Поверхностное плазменное упрочнение гребней колес тягового подвижного состава

Сарсембаева Т.Е., д.т.н., профессор Канаев А.Т.

Казахский агротехнический университет им.С. Сейфуллина, Казахстан

Как известно, для большинства видов термической обработки с медленным нагревом основным правилом назначения температурного режима является нагрев выше верхней критической точки на 20-30 ⁰С, t = Ас₃ + ( 20-30)⁰С. В этом случае достигается только низкотемпературная часть аустенитной области. Из диаграммы состояния Fe - Fe₃C следует, что температурный интервал существования аустенита составляет (в зависимости от состава стали) 400 – 700⁰С. Такая природная особенность широко распространенных сталей – наличие большого температурного интервала аустенитной области – показывает физическую возможность и целесообразность использования скоростного нагрева высококонцентрированными источниками энергии. На этом основано использование низкотемпературной плазмы, которая находит все более широкое применение при термической обработке наиболее нагруженных деталей [1,2].

Широкому применению низкотемпературной плазмы для упрочнения способствует и то, что энергетические и тепловые параметры струи низкотемпературной плазмы сравнительно легко регулируются в широких пределах. Так, установлено, что плазмообразующий газ оказывает существенное влияние на энергетические характеристики плазменной дуги. Для повышения эффективности теплового процесса используют двухатомные газы, имеющие большее теплосодержание при низких температурах. Однако стойкость электродов при их использовании снижается в 3-5 раз по сравнению с аргоном.

Энергетические и тепловые параметры плазменной дуги можно регулировать не только за счет изменения состава и расхода газа, но и за счет изменения тока дуги, диаметра и длины плазмообразующего канала, расстояния между соплом и поверхностью упрочняемого изделия.

Температура плазменной дуги возрастает с увеличением потенциала ионизации, величины тока плазменной дуги и с уменьшением диаметра сопла плазменной горелки. Сжатая плазменная дуга может иметь различную длину. Внутри сопла она сжата, однако при выходе за его пределы начинает постепенно расширяться до размеров свободной дуги. На расстоянии 20-30 мм от нижнего среза сопла плазменный столб расширяется до свободных размеров. Поэтому расстояние между соплом и поверхностью обрабатываемого изделия обычно находится в пределах 10-20 мм.

Исходя из этих положений нами при плазменной закалке гребней железнодорожных колес принят следующий режим:

Ток электрической дуги, А 275

Напряжение электрической дуги, В 120

Номинальная мощность дуги, кВт 35

Диаметр сопла, мм3,5

Расстояние от среза до закаливаемой поверхности, мм15

Расход защитного газа, л/ мин 3-6

Частота вращения колесной пары, об/мин 0,143

( 7,0-7,2 оборотов за минуту)

Плазменному упрочнению подвергались бандажи, изготовленные из стали марки 2 в соответствии с требованиями ГОСТ 398-96. Химический состав стали, %: С 0,57 – 0,65; Si 0,22-0,45; Mn 0,60 – 0,90; V до 0,15; Р не более 0,035; S не более 0,040. Эта сталь является аналогом высокоуглеродистой конструкционной стали 60 с тем отличием, что в ней хром заменен ванадием (до 0,15%). Повышенное содержание углерода (0,57-0,65%) в этой стали, с одной стороны, обеспечивает износостойкость и контактную выносливость, с другой стороны, снижает теплостойкость. Ванадий, введенный в ее состав, повышает термостойкость и способствует улучшению сопротивляемости термическим и термомеханическим воздействиям.

Упрочнению подвергалась зона перехода от рабочей поверхности гребня к поверхности катания. Зона упрочнения начинается на расстоянии 2-3 мм от вершины гребня и имеет ширину 25-26 мм. Твердость упрочненного слоя, измеренная переносным твердомером ТЭМП3, составляет 777 единиц, что в переводе на твердость по Роквеллу соответствует 65,2 НRс, а по Виккерсу – 852 HV. Твердость не упрочненного гребня соответственно 576 единиц или 32 HRc, 324 HV. После плазменного упрочнения был произведен микроструктурный анализ поверхностного слоя, определен химический состав всех зон по сечению, микротвердость по глубине упрочненной зоны, измерена толщина закаленного слоя на растровом электронном микроскопе JEOLISM–5910 и оптическом микроскопе фирмы Leica Microsystems (Германия). Микротвердость металла была определена по методу Виккерса на инвертированном микроскопе фирмы Leica Microsystems при нагрузке 2,5Н. Величина микротвердости зависит от диагоналей полученного отпечатка и измерена в единицах по Виккерсу (HV).

