Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Наплавка и поверхностная термическая обработка крановых колес и рельсов 10
1.1. Условия работы и изнашивания в паре трения колесо-рельс 10
1.2. Наплавка крановых колес 20
1.3. Поверхностная термическая обработка колес и рельсов 24
1.4. Обобщение литературных данных и задачи исследования 34
Глава 2. Разработка проволоки для наплавки крановых колес 37
2.1. Обоснование химического состава опытных проволок 37
2.2. Влияние условий наплавки на твердость наплавленного металла 42
2.3. Исследование износостойкости наплавленного металла 45
Выводы по главе 2 50
Глава 3. Поверхностная термическая обработка крановых рельсов 52
3.1. Исследование скорости охлаждения при плазменной закалке 52
3.2. Влияние режимов закалки на свойства зоны упрочнения 57
3.3. Исследование износостойкости на машине трения 62
3.4. Исследование структуры зон плазменной закалки 66
3.5. Исследование структуры переходной зоны 79
Выводы по главе 3 90
Глава 4. Разработка и внедрение технологических процессов для продления ресурса деталей рельсового транспорта 93
4.1. Наплавка колес технологического рельсового транспорта 93
4.2. Плазменная закалка рельсов 98
Выводы по главе 4 105
Основные выводы по работе 107
Список литературы
- Наплавка крановых колес
- Влияние условий наплавки на твердость наплавленного металла
- Исследование износостойкости на машине трения
- Плазменная закалка рельсов
Наплавка крановых колес
Проблема взаимодействия в паре трения колесо-рельс широко освещена и исследуется на железнодорожном транспорте [1, 12... 17], что подтверждает актуальность выбранной темы.
Теория взаимодействия колеса с рельсом подробно описана в работах А. Я. Когана [17... 19] и Д. П. Маркова [20]. В исследованиях отмечено, что в зоне контакта колеса и рельса возникают зоны сцепления и проскальзывания, в которых, с точки зрения механики, действуют как силы трения покоя, так и трения скольжения. В результате их действия возникает сопротивление движению [21] и в зоне контакта образуются микросмещения материала [22]. При этом происходит пластическая деформация рабочих поверхностей в зоне контакта колеса и рельса [23], вследствие которой развивается их изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с рабочей поверхности, а также накопления остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и формы поверхностей катания [24, 25].
Таким образом, для колес и рельсов, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок, в соответствии с особенностями нагружения необходимо обеспечить высокую твердость и износостойкость поверхностного рабочего слоя наряду с высокими показателями вязкости и пластичности сердцевины. При динамической изгибающей нагрузке максимальные напряжения возникают в поверхностном слое изделия. Это же относится и к касательным напряжениям, возникающим при кручении. При воздействии знакопеременной нагрузки разрушение от усталости также начинается в поверхностном слое.
Изнашивание рабочих поверхностей колес и рельсов нередко требует их полной замены, что необоснованно повышает эксплуатационные расходы, тогда как остаточные массогабаритные характеристики изношенных деталей составляют 80...95% от номинальных. Наиболее рациональное распределение свойств по сечению подобных деталей - наибольшая твердость контактирующих рабочих поверхностей при достаточно вязкой сердцевине и плавном переходе между ними. Такое распределение свойств по сечению наиболее целесообразно и с точки зрения долговечности, поскольку снижается риск поломок при эксплуатации.
Интенсивность износа пары колесо-рельс зависит от ряда факторов [26...28], влияющих вместе или по отдельности. К таким факторам относят: неровности на поверхности (волнистость, шероховатость); высокие контактные нагрузки (наклеп); интенсивность работы (высокие температуры); наличие третьего тела (запыленность, смазка); пульсирующий характер нагрузки (вибрации, колебания).
В настоящее время наибольшее распространение имеют двухбалочные мостовые краны с опорной грузовой тележкой, с гибким подвесом транспортируемого груза (на канатах), с раздельным приводом механизма передвижения, с двухребордными цилиндрическими колесами. Подкрановый путь выполняется либо в виде кранового рельса специального профиля, либо в виде железнодорожного рельса нормальной колеи. Фабричная длина рельсов обычно 6...12 м, стыки рельсов, как правило, не завариваются. Мостовые краны являются тяжело нагруженными машинами: суточная загрузка кранов доходит до 70...80%, величины поднимаемых грузов доходят до 75...85% номинальной грузоподъемности, фактический режим работы кранов подчас завышается по сравнению с нормативным [29].
