Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ повреждаемости локомотивных бандажей в эксплуатации 8
1.1. Основные виды повреждений локомотивных бандажей в эксплуатации и их эволюция 8
1.2. Экспериментальные данные о повреждаемости бандажей из различных марок сталей в эксплуатации 13
1.3. Влияние остаточных напряжений на повреждаемость локомотивных бандажей 21
2. Анализ влияния состава и структуры на свойства бандажной стали 33
2.1. Механические свойства стали 33
2.2. Износостойкость 36
2.3. Контактно-усталостная выносливость 39
2.4. Термическая стойкость 41
2.5. Циклическая трещиностойкость и сопротивление хрупкому разрушению 43
3. Развитие технологии изготовления локомотивных бандажей 45
3.1. Основные этапы развития бандажного производства 45
3.2. Развитие технических требований к бандажной стали 47
3.3. Требования к бандажной стали по ГОСТ 398-96 54
3.4. Требования к бандажной стали по ISO 1005-1 56
3.5. Особенности и недостатки современного технологического процесса производства бандажей 58
4. Теоретические предпосылки для выбора химического состава и режима термической обработки бандажей повышенной эксплуатационной стойкости 63
4.1 Влияние содержания углерода и легирующих элементов на структурные превращения в углеродистых сталях 63
4.2. Особенности производства бандажной стали на ОАО «НТМК» 66
4.3. Прокаливаемость бандажной стали 68
5. Разработка технических условий на бандажи повышенной эксплуатационной стойкости 76
5.1. Выбор химического состава и механических свойств бандажной стали...76
5.2. Выбор режима термической обработки и изготовление опытных бандажей 80
6. Методики проведения исследований и испытаний локомотивных бандажей в лабораторных условиях и в эксплуатации 89
6.1. Лабораторные исследования 89
6.2. Стендовые испытания 112
6.3. Полигонные испытания локомотивных бандажей 118
7. Результаты лабораторных исследований и полигонных испытаний опытных локомотивных бандажей повышенной эксплуатационной стойкости 123
7.1. Механические свойства, макро- и микроструктура стали 123
7.2. Износостойкость, контактно-усталостная выносливость и вязкость разрушения 126
7.3. Распределение остаточных напряжений 129
7.4. Полигонные испытания опытной партии локомотивных бандажей 131
8. Расчет экономического эффекта 140
Выводы 142
Приложения 144
Список литературы 154
- Экспериментальные данные о повреждаемости бандажей из различных марок сталей в эксплуатации
- Износостойкость
- Развитие технических требований к бандажной стали
- Особенности производства бандажной стали на ОАО «НТМК»
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время бандажи локомотивов уступают по механическим свойствам (в частности, по твердости) вагонным колесам и рельсам, а также их зарубежным аналогам Например, в международный стандарт на бандажи ISO 1005-1 еще в 1994 году была включена сталь марки C77GT с содержанием углерода 0,77-0,80 % и прочностью 1050-1200 МПа Прочность отечественных бандажей из стали марки 2, изготавливаемых в настоящее время по ГОСТ 398-96, не превышает 1100 Мпа Твердость серийных бандажей относительно не высока (не более 285 НВ на глубине 20мм от поверхности катания) и наблюдается большой перепад ее по сечению, что обусловлено низкой прокаливаемостыо бандажной стали марки 2 и недостатками существующей технологии закалки в стопах
Анализ повреждаемости бандажей в эксплуатации свидетельствует, что основной причиной их обточек являются повреждения гребня в форме износа, подреза и остроконечного наката Согласно статистическим данным вследствие интенсивного износа гребня производится до 75 % всех обточек бандажей тепловозов и до 50 % - электровозов Вторая по важности причина обточек - повреждение поверхности катания дефектами контактно-усталостного происхождения (преимущественно у бандажей электровозов) Анализ динамики общего количества обточек локомотивных бандажей на сети железных дорог свидетельствует, что сложившаяся ситуация не меняется уже в течение 10 лет
