УДК 629.012.3:620.192.3:001.5
В.П. ЕСАУЛОВ, д-р техн. наук, профессор, НМетАУ (Украина)
Ю.С. ПРОЙДАК, д-р техн. наук, профессор, НМетАУ (Украина)
С.И. ГУБЕНКО, д-р техн. наук, профессор, НМетАУ (Украина)
А.В СЛАДКОВСКИЙ, д-р техн. наук, профессор,
Силезскийполитехническийун-т, (Польша)М.ИСЬКОВ, асп., НМетАУ (Украина)
В.М. РУБАН, асс., НМетАУ (Украина)
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Досліджено структурні і хімічні зміни поблизу поверхні катання залізничних коліс з різним профілем цієїповерхні, щовідбуваються впроцесі експлуатації. Установлено вплив структурних змінусталінаформуваннямікроруйнуваньізносповерхонькатання. Показанопереваги компле
-ксно-криволінійногопрофілюповерхнікатання.
Исследованы структурные и химические изменения вблизи поверхности катания железнодо
-рожныхколессразным профилемэтойповерхности, происходящиевпроцессе эксплуатации. Ус
-тановлено влияние структурных изменений в стали на формирование микроразрушений и износ поверхностей катания. Показаны преимущества комплексно-криволинейного профиля поверхно
-стикатания.
The structural and chemical changes near the tread surface of the railway wheels with the different tread profiles during operation were investigated. The influence of the structural changes in steel on form-ing of the micro-destructions and tread wearform-ing was determined. The advantages of the complex-curvilinear tread surface were shown.
Введение
Качество колесного металла во многом оп
-ределяет безопасность движения поездов. Же
-лезнодорожное колесо имеет сложную конфи
-гурацию. Онослужитопоройэкипажа, направ
-ляющим элементом при движении и тормоз
-ным барабаном. Каждый из его элементов
(обод, диск, ступица) имеет свои функции и испытываетприсущиеему напряжения. Нако
-лесо действует сложный комплекс вертикаль
-ных и боковых нагрузок от тяговых, направ
-ляющих и боковых сил, значительную часть которых составляют инерционные силы от не
-обрессоренныхдеталей. Приэксплуатации ко
-лесо находится в сложном напряженном со
-стоянии, определяемом системой контактных,
динамическихициклическихнапряжений. Ди
-намические напряжения возникают от давле
-нияколеса приего качении по рельсу, нагруз
-кипри ударах о стыки рельсови др. Контакт
-ные напряжения обусловлены взаимодействи
-емколесас рельсомитормознымиколодками,
когда возникают касательные напряжения и напряжения от тепла трения при торможении.
Тепловыенапряжения, действующиевободеи диске, являются циклическими. Всеэти напря
-жениявызываютвколесеупруго-пластические и тепловые явления, способствуют усталост
-нымпроцессамвободеидиске, подрезугребня и разрушению поверхности катания. В колесе при эксплуатации возникают различного рода повреждения: износ поверхности катания (из
-менение профиля поверхности обода по кругу катания), дефектытепловоговоздействия (пол
-зунынавары, тормозныевыщербины, термиче
-ские трещины), усталостное выкрашивание,
хрупкиетрещины.
Комплексный подход к механизму изнаши
-вания железнодорожных колес включает изу
-чение структурных изменений, происходящих в поверхностных слоях, и анализ частиц изно
-са. Резко возросшийвпоследние годыинтерес кизучениюмеханизмаизносасвязан нетолько с необходимостью сокращения связанных с износом потерь, но ис разработкойэффектив
-ных методов прогнозирования долговечности колес, обеспечением надежности их работы,
-пературные нагрузки на затяжных спусках и т.д.).
