4. Термическая обработка колес подвижного состава, рельсов, пружин, рессор, подшипников

Условия эксплуатации таких ответственных за безопасность движения поездов деталей, как рельсы, колеса, оси, рессоры, пружины, подшипники, весьма различны. Поэтому и причины выхода деталей из строя также сильно различаются. Однако характер повреждений, например, колес и рельсов сходный – это контактная усталость. Кроме того, износ обода колес и рабочей поверхности рельса является общим и взаимовлияющим. Подшипники качения в основном изнашиваются, на износ влияют контактно-усталостное выкрашивание, коррозия.

Пружины и рессорные листы выходят из строя по усталости, работоспособность этих упругих элементов зависит от стабильности размеров, коррозии и других факторов. Важнейшим средством для упрочнения стальных деталей является термическая обработка. Поэтому колеса и рельсы подвергают закалке и отпуску. Высокие нагрузки на ось (до 270 кН) приводят к давлениям (более 100 МПа) на поверхностях трения и контактным напряжениям в подповерхностном слое. За последнее время выход колес по выщербинам увеличился в 1,8 раза и достиг 62% от всех дефектов. Трещины обнаружены в «белом» слое на поверхности колеса и рельса, состоящем из мартенсита и цементита с высокой твердостью и хрупкостью.

Современная сталь для колес вагонов выплавляется в конвертерах с вакуумированием в ковше и непрерывной разливкой, а также из чугуна с природным ванадием с продувкой аргоном и раскислением силикокальцием. После закалки с отпуском свойства этой стали следующие: 330 НВ; σ_в = 1180 МПа; δ = 9 %; ψ = 16 %; KCU = 16 Дж/см² (при t = 20 °С). Содержание углерода возрастает до 0,77 %, а твердость – до 380 НВ. Наплавка – проволокой марки Св-08ХГ2СМФ. Структура – мелкозернистый сорбит отпуска с карбидами Сr, Мо и V (рис. 6.11, 6.12).

Рис. 6.11 Зависимость твердости от глубины «белого» слоя на поверхности колеса грузового вагона

Рис. 6.12 Зависимость температуры в поверхностном слое колеса вагона от продолжительности скольжения при «юзе»

Ежегодно в эксплуатации выходит из строя большое количество осей подвижного состава. Упрочнение осей с целью повышения надежности и долговечности осуществляется накатыванием для создания полезных остаточных напряжений сжатия по всей длине оси.

Однако эти напряжения сохраняются недолго. Кроме того, эффект наклепа гораздо выше, если поверхность оси более твердая и прочная. Объемная закалка неэффективна из-за недостаточной прокаливаемости, а также вследствие большей скорости распространения трещин усталости и хрупкого разрушения. Поэтому предпочтительной представляется поверхностная закалка с нагревом токами высокой частоты.

Рис 6.13 Кривые выносливости вагонных осей: 1 – закаленных и отпущенных при 620 °С; 2 – нормализованных; σ – напряжение; N – число циклов

Накатывание закаленного слоя позволяет снижать скорость развития трещин. В итоге повышается общий предел выносливости оси. Наклеп сорбита более эффективен, чем феррито-перлитной структуры осевой стали (рис. 6.13 – 6.17).

Рельсовая сталь марки М76: мартеновская или кислородно-конвертерная, содержание углерода – до 0,82 %. После закалки в масле по всей длине рельса твердость должна быть 363...388 НВ; структура – тонкопластинчатый сорбит закалки по всему сечению рельса (рис. 6.18).

Работоспособность рельсов характеризуется массой (Р65, Р75), содержанием углерода в стали, ее качеством, термическои обработкой и др. Анализ причин выхода рельсов из строя привел к выводу: сталь должна быть прочной, чтобы противостоять контактной усталости, и износостойкой. Однако рельсовая сталь не должна хрупко разрушаться, обладая живучестью – замедленным ростом поперечных трещин усталости.

Рис. 6.14 Кривые выносливости вагонных осей: 1 – после обычной механической обработки; 2 – после проточки и упрочнения накатыванием; σ – напряжение; N – число циклов

Роликовые буксовые подшипники вагонов работают в условиях высоких удельных контактных и ударных нагрузок.

В эксплуатации насквозь закаленные кольца из сталей марок ШХ15 ШХ15СГ не обеспечивали надежности и долговечности. Поэтому была предложена сталь марки ШХ4РП (регламентируемой прокаливаемости) с меньшим содержанием хрома (0,4 % вместо 1,5 %). После закалки на поверхности колец твердость достигает 67 HRC_Э. a в сердцевине – 40 HRC_Э. В поверхностных слоях создаются полезные остаточные напряжения сжатия (до 700 МПа) измельчается зерно.

Удалось устранить хрупкость колец, долговечность повысилась в два раза. Нагретые индукционным способом кольца закаливают потоком воды и затем отпускают в электропечах.