Фактический средний срок службы электровозных и тепловозных бандажей в настоящее время составляет 470 и 410 тыс км соответственно, что примерно в полтора раза меньше, чем установленный ресурс до среднего ремонта локомотива, при котором и должна производиться выкатка колесных пар со сменой бандажей
Большие проблемы возникают в связи с нечастыми, но очень опасными случаями разрывов локомотивных бандажей в эксплуатации в результате
образования усталостных трещин в гребне (около 80 % всех разрушений) Фактический пробег до разрушения таких бандажей, как правило, не превышает 100 тыс км, что приводит к необходимости преждевременной их замены и дополнительным финансовым затратам на локомотивное хозяйство
В связи с этим задача повышения эксплутационной стойкости локомотивных бандажей, а в первую очередь их износостойкости и контактно-усталостной выносливости является весьма актуальной Снижение числа разрушений бандажей вследствие возникновения трещин в гребне или полное их исключение позволит значительно повысить безопасность движения и средний срок службы бандажей
Цель работы
Целью диссертационной работы является повышение эксплутационной стойкости локомотивных бандажей за счет увеличения прочностных характеристик стали с учетом требований надежности в эксплуатации
В настоящей работе поставлены и решены следующие задачи
Повышение износостойкости бандажей не менее чем в полтора раза,
Повышение контактно-усталостной выносливости бандажей на 25-30 %,
Доведение ресурса бандажей до 600-700 тыс км Методики исследований
Теоретическое исследование и выбор химического состава опытных бандажных сталей марок «Б» и «П» с повышенной твердостью (320-360 НВ на глубине 20 мм от поверхности катания) проведены методом расчета углеродных эквивалентов (Сэ) по критерию получения требуемого уровня прочностных свойств при закалке бандажей в стопах Расчет проведен на основе интерполированных зависимостей прочностных свойств (ов. НВ) бандажной стали производства НТМК от химического (Zy) и углеродного (Сэ) эквивалентов ее состава Достоверность расчета химического состава опытных бандажных сталей подтверждена анализом термокинетических диаграмм распада аустенита
Экспериментальное исследование бандажей включало определение химического состава стали методом количественного спектрального анализа на приборе «Spectrolab» в соответствии с Инструкцией по методам контроля № 353 и ГОСТ 7601, измерение твердости по методу Бринелля и Виккерса (ГОСТ 9012 и ГОСТ 2999), определение механических свойств на разрывных образцах по ГОСТ 1497, определение ударной вязкости путем испытания на ударный изгиб образцов по ГОСТ 9454, металлографический анализ, сравнительные испытания на износостойкость и контактно-усталостную выносливость, определение остаточных окружных напряжений первого рода по специально разработанной методике, стендовые испытания на циклическую трещиностойкость k|t методом циклического нагружения на электрогидравлическом пульсаторе с коэффициентом асимметрии 0,1 и частотой действия переменной нагрузки 5 Гц по схеме трех точечного изгиба в соответствии с методикой СТ ССФЖТ ТМ 154-2002
Полигонные испытания опытной партии локомотивных бандажей были проведены по специально разработанной методике на Экспериментальном кольце г Щербинка
Научная новизна
1 Разработана новая марка бандажной стали непрерывной разливки с
повышенным содержанием углерода (0,65-0,75 %) и хрома (0,2-0,6 %), с
уровнем твердости 320-360 НВ, показавшая при полигонных и
эксплуатационных испытаниях повышенную износостойкость и контактно-
усталостную выносливость по сравнению с серийной сталью
2 На практике показано, что бандажи из стали повышенной
прокаливаемости и закаливаемости (с повышенным содержанием углерода и
хрома) не более склонны к образованию термомеханических трещин, чем
серийные
3 Показано, что при снижении содержания углерода до 0,40-0,50 % и
повышении содержании хрома до 0,8-1,2 % в бандажах появляется игольчатая