Объектиметодикиисследования Важную роль в понимании механизма из
-носа колес играет исследование изменений,
происходящих в процессе эксплуатации в по
-верхностных слоях ободьев. Эти изменения связаны с развитием пластических сдвигов от действия внешних нагрузок, тепловых напря
-женийпри торможении, а такжеобразованием
«белых слоев» при нагреве металла от тепла торможения ирезкого охлаждения приотклю
-чении тормозов. Исследованы изношенные колеса разных конструкций: стандартные ко
-леса с плоскоконической поверхностью ката
-ния, имеющейуклоны 1:20 и 1:7 (колесо 1) [1],
а также колесо с комплексно-криволинейной поверхностью катания, разработанное в ДМе
-тИ (колесо 2) [1]. Колеса проработали более 5
лет под пассажирским составом. Химический состав стали исследованных колес приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химическийсоставсталейисследованных колес (об.%)
ко-лесо C Mn Si S P Cr Ni Cu
1 0,59 0,72 0,31 0,025 0,012 0,14 0,15 0,20 2 0,57 0,78 0,34 0,023 0,012 0,14 0,16 0,21
Из колес вырезались поперечные темплеты ивэтомсеченииизучалихарактерихструкту
-ры по ширине обода. Микроструктурный ана
-лиз проводили на оптическом микроскопе
«Neophot-21». Характертонкой структурыста
-ли и плотность дислокаций в поверхностном слое определяли при электронно
-микроскопических исследованиях (просвечи
-вающий электронный микроскоп «Tesla»), а такжерентгеноструктурныманализом.
Привизуальном осмотре колеса 1 с сильно изношенным ободом на поверхности катания обнаружены такие дефекты как ползун, наво
-лакиваниеметалла, отслоения, наплывметалла с поверхности катания на наружную боковую грань обода, усталостно-коррозионный износ.
В результате наплыва произошло искажение профиля колеса в процессе эксплуатации (рис. 1, а).
От ползуна в глубинные слои ободарасхо
-дятся многочисленные трещины, сопровож
-дающиеся зонами смятия металла, а также коррозионным разъеданием стали. Макро
-структурный анализ поперечного темплета ко
-леса 2 с комплексно-криволинейной поверхно
-стью катания не выявил искажения профиля колеса (рис. 1, б). Наповерхностиимеются не
-большой ползун, следы коррозионного разру
-шенияи небольшойнаплыв металлана наруж
-нуюбоковуюграньобода.
а) б)
Рис.1. Макроструктура колес 1 (а) и 6 (б) с из-ношенным ободом
При исследовании изменения химического состава стали вблизи поверхности катания со
-держание элементов определяли лазерным спектральным анализом на установке МСЛ-3,
проводясошлифовкипараллельноповерхности катаниячерез 5 мкм.
Результатыисследования иихобсуждение
Микроструктура ободьеввсех колес вблизи поверхности катания характеризуется наличи
-ем зоны деформированных зерен и участков
«белогослоя». Появлениезоныдеформирован
-ных зерен связано со смятием металла в кон
-такте с рельсом от давления. Пластические сдвигивтонкомповерхностномслоепрошлив условиях относительно высоких давлений и циклически изменяющейся температуры. Ха
-рактер микроструктуры свидетельствует о не
-однородном протекании пластической дефор
-мациипосечениюобода, чтосвязаноснеодно
-родным распределением контактных напряже
-ний: известно, чтовзоне выкружкионивыше,
чемвсерединеповерхностикатания [2].
В зоне выкружки колеса 1 зерна значительно вытянутыиизмельчены (рис. 2, а); привыходена поверхность катания зерна крупнее, степень вытянутости их несколько снижается и стано
-вится все меньше при подходе к середине по
-верхностикатания (рис. 2, б). Приудалении от середины поверхности катания к противогреб
-невой боковой стороне степень вытянутости зерен вновь возрастает и становится значи
-тельной у края обода. Характер структуры в этой части поверхности катания свидетельст
-вуетозначительномтечениисталивэтойзоне,
зоне наплыва обнаружены расслоения, ориен
-тированные параллельно поверхности катания
(рис. 2, в). Как правило, онирасполагаются на границе между областями с резко различной микроструктуройиразделяютзонывытянутых и равноосных зерен. Наплыв происходил по
-степенно, слоями, которые при своем смеще
-нии деформировались. При этом в них возни
-кали хрупкие трещины, способствующие раз
-рушению металла в слоях. На самомкраю на
-плывана боковуюграньободанависают лепе
-стки с сильно деформированной структурой
(рис. 2, г). Они также свидетельствуют о по
-слойном механизме наплыва. Между этими слоями, атакжемеждунаплывшимметалломи боковойграньювиднытрещины.
