Розробка та освоєння технологічних параметрів зміцнюючої обробки високозносостійких залізничних коліс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК України

УДК 621.771.294.04:621.785.083.133(043)

Спеціальність 05.16.01 - "Металознавство та термічна обробка металів"

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА ОСВОЄННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗМІЦНЮЮЧОЇ ОБРОБКИ ВИСОКОЗНОСОСТІЙКИХ ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІС

КНИШ

АНДРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Дніпропетровськ

2008



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Узлов Іван Герасимович, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Спиридонова Ірина Михайлівна, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри металофізики

кандидат технічних наук Клюшник Юрій Олексійович, Національна металургійна академія України, доцент кафедри термічної обробки металів

Захист відбудеться "12" __грудня_ 2008 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 в Інституті чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України (49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук (49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1).

Автореферат розісланий "_06 " __листопада_ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К 08.231.01 Г. В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для підвищення рентабельності вантажних перевезень залізничним транспортом сформульовано задачу про підвищення навантаження на вагонну вісь від 20,5 до 25-30 т і швидкості руху вантажних поїздів від 75 до 120 км/годину. Водночас, для подовження терміну служби рейкового шляху має велике значення впровадження залізобетонних шпал, які в порівнянні з дерев'яними, підвищують жорсткість контакту пари "колесо-рейка" влітку приблизно в 2, а взимку - в 4 рази, що значно підвищує статичні та динамічні навантаження на залізничне колесо, яке є непідресорним елементом візка вагона. Саме ці та інші фактори обумовили необхідність пошуку ефективних технологічних рішень по зміцненню контактуючих елементів для забезпечення їхньої стійкості проти експлуатаційного зносу. Завдяки невеликій площі перетину голівки рейки її термічне зміцнення в потоковому виробництві забезпечує одержання твердості 360...380 НВ. У ході роботи в парі з такою рейкою необхідний рівень зносостійкості й контактної міцності колеса, як показали дослідження ІЧМ НАНУ, може бути забезпечений при співвідношенні відносних твердостей колесо/рейка (0,8...1,0)/1,0. При цьому необхідно одержувати високі значення ударної в'язкості, яка забезпечує здатність матеріалу протистояти руйнуванню при ударних навантаженнях і забезпечувати заданий температурний поріг крихкого руйнування металу.

У зв'язку із цим представлена робота, спрямована на одержання в колісній сталі оптимального сполучення високих значень твердості (320...340 НВ), міцності й в'язкості, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами наукових досліджень Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, в рамках Програми НАН України "Ресурс" та міжгалузевих "Розробка і промислове впровадження нової мікролегованої сталі та виготовлення з неї високоміцних (у_в вище 1100 Н/мм², НВ 320-340) залізничних коліс з забезпеченням підвищення ресурсу на 30-40 відсотків" (№ держреєстрації: 0107U006018); у рамках роботи відомчої тематики НАН України "Дослідження особливостей формування структурного стану, комплексу механічних властивостей та службових характеристик високоміцних вуглецевих і низьколегованих сталей залізничного призначення" (№ держреєстрації: 0103U007232), "Аналіз вимог нормативної документації, сучасного рівня й напрямків підвищення якості залізничних коліс в Україні" (№ держреєстрації: 0106U003783)

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є одержання в залізничних колесах сполучення високих значень твердості, в'язкості та зносостійкості шляхом удосконалення існуючих і розробки нових параметрів термічного зміцнення з одночасним застосуванням мікролегування сталі ванадієм.

Для досягнення вказаної мети у роботі було сформульовано і поставлено такі завдання:

- вивчити вплив легуючих елементів на структуру й властивості залізничних коліс;

- скорегувати існуючі та розробити нові режими термічної обробки, які забезпечать одержання високих значень твердості й ударної в'язкості ободу залізничних коліс, виготовлених з мікролегованої ванадієм сталі;

- провести комплексне дослідження структурного стану та властивостей дослідно-промислової партії високозносостійких коліс та передати їх для експлуатаційних випробувань;

- проаналізувати експлуатаційні випробування дослідно-промислової партії залізничних коліс із мікролегованої сталі;

- сформулювати пропозиції по організації промислового виробництва нової продукції;

- розробити нову технологічну та нормативно-технічну документацію на промислове виробництво залізничних коліс підвищеної міцності та зносостійкості та організувати їх виробництво на ВАТ "ІНТЕРПАЙП Нижньодніпровський трубопрокатний завод".

Об'єкт дослідження. Процеси структуроутворення у високоміцній мікролегованій ванадієм конструкційній сталі призначеній для виробництва залізничних коліс та вплив температурно-часових параметрів термічної обробки на структуру й властивості колісної сталі.

Предмет дослідження. Суцільнокатані залізничні колеса, призначені для експлуатації під вантажними вагонами.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження дисертаційної роботи базуються на фундаментальних положеннях металознавства та термічної обробки металів. При проведенні досліджень були використані методи дилатометричного, мікроструктурного, рентгеноструктурного, електронномікроскопічного аналізів, механічних випробувань і статистичного аналізу отриманих результатів.