Процесс поверхностного плазменного упрочнения заключается в быстром нагреве поверхности гребня плазменной струей и охлаждения за счет естественного теплоотвода в холодные слои металла. Плазменная струя расположена под углом 45-50⁰ к закаливаемой поверхности. Нагрев поверхностного слоя осуществляется до температуры (0,85-0,95) Т_пл.. Длительность нагрева и охлаждения составляет соответственно ~ 1,0-1,2с и

~1,7-2,0с. Скорость нагрева может достигать~1500К/с. При сверх быстрых скоростях нагрева фазовые превращения смещаются в область высоких температур и это обстоятельство сильно влияет на кинетику возникновения и роста зародышей новой фазы. Соотношение между скоростью зарождения и скоростью их роста меняется, по мере повышения температуры процесс зарождения зерен новой фазы (аустенита) происходит быстрее, чем ускорение их роста, наблюдается все большее количественное опережение скорости зарождения над скоростью роста. Это приводит к тому, что по мере смещения α→γ превращения в область высоких температур все большую роль играет процесс зарождения, а процесс же роста зародышей в значительной степени подавляется. В итоге формируется мелкозернистый аустенит, который превращается высокодисперсный «бесструктурный» мартенсит.

В принципе, регулируя количество введенной энергии можно создать таких условий протекания α → γ превращения, когда единственной возможностью перехода исходных фаз в аустенит оказывается процесс зарождения. Таким образом, открывается возможность получения сверхмелкого аустенита, когда размеры зерен окажутся соизмеримыми с критическим размерам при температуре, достигаемой в процессе скоростного нагрева. Это обстоятельство используется в целях улучшения свойств стали после поверхностной плазменной закалки.

Распределение микротвердости по глубине закаленной зоны

Таблица 1

N п/п	Глубина замера HVот поверх- ности, мкм	Микротвер- дость, HV, ГПа	Микро- струк- тура	N п/п	Глубина замера HVот поверх- ности, мкм	Микротвер- дость, HV, ГПа	Микро- струк- тура
1	121	8,1	Мелко- дисперс ный мартен- сит в смеси с нижним бейни- том	16	1 601	5,7
2	213	7,9		17	1 702	5.5
3	311	8,0		18	1 819	5,0
4	420	7,8		19	1 911	4,4	Троосто- сорбит с пере-ходом в исход- ную струк- туру
5	500	8,1		20	2 016	4,4
6	613	7,9		21	2 122	4,1
7	712	7,8		22	2 243	3,9
8	817	7,8		23	2 302	3,7
9	906	7,7		24	2 411	3,8
10	1 012	7,5		25	2 502	3,8
11	1 123	7,6	Верхний бейнит + троос- тит + сорбит	26	2 605	3,7
12	1 231	7,3		27	2 712	3,8
13	1 325	7,1		28	2 807	3,8
14	1 401	6,7		29	2 913	4,1
15	1 509	6,3		30	3 041	3.9

Графическое изображение распределения микротвердости по глубине закаленной зоны показывает типичную кривую, когда микротвердость поверхностного слоя (толщиной ~ 905 мкм) от 8,0 ГПа снижается до 5 ГПа в промежуточном слое (толщиной ~ 1225 мкм). Далее микротвердость поддерживается на уровне 3,8 - 3,9 ГПа, что свидетельствует об окончании зоны упрочнения и термического воздействия и о переходе к исходной структуре. Микроструктура поверхностного закаленного слоя представляет собой мелко игольчатый мартенсит в смеси с нижним бейнитом, в промежуточном слое она представлена дисперсной смесью верхнего бейнита, троостита и сорбита с постепенным переходом в исходную структуру[ 3].