а) б)
в) г)
Рис. 2. Микроструктура разных участков изно-шенной поверхности катания колеса 1; х200
Значения величин степени вытянутости зе
-ренε, глубины зоныпластическихсдвигов h и плотности дислокаций ρ⊥ в разных участках поверхности катания колеса 1 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значенияпараметровмикроструктурыε, h и
ρ⊥наповерхностикатанияколеса 1
ε, % h, мкм ρ⊥, см-2
выкружка середина наплыв выкружка середина наплыв выкружка середина наплыв
65…
75 22… 25 90 300 30 600
9,
22
⋅
10
11
3,
73
2
⋅
10
9
9,
60
⋅
10
11
Следуетотметить, чтопри эксплуатациина поверхности катания в условиях деформаци
-онных процессов при трении качения образу
-ютсятекстурыкачения, которыереализуютсяв результате совместного действия нормальных иконтактныхнапряжений. Примерытакихтек
-стур, которыевыявленывколесе 1, апотомив других колесахс плоскоконическим профилем поверхности катания: (223) [032], (212) [526], (112) [132 ], (221) [111]. В деформированном слое металла на поверхности катания сформи
-ровалась типичная дислокационная ячеистая субструктура с легкой ориентировкой стенок ячеек в направлении трения - полосовая суб
-структура (рис. 3). Физическое уширение ли
-ний (110) меняетсяпо глубинеот поверхности катания, чтосвязано сразной плотностьюдис
-локаций.
Глубина зоны деформированных зерен по ширинеободаколеса 1 неодинакова. Наиболее глубоко пластическая деформация распростра
-ниласьвместевыкружкигребняизоненаплы
-ва у края обода. Степень вытянутости зерен позволяет судить о степени деформации стали вповерхностномслое обода. Характеризмене
-ния микротвердости аналогичен. Плотность дислокаций, определенная рентгеноструктур
-нымметодом, такженеодинаковавразличных местахповерхностикатания.
а) б)
Рис.3. Дислокационная субструктура стали вблизи поверхности катания; х20000
Участки "белого слоя" представляют собой бесструктурный мартенсит (гарденит) – это хрупкая структурная составляющая, которая выкрашивается в процессе работы колеса (см.
рис. 2, б). Появляется «белыйслой» вследствие нагрева тонкого поверхностного слоя от тепла торможения дотемпературы выше А3и после
-дующего резкого охлаждения после отключе
-ния тормозных колодок. Ширина «белого слоя» составляет 20…40 мкм.
Характер микроструктуры колеса 1 вблизи поверхности катания в направлении качения аналогичен рассмотренной выше для попереч
-ного сечения, однако, степень вытянутости зе
зоненаплыва есть областис изогнутыми и за
-крученными зернами, где течение стали носи
-лоявновихревой, турбулентныйхарактер.
а) б)
Рис. 4. Микроструктура изношенного обода колеса 1 в плоскости качения; х 200
Исследование микроструктуры ободьев в зонахнаплывапоказало, чтосмещениеметалла с уклона 1:20 на уклон 1:7 нецелесообразно,
так как наплыв происходит слоямии сопрово
-ждается сложным турбулентным течением стали. Это влечетзасобойповышенныйизнос,
появление трещин, расслоений и зон неодно
-роднойдеформации, отколов, наплывов на го
-рочных замедлениях. Следовательно, сущест
-вующая геометрия поверхности катания с ук
-лонами 1:20 и 1:7 далека от геометрического совершенства и требует замены на криволи
-нейную поверхность, у которой, как показал опыт многолетних испытаний, наплыв проис
-ходитвзначительноменьшей степени. Этиже недостаткив большей или меньшеймере при
-сущи и другим коническим поверхностям ка
-тания.