Наукова новизна.

1. Показано, що прискорене охолодження мікролегованої ванадієм колісної сталі від температури аустенітизації 900 °С зі швидкостями більшими за 7 °С/с забезпечує формування дрібнозернистого, тонкодиференційованого евтектоїду зі структурою голчастого фериту.

2. Встановлено, що після відпуску залізничних коліс із мікролегованої ванадієм сталі при температурі ~ 500 °С спостерігається максимумом значень твердості й ударної в'язкості обода.

3. Вперше визначено, що в прискорено охолодженій колісній сталі, мікролегованій ванадієм, у процесі відпуску в температурному інтервалі 450-500 °С реалізуються механізми дисперсійного й дислокаційного зміцнення фериту.

4. Визначено, що формування дрібнозернистого, тонкодиференційного евтектоїду зі структурою голчастого фериту з дисперсними виділеннями карбідів ванадію й підвищеною щільністю дислокацій забезпечує одержання високих значень твердості (> 320 НВ) і ударної в'язкості (> 18 Дж/см²) ободу залізничних коліс, виготовлених з вуглецевої (0,61-0,69 % С) сталі, що містить ванадій (0,08-0,15 % V).

Практичне значення отриманих результатів.

1. Результати роботи послужили підставою для внесення змін у нову редакцію Міждержавного стандарту ГОСТ 10791, який вступив у дію в Україні, як національний стандарт ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006 "Колеса суцільнокатані. Технічні умови".

2. Оптимізована технологія термічного зміцнення залізничних коліс із мікролегованої ванадієм сталі впроваджена в колесопрокатному цеху ВАТ "ІНТЕРПАЙП НТЗ" при виробництві високозносостійких коліс.

3. На підставі виконаних досліджень на нову продукцію розроблені ТУ У 35.2-23365425-600:2006 "Колеса суцільнокатані діаметром 957 мм підвищеної міцності й зносостійкості", в яких були підвищені вимоги по значенням твердості й ударної в'язкості.

4. Маршрутні випробування високоміцних коліс в умовах вантажних перевезень на дослідному маршруті після пробігу 200 тис. км показали підвищення зносостійкості на 38 %.

5. На ВАТ "ІНТЕРПАЙП НТЗ" за розробленими ТУ У 35.2-23365425-600:2006 освоєно промислове виробництво високозносостійких залізничних коліс для Укрзалізниці.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі аналітичний огляд літературних даних, планування й проведення експериментальних досліджень проведено автором. Наукові результати були отримані безпосередньо здобувачем при консультаційній допомозі к.т.н. Узлова К.І.

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи були повідомлені й обговорені на: Науково-технічних конференціях молодих учених і студентів "Молода академія" (м. Дніпропетровськ, 2004-2007 рр.); Міжнародній конференції "Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов" (м. Харків, 2005 р.); Конференція молодих фахівців "Молодежный научно-практический форум "ИНТЕРПАЙП-2006"" (м. Дніпропетровськ, 2006 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 9 статтях у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць, які відповідають переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків викладених на 128 сторінці, вміщує 35 рисунків, 11 таблиць й список використаних літературних джерел із 149 найменувань.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й завдання дослідження, наведені основні наукові положення, які виносяться на захист, а також практична значимість отриманих результатів.

Перший розділ "Підвищення службових характеристик залізничних коліс". Виконано аналіз найбільш значимих робіт, присвячених розв'язанню в дисертаційній роботі науково-технічного завдання.

Вивчено питання вдосконалення технології виробництва коліс вантажних вагонів для підвищення їх роботоспроможності при високих швидкостях руху й збільшених навантаженнях на вісь у багатьох країнах світу. Численні досліди й спостереження показали, що такі явища, як спрацювання, пошкодження поверхні кочення залізничних коліс дефектами, залежать від конструкції візків і типів гальм, а також значною мірою характеризуються структурним станом і властивостями колеса.

Детально проаналізовані вітчизняні й закордонні вимоги до хімічного складу сталі для виробництва залізничних коліс, режимів їхньої термічної обробки та одержуваного комплексу властивостей. Показано, що рівень фізико-механічних властивостей і експлуатаційних характеристик залізничних коліс докорінно залежать від хімічного складу сталі, що використовується для їхнього виготовлення, способу її виробництва й режимів термічної обробки готового виробу.

Тому застосування ефективних процесів термічної обробки з легуванням сталі з невеликими добавками різних елементів є актуальним завданням для формування структурного стану, що визначає одержання в залізничних колесах необхідного сполучення високих значень твердості й в'язкості.

Другий розділ "Матеріал і методика дослідження".

Матеріалом для дослідження послужили дослідні плавки колісної сталі, мікролегованої ванадієм (табл. 1). Весь комплекс лабораторних і механічних випробувань був виконаний на колесах плавки 31501. Інші колеса були передані на маршрутні випробування.

