,5 -3 мм на поверхность катания колеса шириной 90 мм, наилучшие результаты по их формированию получены наплавкой пятью одновременно подаваемыми электродными проволоками диаметром 3 мм. Для уменьшения сварочных деформаций, опытами установлено наиболее рациональное наложение валиков. Первый валик наплавляется строго по поверхности возле гребня, второй со стороны наружного торца колеса. Результаты экспериментальных работ показали, что тепловая мощность, превышающая силу тока 1200 А и напряжение 34 В, приводит к тому, что нагрев поверхности колеса осуществляется до очень высоких температур в течение малого времени. В результате не успевают происходить процессы роста аустенит-ного зерна, его гомогенизация, а также полное растворение цементита. Микроструктура околошовной зоны состоит из тонкодисперсного сорбита с коагулированным цементитом и участками феррита (рис. 1,а).
Наилучшие результаты получены при наплавке со скоростью 10 - 12 м/ч при сварочном токе 800 - 1000 А и напряжении на дуге 28-32 В. В этих диапазонах режима наплавки, микроструктура навариваемого металла состоит из перлита и феррита, равномерно распределенных по толщине валика (рис. 1, б).
Дальнейшее снижение тепловой мощности наплавочного процесса не обеспечивает нагрев колеса до температур, предотвращающих образования закалочных структур. Наблюдается возрастание dT/dt при нагреве и охлаждения в температурных интервалах промежуточного и мартенситного превращений. В этих случаях в структуре околошовной зоны образуется троостомартенсит с пластинчатым сорбитом и участками феррита (рис.1, в).
б; в) Рис. 1. Микроструктуры в околошовной зоне при различных тепловых режимах:
а - х 100; б, в - х 400.
а)
Таким образом, на основании полученных результатов установлен оптимальный тепловой режим процесса многоэлектродной наплавки, соответствующий силе тока 1000 А и напряжению 28 В. Изучение структурных составляющих в направлении от наплавленного металла к зоне термического влияния показывает следующее. Наплавленный металл характеризуется мелкозернистым строением и состоит из феррита и перлита (рис. 2 (1)). По мере приближения к границе сплавления содержание
перлита увеличивается, что обусловлено переходом углерода из основного в наплавленный металл. Прошедшие диффузионные процессы способствуют увеличению твердости наплавленного металла у линии сплавления (рис. 3). В отдельных приповерхностных участках происходит обеднение углерода, в результате чего образуется избыточный феррит. Твердость в этих участках не превышает НВ 210. Металл поверхности катания с низким содержанием углерода, повысит сопротивляемость образованию выщербин.
Рис.2. Структура наплавленного металла (1) и ЗТВ (2) (светлые зерна - феррит, темные - перлит), х100.
В зоне термического влияния перлит занимает большую часть объема металла (свыше 60%), а феррит расчленен на отдельные небольшие островки (рис. 2 (2)). Причем перлитные и ферритные зерна в зоне, примыкающей к границе сплавления, приобретают значительные размеры и соответствуют
НВ '
баллу №2 по шкале 1 ГОСТ 5639-82, при бальности зерна в той же ЗТВ, но приближенной к основному металлу - №7. Такое изменение величины зерна связано с процессами, происходящими при нагреве деформированного (наклепанного) металла.
мм «—f
\—► мм
4 3 2 1
1 2 3 4 5 6 зона термического влияния
наплавленный металл
Рис. 3. Распределение твердости в ОШЗ.
7 8 9 основной металл
По графикам термических циклов приведенных в работе [10] видно, что температура нагрева наклепанного слоя на глубине 5 мм достигает 625-6500С, что соответствует температуре рекристаллизации. Характерное для процесса рекристаллизации укрупнение зерен и наблюдается в зоне термического влияния. Величина твердости в этой зоне составляет НВ 278 (рис.3), что говорит о восстановлении механических свойств основного металла.
Микроструктура основного металла примыкающего к ЗТВ (рис. 4), соответствует структуре колесной стали по ГОСТ 10791-11, а средняя твердость составляет НВ 260 (рис.3).
Выводы. Легирование наплавленного металла такими элементами как никель и марганец, совместно с оптимизированной тепловой мощностью многоэлектродного процесса, позволяют получить мелкозернистую структурную основу и исключают образование хрупких структур мартенсита в околошовной зоне. Металл на поверхности катания колеса, с мелкозернистой структурой, обладая оптимальными свойствами пластичности и прочности, обеспечит его надежность при взаимодействии с рельсом.
Рис. 4. Микроструктура основного металла на границе с ЗТВ. (светлые зерна - феррит, темные - перлит), х100.
Предлагаемая технология наплавки позволяет на максимальной глубине отжечь наклепанный слой и восстановить механические свойства металла колеса. При этом отпадает необходимость выполнения обточки для устранения дефектного слоя на поверхности катания, что значительно сохраняет толщину обода колеса и сокращает затраты связанные с обточкой.
Литература
1. Емельянов Н.П. и др. Облегченная колесная пара подвижного состава с наплавкой износостойкого слоя по кругу катания. //Труды ВНИИЖТ. Выпуск 239. -М.: Трансжелдориздат. 1962. С. 114-135.
2. Ларин Т.В. и др. Цельнокатанные железнодорожные колеса. //Труды ВНИИЖТ. Выпуск 124. -М.: Трансжелдориздат. 1956. 188с.
3. Блидченко И.Ф. Электронаплавка бандажей. - М.: Госжелдориздат. 1933. 67с.
4. Аснис А.Е. и др. Сварка и наплавка под флюсом при ремонте локомотивов. - М.: Госжелдориз-дат. 1958. 132с.
5. Емельянов Н.П., Мальков К.М. Многоэлектродная автоматическая наплавка локомотивных
бандажей при местном прокате. //Труды ВНИИЖТ. Выпуск 239. -М.: Трансжелдориздат. 1962. С. 68-87.
6. Емельянов Н.П. Многоэлектродная автоматическая наплавка ободов колесных центров. //Труды ВНИИЖТ. Выпуск 239. -М.: Трансжелдо-риздат. 1962. С. 88-113.
7. Разработка технологии и создание лабораторной установки для автоматической многоэлектродной наплавки под флюсом поверхности катания цельнокатаных колес грузовых вагонов производства СНГ. /Промежут. отчет. ТашИИТ, рук. темы Меликов В.В. № К-9-6. 1999. 140с.
8. Павлов Н.В. Наплавка рабочей поверхности колеса. - В сб. тр. ВНИИЖТ. М.: Интекст. 2004. С. 140-143.
9. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия.
10. Набиев Э.С. Исследование тепловых процессов при автоматической многоэлектродной наплавке вагонных колес. //Известия вузов. Ташкент. 2002. №4. С. 86-88.
