Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений Ронжина, Юлия Вадимовна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Эксплуатационное содержание и методы упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений. перспективы использования стандартных и новых марок сталей для упругих клемм с учетом применения в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды 14

1.1. Анализ производства упругих клемм рельсовых скреплений 14

1.2. Анализ нагруженности и повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений

1.2.1. Анализ нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатационном содержании 22

1.2.2. Анализ повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений 24

1.3. Влияние параметров давления и скорости на закалочное охлаждение стали 34

1.3.1. Влияние сверхвысокого давления 34

1.3.2. Влияние нормального давления 35

1.3.3. Влияние скорости охлаждения 40

1.3.4. Интенсификация теплообмена в области мартенситных превращений и механизмы упрочнения стали 43

1.4. Анализ применения принципов объемно-поверхностной закалки для ответственных изделий и перспективы расширения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды на производство упругих клемм рельсовых скреплений 48

1.4.1. Опыт применения объемно-поверхностной закалки тяжелонагружеиных деталей машин 48

1.4.2. Разработка и развитие индукционной поверхностной закалки 53

1.4.3. Конструкционные материалы для упругих клемм рельсовых скреплений и влияние легирующих компонентов на их прокаливаемость 55

1.4.4. Закалочные устройства и охлаждающие среды з

Выводы: 70

ГЛАВА 2. Обоснование применения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для различных конструкционных материалов для упругих клемм рельсовых скреплений 72

2.1. Оценка влияния технологических параметров термической обработки на прочность исследуемых сталей для упругих клемм рельсовых скреплений при изгибе 72

2.2. Образование трещин в стали при закалочном охлаждении в различных средах 76

2.3. Результаты моделирования температурно-структурного и напряженного состояний в прутках пружинной стали после стандартной термической обработки и закалки быстродвижущимся потоком воды 98

2.4. Оценка требуемой прокаливаемости составов сталей для упругих клемм рельсовых скреплений с диаметрами прутков 11 мм; 14 мм; 16 мм; 17мм; 19 мм 108

2.4.1. Постановка задачи 108

2.4.2. Теоретический анализ кинетики охлаждения в изделиях цилиндрической формы в условиях интенсивного охлаждения 110

2.4.3. Выбор вариантов химического состава стали для упругих элементов с диаметрами прутков 11 и 14 мм на основе результатов расчета по приведенной методике 119

2.4.4. Проверка варианта химического состава стали для упругих клемм рельсовых скреплений с диаметрами прутков 16 и 17 мм на основе результатов расчета по методике 124

2.4.5. Апробация расчетных данных прокаливаемости по методике с результатами экспериментальной работы 125

2.5. Усталостные испытания различных образцов сталей для упругих клемм рельсовых скреплений после различных вариантов термической обработки 133

2.5.1. Статистическая обработка результатов усталостных испытаний образцов пружинных сталей 134

2.5.2. Результаты статистической обработки данных усталостных испытаний 136

2.6. Исследование кинетики роста зерна аустенита в стали из рельсового передела, стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости 50ПП 147

2.7. Исследование фазового состава стали рельсового передела после различных режимов термической обработки 149

2.8. Исследование остаточных напряжений в стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости 55ПП после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска 153

2.9. Исследование неметаллических включений в сталях пониженной прокаливаемости 50ПП и рельсового передела

2.10. Микрорентгеноспектральное исследование зоны разрушения клеммы ЖБР-65 после усталостных испытаний 163

2.11. Микрорентгеноспектральное исследование обезуглероженного слоя на стали 60С2А после печного газового нагрева образца со шлифованной поверхностью и горячекатаного 166

2.12. Определение остаточной деформации после динамических нагружений исследуемых сталей при испытаниях на вертикальном копре 168

2.13. Исследование влияния обжатия упругих клемм рельсовых скреплений в горячем и холодном состоянии на релаксационную стойкость и циклическую долговечность 175

Выводы: 179

ГЛАВА 3. Особенности технологического оснащения производственных линий по изготовлению упругих клемм рельсовых скреплений при использовании в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды 182

3.1. Установка для входного контроля металлопродукции для производства упругих клемм рельсовых скреплений 182

3.2. Конструктивные параметры закалочных устройств при использовании в качестве охлаждающей среды быстродвижущегося потока воды и влияние параметров индукционного нагрева и охлаждения на качество термической обработки 185

3.3. Системы закалочного охлаждения упругих клемм при промышленном применении 186

3.3.1. Закалочное охлаждение упругих клемм рельсовых скреплений 193

3.3.2. Оптимизация параметров закалочного охлаждения по скорости охлаждения, давлению и стоимостным параметрам водяных насосов 193

