Содержание к диссертации
Введение
1. Опыт эксплуатации и методы упрочнения упругих элементов верхнего строения пути (ВСП). Перспективы применения новых видов скрепления с упругими элементами 11
1.1. Конструкция и условия эксплуатации упругих элементов в ВСП. 11
1.1.1. Назначение и условия работы пружинных клемм для промежуточного скрепления рельсов со шпалами 17
1.2. Опыт производства упругих элементов 20
1.2.1. Опыт производства упругих элементов в зарубежных странах. 20
1.2.2. Опыт производства и основные отечественные конструкции упругих элементов 23
1.2.3. Долговечность упругих элементов ВСП в эксплуатации 27
1.3. Анализ марочного состава, свойства пружинных сталей и опыта производства упругих элементов в зарубежных странах 32
1.4. Методы совершенствования пружинных сталей и технологии их упрочнения 35
1.4.1. Влияние легирующих элементов на основные свойства пружинных сталей 36
1.4.2. Методы упрочнения пружинных сталей 41
1.5. Принцип и особенности выбора марки стали и режима термообработки упругой клеммы ЖБР 46
1.6. Постановка целей и задач исследования 52
2. Материал и методика исследования 54
2.1. Выплавка сталей и их химический состав .54
2.2. Металлографические исследования 55
2.2.1. Структура 55
2.2.2. Размер аустенитного зерна 55
2.2.3. Неметаллические включения 56
2.3. Фрактография 57
2.4. Определение прокаливаемости стали 57
2.5. Механические свойства, определяемые при статических и динамических испытаниях 58
2.6. Определение критических точек и построение термокинетической диаграммы 59
2.7. Определение остаточных напряжений 60
2.8. Оценка циклической долговечности образцов клемм 62
2.9. Оценка статической прочности 69
2.10. Коррозионные испытания 69
2.11. Усталостные и коррозионно-механические испытания 71
3. Оптимизация состава стали и температурно-временных параметров термической обработки упругих клемм ЖБР 73
3.1. Оценка требуемой прокаливаемости стали 73
3.1.1.Исходные данные для расчета 73
3.1.2. Выбор тепловой модели закаливаемого изделия 74
3.1.3. Расчет скоростей охлаждения по сечению тепловых моделей при закалке с охлаждением в выбранных охлаждающих средах 74
3.1.4. Оценка распределения твердости по сечению закаленных изделий 80
3.2. Выбор составов стали для экспериментального апробирования 89
3.3. Термическая обработка клемм из выбранных сталей 94
3.4. Оценка циклической долговечности клемм из выбранных марок стали с различными видами термообработки 99
3.5. Выбор и исследование стали для упругих клемм ЖБР 112
Выводы 114
4. Исследование структуры и свойств стали для клеммы ЖБР 115
4.1. Химический состав исследуемых сталей 115
4.2. Исследование качества стали в состоянии поставки 115
4.2.1. Свойства материала в состоянии поставки 115
4.2.2. Загрязненность неметаллическими включениями 116
4.2.3. Оценка макроструктуры металла в состоянии поставки 117
4.3. Определение температуры фазовых превращений, изучение прокаливаемости исследуемых сталей 120
4.4. Исследование кинетики роста зерна аустенита 121
4.5. Исследования остаточных напряжений в сталях на клеммах ЖБР после термической обработки 129
4.6. Механические свойства исследуемых сталей при испытании на растяжение 130
4.7. Свойства исследуемых сталей после испытаний на изгиб 131
4.8. Усталостные и коррозионно-механические испытания образцов исследуемых сталей с различной чистотой поверхности 133
4.9. Фрактографические исследования изломов образцов исследуемых сталей 135
4.10. Исследования микроструктуры 136
4.11. Влияние обезуглероженного слоя на свойства исследуемых сталей 143
4.12. Коррозионная стойкость сталей 147
Выводы 151
5. Разработка и реализация основных параметров технологии термической обработки упругих клемм ЖБР 152
5.1. Термическая обработка опытных партий клемм 152
5.2. Релаксационная стойкость клемм после термообработки 158
5.3. Стендовые испытания клемм на циклическую долговечность 161
5.3.1. Фрактографические исследования клемм, разрушившихся после испытаний на циклическую долговечность 162
5.4. Разработка и реализация промышленного производства клемм ЖБР 165
Выводы 174
Заключение 175
Список литературы .178
Приложение 188
- Долговечность упругих элементов ВСП в эксплуатации
- Оценка распределения твердости по сечению закаленных изделий
- Исследование кинетики роста зерна аустенита
- Разработка и реализация промышленного производства клемм ЖБР
Долговечность упругих элементов ВСП в эксплуатации
Конструкция верхнего строения пути является сложной системой, состоящей из многих элементов. При расчёте показателей надёжности рельсовых скреплений различных типов принято рассматривать структурные схемы, включающие последовательные и параллельные соединения элементов. Скрепления проектируют так, что обычно отсутствуют функционально «лишние» детали. Отказ любой из них сильно снижает эффективность функционирования узла скрепления, вызывает износ соседних деталей и повышает расходы на содержание пути.