Твердость поверхности катания и реборд новых крановых колес, изготовленных из сталей марок 75 и 65Г, по ГОСТ 28648-90 [30] должна быть от НВ320 до 390. По согласованию с потребителем допускается изготовление колес из других марок сталей с твердостью поверхностей катания и реборд не менее НВ 280 и не менее НВ 300 для механизмов различных режимных групп. Глубина закаленного слоя должна составлять от 10 до 40 мм в зависимости от диаметра колеса. Заявленный диапазон твердости соответствует верхнему пределу для колесных сталей, выпускаемых по европейским стан дартам EN 13262 (Европа) до НВ350 [105], AARM-107/M-208 (Северная Америка) до НВ363 [106], JISE 5402-1 (Япония) доНВ347 [107]. При этом результаты испытания колесных сталей, несмотря на различную твердость, вид термической обработки и содержание углерода по японскому и европейскому стандарту,показывают практически равную износостойкость [108].
Микроструктура стали для крановых колес является перлитно-ферритной, содержание структурно свободного феррита в которой зависит от концентрации углерода и термической обработки, обеспечивающей получение мелкозернистых и высокодисперсных пластинчатых продуктов распада аустенита. Наиболее распространенным способом термической обработки колес в металлургическом производстве является закалка обода с последующим отпуском. Благодаря трехстороннему теплоотводу обеспечивается сквозное упрочнение обода и боковых граней за счет формирования дисперсной пластинчатой структуры продуктов распада аустенита с размерами зерен 6...9 баллов. Дисперсный перлит с небольшой долей феррита обеспечивает достаточно высокий комплекс показателей прочности, твердости и вязкости, удовлетворяющий требованиям стандарта [31]. Однако такая структура стали (сорбит отпуска), даже при использовании микролегирования, позволяет получить твердость не более НВ 330...340. Более предпочтительна структура сорбита закалки с той же твердостью, но с более высокой плотностью дислокаций и меньшими размерами межпластиночного расстояния в перлите, формирующаяся в процессе контролируемой закалки и самоотпуска колес.Основной причиной смены крановых колес служит износ реборд. Согласно требованиям ГОСТ 28648-90 эксплуатация колес допускается при износе их реборд не более 50 % первоначальной толщины и (или) поверхности катания не более 1,15% первоначального диаметра.
Влияние условий наплавки на твердость наплавленного металла
Частота вращения диска диаметром 40 и толщиной 10 мм составляла 425 об/мин. Испытывалось три сочетания пар трения, по пять пар образцов в каждом. Испытания проводились в четыре этапа по 5 минут: первые три этапа - с нагрузкой 200 Н, четвертый - с нагрузкой 300 Н. Режим испытаний -трение скольжения в условиях отсутствия смазки. Первый этап - приработка (притирка) образцов под нагрузкой 200 Н в течение 5 минут дает представление о прирабатываемости поверхностей в паре трения, второй и третий - характеризуют устойчивый процесс изнашивания. Четвертый этап при увеличенной нагрузке позволяет судить о способности пары трения воспринимать перегрузку.
Общее время испытаний каждой пары - 20 мин. После каждого этапа проводилось взвешивание на электронных весах «ShimadzuAX-200» и определялся износ образцов. Анализ проводился по средним для каждых пяти пар значениям потери массы образцов.
Во всех исследуемых парах колодка изготавливалась из стандартного рельса типа Р43 (сталь 70, сорбитизированная, 280 HV). Диск выполнялся из колесной стали типа 65Г в сорбитизированном состоянии (314 HV), а также с наплавкой проволоками Нп-18Х2Г2 и Нп-ЗОХГСА. Чтобы предотвратить стекание расплавленного металла наплавку выполняли с сопутствующим охлаждением, поэтому твердость рабочей поверхностинаплавленных образцов оказалась выше твердости наплавки на крановых колесах в предыдущем опыте. Но при этом сохранилось преимущество в твердости металла, наплавленного проволокой Нп-18Х2Г2 (412±8HV), над металлом, наплавленным Нп-ЗОХГСА (362±6 HV), что давало возможность руководствоваться полученными результатами.