3.4. Промышленная реализация технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений 196

Выводы: 199

ГЛАВА 4. Экономические аспекты внедрения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды серийных кремнистых рессорно-пружинных сталей, экономно легированных, сталей рельсового передела и пониженной прокаливаемости при производстве упругих клемм рельсовых скреплений 201

Выводы: 202

Общие выводы: 203

Список использованных источников

• Анализ нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатационном содержании
• Образование трещин в стали при закалочном охлаждении в различных средах
• Микрорентгеноспектральное исследование обезуглероженного слоя на стали 60С2А после печного газового нагрева образца со шлифованной поверхностью и горячекатаного
• Конструктивные параметры закалочных устройств при использовании в качестве охлаждающей среды быстродвижущегося потока воды и влияние параметров индукционного нагрева и охлаждения на качество термической обработки

Введение к работе

Актуальность работы. В любом государстве транспорт во многом определяет уровень экономического и социального прогресса. Ключевую роль в России играют железные дороги и успешное претворение в жизнь стратегии их развития.

В настоящее время на железных дорогах произошла замена жестких рельсовых скреплений на упругие рельсовые скрепления, в которых основным элементом, обеспечивающим надежную эксплуатацию, является упругая клемма, изготовленная, как правило, из

дорогостоящей легированной рессорно-пружинной стали. В существующих технологиях изготовления и упрочнения таких клемм в качестве закалочной среды используется масло или водные растворы полимеров, что создает тяжелую экологическую атмосферу в термических цехах.

Кроме того, при производстве упругих клемм в стандартной технологии их изготовления отсутствуют операции, традиционно применяемые для рессор и пружин, такие как обжатие и дробенаклеп, позволяющие снизить склонность сталей к трещинообразованию в процессе эксплуатации, повысить их прочностные и усталостные характеристики. В связи с этим весьма актуальной является задача модернизации технологического процесса изготовления и упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений.

В 60-х годах прошлого столетия в СССР под руководством профессора К.З. Шепеляковского был разработан метод закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для поверхностного упрочнения тяжело нагруженных деталей машин, изготовленных из сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости (объемно- поверхностная закалка). К преимуществам этого метода, обеспечивающего высокое качество деталей и значительную экономическую эффективность в условиях массового производства, относится простота его реализации во вновь строящихся предприятиях по производству упругих элементов железнодорожного транспорта при меньших затратах по сравнению с другими известными методами.

Развитие положений метода закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды применительно к новому классу сталей требует разработки комплекса теоретических и технологических исследований, которые позволят предложить наиболее рациональное технологическое решение для упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений.

Известно, что структура и свойства стали определяются химическим составом и температурно-временными параметрами нагрева и закалочного охлаждения. Наиболее изученным является вопрос связи химического состава со структурой. Процессы, происходящие при нагреве и охлаждении стали изучены в меньшей степени. Именно в этой области имеются экономические резервы управления структурообразованием и свойствами металла в готовых изделиях. Технология закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды может существенно повысить прочность изделий за счет формирования структуры мартенсита и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма под влиянием высоких скоростей охлаждения. Получаемый высокий уровень прочности позволяет заменить дорогостоящие высоколегированные стали на экономнолегированные. Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды способствует созданию однородной структуры или структуры с заданным градиентом по сечению детали в зависимости от марки стали, что в свою очередь позволит создать благоприятное распределение внутренних напряжений, повысить усталостные характеристики изделий и снизить склонность к трещинообразованию.

В связи с этим актуальность представленной работы заключается в разработке ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических решений, позволяющих существенно повысить эксплуатационные характеристики упругих клемм рельсовых скреплений.

Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных технологических решений по применению быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении упругих клемм рельсовых скреплений из различных марок сталей, а также расширение номенклатуры сталей, обеспечивающих в сочетании с новой технологией закалочного охлаждения надежность и долговечность упругих клемм в эксплуатации при высокой степени автоматизации и экологической чистоты производственных процессов.

Задачи исследования: 1. Повышение усталостной прочности (предел выносливости и циклическая долговечность) и релаксационной стойкости упругих клемм рельсовых скреплений.

1. Исследование, разработка и внедрение технологии термического упрочнения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм на расширенной номенклатуре конструкционных материалов (кремнистые рессорно-пружинные стали, рельсовые стали и сталь пониженной прокаливаемости).

2. Исследования технологических особенностей применения быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении, обеспечивающем равномерный и одновременный отвод тепла по поверхности упругой клеммы с высокой скоростью, и устранение неблагоприятного напряженного состояния в изделии, которое может приводить к образованию закалочных трещин в упругих клеммах.