Такое распределение микротвердости и структуры упрочненных гребней обеспечивает экономическую эффективность, приведенную в таблице 2

Таблица 2

Пробег между обточками неупрочненных колесных пар, тыс.км	Износ неупрочнен- ных гребней бандажей на 10 тыс.км пробега, мм	Максимальное количество обточек неупрочненной колесной пары (раз)	Ресурс бандажа неупрочненной колесной пары, тыс. км
От 10 до 15	1.9; полный износ за 1,1 года	7	105
Пробег между обточками упрочненных колесных пар, тыс. км	Износ упрочненных гребней бандажей на 10 тыс.км пробега, мм	Максимальное количество обточек упрочненной колесной пары (раз)	Ресурс бандажа упрочненной колесной пары, тыс. км
От 20 до 25	0,7; полный износ за 2,6 года	10	250

Следует отметить, что соотношение зон с различной структурой и микротвердостью зависит от мощности плазмотрона, угла встречи плазменной струи с закаливаемой поверхностью, расхода и используемого плазмообразующего газа, диаметра сопла и расстояния от среза сопла до поверхности детали и др. факторов.

Мелкозернистый аустенит, образующийся при скоростном нагреве напрямую влияет на структуру упрочненного слоя, с увеличением степени дисперсности которой повышается трещиностойкость стали.

Согласно физической теории разрушения металлов критическое напряжение хрупкого разрушения -��_кр.обратно пропорционально размеру зерен- d

��_кр. = к d^½

Это объясняется тем, что уменьшение размера зерен приводит к снижению концентрации напряжений на границе, что, в свою очередь, повышает предел выносливости материала. Отсюда следует, что плазменное упрочнение металла бандажей обеспечивает наиболее энергоемкий механизм его разрушения, что должно положительно сказаться на эксплуатационных характеристиках металла. Ранее нами[ 4 ] на основе фрактографических исследований и анализа осциллограмм было показано, что в характере разрушения упрочненных и не упрочненных образцов имеется принципиальное отличие, заключающееся в том, что металл бандажа, не имеющийся упрочненного слоя, разрушается по всему сечению и процесс разрушения проходит в две стадии: зарождение трещины и ее распространение до полного разрушения образца. Такой механизм разрушения обуславливается однородной структурой металла по всему сечению образца, что обеспечивает постоянный комплекс механических свойств.

В случае плазменного упрочнения, когда металл состоит из двух слоев – закаленного (хрупкого) и исходного (пластичного) процесс разрушения приходит по искривленному механизму. Трещина зарождается на поверхности упрочненного слоя и растет в глубину, где на границе с исходным «мягким» металлом останавливается, так как для ее дальнейшего распространения необходимо значительно большее усилие, чем в упрочненном слое.

Изменение характера разрушения металла бандажа в упрочненном поверхностном слое и без него с торможением трещин по механизму искривления ее траектории можно объяснить двумя причинами.

- пластичностью металла на границе упрочненного слоя с исходной структурой;

- переходом напряжений сжатия в растягивающие напряжения на границе упрочненного слоя с исходной структурой.

Это обстоятельство является важной причиной повышения трещино- стойкости поверхностно-упрочненных деталей. Плавное изменение структуры и микротвердости по глубине закаленного слоя обуславливает снижение напряжений растяжения за пределами закаленной зоны с 120-130 до 30-40 МПа. В середине закаленной (упрочненной) зоны напряжения сжатия достигают 600-700 МПа [4]. Таким образом, наличие больших напряжений сжатия и снижение напряжений растяжения является важным фактором, способствующим повышению работоспособности деталей, работающих в условиях контактных и знакопеременных нагрузок.

Заметим, что указанные структурные особенности после плазменной обработки объясняются сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения, недостижимыми при традиционных методах термической обработки.

Это приводит к тому, что структурные и фазовые составляющие стали после плазменной обработки (мартенсит, верхний и нижний бейнит, троостит, сорбит) характеризуются повышенной дисперсностью и более высоким уровнем внутренних (фазовых и структурных) напряжений 11 рода, а также ярко выраженной химической микронеоднородностью [5]. Для экспериментальной проверки этих утверждений были проведены специальные исследования по определению химического состава сплава с возбуждением спектра в искре на искровом спектрометре SPECTROLABJr^ССД фирмы Leica Microsystems. Данные химического анализа по глубине плазменного упрочнения и не упрочненной зоны, представленные в таблице 3, подтверждают химическую микронеоднородность структурных и фазовых составляющих исследованной стали.