Таблиця 1

Хімічний склад дослідних плавок

Номер плавки	Вміст елементів, % мас.
	C	Mn	Si	V	Cr	Ni	Cu
31501	0,64	0,73	0,31	0,11	0,15	0,12	0,05
21426	0,64	0,79	0,30	0,11	0,17	0,11	0,05
32501	0,63	0,72	0,32	0,094	0,16	0,11	0,05

Зміну температури по перетину обода колеса в процесі охолодження фіксували за допомогою термопар, вмонтованих в обід залізничного колеса, і осцилографа Н-700.

Металографічні дослідження виконували на світлових мікроскопах "Neophot-2" і "Axiovert 200 М МАТ".

Механічні випробування на статичне розтягнення проводили відповідно до ГОСТ 1497-84 на випробувальній машині "Instron". Випробування на ударний вигин - відповідно до ГОСТ 9454-78 на маятниковому копрі PSW-5. Твердість визначали за допомогою твердоміра ТБ 5004. Випробування на зносостійкість зразків проводили на випробувальній машині СМЦ-2.

Кінетику перетворення аустеніту при безперервному охолодженні вивчали на дилатометрі МД-83 конструкції Інституту чорної металургії.

Визначення зміни параметрів кристалічних решіток, розміру блоків мозаїки й щільності дислокацій проводили рентгенівським методом. Профілі обраних для аналізу рентгенівських інтерференцій фериту зразків дослідних сталей (110) і (220) записували на рентгенівському дифрактометрі ДРОН 2,0 у монохроматизованому CuK-випромінюванні.

Електронномікроскопічні вивчення структури зразків: реплік із виділеннями, екстракційних реплік і тонких фольг - проводили на просвітчастому електронному мікроскопі ЕМ-125К.

Експлуатаційні випробування проходили на дослідному маршруті Роковата-Ужгород-Кошице. Відносний характер зносостійкості за результатами вимірів гребенів коліс оцінювали відповідно до методик Укрзалізниці.

Третій розділ "Коригування параметрів термічного зміцнення".

З метою аналізу кінетики фазових перетворень мікролегованої сталі в температурно-концентраційних інтервалах фазових рівноваг, за допомогою методу дилатометричного аналізу були визначені температури фазових перетворень (Ас₁, Ас₃) колісної сталі, які становлять 735 °C і 765 °C, відповідно.

За технологією виробництва суцільнокатаних коліс зі сталі марки 2 за ГОСТ 10791, температура нагрівання під гартування перебуває в інтервалі 800…850 °C - не більше, для запобігання початку росту зерна аустеніту.

Для визначення температури нагрівання під гартування залізничних коліс із мікролегованої ванадієм сталі був проведений мікроструктурний аналіз загартованих від різних температур зразків, який показав, що підвищення температури нагрівання під гартування до 900 °C не приводить до росту зерна аустеніту й величина його відповідає 10-11 номерам за ГОСТ 5639-89. Підвищення температури нагрівання під гартування до 950 °C і вище приводить до укрупнення зерна до 8-7 номеру й більше, що пояснюється розчиненням карбідів і карбонітридів ванадію, які є стримуючим чинником росту зерна при нагріванні. Таким чином, температура нагрівання під гартування коліс із мікролегованої ванадієм сталі повинна бути вище 850 °C (для максимально повного розчинення дисперсних часток при переході в однофазну область існування аустеніту), але нижче 950 °C (для запобігання рекристалізаційних процесів). Результати механічних випробувань показують, що найкраще сполучення твердості й ударної в'язкості отримані на зразках, відібраних з коліс, температура перед загартуванням яких була максимально наближена до 900 °C (табл. 2, 3). Тому, у заводському технологічному процесі для термообробки коліс температура нагрівання під гартування була рекомендована 885 ± 10 °C.

Таблиця 2

Параметри термічної обробки дослідних залізничних коліс

Номер колеса	Температура на гартівному столі, °C	Витрата води, м3/год	Температура води, °C	Температура відпуску коліс, °C
126342	885	100	25	450
126334	880	100	24	450
126272	879	100	26	450
126270	870	100	26	450
126123	865	100	25	450

Таблиця 3

Механічні властивості дослідних залізничних коліс

Номер колеса	ув, Н/мм2	д5, %	ш, %	Твердість, НВ	KCU, Дж/см2
126342	1162	8,8	19,0	340	21,0
126334	1168	9,3	19,0	337	21,0
126272	1190	11,0	17,7	337	19,0
126270	1263	9,3	16,5	329	18,0
126123	1139	10,0	8,0	318	18,0

Наступною технологічною операцією є переривчасте прискорене охолодження коліс водою за допомогою спрейєрних пристроїв. Дослідження теплового поля в ободі залізничного колеса в процесі охолодження показали, що максимальне значення швидкості охолодження спостерігається в інтервалі температур колеса від температури нагрівання під гартування до температури 600 °С і становить близько 10 °С/с (передповерхневий шар залізничного колеса). Мінімальна швидкість охолодження становила близько 2-3 °С/с (на глибині більше 60 мм від поверхні кочення).