3. Выявление механизмов упрочнения стали при охлаждении в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды.

4. Выявление технологических параметров термической обработки, обеспечивающих отсутствие закалочных трещин.

5. Разработка нормативной документации на новые конструкционные материалы для упругих клемм.

Научная новизна. 1. Показано, что закалочное охлаждение деталей быстродвижущимся потоком воды формирует их высокопрочное состояние и благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое с компенсирующими растягивающими напряжениями в сердцевине, тем самым повышая релаксационную стойкость, усталостную прочность клемм.

5. 1. Разработана методика определения склонности сталей к трещинообразованию, заключающаяся в выявлении участков с высокой концентрацией напряжений на образцах сложной конфигурации по перепаду твердости на их поверхности после охлаждения различными способами и последующем подсчете количества трещин на каждом из выявленных участков.

   2. По предложенной методике исследовано влияние геометрических параметров и способов охлаждения детали на склонность к трещинообразованию при закалке. Показано, что в условиях быстродвижущегося потока воды не возникает перепада твердости по поверхности детали, то есть отсутствуют концентраторы напряжений вследствие интенсивного и равномерного по поверхности отвода тепла.

   3. Выявлены механизмы упрочнения в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды. Показано, что в условиях барботирования упрочнение является результатом мартенситного превращения и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков, а в условиях быстродвижущегося потока воды - за счет мартенситного превращения при высокой скорости охлаждения и увеличения плотности дислокаций в результате интенсификации сдвигового механизма.

   4. Установлены технологические параметры термической обработки сталей, обеспечивающие отсутствие трещин.

   5. На основе расчетной модели объяснены принципы формирования остаточных напряжений в упругих клеммах рельсовых скреплений с учетом структурных превращений и температурных полей при закалочном охлаждении различными средами.

   Практическая значимость. 1. Обоснованы возможность и целесообразность применения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для повышения усталостной прочности, релаксационной стойкости и циклической долговечности упругих клемм.

   5. 5. 1. Разработана новая экономнолегированная сталь пониженной прокаливаемости 50ПП для производства упругих клемм (ТУ 1150-00301055960-2012).

         2. Показано, что термическое упрочнение в условиях быстродвижущегося потока воды позволяет заменить экологически вредные закалочные среды, такие как масло и полимеры, на воду при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды для всей номенклатуры сталей любой степени легирования, применяемых при производстве упругих клемм при одновременном повышении их эксплуатационных характеристик.

         3. Показано, что использование стали пониженной прокаливаемости и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды делает возможным применение при производстве упругих клемм дешевого проката с более низкой чистотой поверхности без значительного изменения предела выносливости.

         4. Экономический эффект от использования для изготовления клемм новой стали пониженной прокаливаемости и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды составляет 238 млн. руб./год при годовом объеме выпуска 15 600 000 клемм.

         5. Реализовано промышленное внедрение технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений на предприятии Сфера-21 (г. Воронеж).

         Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

         1. на научно-техническом семинаре: «Проблемы транспортного материаловедения». Разработка и внедрение новой технологии термической обработки упругих элементов верхнего строения пути и подвижного состава. ОАО «ВНИИЖТ», 22 декабря 2010 г.

         2. V-ой Евразийской научно-практической конференции: «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ)». НИТУ МИСиС, 22 апреля 2010 г.

         3. на международной конференции «Колесо-рельс» г. Дрезден. Tagungssektion TS3: Neue Produktionstechnologie von Gropschraubenfedern. 24 Februar, Dresden, 2011.

         4. на конференции ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» по проблемам железнодорожного транспорта. «Обоснование выбора технологических решений при закалочном охлаждении упругих элементов подвижного состава и верхнего строения пути», 13 апреля 2011 г.

         5. на Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 40-летию лаборатории ТМО, созданной профессором М.Л.Бернштейном. НИТУ МИСиС, 27 октября 2011 г.

         6. на международной конференции «Колесо-рельс» г. Дрезден. Tagungssektion TS3: Einige Aspekte zur Hochgeschwindigkeitswasserhartung von zylindrisch. Eisenbahnschraubenfedern. 13 September, Dresden, 2012.

         7. на научно-техническом семинаре: «Проблемы транспортного материаловедения» по рассмотрению материалов диссертационной работы Ронжиной Юлии Вадимовны на тему: «Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений». ОАО «ВНИИЖТ», 4 октября 2012 г.

         Публикации. По материалам работы опубликовано 15 печатных трудов, из них: в рецензируемых журналах по перечню ВАК - 3; патентах на изобретения и полезные модели - 3.

         Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников в количестве 124 наименований. Работа изложена на 201 странице основного текста, содержит 91 рисунок и 47 таблиц. В приложениях содержатся акт о внедрении результатов работы, технико- экономическое обоснование и копии патентов.

         Анализ нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатационном содержании

         До настоящего времени в отечественном производстве упругих клемм рельсовых скреплений применяется горячекатаный прокат, что не способствует продлению срока службы деталей в эксплуатации.

         В работе [11] показано, что в воздушной среде предел выносливости стали марки 40С2 с калиброванной поверхностью значительно выше (на 17 %), чем с горячекатаной. Так же выше значение ограниченного предела выносливости прутков с калиброванной поверхностью, полученное при испытаниях в коррозионной среде. Повышение ограниченного предела выносливости составило 21 %.

         Опыт применения калиброванного металла для производства пружинных клемм показывает, что срок службы клемм из калиброванного прутка в эксплуатации на (30 - 40) % выше срока службы клемм из горячекатаного прутка.

         Указанный результат подтверждает необходимость применения калиброванного проката для изготовления клемм. Данное направление реализовано всеми основными производителями упругих клемм рельсовых скреплений в мировой практике производства упругих деталей, в том числе и такими известными фирмами, как Vossloh и Pandrol. 1.2.2. Анализ повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений

         Нагружение упругих клемм в процессе эксплуатации и, соответственно, виды их повреждаемости имеют ряд особенностей:

         Промежуточные рельсовые скрепления и основной его элемент -упругая клемма в существенной степени определяют параметры геометрии и пространственной жесткости рельсовой колеи, что определяет условия ее взаимодействия с подвижным составом.

         В работе [12] отмечается, что на линии Москва - Санкт-Петербург, отличающейся от остальных участков сети дорог более высоким качеством ремонтов пути, вертикальная осадка рельса, характеризующая общую вертикальную жесткость пути, изменялась от 1,5 до (4,5 - 5,0) мм. То есть, можно предположить, что на остальных участках пути величина осадки пути достигает величины 20,0 мм при III степени отступления [13]. При эксплуатационном содержании пути на дорогах Германии величина просадки регламентируется величиной 2,0 мм. Такое положение по эксплуатационному содержанию свидетельствует о том, что на отечественных железных дорогах для работы упругих клемм созданы экстремальные условия.

         В работе [12] отмечается, что упругие клеммы отечественного производства уступают зарубежным. Вследствие отсутствия в начале 2000-х годов в России технологии производства прутка из пружинной стали с высоким качеством поверхности клеммы не выдерживают высокого напряжения при деформации. Поэтому приходится использовать клеммы упрощенной формы из прутка увеличенного диаметра. В результате уменьшается упругий ход (8 - 9 мм в скреплениях ЖБР-65 и АРС против 12 - 13 мм у лучших зарубежных конструкций) и повышается до двух раз расход дорогой пружинной стали. Несмотря на это сроки службы клеммы должны быть не менее межремонтного как на прямых, так и на кривых малых радиусов. Зарубежные фирмы Vossloh, Pandrol, выпускающие упругие элементы для рельсовых скреплений, не применяют горячекатаный прокат, как это происходит в отечественном производстве клемм типа АРС-4 и ЖБР-65.

         В работе [11] на примере термически упрочненной стали 40С2 с различной чистотой поверхности показано преимущество калиброванного проката перед горячекатаным. Однако до настоящего времени нормативные документы на клеммы АРС-4 и ЖБР-65 допускают применение горячекатаного проката.

         Анализ месторасположения изломов клемм показал, что наиболее часто изломы происходят в зоне перегибов клемм. Этот факт подтверждается расчетом напряженно-деформированного состояния клемм ЖБР-65 при эксплуатационных нагружениях (усилия затяжки клемм 30 кН) [14].

         Дополнительные напряжения возникают в местах перегибов клемм из-за наминов формообразующей оснастки и особенно на клеммах, где технология гибки осуществляется с применением штамповки. Более благоприятное напряженное состояние формируется при изготовлении клемм обкаткой формообразующим инструментом.

         Анализ стендовых и полигонных испытаний упругих клемм (на примере ЖБР-65) показывает, что их разрушение может происходить по следующим причинам: - изломы с началом разрушения от дефектов металлургического происхождения (волосовины и включения - рис. 1.4, а; намины и забоины от технологической оснастки - рис. 1.4, б, в; натиры от взаимодействия клеммы с подошвой рельса - рис. 1.4, г, д).