микроструктура верхнего бейнита с низкой контактно-усталостной выносливость и циклической вязкостью разрушения Практическая ценность работы
Разработана нормативная документация в виде технических условий ТУ 0941-096оп-01124323-2004 «Бандажи черновые локомотивные повышенной износостойкости»,
Изготовлена опытная партия локомотивных бандажей повышенной износостойкости из высокоуглеродистой стали марки «П»
Апробация работы
Основные положения, промежуточные и итоговые результаты диссертационной работы были доложены и опубликованы в трудах шестой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (г Москва, 2005 г ), научной конференции молодых ученых и аспирантов по развитию железнодорожного транспорта в условиях реформирования (г Щербинка, 2006) и научной конференции ученых института по современным проблемам железнодорожного транспорта (г Щербинка, 2007)
Разделы диссертационной работы ежегодно (2004-2007 гг ) обсуждались на научно-технических совещаниях комплексного отделения «Транспортное металловедение» ФГУП ВНИИЖТ
Публикации
По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы Оформлены технические условия ТУ 0941-09боп-01124323-2004 «Бандажи черновые локомотивные повышенной износостойкости»
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав и общих выводов Объем работы составляет 161 страницу текста, включая 30 таблиц, 74 рисунка и 4 приложения Список литературных источников содержит 112 наименований
Экспериментальные данные о повреждаемости бандажей из различных марок сталей в эксплуатации
Сравнительные эксплуатационные испытания электровозных бандажей были проведены на электровозах серии ВЛ22 и ВЛ22М на Южно-Уральской, Северной и Закавказской железных дорогах в 1952-1954 гг [7]. Испытаниям подвергались как стандартные бандажи из различных марок стали, так и опытные с различным содержанием углерода и различными видами термической обработки. Обобщенные результаты испытаний представлены в табл. 1.2.1. К первой группе отнесены бандажи из стали марки I по ГОСТ 398-41, ко второй - бандажи из стали марки IV по ГОСТ 398-41 и опытные с содержанием углерода до 0,70 %, в третью группу вошли опытные бандажи с содержанием углерода выше 0,70 %.
Сравнительные испытания паровозных бандажей были проведены в 1955-1956 гг. на паровозах серии М, оборудованных стандартными бандажах из стали марки IV по ГОСТ 398-41 с содержанием углерода в диапазоне 0,67-0,70 % и опытными из среднеуглеродистой стали с примерно одинаковой прочностью (сталь опытных бандажей соответствовала марке II по ГОСТ 398-57). Обобщенные результаты испытаний приведены на рис. 1.2.1.
Были также проведены сравнительные наблюдения за износом тендерных бандажей паровозов СО и СО рядового производства с содержанием углерода 0,63-0,67 % и прочностью 890-954 МПа и опытных высокоуглеродистых с содержанием углерода 0,82-0,85 % и прочностью 1030-1045 МПа [7].
Было установлено, что средняя интенсивность износа практически одинакова для обеих групп бандажей и составляет 0,43-0,47 мм/104 км.
На основании проведенных исследований была дана рекомендация о снижении содержания углерода в бандажной и колесной стали, поскольку на сталях с высоким содержанием углерода образование частиц «белого слоя» происходит интенсивнее, чем на малоуглеродистых сталях. Эти выводы были приняты в качестве теоретического обоснования внедрения малоуглеродистых сталей для изготовления бандажей и положены в основу нового стандарта на бандажи ГОСТ 398-57.
Наблюдение за износом гребней электровозных бандажей было выполнено на Северо-Кавказской и Закавказской железных дорогах в 1959-1961гг., когда износ гребня значительно опережал нарастание вертикального проката и являлся основным фактором, лимитирующим пробег колесных пар между обточками бандажей [8]. Наряду с износом гребня бандажей наблюдалось образование остроконечного наката. При этом практически отсутствовали обточки по предельному прокату.