Таким образом, исследование образцов показало, что проволока Нп-18Х2Г2 обеспечивает более высокую твердость наплавленного металла по сравнению с Нп-ЗОХГСА не только при наплавке с низкой скоростью охлаждения (опыт с наплавкой на пластину), но и с высокой (наплавка с сопутствующим охлаждением). Это означает, что задача получения с помощью новой проволоки более высокой твердости в наплавленном слое, чем у металла, наплавленного проволоками Нп-ЗОХГСА и Св-18ХГС, решена для широкого диапазона условий охлаждения при наплавке.
Для более наглядного сравнения износостойкости результаты испытаний сведены в табл. 2.8. Можно отметить, что металл, наплавленный Нп-18Х2Г2, в отличие от колесной стали типа 65Г и наплавки проволокой Нп-ЗОХГСА, быстро прирабатывается. У диска из стали 65Г при увеличении нагрузки от 200 до 300 Н износ заметно увеличивается, но этого почти не происходит с металлом, наплавленным проволокой Нп-18Х2Г2. Металл, наплавленный Нп-ЗОХГСА, в этом отношении занимает промежуточное положение между наплавленным проволокой Нп-18Х2Г2 и сталью типа 65Г.
Износостойкость металла, наплавленного проволокой Нп-18Х2Г2, в данных условиях испытаний оказалась в два раза выше, чем у металла, наплавленного Нп-ЗОХГСА, и в 10,4 раза выше износостойкости колесной стали типа 65Г. В обоих случаях увеличения твердости диска наплавкой износ неупрочненного контртела (колодки) не только не увеличивался, но снижался примерно на порядок.
Увеличение твердости наплавленного слоя в диапазоне 362...412HV, сопровождается снижением износа в два раза. Того же уровня, но даже несколько меньшая разница в твердости в диапазоне 314...362HV дала преимущество в износостойкости существенно больше - в 5,1 раза. Таким образом, увеличение твердости наплавленных образцов в диапазоне 362...412HV сопровождалось менее интенсивным ростом износостойкости, чем в диапазоне 314...362HV. Это означает, что заключение ВНИИЖТ [84] о замедлении роста износостойкости колесной стали с ростом твердости свыше НВ 360 подтвердилось и на наплавленном металле.
Для обеспечениявыбранного диапазона твердостиразработанысоста-вы стальной проволоки для износостойкой наплавки крановых колесНп-18Х2Г2иСв-18ХГ1С1.
Исследование износостойкости на машине трения
Поскольку характеристические размеры структурных элементов бей-нита и тростита находятся за пределами разрешающей способности оптических микроскопов, исследовали механические характеристики (твердость и приведенный модуль упругости) структурных составляющих с помощью наноиндентирования и изучали структуру в переходной от основного металла к закаленному слою зоне плазменной закалки с применением зондовой атомно-силовой микроскопии (АСМ).
Подготовка образцов и их дальнейшее исследование выполнены с помощью оборудования и по методике Hysitronlnc. (Minneapolis, USA) в европейской лаборатории Hysitron-EuroLab. Для проведения исследований использовался контрольно-измерительный прибор HysitronTriboIndenter. При помощи данного прибора в выбранных точках образца получали наномерные отпечатки алмазного индентора Берковича. Нагрузка на индентор повышалась при постоянной скорости до некоторого пикового значения (нагруже-ние), удерживалась на заданном уровне в течение заданного времени и затем снижалась до нулевого значения (разгрузка). На основании полученных данных о нагрузке (Р) и глубине проникновения индентора в образец (h) построены зависимости, представленные на рис. 3.20, 3.25. Левая часть графиков отвечает за промежуток нагружения, а по максимальным величинам Р и h вычислено значение твёрдости (Н). По кривой разгружения (правая часть графиков), дифференцируя, рассчитывали значение приведенного модуля упругости (Ег) для данной точки на поверхности образца [99].