         Детальный анализ эксплуатационного разрушения упругих клемм показывает (см. рис. 1.5), что характерной особенностью клемм ЖБР-65, изъятых в связи с изломами на Горьковской и Северной железных дорогах [11] является наличие на поверхности клемм следов формообразующего инструмента, возникающих в процессе формирования геометрических параметров клемм.

         Образование трещин в стали при закалочном охлаждении в различных средах

         В работе [62] отмечается, что сопротивление малым пластическим деформациям - основное свойство пружинных сплавов - надежнее всего характеризовать условным пределом упругости, отвечающей появлению остаточной деформации 10"J % или лучше 10" %. Главное отличие предела упругости от предела пропорциональности, также иногда используемого для оценки качества пружинных сплавов, не в величине заданного допуска на остаточную деформацию, а в более высокой точности его определения при равноценной методике испытаний, поскольку при этом измеряется только остаточная деформация после разгрузки. Кроме того, предел упругости соответствует величине напряжения, отвечающего появлению определенной остаточной деформации.

         Техническое значение предела упругости заключается в том, что его величина характеризует предельные напряжения, которые не должны быть превышены в упругих элементах в процессе их нагружения.

         Также важен тот факт, что между условным пределом упругости и величиной упругого гистерезиса, определяемого при технических измерениях, величиной упругого последействия и циклической прочности существует достаточно четкая и физически обоснованная корреляция.

         Известно, что у многих монокристаллов отчетливо выражен абсолютный предел упругости, ниже которого нет ни остаточной деформации, ни упругого гистерезиса, иначе говоря, ниже этого предела кристаллы ведут себя как идеально упругое тело [91]. Судя по данным экспериментальных исследований, и для поликристаллов существует предел упругости, близкий к абсолютному, который назван М.А. Штремелем и А.Г. Рахштадтом [62] порогом упругости. При напряжениях ниже этого порога упругости не обнаруживается остаточной деформации даже при увеличении точности измерений. Этот порог упругости, или абсолютный предел упругости, некоторые авторы (П. Лукас, В. Бонфилд и др.) определяют как напряжение, соответствующее первому появлению замкнутой петли упругого гистерезиса, после того как линии нагрузки и разгрузки совпадали (при более низких напряжениях). Если построить зависимость площади замкнутой петли гистерезиса, т.е. величины, пропорциональной энергии, рассеиваемой в процессе деформации, в функции амплитуды напряжения, то порогом упругости можно назвать напряжение, получаемое в результате экстраполяции указанной зависимости на нулевую площадь петли.

         На основе подхода, представленного в [62], наибольшее внимание в данной работе уделялось не определению уровня механических свойств, а именно оценке уровня пластической деформации исследуемых сталей.

         Внешний вид схемы испытаний по определению прочности приведен на рис. 2.1. Определение прочности проводили на универсальной испытательной машине при трехточечной схеме нагружения. Расстояние между опорами равно 200 мм. Величина прогиба фиксируется датчиком перемещения с точностью измерения 0,01 мм.

         Выбор указанной схемы испытаний при трехточечном изгибе образцов металла с толщиной прутка, соответствующей натуральному изделию, определяется тем, что в основной массе исследуемых сталей по сечению деталей реализуется градиент свойств. Для определения свойств материалов по оценке их ударной прочности будут использованы специальные виды испытаний.

         В табл. 2.1 приведены значения прочности исследуемых сталей для производства упругих клемм рельсовых скреплений, изучаемых в настоящей работе, получаемые после различных режимов термической обработки.

         Внешний вид испытаний по определению прочности упругих клемм рельсовых скреплений: а - внешний вид нагружения образца при трёхточечном изгибе; б - диаграмма зависимости деформации от нагрузки при изгибе образца диаметром 17 мм из рельсового передела после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска Таблица 2.1 Влияние технологических параметров термической обработки на прочность исследуемых сталей при изгибе

         Марка стали Режим термической обработки Прочность, МПа при изгибе пересчет на одноосное растяжение

         Анализ результатов испытаний на изгиб, сведенных в табл. 2.1, говорит о том, что технология охлаждения сталей, используемых для изготовления упругих клемм рельсовых скреплений, с применением в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды с последующим отпуском обеспечивает получение максимального уровня микропластической деформации исследуемых материалов, по сравнению со стандартно применяемыми технологиями упрочнения пружинных сталей.

         Нормативных данных для расчета упругих клемм рельсовых скреплений в нормативной технической документации не указано.

         Упрочнение стали клемм при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды происходит вследствие мартенситного превращения и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма под воздействием высокой скорости охлаждения.

         Повышение твердости стали в условиях барботирующей воды, по-видимому, является результатом совокупного действия мартенситного превращения за счет увеличения скорости охлаждения и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков [28].