Проведено изучение механизма износа по
-верхности катания колес с плоскоконическим профилем. Вдоль всей поверхности катания встречаются микротрещины и расслоения,
приводящие к формированию и отслоению частиц износа или хрупкому разрушению в зоневыкружки, чтонапрактикевызываетмас
-совые подрезы гребней колес. Большое коли
-чество частиц износа обнаруживается по всей ширинеободаиспособствуетподрезугребняи интенсивному наплыву, а значит интенсивно
-му износу колеса. Образование частиц износа имеетразныепричины.
Одной из главных причин является проте
-кание пластических сдвигов с довольно боль
-шой степенью деформации, которая имеет не
-однородныйхарактер. Именнонаграницахзон с разной степенью деформации возникают микротрещины, отслоения, частицы износа
(рис. 5, а). Так называемый, «белый слой» об
-ладает повышенной хрупкостью (рис. 5б),
крометого, на границеего раздела с основной
структурой возникают значительные напряже
-ния, обусловленные различными физическими и механическими свойствами зон с различной структурой. Это способствует выкрашиванию
«белогослоя» (рис. 5, в), поэтомуонпрактиче
-скивсегдаоннеявляетсясплошным.
а) б)
в) г)
д) е)
Рис. 5. Микротрещины и расслоения вблизи по-верхности катания
Образованиютрещиничастицизносатакже способствует окисление и коррозионное раз
-рушение поверхности катания, причем окисле
-ниеследует отнестикобразованиюгрубых не
-металлических включений на поверхности ка
-тания. При наличии в поверхностном слое не
-металлическихвключений, которые имеют ме
-таллургическое происхождение, они становят
-ся концентраторами напряжений. Вблизи включений в исходномсостоянии уже сущест
-вует повышенная концентрация напряжений
[3]. Впроцессе развития пластическихсдвигов зерна стали огибают включение (рис. 5, г), чтоприводит кнеоднородному раз
-витиюдеформацииинакоплениюнапряжений,
которые ведут к образованию микротрещин
(рис. 5, д) и разрушению самих включений.
Около неметаллических включений при экс
-тренных торможениях возникают и значитель
-ные термические напряжения, которые дости
-гаюткритической величины итакже способст
-вуют зарождению трещин и частиц износа.
-чения нередко являются центрами локального обезуглероживаниястали, чтовызываетструк
-турную неоднородность и влечет за собой не
-однородное развитие пластических сдвигов, а также образование микротрещин (рис. 5, е) и частицизноса.
Таким образом, многократное циклическое
термомеханическое воздействие на поверх
-ностькатания колеса при взаимодействии ее с рельсомприводиткнакоплениюнапряженийи дефектов (микротрещин, расслоений, отслое
-ний), что способствует образованию частиц отрыва (рис. 6 а, б).
Наиболее распространенные частицы изно
-сапредставляютсобойчешуйки илипластины разной толщины. Они характерны для нор
-мальных условий износа [4] и их появление связано с пластической деформацией. Соглас
-но теории износа «отслаиванием» при трении максимальнаяплотностьдислокацийвозникает непосредственноненаповерхности, ананеко
-торойглубине, где ипоявляютсяпротяженные трещины, которые растут до критического размера, образуя отслаиваю-щиеся чешуйки.
Главнаярольвэтомпроцессеотноситсякпла
-стическим актам, приводящим к накоплению дислокаций и появлению трещин, параллель
-ных поверхности. Образование чешуек износа происходитпутемвязкогоотслоения.
а) б)
в) г)
Рис.6. Частицыизносавблизиповерхности катания
Иногдачастицыизносавыглядятввидепе
-тель, спиралей, аналогичных стружкам при резании (рис. 6, в). Такие частицы предшест
-вуют повреждению и обнаруживаются, глав
-ным образом, на поверхности катания перед локальным разрушением. Обнаружены также частицы износа в виде осколков с острыми краями неправильнойформы (рис. 6, г). Такие
частицыобычновозникаютприочень высоких давлениях и ихпоявление можносвязать с об
-разованием в поверхностных слоях ободьев мелкихусталостныхтрещин, выходкоторыхна поверхность является началом образования частицизноса.