Особенностью проведенного наблюдения является то, что отмеченный период эксплуатации может быть охарактеризован в качестве переходного, так как в 1957 году был введен в действие новый стандарт на бандажи и в эксплуатации одновременно находились колесные пары с бандажами, изготовленными по стандартам 1941 и 1957 годов. По стандарту 1941 года при формировании колесных пар электровозов применялись бандажи марки IV, в 1958-1959 гг. электровозные колесные пары формировались с бандажами марки П по ГОСТ 398-57, а с января 1960 года - с бандажами марки III.
Износостойкость
Многочисленными исследованиями установлено, что увеличение содержания углерода и уровня твердости приводит к значительному повышению износостойкости бандажной стали [6, 33, 34, 35, 36, 37, 38]. На рис. 2.2.1 представлены данные лабораторных исследований по влиянию твердости и содержания углерода на износ бандажной стали и ее смятие ответственное за образование остроконечного наката на гребень и наплывов на фаску бандажа в эксплуатации. Согласно рис. 2.2.1, износостойкость и сопротивление смятию стали с содержанием углерода 0,75 % и твердостью 320 НВ выше в 2,5 и 16 раз соответственно, чем стали с содержанием углерода 0,65 % и твердостью 260 НВ.
Отметим, что чем выше твердость стали, тем меньшее влияние оказывает содержание углерода на ее свойства. При твердости стали свыше 300 НВ влиянием углерода уже можно пренебречь. Тем не менее, в мировой практике сохраняется тенденция повышения содержания углерода и легирующих элементов в колесо-бандажных сталях [39]. Это необходимо для повышения прокаливаемости стали и получения более равномерного распределения твердости и остаточных напряжений по сечению бандажей.
В работах [40] и [41] указывается на то, что химический состав стали (в частности, содержание углерода) оказывает значительно меньшее влияние на ее износостойкость, чем твердость и тип структуры. На рис. 2.2.2 изображена зависимость скорости изнашивания образцов со структурой пластинчатого и зернистого перлита от твердости. Согласно результатам, полученным в работе [40], при увеличении твердости стали от 275 до 400 HVJO интенсивность изнашивания снижается в 5 раз. При дальнейшем увеличении твердости стали, начиная с уровня 450 НУю, износостойкость практически не меняется.
Согласно данным на рис. 2.2.2 при равном уровне твердости сталь с пластинчатой структурой закалки имеет более высокую износостойкость, чем сталь с зернистой структурой отпуска. Это еще раз подтверждает известный факт, что с точки зрения сопротивления изнашиванию стали с пластинчатой структурой предпочтительнее. Ранее, в работе [42] было показано, что износостойкость сталей с пластинчатым перлитом в среднем интервале твердостей может быть на 30-50 % выше, чем с зернистым. В работах В.А. Кислика, Е.А. Шура и др. отмечено, что эта закономерность справедлива при различных режимах изнашивания, а так же и при контактной усталости.
Согласно результатам большинства работ по оценке влияния дисперсности структурных составляющих на износостойкость стали, уменьшение величины зерна или размера структурных составляющих приводит к повышению скорости изнашивания. Некоторые авторы объясняют это тем, что чем мельче частицы цементита в стали и чем более их форма приближается к сферической, тем легче они отделяются при взаимодействии поверхностей [43]. После отделения сферические частицы цементита работают как абразив, увеличивая скорость изнашивания. По-видимому, влияет так же то обстоятельство, что в пластинчатых структурах цементит является более надежным барьером для продвижения дислокаций.
Тем не менее, можно повысить износостойкость бандажей за счет применения стали с мелкозернистой пластичной структурой и высоким уровнем твердости, которая оказывает более сильное влияние на износостойкость.
Повышенный интерес на западе вызывают стали с бейнитной структурой. Исследования зарубежных авторов показывают, что высокоуглеродистые стали со структурой нижнего бейнита имеют высокое сопротивление изнашиванию, а со структурой верхнего бейнита и с тем же составом и твердостью - не высокое [44, 45, 46, 47]. Лучшие бейнитные стали могут составить конкуренцию перлитным сталям [48, 49]. Однако, учитывая сложившееся экономическое положение в России, это направление нельзя признать перспективным, поскольку создание структуры бейнита требует применения дорогих хромистых и молибденовых сталей.