Выбор точки определения механических характеристик осуществлялся при анализе изображений поверхности образца с разными увеличениями, полученных на том же приборе в режиме сканирующей зондовой микроскопии (ScanningProbeMicroscopy). Прибор обеспечивает визуализацию изображений поверхности образца до и после проведения испытания с использованием того же индентора, что и для наномеханического испытания. Построение изображения осуществляется посредством растрового сканирования зондом по выбранному участку поверхности образца. Изображения, создаваемые посредством зондовой микроскопии, обеспечивают получение данных по результатам испытания механических свойств, а также морфологических характеристик поверхности образца. На основании данных изображений можно определить размер, форму и распределение частиц. Поскольку изображения создаются при помощи одного зонда, возможность сочетания функций визуализации и испытания является эффективным средством при позиционировании зонда для исследования требуемых характеристик на образце.
На рис. 3.15 представлено видеоизображение полированной поверхности образца с локализацией зоны исследований. В правой части рисунка располагается зона закалки с выходом на поверхность рельса, в левой - зона основного металла, не подвергшегося структурным изменениям при обработке поверхности рельса плазменной дугой.
Полученное посредством зондовой микроскопии изображение зоны образца, представленной на рис. 3.15 (рамка), топографические данные и представление поля градиентов как разности между нагрузкой на зонд по сигналу обратной связи и заданной нагрузкой во время сканирования приведены нарис. 3.16.
На рис. 3.20, 3.25 представлены зависимости нагрузки от глубины проникновения индентора, отображающие процесс, при котором нагрузка повышалась при постоянной скорости до некоторого пикового значения (нагружение), удерживалась на данном уровне в течение заданного времени и затем снижалась до нулевого значения (разгрузка). После этого на основании соответствующей кривой по методике Оливера-Фарра (МОФ) [99] вычислялась твердость (Н), а также приведенный модуль упругости (Ег) для данной точки на поверхности образца.
Плазменная закалка рельсов
Результаты эксперимента показали, что все схемы перемещения плазмотрона позволяют получить удовлетворительные результаты закалки, однако, схемы а и б обеспечивают сочетание максимальных глубины и твердости упрочненной зоны и могут быть рекомендованы для большинства случаев применения в зависимости от конкретных условий реализации процесса.
На основании результатов проведенных исследований можно заключить, чторазработаны перспективные технологические варианты и режимы плазменной закалки рельсов, которые опробованы в производственных условиях.
Производственные испытания проходили в металлургическом цехе ОАО «НІЖ «Уралвагонзавод». Обычно стойкость рельсов мульдомагнитных кранов грузоподъемностью 10 т до замены составляет от 6 до 8 месяцев; основная причина их замены - боковой износ головки рельса. Упрочнению плазменной закалкой подвергались боковая и опорная части головки рельса типа Р18. Результаты измерения ультразвуковым твердомером МЕТ-УД твердости рабочих поверхностей рельсов до и после плазменной закалки позволили выявить ее увеличение от 35 до 55 HRC.
Через 12 месяцев эксплуатации закаленные рельсы оставались в работе, тогда как два контрольных незакаленных рельса были заменены через 8 месяцев с начала испытаний (рис. 4.5). ется тем, что по глубине зоны закалки может возникать зона отпуска с пониженной твердостью [91, 92]. Таким образом, износостойкость закаленных рельсов возросла в 1,5 раза по отношению к незакаленным, при том, что закаленные рельсы продолжали эксплуатироваться и были заменены после 16 месяцев эксплуатации, т. е. после двойного срока службы, но не вследствие изнашивания, а по причине отрыва головки рельса от подошвы (прил.6).
На линии цеха по производству осей железнодорожных колесных пар смонтирован рельсовый путь длинной 14,5 м (рис. 4.6). Рельсы типа Р18, средняя твердость на рабочей поверхности 19 HRC (переносной прибор УЗИТ-3). В сутки по рельсам перемещается до 350 осей массой 537 кг каждая.
Грубая кованая поверхность осей ускоряет изнашивание. За 28 месяцев износ составил 3,2 мм из допускаемых 5 мм. Для замедления изнашивания было решено упрочнить поверхность катания плазменной закалкой.