Аналіз механічних властивостей колісної сталі, охолодженої зі швидкостями більше 7 °С/с, характеризується високими значеннями границі міцності, границі плинності, твердості й ударної в'язкості в порівнянні з областями обода, охолоджуваними з меншими швидкостями. При цьому значення відносного подовження й відносного звуження мають нижчі показання.

Нанесення кривих швидкості охолодження ободу залізничного колеса на термокінетичну діаграму для колісної сталі мікролегованої ванадієм Побудована Коломойцем А. М., Карнаухом А. І., Клименко А. П., НМетАУ дозволило вивчити кінетику перетворення аустеніту при безперервному охолодженні. Отримані дані добре узгоджуються з результатами мікроскопічних досліджень. При малих швидкостях охолодження (< 3 °С/с, рис. 1, лінія 2) утворюється грубодисперсна структура перліту, яка легко диференціюється під світловим мікроскопом (ферит і цементит). При цьому в мікроструктурі спостерігається структурно вільний ферит, що виділився по границях зерен. Збільшення швидкості до 7 °С/с і вище (рис. 1 лінія 1) супроводжується утворенням тонкопластинчатого перліту й ділянок бейнітних структур.

Тому, у ході промислового експерименту були передбачені технологічні заходи, спрямовані на забезпечення максимальної інтенсивності тепловідводу при гартуванні ободів коліс на вертикальній гартівній машині колесопрокатного цеху ВАТ "ІНТЕРПАЙП НТЗ" - кількість охолоджуваного середовища було збільшено проти стандартно використовуваного в 1,5 рази, час подачі охолоджуючого середовища (180 секунд) призначвся з урахуванням задовільної для наступного підстужування температури ободу колеса після завершення охолодження.

Заключною операцією термічної обробки залізничних коліс є відпуск. У світовій практиці виробництва залізничних коліс операція відпуску застосовується для зняття внутрішніх напружень, що виникають в процесі прискореного охолодження. Причому деякі закордонні стандарти (UIC 812-3, TTS 0,94) встановлюють температуру відпуску більше 500 °С. Дослідження впливу відпуску на характер зміни твердості й ударної в'язкості в ободі коліс із мікролегованої ванадієм сталі після термічного зміцнення показало, що ці показники екстремальним чином змінюються при переході через температуру відпуску 500 °С (рис. 2, 3).

За допомогою методів рентгеноструктурного аналізу досліджували вплив відпуску при температурах 450, 475, 500, 525, 550 і 600 °С тривалістю 2,5 години на параметри тонкої структури фериту зразків колісної сталі. Отримані дані виявили, що період решітки фериту (а) змінюється залежно від температури відпуску з вираженим мінімумом при температурі 525 °С. Цій температурі відповідає мінімальне значення розміру блоків у фериті (D_HKL) і максимальне значення щільності дислокацій (с).

Ці ефекти зумовлені тим, що в мікролегованих ванадієм сталях при температурах близько 500 °С інтенсивно розвиваються процеси утворення карбідів і карбонітридів ванадію. Мінімальне значення а при температурі 525 °С (рис. 4) відповідає найбільш повному виділенню з фериту атомів ванадію, вуглецю й азоту з наступним утворенням названих вище фаз. На початкових стадіях формування мікрочастинки карбідів і карбонітридів ванадію когерентно пов'язані з феритною матрицею. Невідповідності параметрів когерентності решітки аналізованих фаз приводить до значного здрібнювання блокової структури фериту й, як наслідок, до росту с, особливо виражених для температури 525 °С (рис. 5, 6), що відповідає максимальній швидкості утворення карбідів і карбонітридів ванадію. При підвищенні температури відпуску до 550 °С і вище здійснюється втрата когерентності в результаті відокремлення мікрочастинок у самостійні виділення, що приводить до збільшення D_HKL і зниження с у фериті сталей.

Електронномікроскопічні дослідження показали, що під час відпуску при 450 °С у структурі фериту відбувається формування малокутових границь, тобто явище, що характеризує сугубо релаксаційні процеси (рис. 7, а). При цьому, формування карбідів ванадію не зафіксовано. Виділення дрібнодисперсних карбідів починається при 500 °С, їхній розмір 10Ч10 нм кубічної форми. При цій температурі відпуску кількість дислокацій зростає (рис. 7, б, в). Ці факти підтверджують попередні результати про підвищення щільності дислокацій, розширення інтерференційних максимумів, твердості саме при цій температурі.

Перехід через температуру 500 °С принципово змінює ситуацію й з погляду цементитної фази перліту. Вище 500 °С йдуть коагуляційні процеси на кінцях цементитних пластин, активно проходить коалесценція карбідів; цементит фрагментується, сфероідезується (рис. 8, г, д), що приводить до зниження твердості колісної сталі; формування дислокаційних стінок триває, розвивається повернення ІІ роду (рис. 7, г), внаслідок цього зменшується роль бар'єра для дислокацій голчастого фериту з карбідними виділеннями й в'язкість закономірно знижується.