         Из приведенного в работе анализа повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатации следует, что наиболее часто изломы происходят в зоне перегибов клемм. В этих областях возникают дополнительные напряжения из-за наминов формообразующей оснастки и особенно на клеммах, где технология гибки осуществляется с применением штамповки.

         В данном разделе работы, наряду с изучением влияния закалочной среды, ее скорости и избыточного давления так же рассматривается влияние изменения геометрических параметров на склонность сталей к трещинообразованию. Была разработана методика определения склонности сталей к трещинообразованию, заключающаяся в выявлении участков с высокой концентрацией напряжений на образцах сложной конфигурации по перепаду твердости на их поверхности после охлаждения различными способами и последующем подсчете количества трещин на каждом из выявленных участков.

         Для проведения исследований на рельсовом переделе были изготовлены образцы-модели сложной конфигурации, показанные на рис. 2.2. На образцах (см. рис. 2.2, а, г) проводили оценку коробления штанг на базе 300 мм после закалочного охлаждения в трех средах: спокойная вода, масло и быстродвижущийся поток воды. Степень коробления образцов косвенно характеризует величину внутренних остаточных напряжений. На образцах (см. рис. 2.2, б, в) проводили оценку трещинообразования после закалочного охлаждения в трех средах: спокойной воде, масле и быстродвижущемся потоке воды.

         Микрорентгеноспектральное исследование обезуглероженного слоя на стали 60С2А после печного газового нагрева образца со шлифованной поверхностью и горячекатаного

         Получение сжимающих остаточных напряжений в прутке диаметром 21 мм из стали 60С2А после закалки быстродвижущимся потоком воды по сравнению с закалкой стали 60С2А в спокойной воде, когда формируются растягивающие напряжения в поверхностном слое, может быть объяснено и различной твердостью, получаемой после закалки быстродвижущимся потоком воды (поверхностная твердость без отпуска, HRC 65) по сравнению с закалкой в спокойную воду (поверхностная твердость без отпуска, HRC 60).

         Несмотря на то, что в результате отпуска после двух указанных режимов закалки формируется одинаковая твердость - HRC 44 - 45, более высокая степень тетрагональности мартенсита, полученная после закалки быстродвижущимся потоком воды, сказывается на формировании более благоприятной эпюры остаточных напряжений.

         Градиент твердости, полученный на стали пониженной прокаливаемое 55ПП с диаметром прутка 21 мм, где глубина упрочненного слоя формируется за счет заданной химическим составом стали прокаливаемостью, при использовании закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком, формируется после отпуска при 180 С - поверхность 58 HRC и сердцевина 35 HRC, а значит должен быть получен высокий уровень сжимающих напряжений в поверхностном слое изделия.

         Результаты моделирования температурно-структурного и напряженного состояний в прутке диаметром 21 мм из стали 55ПП после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска при 180 С подтверждают получение благоприятного напряженного состояния в изделии после указанной термической обработки.

         Результаты моделирования температурно-структурного и напряженного состояний в прутке диаметром 21 мм из стали 55ПП при закалке в быстродвижущимся потоке воды с отпуском при температуре 180 С в течение 2 часов

         Временные осевые напряжения формируют в процессе охлаждения эпюру напряженного состояния (см. рис. 2.27), не создающую предпосылок к образованию в прутке трещин.

         На рис. 2.28 представлена эпюра остаточных напряжений, наилучшим образом отвечающая рабочему нагружению детали при эксплуатации -напряжения сжатия в поверхностном слое и компенсирующие их напряжения растяжения в сердцевине.

         Результаты моделирования напряженного состояния образцов при различных видах термической обработки согласуются с исследованиями по оценке остаточных напряжений при их исследовании рентгеновским методом sin v/, так же представленными в работе.

         С целью разработки новых марок сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости для изготовления упругих клемм рельсовых скреплений проведен расчет прокаливаемости для ряда химических составов.

         Поверхностное упрочнение упругих клемм рельсовых скреплений из новых марок сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости может быть осуществлено при следующих условиях: 1. В процессе охлаждения в интервале наименьшей устойчивости аустенита необходимо значительное различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины закаливаемой детали. 2. Критическая скорость закалки применяемой стали должна иметь промежуточное значение между скоростью охлаждения на поверхности и в сердцевине детали.

         Для оценки возможности применения каждого из вариантов химического состава стали и требуемой в каждом случае критической скорости охлаждения, необходимо знать распределение скоростей охлаждения по сечению прутка клеммы заданного диаметра при охлаждении различной интенсивности.