Пружины и рессоры изготовляют из углеродистых и легированных сталей. После закалки и отпуска добиваются лучшего соотношения предела упругости и сопротивления хрупкому разрушению. Однако выход из строя крупных пружин подвижного состава происходит в основном по усталости. Обезуглероживание и другие дефекты поверхности приводят к концентрации напряжений и зарождению трещин усталости. Другой причиной является обнаруженная вредная ликвация кремния в сталях.

Рис. 6.15 Излом вагонной оси: а – шейка оси; б – комбинированный излом шейки оси

Рис. 6.16 Стенд для испытания на усталость вагонных осей: 1 – планшайба с колесом; 2 – хомут; 3 – ось; 4 – нагружающий подшипник	Рис. 6.17. Вид излома оси в подступичной части, полученного при испытании оси на стенде

Снижение степени ликвации кремния путем диффузионного отжига повысило предел выносливости стали на 23 %. Считают, что следует использовать модифицирование кремнистой стали карбидообразующими элементами (сталь условной марки 55С2ГФ) с целью снижения обезуглероживания. Поверхностный наклеп летящей дробью положительно влияет на выносливость пружин и рессорных листов.

Рис. 6.18 Закалочная машина для обработки рельсов: 1 – барабан; 2 – каретка с рельсом; 3 – бак с маслом

Рис. 6.19. Схема линии для термической обработки рессорных листов: 1 – печь нагрева под закалку; 2 – конвейер; 3 – гибозакалочный барабан; 4 – транспортер; 5 – отпускная печь; 6 – конвейер; 7 – водяной бак; 8 – масляный (водяной) бак

Отмечено повышение предела упругости и пластичности после термомеханической обработки. При этом режим термомеханической обработки определяется экспериментально, применительно к конкретной детали. Обычно это нагрев выше Ас₃, деформация аустенита со степенью 20...50 % (рис. 6.19).

Нанокристаллические материалы – это материалы с размерами кристаллов (зерен, частиц) менее 100 нм (1 нм = 10^–9 м), которые резко отличаются от мелкозернистых того же химического состава. Модуль упругости у нанокристаллических материалов на 30 % ниже, а твердость в 2 –7 раз выше, чем у аналогичных материалов, даже если размер зерен у них не более 10 мкм. Предел прочности в 1,5 – 8 раз выше, а предел текучести в 2 – 3 раза выше, чем у микрокристаллических материалов.

Если добиться, например, у меди размера зерен 200 нм, получим уровень фона внутреннего трения или демпфирующей способности в 2.. .3 раза выше, чем у серого чугуна, считающегося хорошим демпфером. Резко изменяются также физические свойства: теплоемкость и коэффициент теплового расширения повышаются в 2 раза (при размере зерен меди 8 нм). У нанокристаллических сплавов на основе железа коэрцитивная сила увеличивается в 125 –700 раз. Такое изменение свойств связывают не только с размером зерен, но и со свойствами граничного слоя, взаимодействием структуры основы с поверхностным слоем. Начиная с диаметра зерна в 6 нм объем граничного слоя становится больше объема кристаллов. Получают эти материалы методами порошковой металлургии, кристаллизацией аморфных металлических сплавов и др. Примеры использования нанокристаллических материалов: для поглощения электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн, для восстановления изношенных деталей двигателя во время его работы путем введения в смазку суспензии частиц железа с размерами от 30 нм до 1...2 мкм.

Перспективным направлением является вакуумное конденсационное напыление нанокристаллических порошковых материалов с целью получения слоя покрытия с уникальными свойствами. Это износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость, электроизоляционные и теплоизоляционные свойства, полупроводимость и др.

Исходный материал подвергают распылению до ионизированного парообразного состояния за счет нагрева или бомбардировки ионным потоком. Затем добиваются быстрой конденсации образованного пара на поверхности изделия (в вакуумной камере).

Иногда в рабочую камеру закачивают специальный реактивный газ, который вступает в плазмохимическую реакцию с продуктами испарения, образуя конденсат на поверхности изделия. Таким образом, состав покрытия и размер частиц конденсата можно регулировать в зависимости от требований при работе изделия.

Тяжелые условия работы рабочих органов путевых машин (ВПР, ВПРС и др.) требуют новых материалов для их упрочнения.

Исследование свойств металлокерамической композиции на основе Fe-C и Fe-C-Cu позволило установить зависимость твердости и прочности от дисперсности частиц меди и железа.

Так, снижение размера частиц Fe и Сu менее 40 мкм увеличивает прочность на 15 % (до σ_в = 450 МПа).

С выделением дисперсных частиц меди из твердого раствора в железе растет твердость от 600 до 1275 НВ.

Металлокерамика системы Fe-C-Cu может с успехом применяться в узлах трения разных машин, где требуются вибростойкость, твердость, прочность, коррозионная стойкость.

По антифрикционным свойствам эти материалы не уступают бронзе: коэффициент трения при удовлетворительной смазке 0,005.. .0,009. Дисперсное твердение железа под влиянием меди и меди под влиянием железа обусловливает направленное изменение механических свойств металлокерамики при нагреве от 400 до 650 °С.