Частота отказов элементов рельсовых скреплений типов КБ-65, БП-65, ЖБР-65 определяется на основании статистических данных об отказах элементов во время эксплуатации. После определения параметров Тср (средняя наработка до первого отказа) и crt (мера рассеивания или среднее квадратичное отклонение) и вероятности безотказной работы Pj (t) отдельных элементов скреплений переходят к определению вероятности безотказной работы узлов скреплений. Для этой цели составляются схемы анализа надёжности скреплений КБ, БП и ЖБР.
При составлении структурных схем исходным было положение, что система последовательно соединённых элементов работоспособна тогда и только тогда, когда работоспособны все её элементы.
При параллельном соединении отказ системы происходит тогда и только тогда, когда откажут все параллельные участки схемы.
При составлении структурных схем для подкладочных скреплений КБ и БП учитывалось то, что подкладки объединяют работу прикрепителей (клеммных закладных болтов). Отказ узла скрепления в экстремальных условиях эксплуатации произойдёт тогда, когда откажут все параллельные цепи элементов прикрепителей. У бесподкладочных скреплений ЖБР отказ узла скреплений наступит при отказе любого из его элементов.
Однако отказ узла скрепления ещё не означает отказа всей системы связей рельса с основанием. Согласно нормативным документам поперечная устойчивость рельсовых нитей и всей рельсошпальной решётки обеспечивается, если нет кустов из трёх негодных шпал, а рельсовая нить расшита более чем на трёх или шести шпалах подряд. Справедливость этих требований подтверждена результатами проведённых испытаний поперечной устойчивости пути на железобетонных шпалах под поездной нагрузкой. [14]
Практически, сроки службы скреплений непосредственно связаны со сроками службы рельсов. При сплошной смене рельсов сплошь проверяют скрепления, сортируют их и используют повторно, в том числе после их ремонта. Сплошная смена комплектов скреплений предполагает одиночную смену элементов скреплений в порядке текущего содержания и промежуточных ремонтов.
В период между сплошными сменами рельсов производится необходимая одиночная смена скреплений, объём которой нормируется МПС, нормы периодически контролируются.
Самая распространённая группа легированных сталей, которые применяются для изготовления упругих элементов - кремнистые, что связано с положительным влиянием кремния на их механические и технологические свойства, а также с невысокой стоимостью этих сталей [15].
Эти стали, как правило, дополнительно легированы марганцем и в некоторых случаях хромом [4, 16].
Состав некоторых зарубежных кремнистых пружинных сталей приведён в табл. 1.1.
Оценка распределения твердости по сечению закаленных изделий
Измерив или рассчитав зависимость твердости стали от скорости охлаждения на торцовом образце, и, зная распределение скоростей охлаждения по сечению реальных изделий, можно оценить распределение твердости по сечению изделий, т.е. определить пригодность той или иной стали для конкретных изделий, либо специально сконструировать сталь нужной прокаливаемое.
Сложность заключается в том, что в литературе скорость охлаждения по длине торцового образца характеризуется ее значениями при 700С или 705С, а для наших расчетов необходимы значения скорости охлаждения в интервале (720-550)С.
Соответствующий перерасчет был выполнен на основании данных о продолжительности охлаждения в интервале (800-500)С различных зон торцового образца (на различном расстоянии от охлаждаемого торца), приведенных Выполненные расчеты показали численное совпадение скоростей охлаждения по сечению пластин, подсчитанных для интервалов (720-550)С и (800-500)С, что позволяет использовать данные работы [83] для дальнейших расчетов.
График, позволяющий пересчитывать значения скоростей охлаждения при 700С в скорости охлаждения в интервале (720-550)С, представлен на рис. 3.2.