За результатами досліджень рівня залишкових напружень у високоміцних колесах вибирали оптимальну температуру їх відпуску, що забезпечує припустимий рівень залишкових напружень.

Вимір збіжності ободу колеса Метод визначення залишкових напружень в залізничних колесах, передбачений ГОСТ 10791-89 показав, що при підвищенні температури відпуску від 450 °С до 520 °С ця характеристика знижується від 4,7 до 1,9 мм (рис. 9). З огляду на той факт, що в ГОСТ 10791, збіжність нормується не тільки за мінімальним (не менше 1 мм), але й за максимальним значенням (не більше 5 мм), відпуск при температурі 450 °С не рекомендується застосовувати при виробництві високоміцних залізничних коліс, оскільки зниження температури відпуску високоміцних коліс із 500 °С до 450 °С веде до значного підвищення рівня залишкових напруг у всіх елементах колеса.

Тому, при виробництві високоміцних коліс доцільно застосовувати відпуск при температурі 500 °С.

Четвертий розділ "Аналіз мікроструктури й механічних властивостей високоміцних коліс із мікролегованої ванадієм сталі й термозміцнених за оптимізованими режимами".

Показано, що колеса з мікролегованої ванадієм сталі після відпуску при 450 °С и 500 °С задовольняють вимогам ГОСТу 10791, що пред'являються до колісної сталі марки 2 і перевершують характеристики цих коліс за показниками тимчасового опору й границі плинності (у всіх елементах колеса). При цьому середні значення твердості дослідних коліс на глибині 30 мм перевищують відповідну характеристику коліс поточного виробництва на 55-65 НВ.

Таблиця 4

Результати поелементного аналізу механічних властивостей коліс № 341 (поточного виробництва), № 879 (дослідне з температурою відпуску 450 °С), № 775 (дослідне з температурою відпуску 500 °С)

№ п/п	Елемент колеса	Колесо №	уВ, Н/мм2	уТ, Н/мм2	д5, %	ш, %	KCU+20єС, Дж/см2
1	Обід	341	960	-	12,8	30,0	43
		879	1157	-	10,3	22,7	36
		775	1197	-	11,5	21,7	30
2	Перехід "обід-диск"	341	743	333	19,3	42,0	43
		879	930	457	14,5	38,7	34
		775	927	433	14,5	36,7	26
3	Перехід "диск-маточина"	341	743	335	17,6	41,7	42
		879	927	475	14,3	37,3	32
		775	930	465	14,5	36,7	25

Вивчення зносостійкості ободів "серійних" і "дослідних" коліс у лабораторних умовах здійснювали на зразках, відібраних на глибинах 15, 30 і 45 мм від поверхні кочення колеса. При цьому, було встановлено, що характер розподілу твердості в ободі дослідних коліс такий (рис. 10), що забезпечує підвищення зносостійкості по всій глибині ободу на 30-40 % у порівнянні з виробами поточного виробництва (рис. 11).

Був виконаний порівняльний аналіз мікроструктури колісної сталі серійних виробів (марка 2 за ГОСТ 10791) і дослідних коліс із мікролегованої ванадієм сталі. Технологічна реалізація розроблених режимів термічної обробки дозволила сформувати дійсне зерно 10-11 номера, розмір якого менший у порівнянні з зерном, що утворюється в колесах поточного виробництва зі сталі марки 2 (6-7 бал), оброблених за діючими режимами і структуру тонкодиференційованого евтектоїду з міжпластинковою відстанню близько 0,14 мкм проти 0,3 мкм у колесах поточного виробництва (рис. 13), що забезпечило одержання високих показників значення твердості 325-340 НВ.

Технологічна реалізація розроблених режимів термічного зміцнення дозволила істотно здрібнити (до 10-11 номера) дійсне зерно й забезпечити одержання в кінцевій структурі стали поряд з тонкодиференційним пластинчастим перлітом (міжпластинкова відстань ~ 0,14 мкм) структуру голчастого фериту з дисперсними виділеннями карбідів ванадію й підвищеною щільністю дислокацій, що утрудняє міжзеренне руйнування, завдяки чому було отримано у виробі поряд з високими значенням твердості: 325-340 НВ і високі значенння ударної в'язкості: 25-40 Дж/см².

П'ятий розділ "Промислове освоєння нової продукції".

Проведено аналіз результатів експлуатаційних випробувань високоміцних залізничних коліс під вантажними вагонами на дослідному маршруті Роковата-Ужгород-Кошице.

Комісійний огляд результатів випробувань у присутності представників Головного управління вагонного господарства Укрзалізниці, технічного відділу Придніпровської залізниці, оглядачів вагонів депо Роковата, співробітників ДНУЗТ і ІЧМ НАНУ встановив, що після пробігу 100 тис. км дослідні колеса показали експлуатаційну зносостійкість на 31 % більшу, ніж еталонні колеса серійного виробництва.