Закалку выполнили с помощью установки УДГЗ-200 непосредственно на линии, без прерывания цикла производства осей. Поверхность под закалку предварительно зачищали лепестковым кругом КЛ 150x30x32.Режимы закалки: ток плазменной дуги - 180...200 А, напряжение на дуге - 30...32 В, расход аргона - 20 л/мин. Закалка производилась отдельными участками по 300 мм, через один. Каждый участок закаливался тремя продольными дорож 103 ками. Средняя твердость закаленной поверхности составила 50 HRC (прибор МЕТ-УД). Через 20 месяцев произвели повторный обмер рельсов. Установлено, что за это время износ составил в среднем 0,5 мм. Таким образом, средняя скорость изнашивания снизилась более чем на порядок с 0,11 до 0,01 мм в месяц (прил. 7, 8).
Производственные испытания на ОАО «ЧТПЗ» проходили в цехе сборки и сварки труб большого диаметра. Для перемещения передаточных тележек весом до 20 т установлены рельсовые пути (рельсы типа А55, DIN536, твердость НВ 180...220). В процессе эксплуатации изнашивается головка рельса (рис. 4.7). Рельсы считаются изношенными и подлежат замене, если происходит сбой в работе по причине неравномерного движения тележки, либо ее схода с рельсового пути.
Плазменную закалку рельсов проводили на путях 12 тележек типа ITWH и одной тележки установки ультразвукового контроля «NORDIKRAFT». Твердость рельсов после закалки составила 37.. .46 HRC.
В ходе дальнейшей эксплуатации выявлено увеличение срока службы рельсового пути после плазменной закалки в 12 раз с 2 месяцев до 2 лет (прил. 9).
На основе результатов проведенных исследований и опытно-промышленной эксплуатации упрочненных рельсов разработана и утверждена руководством ОАО «Научно-производственная корпорация «Уралвагон-завод» технологическая инструкция АДК 25050.30012 - «Плазменная закалка» (прил. 10). Результаты производственных испытаний упрочненных плазменной закалкой рельсов шлеппера и круговых рельсов пратцен-кранов в ОАО «Челябинский металлургический комбинат», а также сведения об экономической эффективности закалки приведены в приложениях 11, 12, 15.
На основании результатов проведенных исследований можно рекомендовать следующие значения параметров режима плазменной закалки рельсов: ток дуги - 180...200 А, напряжение на дуге - 30...32 В, скорость перемещения дуги - 6... 12 м/час. При этом, меньшее значениескорости обеспечивает максимальную глубину (до 4 мм) упрочненного слоя, а большее - максимальную производительность процесса.
1. Результаты производственных испытаний и опытно-промышленной эксплуатации показали, что срок службы крановых колес, наплавленных проволокой Нп-18Х2Г2, увеличивается в 2...3 раза. При этом ускоренного изнашивания рельсов не наблюдается. Применение предложенных составов проволок эффективно также для продления в 1,7...2 раза эксплуатационного ресурса колес подвижного состава рельсового технологического транспорта (шахтных вагонеток, думпкаров).
2. Микротвердость зоны закалки рельсовой стали 60 изменяется в диапазоне от 829 HV для мартенсита поверхностного слоя до 225 HV для ферри-то-перлитной структуры основного металла. Глубина упрочненной зоны составляет от 0,9 до 3,7 мм в зависимости от режима обработки.
3. Эксплуатационные показатели рельсов технологического транспорта, рабочие поверхности которых упрочнены плазменной закалкой по разработанной на основе полученных результатов технологии, возрастают в 2... 12 раз.
4. На основе результатов проведенных исследований, производственных испытаний и опытно-промышленной эксплуатации упрочненных деталей рельсового технологического транспорта разработана, утверждена и внедрена производственно-технологическая документация для промышленной реализации предложенных научно-технических решений. Результаты разработки защищены патентом РФ.
5. Подтвержденный экономический эффект, полученный в ходе производственной апробации результатов работы, составил более 10 миллионов рублей. При расширении объемов внедрения только на двух предприятиях ожидаемый экономический эффект составит более 50 миллионов рублейв год.