Построение графика распределения твердости по сечению изделий сводится к следующей процедуре:
- Выбираем точку на интересующем нас расстоянии от поверхности изделия (тепловой модели), например А;;
- По кривой распределения скорости охлаждения по сечению изделия (см. пункт 3 настоящего раздела) находим скорость охлаждения Vj на выбранном расстоянии;
- По графику рис.3.2 по найденной V; (в интервале (800-500)С) определяем расстояние от охлаждаемого торца на торцовом образце;
- По полосам или рассчитанным (по п.3.1.3 настоящего раздела) кривым прокаливаемости для торцового образца находим значение твердости и наносим его на график HRC = ( (расстояние от поверхности изделия);
- Повторив процедуру несколько раз для разных значений А-ь получим график распределения твердости по всему сечению изделия.
Расчеты скоростей охлаждения выполняли для следующих исходных условий: в работе [83].
- диаметр цилиндра - 17 мм;
- температура нагрева 900С;
- температура охлаждающей среды (воды) - 20С;
- эффективные коэффициенты теплоотдачи при охлаждении в воде:
1. в спокойной воде - 3000 Вт/(м 2К);
2. в слабоциркулирующей воде - 4000 Вт/(м 2К);
3. в потоке воды со скоростью 4м/с - 10000 Вт/(м2 К);
4. в быстро движущемся потоке воды со скоростью 15м/с - 46400 Вт/(м2К);
На рис. 3.3 дана кривая прокаливаемости стали 40С2 по среднему составу, рассчитанная по методике [84] (табл. 3.2. ) и экспериментальная полоса прокаливаемости на опытной плавке стали. Окончательные результаты расчета твердости по сечению прутков 17 мм из стали 40С2 после закалки в спокойной и движущейся воде, а также после отпуска приведены на рис. 3.4.
Полученные результаты показывают возможность использования стали 40С2 для изготовления клемм ЖБР-65 при условии закалки в потоке воды, движущейся со скоростью не меньше 4 м/с. Охлаждение в спокойной и слабоциркулирующей воде нежелательно, т.к. может привести к пониженной твердости вследствие появления немартенситных составляющих в структуре закаленной стали и возможно ухудшит ее упругие характеристики после отпуска.
Исследование кинетики роста зерна аустенита
Для характеристики действительного зерна аустенита в исследуемых сталях 40С2 и 60С2 использовали следующие параметры:
- - средний диаметр зерна аустенита dm, мкм; балл зерна;
- - частотное распределение зерен по размерам.
Кинетику роста зерна прослеживали определением величины зерна после нагрева в интервале температур и времени выдержки. Величину зерна определяли по ГОСТ 5639-82 методом сравнения с эталонными шкалами. Результаты исследования представлены на рисунке 4.5. Анализ показывает сходную устойчивость исследуемых сталей к перегреву.
Зависимость размера зерна аустенита исследуемых сталей от температуры нагрева представлена на рисунке 4.6. Более пологой зерновой характеристикой обладает сталь 40С2, так как она дополнительно раскислена алюминием. Алюминий, введенный в жидкую сталь незадолго до ее разливки образует с растворенным в расплаве азотом и кислородом частицы нитридов и оксидов ( A1N; А1203). Эти соединения после кристаллизации выделяются в виде субмикроскопических частиц (т.н. "неметаллическая пыль"), располагающихся по границам зерен и создающих "барьерный эффект".[4]. Анализ кривых распределения зерен по размерам (рис. 4.7, 4.8) показывает постепенный сдвиг максимума в сторону больших значений размеров с увеличением неоднородности (уменьшается высота и увеличивается ширина пика распределения) по мере повышения температуры нагрева. При нагреве до 1100С в сталях фиксируются два максимума распределения, что указывает на развитие процесса вторичной рекристаллизации, приводящего к разнозернистости [87]. Эта особенность учитывалась в дальнейшем при выборе режимов термообработки.
Разработка и реализация промышленного производства клемм ЖБР
Первый опыт изготовления клемм ЖБР-65 (ЖБР-3) приходился на 1998-1999 годы на ЗАО "Инструмент" (г. Нижний Новгород). По результатам опытной эксплуатации был проведен анализ основных характеристик для пружин, таких как зависимость деформации от нагрузки, микроструктура поверхностного слоя и сердцевины, циклическая долговечность. По результатам проведенных работ было предложено несколько вариантов промышленной технологии выпуска клемм. Работы по запуску в производство велись, в том числе и на базе ДГУП Пермский мотовозоремонтный завод (ПМРЗ).
Технология предусматривает производство упругого элемента скрепления из материалов 60С2 и 40С2.
Разработка технологии производства клеммы велась для стали 60С2, как основного материала, однако, в процессе работы остро встал вопрос о среде закалки. Применение 60С2 предполагает закалку в масло - экологически, взрыво- и пожароопасную среду. Отказаться от использования данного источника техногенных загрязнений позволит применение материала 40С2, позволяющего получить необходимый комплекс свойств путем закалки в воду. Это, помимо экологической безопасности, обеспечит экономию производственных площадей и энергоресурсов за счет исключения из технологического процесса операции промывки, (см. Приложение).