Результаты анализа микротрещин, отслое
-ний и частиц износа показали, что износ по
-верхностей катания железнодорожных колес имеет несколько механизмов и является мно
-гофакторнымпроцессом.
Проведены сравнительные исследования структурных изменений вблизи комплексно
-криволинейной поверхности катания изношен
-ного обода (колесо 2). В зоне выкружки зерна вытянутыиизмельчены (рис. 7, а), привыходе на поверхность катания степень вытянутости зеренуменьшается (рис. 7, б). Приудаленииот середины поверхности катания степень вытя
-нутости зерен вновь возрастает (рис. 7, в) и становится значительной у самого края обода.
У наружной боковой грани обода произошел небольшой наплыв (рис.7, г), где обнаружены расслоения, участки окисленной стали и мик
-ротрещины.
а) б)
в) г)
Рис. 7. Микроструктуравблизиповерхности катанияизношенногоободаколеса 2 впопе
-речномсечении; х200
В табл. 3 показаны параметры зоны струк
-турных изменений вколесе 2. Как иу колес с плоско-конической поверхностью катания, у колеса 6 наиболее глубоко зона деформации распространиласьвместах выкружкиинаплы
-ва. Характер изменения микротвердости стали по ширине обода аналогичен. Резкий скачок микротвердости на расстоянии 2\3 ширины от гребня связан с наличием участка «белого слоя». Результаты определения плотностидис
максимально в зонах выкружки и наплыва
(табл. 5).
Таблица 3
Значенияпараметровмикроструктурыε, h и
ρ⊥наповерхностикатанияколеса 2
ε, % h, мкм ρ⊥, см-2
выкружка середина наплыв выкружка середина наплыв выкружка середина наплыв
60 10 80 180 20-40 420
6,
54
⋅
10
10
6,
41
⋅
10
8
8,
0
⋅
10
11
Микроструктурасталивплоскостикатания характеризуетсяналичиемравноосныхзерени пятен «белогослоя», лишьвзоненаплывазер
-навытянуты. Зонтурбулентноготечениястали ненаблюдали.
Сравнительныйанализмикроструктурыко
-лес с плоско-коническим (колесо 1) и ком
-плексно-криволинейным профилем поверхно
-сти катания (колесо 2) показал, чтокачествен
-ноструктурныеизменения в ободьяходинако
-вы, нопараметрыэтих зонразличныизависят от конструкции колеса (геометрии поверхно
-сти катания). Исследование структурных из
-мененийуказываетнанесовершенство плоско
-конической поверхности катания (с уклонами
1:20 и 1:7), способствующей неоднородному развитию пластических сдвигов в поверхност
-номслоеинеодинаковой степенидеформации зерен в различных зонах. Протекание интен
-сивных пластических сдвигов в условиях дей
-ствиядовольно высоких контактных напряже
-ний приводит к интенсивному износу колес с плоскоконическим профилем поверхности ка
-тания. Особенно опасны процессы, протекаю
-щиевзоневыкружки иприводящиекподрезу гребней. Эта проблема в настоящее время оченьактуальна.
Следуетотметить, чтопластическиесдвиги вблизиповерхностикатаниянельзярассматри
-вать только как отрицательное явление. На первых порах они способствуют прирабаты
-ваемостиколес, вызываютнаклеп (упрочнение в процессе эксплуатации – своеобразное авто
-упрочнение), что позволяет обеспечить повы
-шеннуютвердостьиизносостойкостьободьев.