Развитие технических требований к бандажной стали
В период с 1933 по 1940 гг. паровозные бандажи производились в соответствии с ОСТ 5094. Однако этот отраслевой стандарт не позволял дать полную оценку служебных свойств бандажей, что требовало дополнения его рядом новых норм [33]. Первые достаточно чёткие технические требования по химическому составу, уровню свойств и порядку контроля были разработаны в 1941 г. под руководством В. А. Кислика на основе обобщения отечественного и американского опыта производства и эксплуатации бандажей и воплощены в ГОСТ 39841.
Технология производства бандажей включала закалку с отдельного или с прокатного нагрева и последующий отпуск. После прокатки бандажи подвергались замедленному охлаждению до температуры 400-500 С. Температура нагрева под закалку составляла 820-860 С в зависимости от содержания углерода. Закалка осуществлялась погружением стопы бандажей в воду с температурой 40-55 С. При закалке бандажей стопами охлаждению подвергалась поверхность катания бандажа и его посадочная поверхность. Продолжительность закалки бандажей составляла 170-230 с в зависимости от марки стали. Закалённые бандажи немедленно переносились в печь для отпуска, предварительно нагретую до температуры не выше 650 С. Температура отпуска бандажей варьировалась в зависимости от содержания углерода и марганца. Нагрев под отпуск осуществлялся в течение 1-1,5 ч, выдержка - в течение 2-3 ч. Для ведущих бандажей паровозов, подвергавшихся наиболее интенсивному износу, предусматривалось определение твёрдости каждого бандажа на боковой поверхности. Были введены копровые испытания. В дальнейшем этот ГОСТ пересматривался один раз в 10-15 лет. Историческая сводка по основных требованиям к химическому составу и механическим свойствам отечественной бандажной стали приведена в табл. 3.2.1 и 3.2.2 соответственно.
В период с 1955 по 1956 год под руководством Т.В. Ларина проводились исследования по изучению поведения бандажей и колёс в эксплуатации и оптимизации требований по химическому составу стали и свойствам бандажей. Было установлено, что наряду с естественным износом, выход бандажей из строя существенным образом связан с появлением «белых слоев» на поверхности катания, обусловленных закалкой поверхности катания при движении колеса с проскальзыванием, а также с трещинами в гребне термического происхождения, обусловленными взаимодействием с тормозными колодками. Интенсивность образования этих дефектов увеличивается с повышением содержания углерода в стали, независимо от вида термической обработки. Решение этой проблемы в те годы видели в снижении содержания углерода в бандажной стали. С другой стороны, оставалось в силе требование обеспечения максимальной прочности и твёрдости, как с точки зрения повышения износостойкости, так и с точки зрения повышения стойкости против образования выщербин контактно-усталостного происхождения. При этом значительно возрастала роль термической обработки, так как снижение природной твёрдости и прочности стали в результате снижения содержания углерода должно быть скомпенсировано повышением прочностных характеристик под влиянием закалки. В начале 50-х гг. на НТМК проводились опытные работы по изготовлению партий бандажей с различным содержанием углерода и режимами термической обработки и их проверке в эксплуатации. Была подтверждена возможность достижения требуемого уровня прочности, твёрдости и пластичности при пониженном содержании углерода за счёт интенсификации закалки и снижения температуры отпуска. Результаты этих исследований легли в основу ГОСТ 398-57. Его основное отличие от предыдущего - снижение содержания углерода до диапазона 0,57-0,65 % и одновременное повышение прочности и твёрдости за счет ужесточения режима закалки. Вывод о необходимости снижения содержания углерода при одновременном повышении прочности за счёт интенсификации закалочного процесса стал определяющим для дальнейшего производства бандажей на следующие 40 лет.