За даними наступного пробігу 100 тис. км після відновлення профілю гребенів в умовах вантажних перевезень Роковата-Ужгород-Кошице дослідні колеса показали підвищення експлуатаційної зносостійкості в порівнянні з серійними колесами на 39 %.

Було затверджено та зареєстровано ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006 на "Колеса суцільнокатані. Технічні умови" на виробництво залізничних коліс в який включена марка 3 на колеса для вантажних вагонів з мікролегованої ванадієм сталі.

На підставі виконаних досліджень на нову продукцію розроблені ТУ У 35.2-23365425-600:2006 "Колеса суцільнокатані діаметром 957 мм підвищеної міцності й зносостійкості" в яких були підвищені вимоги щодо значень ударної в'язкості KCU у диску колеса при температурі + 20 °С до 20 Дж/см² і включені нові вимоги по значенню ударної в'язкості в ободі 18 Дж/см² при значенні твердості не менше 320 НВ, замість KCU 16 Дж/см² при твердості 285 НВ згідно ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006.

Був проведений моніторинг якості високоміцних коліс поточного промислового виробництва. Аналіз результатів здавальних випробувань свідчить про те, що значення ударної в'язкості в ободі колеса перевищують 20 Дж/см² (середнє значення 24 Дж/см²) при показаннях твердості більше 320 НВ (середнє значення 339 НВ).



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання по підвищенню комплексу механічних властивостей і зносостійкості залізничних коліс, що виникло через зростаючі швидкості руху вантажних поїздів і навантаження на вісь, шляхом застосування нових технологічних рішень, що включають мікролегування колісної сталі ванадієм і термічну обробку готових виробів за оптимізованими режимами.

1. Аналіз літературних даних показав необхідність пошуку способів підвищення службових характеристик залізничних коліс. Було показано, що легування сталі невеликими добавками різних легуючих елементів і застосування ефективних процесів термічної обробки є визначальними факторами формування структурного стану, який визначає одержання в залізничних колесах сполучення високих значень твердості й в'язкості.

2. Визначено, що для мікролегованої колісної сталі з вмістом вуглецю 0,58-0,67 % і ванадію 0,08-0,15 % температура аустенітизації повинна бути 885 ±10 °С, при якій відбувається максимально повне розчинення дисперсних часток при нагріванні в однофазну область існування аустеніту й не розвиваються рекристалізаційні процеси.

3. Показано, що в прискорено охолодженій мікролегованій ванадієм колісній сталі в результаті відпуску при температурах ~ 500 °С реалізуються механізми дисперсійного (за рахунок виділення когерентних мікрочастинок карбідів і карбонітридів ванадію) і дислокаційного зміцнення фериту, що обумовлюють максимальні значення твердості й ударної в'язкості.

4. Розроблені технологічні параметри термічного зміцнення мікролегованих ванадієм залізничних коліс: прискорене охолодження від температури аустенітизації 885 ±10 °С з наступним відпуском при температурі 500 °С, були включені в технологічну документацію виробництва ВАТ "ІНТЕРПАЙП НТЗ" виготовлення високоміцних (з твердістю більше 320 НВ) залізничних коліс.

5. Технологічна реалізація розроблених режимів термічного зміцнення дозволила істотно здрібнити (до 10-11 номера) дійсне зерно й забезпечити одержання в кінцевій структурі сталі поряд з тонкодиференційованим пластинчастим перлітом (міжпластиночна відстань ~ 0,14 мкм) структуру голчастого фериту, завдяки чому в залізничних колесах і було досягнуто сполучення високої твердості (понад 320 НВ) і ударної в'язкості (вище 18 Дж/см²) в ободі колеса.

6. Маршрутні випробування в умовах вантажних перевезень на маршруті Роковата-Ужгород-Кошице після пробігу 200 тис. км показали підвищення зносостійкості на 39 %.

7. Високоміцні колеса з мікролегованої ванадієм сталі включені в новий стандарт ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006 "Колеса суцільнокатані. Технічні умови".

8. На підставі досягнутих у роботі результатів було розроблено й затверджено Технічні умови ТУ У 35.2-23365425-600:2006 "Колеса суцільнокатані діаметром 957 мм підвищеної міцності й зносостійкості", в яких були підвищені вимоги відносно ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006 за ударною в'язкістю в диску до 20 Дж/см² і в ободі до 18 Дж/см² при значенні твердості більше 320 НВ.

9. Результати дисертаційної роботи прийнято до використання в умовах ВАТ "ІНТЕРПАЙП НТЗ" при промисловому виробництві високоміцних залізничних коліс за ТУ У 35.2-23365425-600:2006.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Оптимизация параметров микролегирования и процессов термоупрочнения высокопрочной колесной стали / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, О. Н. Перков, А. В. Кныш // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. - Днепропетровск: ИЧМ НАНУ, 2003. - Выпуск 6. - С. 286-294.