         Ниже приведена методика расчета кинетики охлаждения по сечению тел цилиндрической формы на основе известных зависимостей из теории теплопередачи и анализ условий поверхностного упрочнения для тел типа неограниченного цилиндра. Результаты могут быть применены для цилиндрических деталей конечных размеров (— 4-5, где L - длина цилиндра,

         Для получения однозначного решения уравнения нужно принять граничные условия, которые описывают распределение температуры внутри тела в начальный момент времени и закон теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. В дальнейшем будут рассматриваться два варианта краевых условий:

         Следовательно, определив зависимость V от указанных параметров можно рассчитать скорость охлаждения данного элементарного объема в любом температурном интервале в зависимости от интенсивности охлаждения. От безразмерных легко перейти к реальным величинам путем подстановки соответствующих реальных величин в выражении этих критериев.

         Для упрощения расчета принято допущение о равномерном распределении температуры по сечению тела в начальный момент (перед началом охлаждения). Это допущение оправдано, так как в рассматриваемом случае производится сквозной индукционный нагрев прутка для формирования геометрии клеммы и ее последующей термической обработки.

         При закалке в спокойную воду коэффициент теплоотдачи не постоянен и зависит от температуры охлаждаемой поверхности, которая в процессе охлаждения может быть неоднородной и меняться из-за образования паровой пленки и пленочного или пузырчатого кипения.

         Однако при охлаждении быстродвижущимся потоком воды охлаждение поверхности носит равномерный характер, так как процессы пленочного кипения отсутствуют. Кроме того, в расчетах используется охлаждение в сравнительно небольшом интервале температур (720 — 550) С, на протяжении которого не происходит интенсивного изменения коэффициента теплоотдачи [103].

         Таким образом, применение в качестве закалочной среды быстродвижущегося потока воды, устраняющего процессы пленочного кипения, позволяет использовать данные по эффективному коэффициенту теплоотдачи в зависимости от способа охлаждения, представленные в работе [101] (см. табл. 2.5).

         Конструктивные параметры закалочных устройств при использовании в качестве охлаждающей среды быстродвижущегося потока воды и влияние параметров индукционного нагрева и охлаждения на качество термической обработки

         В основу методики по оценке сопротивления хрупкому разрушению исследуемых сталей после закалки быстродвижущимся потоком воды положена схема копровых испытаний при нагружении падающим грузом (НПГ) или DWTT, то есть испытание на динамический изгиб [116, 117]. Внешний вид установки по проведению динамических испытаний приведен на рис. 2.62. Мощность копра с падающим грузом составляет 2,0 кДж, расстояние между опорами - 175 мм. Испытания проводили при температурах образцов +20 и минус 60 С.

         Известно, что основным критерием оценки качества упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатации является величина предела упругости [61], то есть чем меньше значение остаточной деформации упругого элемента, тем надежнее он защищает подрессоренные массы подвижного состава или детали верхнего строения пути от динамического воздействия.

         Внешний вид копра для испытаний падающим грузом натурных прутков стали, применяемой для производства упругих клемм рельсовых скреплений: 1 - образец для испытаний; 2 - груз (вес 50 кг) При проведении сравнительных испытаний натурных прутков конструкционной стали за критерий их работоспособности выбиралась стрела прогиба образца при динамическом нагружении, то есть чем она меньше при воздействии одинаковой нагрузки, тем меньше значение остаточной деформации, так как именно этот параметр является главным при оценке работоспособности изделия [61]. Следующий критерий, который оценивается это разрушение и неразрушение образца при динамическом нагружении.

         В табл. 2.33 приведены результаты по оценке стрелы прогиба исследуемых материалов при их нагружении падающим грузом при температурах +20 С и минус 60 С. Таблица 2.33 Результаты копровых испытаний натурных образцов прутков рессорно-пружинных сталей диаметром 17 мм, упрочненных быстродвижущимся потоком воды № Марка стали, режим т/о Температура, +20 С № Температура, -60 С Стрелапрогибаобразца,мм Работа, кДж Разрушение Стрелапрогибаобразца,мм Работа, кДж Разрушение

         Зависимость прогиба от работы удара для образцов пружинных сталей диаметром 17 мм при копровых испытаниях при температуре минус 60 С: 1 - сталь 60С2, быстродвижущийся поток воды и отпуск 460 С; 2 - сталь 40С2, быстродвижущийся поток воды, отпуск 400 С; 3 - рельсовый передел, быстродвижущийся поток воды, отпуск 410 С; 4 - сталь 50ПП. быстродвижущийся поток воды, отпуск 180 С 175 Анализ полученных результатов показывает, что при температуре испытаний образцов +20 С (см. рис. 2.64) пороговым значением по развитию процесса пластической деформации для сталей 40С2, 60С2 и рельсового передела является прикладываемая работа, равная 0,4 - 0,5 кДж. Меньшее значение по прикладываемой работе на рельсовом переделе связано с возможно более крупным зерном аустенита, полученного при перекатке рельсов в профиль для изготовления упругих клемм. Наиболее высокий показатель по восприятию динамической нагрузки (0,7 кДж) без деформации обеспечивается на стали пониженной прокаливаемости.