Особенности производства бандажной стали на ОАО «НТМК»
При разработке новых марок бандажной стали необходимо учитывать следующие важнейшие особенности ее производства на НТМК: 1) в процессе выплавки стали для ее раскисления применяется алюминий; 2) выплавляемая сталь является естественно легированной ванадием. Таким образом, выплавляемая бандажная сталь является наследственно мелкозернистой и, следовательно, очень требовательной к режимам термической обработки [84]. Еще в 50-60 годах в работах, выполненных под руководством Т.В. Ларина, было показано, что продукты раскисления стали алюминием являются концентраторами напряжений и приводят при определённых условиях к усталостным разрушениям колёс и бандажей. Кроме того, выяснилось, что измельчение зерна при вводе алюминия повышает пластичность при статическом нагружении, но снижает износостойкость и сопротивление контактной усталости. По результатам проведённых исследований в 1966 г. на НТМК вместо раскисления алюминием была внедрена технология раскисления комплексными лигатурами, содержащими кальций и кремний, однако в настоящее время алюминий применяется вновь. Природный ванадий, содержащийся в бандажной стали, дает возможность существенного упрочнения металла, обусловленного двумя механизмами: 1) Измельчение структурных составляющих (аустенитного зерна при образовании аустенита и феррито-перлитной смеси при его распаде) вследствие того, что нерастворенные мелкодисперсные карбиды или карбонитриды ванадия играют роль центров кристаллизации, а также тормозят диффузионное продвижение границ зерен; 2) Увеличение прокаливаемое и стойкости стали к отпуску в результате замедления диффузионных процессов при структурных превращениях растворенным в аустените ванадием. Однако, поскольку эти два механизма антагонистичны, трудно добиться одновременного увеличения прокаливаемое стали и высокой дисперсности ее структурных составляющих. Если температура нагрева под закалку будет ниже температуры растворения центров кристаллизации (специальных карбидов, нитридов и карбонитридов), то зерно получится мелким, но резко снизится прокаливаемость, если - выше, то прокаливаемость резко возрастет, но увеличится размер зерна. В нашем случае, при разработке бандажной стали с повышенной износостойкостью, наиболее важной задачей является повышение ее прокаливаемости и получение равномерного распределения твердости по сечению, а не получение мелкого зерна. В работах по исследованию ванадиевых сталей [50, 85] показано, что их прокаливаемость в присутствии ванадия и других упрочнителей очень сильно зависит от температуры нагрева под закалку и содержания в металле примесных элементов (хром, молибден, никель, медь, марганец). При обычной температуре закалки (ниже температуры растворения специальных карбидов и нитридов) и суммарном содержании примесей менее 0,3 % прокаливаемость стали с ванадием может быть даже ниже, чем стали без ванадия. Поэтому, для получения высоких прочностных показателей температура закалки стали должна была повышена до 900-950 С, увеличена продолжительность нагрева под закалку, а суммарное содержание хрома, никеля и меди ограничено нижним пределом не менее 0,3 %. Однако, повышение температуры закалки и увеличение продолжительности нагрева под закалку может существенно снизить производительность процесса и срок службы и без того устаревшего оборудования (шахтные печи). Поэтому более целесообразным является сведение количества ванадия в бандажной стали к минимально возможному и введение верхнего предела его содержания. Прокаливаемость бандажной стали - одно из важнейших свойств, определяющих срок службы бандажа. От величины прокаливаемости зависит распределение твердости и градиент изменения механических свойств по сечению бандажа. Кроме того, прокаливаемость существенно влияет на распределение остаточных напряжений в бандаже после его термической обработки. На рис. 4.3.1 представлены кривые распределения твердости по сечению бандажа при различной прокаливаемости бандажной стали [85]. Как следует из рис. 4.3.1 бандаж с более низкой прокаливаемостью имеет более низкую твердость на контрольной глубине и более интенсивный перепад ее по сечению. Твердость серийных бандажей не превышает 285 НВ на глубине 20 мм от поверхности катания, а перепад твердости по сечению составляет 40-60 НВ, что обусловлено низкой прокаливаемостью стандартной бандажной стали марки 2 и недостатками существующей технологии закалки в стопах.