2. Научная разработка и производственная реализация технологии микролегирования и термоупрочнения высокоизносостойких железнодорожных цельнокатаных колёс / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, О. Н. Перков, А. В. Кныш // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. - Днепропетровск: ИЧМ НАНУ, 2004. - Выпуск 7. - С. 231-243.

3. Формирование структурного состояния высокопрочных микролегированных ванадием колес в процессе их отпуска / И. Г. Узлов, А. М. Нестеренко, К. И. Узлов, А. В. Кныш // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. - Днепропетровск: ИЧМ НАНУ, 2005. - Выпуск 11. - С. 223-228.

4. Исследование влияния на структуру и свойства температуры отпуска железнодорожных колес из микролегированной ванадием стали / И. Г. Узлов, А. М. Нестеренко, К. И. Узлов, А. В. Кныш // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. тр. - Днепропетровск: ПГАСА, 2006. - Вып. 36, ч. 2, - С. 48-55.

5. Повышение служебных характеристик железнодорожных цельнокатаных колес при использовании микролегированной стали и оптимизированных параметров термической обработки / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, А. В. Кныш, Е. В. Горб, А. В. Рослик, Л. В. Чуприна // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2006. - № 3.- С. 58-61.

6. Оптимизация параметров отпуска цельнокатаных железнодорожных колес повышенной прочности и износостойкости на основании электронномикроскопического анализа / И. Г. Узлов, Г. Д. Сухомлин, К. И. Узлов, А. В. Кныш // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. - Днепропетровск: ИЧМ НАНУ, 2006. - Выпуск 13. - С. 143-148.

7. Освоение промышленного производства высокопрочных железнодорожных колес / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, А. В. Кныш, Т. Е. Суровцева // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. тр. - Днепропетровск: ПГАСА, 2007. - Вып. 41, ч. 1, - С. 29-33.

8. Эксплуатационные испытания высокопрочных железнодорожных колес и организация их промышленного производства / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, А. В. Кныш, Т. Е. Суровцева // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - № 3 - С. 61-65.

9. Промышленное производство высокопрочных железнодорожных колес / И. Г. Узлов, К. И. Узлов, А. В. Кныш, Г. Н. Польский, Е. В. Горб, А. В. Рослик // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008. - № 1. - С. 98-101.

Особистий внесок здобувача в публікаціях: аналіз літературних даних з впливу легуючих елементів на структуру й властивості колісної сталі й вимог, які пред'являються до залізничних коліс [1-9], проведення досліджень і аналіз впливу температури нагрівання під гартування на розмір зерна аустеніту [1, 2], і температури відпуску на структуру й властивості залізничних коліс [3, 4, 6], участь у проведенні експлуатаційних випробувань, промисловому освоєнні випуску залізничних коліс із мікролегованої ванадієм сталі й узагальнення результатів досліджень [5, 7-9].



АНОТАЦІЇ

Книш А.В. Розробка та освоєння технологічних параметрів зміцнюючої обробки високозносостійких залізничних коліс. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - "Металознавство та термічна обробка металів". - Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2008.

Шляхом застосування мікролегування колісної сталі ванадієм з оптимізованою термічною обробкою готових виробів у роботі вирішено актуальне завдання по підвищенню зносостійкості залізничних коліс при збільшенні швидкостей руху вантажних поїздів і навантаженні на вісь вагона.

При вмісті в сталі 0,08-0,15 % ванадію та оптимізації режимів аустенитизації й надання можливості цілеспрямовано формувати структурний стан металу залізничних коліс, що забезпечує досягнення високої міцності й твердості в ободі в сполученні з задовільними в'язкими характеристиками.

З використанням різних методів аналізу була обґрунтовано призначена температура нагрівання під гартування 885 ± 10 °С для залізничних коліс із мікролегованої ванадієм сталі, що забезпечує одержання гомогенного аустеніту та не призводить до початку його рекристалізації.

Аналіз результатів металографічних, рентгенівських, электронномікроскопічних досліджень і механічних властивостей дозволив установити, що в прискорено охолодженій мікролегованій ванадієм колісній сталі в результаті відпуску при температурах ~ 500 °С реалізуються механізми дисперсійного (за рахунок виділення когерентних мікрочастинок карбідів і карбонітридів ванадію) та дислокаційного зміцнення фериту, що обумовлюють максимальне значення твердості й ударної в'язкості.

Хімічний склад сталі й оптимізована технологія термічного зміцнення впроваджені в колесопрокатному цеху ВАТ "ІНТЕРПАЙП НТЗ".

Високоміцні колеса з мікролегованої ванадієм сталі включені в новий стандарт ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006 "Колеса суцільнокатані. Технічні умови".

На підставі досягнутих у роботі результатів були розроблені й затверджені Технічні умови ТУ У 35.2-23365425-600:2006 "Колеса суцільнокатані діаметром 957 мм підвищеної міцності й зносостійкості", у яких були підвищені вимоги щодо ударної в'язкості в диску й ободі колеса при температурі + 20 °С до 20 Дж/см² і в ободі до 18 Дж/см² при значенні твердості не менше 320 НВ, замість KCU 16 Дж/см² у диску й ободі при твердості 285 НВ згідно ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006.