Возникающие в поверхностном слое обода пластические сдвиги, термоциклирование в
процессе торможения и взаимодействие с ок
-ружающей атмосферой создают условия для интенсивного развития диффузионных процес
-сов, которыемогутповлечьизменениехимиче
-скогосоставастали. Анализпоказал, чтохими
-ческий состав стали в процессе эксплуатации меняется неравномерно. На расстоянии от по
-верхности катания 5 мкм максимум выгорания элементов приходится на выкружку и приле
-гающую к ней область вплоть до середины обода, причем на этом расстоянии различие в химическом составе стали незначительно. При переходек наружномукраюободасодержание элементов (кроме углерода) постепенно воз
-растаетиу самогокрая почтивыходитна уро
-вень среднего состава стали. Изменение со
-держания элементов взоне выкружкипо срав
-нению с химическим составом стали, % (объ
-емн.): ∆C=0,37, ∆Mn=0,34, ∆S=0,018,
∆Si=0,16,∆P=0,008; у краяободавзоне наплы
-ва: ∆C=0,13, ∆Mn=0,02, ∆S=0,008, ∆si=0,01,
∆P=0,002. Таким образом, максимальное «вы
-горание» взоневыкружкиу поверхностиката
-ния по элементам составило 63% С, 48% Mn, 72% S, 47% Si, 77% Р, взоненаплыва – 22% С, 4% Mn, 32% S, 3% Si, 17% Р. При последую
-щих сошлифовках содержание элементов по
-степенно возрастает, однако неравномерный
характер их "выгорания" сохраняется. На рас
-стоянии 20 мкмот поверхности катаниявзоне выкружкиивприлегающихобластяхвплотьдо середины и при приближении к его краю со
-держаниеэлементовдостигаетуровнясреднего составастали.
Глубина зоны «выгорания» элементов со
-ставляет в зависимости от места по ширине обода 20...30 мкм. Наблюдаемый характер из
-менениясостава сталисвязан соструктурными изменениями в тонком поверхностном слое.
Наиболее сильно элементы «выгорают» в мес
-тах интенсивных пластических сдвигов и ярко выраженного «белого слоя», причем эти два структурных фактора выступают в комплексе,
так как не обнаружено интенсивного «выгора
-ния» элементов в зоне наплыва вдругих коле
-сахвтехучасткахповерхностикатания, где не было «белого слоя» изоныпластическихсдви
-гов.
Изменениехимическогосостава сталивпо
-верхностномслоеободаобусловленоналичием свободной поверхности (поверхность катания),
служащей стоком для атомов примесей и де
-фектовкристаллического строения, движением дислокаций и вакансий в процессе пластиче
-шением температуры стали при интенсивном торможениииразницейхимическихпотенциа
-ловэлементоввсталииатмосфере.
По-видимому, температурное поле по ши
-рине обода в процессе эксплуатации колес,
особенно при торможении, имеет неравномер
-ный характер, что способствует неоднородно
-сти диффузионных процессов. Действие обна
-руженного явления на надежность и безопас
-ность движения глубоко не изучено. Необхо
-димы исследования по оптимизации «выгора
-ния» с точкизрения надежностиэксплуатации колес, изучению влияния на этот процесс уровня контактных напряжений в колесах с разной геометрией поверхности катания, сис
-темытормозов, коэффициентасцепленияколе
-са с рельсом и т.д. Ясно одно, что изменение химическогосоставасталивтонкомповерхно
-стном слое способствует снижению прочност
-ных свойств, твердости, износостойкости по
-верхностикатания иэтот слойнеобходимо пе
-риодически удалять, что и происходит при пе
-реточках.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. В.П.Есаулов, А.И.Козловский, А.Т.Есаулов,
М.И.Староселецкий. Конструкции
железнодо-рожных колес мира. – Д.: Сич, 1997. – 428 с.
2. Таран Ю.Н., Есаулов В.П., Губенко С.И.
Повы-шение износостойкости железнодорожных
ко-лес с разным профилем поверхности катания //
Металлургическая и горнорудная
промышлен-ность. – 2000. – № 2. – С. 42-44.
3. Губенко С.И. Трансформация неметаллических
включений в стали. – М.: Металлургия, 1991. – 225 с.
4. Марченко Е.А. О природе износа поверхностей