Химический состав по глубине плазменного упрочнения и не упрочненной

зоны

Таблица 3

Наименова ние зон по глубине упрочнения	Химический состав, % (ат.)
	C	Si	V	Mn	Fe	W	Ti	Cr	S
t 2	0,06	0,002	-	0,063	0,855	0,008	-	-	-
t 3	0,5	0,002	0	0,06	0,87	0,02	0,0002	-	0,0005
t 4	0,002	-	0,001	0,065	0,87	0,009	-	0,001	0,002
t 5	0,05	0,0005	0,001	0,062	0,86	0,018	0,004	-	0,002
t 6	0,047	0,0035	-	0,072	0,87	-	-	0,001	-
t 7	0,035	0,004	-	0,068	0,89	0,002	0,0026	-	-
t 8	0,02	0,0018	0,0027	0,07	0,88	0,019	-	-	-
t 9	0,027	0,0025	0,0023	0,065	0,88	-	-	-	-
t 10	0,03	0,004	-	0,074	0,86	0,026	-	-	-
t 11	0,04	0,004	0,001	0,069	0,88	-	0,003	-	-
Основа	0,008	-	-	0,059	0,90	-	-	-	-

Видно, что содержание углерода по глубине упрочненной зоны колеблется от 0,002 до 0,06 % (ат.). Такую же микро неоднородность по глубине закаленной зоны имеют и другие постоянные примеси стали (Si, Mn, V и др.).При больших скоростях нагрева и охлаждения, характерных для плазменной обработки, процессы, связанные с гомогенизацией твердого раствора, не успевают завершиться в объеме отдельных зерен и это способствует созданию метастабильных структур высокой твердости с хорошим сопротивлением износу и микросхватыванию в процессе трения.

Выводы

1.Установлено, что при действующем режиме упрочнения глубина зоны плазменного воздействия составляет 1,7 – 2,0 мм с микротвердостью от 8,0ГПа на поверхности до 6,0 ГПа в промежуточной зоне. Такая глубина зоны плазменного воздействия наряду с лубрикацией приводит к снижению износа гребней от 1.9 мм до 0,7 мм на 10 тыс. км пробега.

2.Соотношение зон с различной структурой и микротвердостью зависит от мощности плазмотрона, угла встречи плазменной струи с закаливаемой поверхностью, расхода и используемого плазмообразующего газа, диаметра сопла и расстояния от среза сопла до поверхности детали, степени дисперсности исходной структуры и др. факторов.

3.Основным фактором, приводящем к сильному упрочнению поверхностного слоя при плазменной закалке, является образование тонкодисперсной неоднородной мартенситно-бейнитной структуры с высоким уровнем микронапряжений 2 рода, переходящей к дисперсной трооститно-сорбитной структуре промежуточной зоны.

Литература

1. Селиванов М.В., Шепелев Н.С. Применение плазмы для упрочнения за рубежом. Черметинформация, серия «Металловедение и термическая обработка», 1987, вып. 2, 42с.

2. Лыков А.К., Редькин Ю.Г., Глибина Л.А. Различные методы плазменной закалки. Локомотив, 2000,№1,с.27-28

3. Новиков И.И. Теория термической обработки. М.: - Металлургия,1986, с.479

4. Канаев А.Т., Кусаинова К.Т. Влияние соотношений твердости рельсовой и бандажной стали на износостойкость пар трения «Колесо-рельс». Вестник КазАТУ им. С.Сейфуллина,2007, № 4 (47),с.309-317

5. Kanayev A.T.,Baibossynova L.A.Analyses of exploitation terms influence on microstructure and working efficiency of plasma-ironclal layer.Materialy V Miedzynarodowejnaukowi-praktycznejkonferencji “Dynamikanaukowychbadan – 2009”, Przemysi, Nauka I studia, 2009, p.14-17