Ключові слова: конструкційна сталь, залізничне колесо, мікролегування, ванадій, термічне зміцнення, твердість, пластичність, в'язкість, зносостійкість, експлуатаційні випробування, технічні умови.

Кныш А. В. Разработка и освоение технологических параметров упрочняющей обработки высокоизносостойких железнодорожных колес. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов". - Институт черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины, г. Днепропетровск, 2008.

Путем применения микролегирования колесной стали ванадием с оптимизированной термической обработкой готовых изделий в работе решена актуальная задача по повышению износостойкости железнодорожных колес в свете увеличения скоростей движения грузовых составов и нагрузки на ось вагона.

При содержании в стали 0,08-0,15 % ванадия и оптимизации режимов аустенитизации и предоставления возможности целенаправленно формировать структурное состояние металла железнодорожных колес, обеспечивающее достижение высокой прочности и твердости в ободе в сочетании с удовлетворительными вязкими характеристиками.

С использованием различных методов анализа была обоснованно назначена температура нагрева под закалкой 885 ± 10 °С для железнодорожных колес из микролегированной ванадием стали, обеспечивающая получение гомогенного аустенита и не приводящая к началу его рекристаллизации.

Анализ результатов металлографических, рентгеновских, электронномикроскопических исследований и механических свойств позволил установить, что в ускоренно охлажденной микролегированной ванадием колесной стали в результате отпуска при температурах ~ 500 °С реализуются механизмы дисперсионного (за счет выделения когерентных микрочастиц карбидов и карбонитридов ванадия) и дислокационного упрочнения феррита, обусловливающие максимальные значения твердости и ударной вязкости свойств.

Химический состав стали и оптимизированная технология термического упрочнения внедрены в колесопрокатном цехе ОАО "ИНТЕРПАЙП НТЗ".

Высокопрочные колеса из микролегированной ванадием стали включены в новый стандарт ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006 "Колеса цельнокатаные. Технические условия".

На основании достигнутых в работе результатов были разработаны и утверждены Технические условия ТУ У 35.2-23365425-600:2006 "Колеса цельнокатанные диаметром 957 мм повышенной прочности и износостойкости", в которых были повышены требования относительно ударной вязкости в диске и ободе колеса при температуре + 20 °С до 20 Дж/см² и в ободе до 18 Дж/см² при значении твердости не меньше 320 НВ, вместо KCU 16 Дж/см² в диске и ободе при твердости 285 НВ согласно ДСТУ (ГОСТ) 10791:2006.

Ключевые слова: конструкционная сталь, железнодорожное колесо, микролегирование, ванадий, термическое упрочнение, твердость, пластичность, вязкость, износостойкость, эксплуатационные испытания, технические условия.

Knysh A. V. Development and development of technological parameters of strengthening processing of high-strength railway wheels. - the Manuscript. The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on a speciality 05.16.01 - "Metallurgical science and thermal processing of metals". - Institute of ferrous metallurgy by him. Z. I. Nekrasov of a national academy of sciences of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2008.

In work the actual problem in increase of wear resistance of railway wheels is solved of increase of speeds of movement of cargo structures and increase of loading on an axis by application microalloying wheel steel with optimum thermal processing finished articles.

Researches on studying influence of various alloying elements on kinetic transformations into system iron-carbon-alloying an element on the basis of that the choice of the most effective microalloying an element which vanadium is at the contents in steel of 0,08-0,15 % which presence by optimization of modes to austenitic and the further training with holiday will allow to generate purposefully a structural condition of metal of railway wheels which will provide achievement of high durability and hardness in a combination to satisfactory viscous characteristics has been made are carried out.

With use of various methods of the analysis was is proved the temperature to austenitic wheels before training 885 ± 10 °С which provides effective dissolution carbides and nitrides but, together with it is appointed, does not stimulate the beginning grain recovery austenitic.

The analysis of results x-ray, electron-microscope investigation and mechanical researches has allowed to establish, that the temperature interval ~ 500 °С is optimum for holiday and provides reception of a high complex of properties of wheels from steel microalloyed by vanadium.

The technological parameters established by results of researches, have been included in the technological documentation of manufacture of Public Joint-Stock Company "INTERPIPE Nizhnedneprovsky Tube Rolling Plant Ukraine" and entered in factory technological process manufacturing of high-strength wheels.

Specifications ТУ У 35.2-23365425-600:2006 "Wheels whole-rolled by diameter of the increased durability 957 mm and wear resistances" on industrial production of railway wheels from steel microalloyed by vanadium are developed, coordinated and authorized". колісний сталь термічний аустеніт

Key words: constructional steel, a railway wheel, microalloying, vanadium, thermal hardening, hardness, plasticity, viscosity, wear resistance, operational tests, specifications.

Размещено на Allbest.ru