Технология производства клеммы упругой разрабатывалась на ПМРЗ согласно ЦП 369 ТУ-1 и КД ЦП 369.002. Клеммы изготавливают из горячекатанного прутка диаметром 17 мм, В2А, ГОСТ 14989-90. Технологический процесс производства включает:
- рубка прутка на заготовки;
- индукционный нагрев заготовки под гибку, Т=940-1040С;
- гибка в 3 перехода;
- закалочное охлаждение с температуры гибки в масле для стали 60С2, в воде с принудительной циркуляцией (рис.5.9) для стали 40С2;
- отпуск в печи сопротивления, Т=400-460С.
В качестве оборудования для термообработки применяется оборудование закал очно-отпускного агрегата СКЗА 8.40.1/7, что позволяет исключить разрыв по времени между закалкой и отпуском (рис.5.10,5.11).
Индукционный нагрев прутка под закалку при исходной аустенитного зерна в стали, а, следовательно, исключает ухудшение механических свойств детали и снижает склонность стали к хрупкому разрушению. Температура нагрева подбиралась в соответствии с требованиями температурного интервала пластической деформации ( ТН=1200С, ТК=800С) и требованиями подбора минимальной температуры, обеспечивающей полное завершение а-у-превращения и получение достаточного гомогенного аустенита, [88].
Последующее формообразование (гибка) осуществляется автоматически на гибочном аппарате, спроектированном специально для выпуска клеммы ЖБР-65 ПТКБ "Ремпутьмаш" (рис. 5.12 ) [89]. Гибка осуществляется в 3 перехода, длительность операции - 20 секунд, что исключает падение температуры ниже критических значений и дает возможность непосредственной закалки. Использование подобной схемы позволяет сохранить субструктуру металла, полученную в процессе формообразования, что повышает не только усталостную прочность, но и улучшает свойства материала, связанные с повышением плотности дислокаций и с прочностью их закрепления - предел упругости и релаксационную стойкость.
Окончательные свойства клемм определяются условиями отпуска, в процессе которого реализуются потенциальные возможности для повышения сопротивления малым пластическим деформациям и всего комплекса прочностных свойств, создаваемых в процессе закалки мартенситным превращением. Повышение сопротивления пластическим деформациям при отпуске достигается в результате распада кристаллов мартенсита с образованием большого числа дисперсных частиц карбидов, когерентно связанных с решеткой мартенсита и расположенных как в объеме кристаллов, так и по границам двойников, [63]. Значимость операции "отпуск" для формирования двойников, [63]. Значимость операции "отпуск" для формирования комплекса свойств детали подтверждает правильность выбора оборудования конвейерного агрегата типа СКЗА для проведения термообработки клеммы пружинной. Применение данного агрегата позволяет исключить нагрев клемм в процессе отпуска навалом в крупногабаритной таре, обеспечивает равномерный прогрев каждой детали.
За время эксплуатации линии (с сентября 2000г.) было выпущено и отгружено на Московскую, Горьковскую и Северо-Кавказскую железные дороги более 1,5 миллионов клемм. Массового разрушения деталей не наблюдалось (см. Приложение), однако, при всем разнообразии видов дефектов пружин, можно выделить два наиболее опасных и часто встречающихся дефекта, способных привести к разрушению клемм в процессе эксплуатации. Одним из них является волосовина, представляющая собой тонкое прямолинейное нарушение сплошности металла вдоль направления прокатки [9], приводящее к выходу клеммы из строя уже в процессе закалки. Основной формой контроля и предупреждения данного вида брака является 100-процентный визуальный осмотр.
Другим опасным дефектом является наличие на поверхности клемм обезуглероженного слоя. Наличие обезуглероженного слоя мм существенно (до 40%) снижает предел выносливости материала пружин, наличие на поверхности пружин малопрочного обезуглероженного слоя способствует образованию и проявлению таких концентраторов напряжений, как риски, забоины, вмятины и др.,[89]. Основной формой контроля и предупреждения данного вида брака является проверка глубины обезуглероженного слоя металлографическими методами в количестве 3 клеммы от партии плавки разовой поставки.
Таким ое аг 9М , прелложешш технологи является перспективной, экологически безопасной, не требует импортного оборудования и может быть освоена предприятиями в различных регионах России, (см. Приложение).
Похожие диссертации на Разработка стали и технологии термической обработки упругих клемм верхнего строения пути