         Аналогичные динамические испытания, проведенные при температуре минус 60 С, показывают (см. рис. 2.65), что на сталях 40С2, 60С2 и рельсовом переделе показатель прикладываемой работы в размере 0,4 кДж является пороговым для развития процесса пластической деформации. Для стали пониженной прокаливаемости пороговым значением является величина 0,5 кДж.

         Таким образом, анализ полученных результатов показывает, что сталь пониженной прокаливаемости, на которой реализуется высокопрочное состояние, имеет более высокие показатели по восприятию прикладываемой нагрузки без пластической деформации - на 30 % выше при температуре +20 С и на 25 % выше при температуре минус 60 С - по сравнению со сталями, имеющими сквозную прокаливаемость.

         Исследование влияния обжатия упругих клемм рельсовых скреплений в горячем и холодном состоянии на релаксационную стойкость и циклическую долговечность

         В стандартах Германии и России на производство упругих клемм рельсовых скреплений нет требований по обжатию клемм после изготовления, считается, что остаточная деформация устраняется в процессе смены инвентарных рельсов или за счет последующего подтягивания скреплений в пути при эксплуатационном содержании.

         В новой редакции ГОСТ «Клеммы пружинные прутковые для крепления рельсов. Требования безопасности и методы контроля» на упругие клеммы рельсовых скреплений также как и на винтовые пружины (ГОСТ 1452) вводится обязательная операция обжатия, что устранит просадку клемм в эксплуатации и положительно отразится на эксплуатационном содержании пути.

         Для понимания процессов, происходящих при обжатии упругих клемм рельсовых скреплений в горячем состоянии, была проведена экспериментальная работа по определению остаточной деформации и усталостной прочности на упругих клеммах ЖБР-65, упрочненных быстродвижущимся потоком воды и отпущенных при температуре 460 С, материал - сталь 60С2А.

         Технология обжатия клемм в горячем состоянии заключалась в операции обжатия клемм на специально установке после их выемки из печи, где производился отпуск при температуре 460 С в течение 1 часа. Температура поверхности клемм перед обжатием составляла 300 С.

         Результаты испытаний клемм по оценке стабильности геометрических размеров клемм (релаксации) после обжатия в технологическом цикле производства по двум вариантам (горячее / холодное), проведенных на предприятии «Сфера-21», представлены в табл. 2.34.

         Анализ результатов, приведенных в табл. 2.34 показывает, что горячее обжатие клемм обеспечивает точность получения геометрических размеров клеммы в 3 раза выше, чем холодное.

         Похожие диссертации на Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений

         Особенности взаимодействия потока микрочастиц с металлами и создание процесса объемного упрочнения инструментальных материаловУшеренко, Сергей Миронович

         

         Особенности и условия эффективного применения организованных потоков воды в качестве закалочной среды при термической обработке сталиКузнецова Наталия Юрьевна

         Разработка и исследование средств измерения малых скоростей потоков воды при гидродинамическом экспериментеКононов, Александр Евгеньевич

         

         Гидравлическое сопротивление напорных пожарных рукавов и его снижение при введении в поток воды геля полиакриламида при тушении пожаров на объектах энергетикиХоанг Зань Бинь

         

         Гашение энергии холостого потока воды в проточном тракте высоконапорных гидроэлектростанцийЧурин Павел Сергеевич

         

         Совершенствование схем подогрева потоков подпиточной воды систем теплоснабжения в теплофикационных паротурбинных установкахПазушкин Павел Борисович

         

         Экспериментальные исследования гидродинамического кризиса противоточных потоков пара и воды в элементах оборудования АЭСАлексеев, Сергей Борисович

         Удаление азота с помощью хемоавтотрофных микроорганизмов из возвратных потоков сооружений обработки осадков сточных водКазакова, Елена Александровна

         

         Моделирование процессов и разработка установок очистки нефтесодержащих сточных вод на основе использования закрученных потоковАдельшин Алмаз Азатович

         

         Брызгообразование под влиянием газовых потоков и удара тел о воду. (К вопросу забрызгиваемости судов) Маменко Юрий Николаевич