§ 58. Влияние термической обработки на износостойкость колес

Истирание и смятие поверхности катания колес и бандажей в процессе эксплуатации подвижного состава железных дорог приводят к прокату по кругу катания и к образованию выщербин, ползунов и наплывов. Наиболее часто встречающимся ви­дом дефектов, в особенности в зимнее время, является разрушение поверхности катания, получившее название выщербин. Об­разование выщербин приводит к отцепке вагонов в пути, вызы­вает увеличение числа преждевременных переточек, значительно сокращает общий срок службы колес (бандажей) и тем самым создает серьезные затруднения в работе вагонных депо.

Наблюдениями за службой колес и бандажей установлено, что выщербины бывают двух типов.

Рис. 203. Микроструктура нормализованного колеса (у поверхности катания) х 100

Выщербины I типа возникают в результате развития первич­ных повреждений, образующихся в месте контакта колеса с рельсом при особых условиях торможения, вызывающих закли­нивание колес и скольжение их по рельсам (юз). Типичная вы­щербина I типа показана на рис. 204. Отличительной чертой вы­щербин I типа является их конфигурация и небольшая глубина залегания — до 3 мм. Они характеризуются также наличием бе­лых, нетравящихся участков микроструктуры, оконтуривающих выщербину. Такие выщербины чаще всего образуются на обоих колесах одновременно, располагаясь на прямой, параллельной оси колесной пары.

Заклинивание колес, приводящее к образованию выщербин I типа, происходит преимущественно в зимнее время. Это объ­ясняется специфическими условиями работы тормозов при низ­ких температурах. Скольжение колес происходит также в мо­мент остановок, когда при замедлении движения состава сила трения па тормозных колодках становится больше силы сцеп­ления колеса с рельсом. Условия для скольжения создаются при наличии на рельсах обледенения или инея.

При скольжении колес по рельсам, вследствие значительных удельных давлений в контакте, происходит быстрый нагрев по­верхностных слоев до температуры выше критической точки. По­следующий интенсивный отвод тепла в толщу колеса, приводит к образованию участков с закаленной на мартенсит, твердой и хрупкой, поверхностной корочкой. Динамические воздействия, испытываемые колесом в процессе дальнейшей эксплуатации, и

приводят к образованию первоначальных трещин. На рис. 205 показано расположение трещин в сечении обода колеса. Харак­терным является то обстоятельство, что распространение трещин в глубину ограничивается глубиной закаленного слоя.

Рис. 204. Выщербина I типа на поверхности катания колеса

Исследование, произведенное в Научно-исследовательском Трубном институте (инж. Р. Л. Сойфер), показало, что по тол­щине обода наблюдается гамма переходных структур от мартен­сита к сорбиту, характерному для колес рядового производства (рис. 206). Глубина слоя мартенсита, определяющего глубину за­легания трещины при образовании выщербин I типа, зависит от продолжительности и относительной скорости скольжения, давле­ния в контакте, температуры окружающей среды и, особенно, от способности колесной стали к закалке. Последняя же определяет­ся главным образом содержанием углерода. Поэтому, с точки зре­ния уменьшения склонности колесной стали к поверхностной за­калке в процессе скольжения колеса по рельсу, желательно сни­жение содержания углерода в колесной стали. Однако снижение содержания углерода приводит к повышенному износу колес при трении качения и к понижению сопротивляемости колес образова­нию описываемых ниже выщербин II типа, обусловленных не за­калкой на мартенсит.

Эти два последних явления связаны, так как износ колес в контакте сопровождается сложными процессами, протекающими в тонком поверхностном слое. Группа исследователей Всесоюз­ного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта относит к этим процессам следующие [18]:

1. Пластическую деформацию на поверхности катания коле­са, вызываемую сочетанием качения с проскальзыванием. Пла­стическая деформация приводит к упрочнению металла поверх­ностных слоев колес и к образованию хрупкого, легко поддаю­щегося разрушению наклепанного слоя. Скольжение колеса по рельсу при его заклинивании, не сопровождающееся поверхност­ной закалкой, вызывает значительные сдвиги в металле. Это при­водит к образованию наслоений в виде тонких складок, у осно­вания которых образуются трещины. Дальнейшее развитие этих микро- и макротрещин приводит к образованию выщербин II типа.

2. Появление микротрещин из-за нагрева поверхности колеса в месте контакта колеса с тормозными колодками и при про­скальзывании колеса по рельсу в процессе качения. Возникаю­щие температурные напряжения могут явиться источником об­разования выщербин II типа.

3. Химическое взаимодействие поверхностей, освобождаю­щихся от окисных пленок, с окружающей средой. При последую­щем насыщении кислородом поверхности трения появляется хрупкий, легко разрушающийся слой. Появление в поверхност­ном слое твердой хрупкой корочки объясняют также и тем, что при значительной пластической деформации, которая наблюдает­ся на поверхностях трения, происходит механическое раздробле­ние карбидов железа с образованием псевдораствора этих кар­бидов в а-железе. Для протекания этого процесса не обязатель­ны высокие температуры.

Необходимо также отметить влияние переменных напряжений в контакте на возможную связь образования выщербин II типа с усталостным разрушением. Характерный вид выщербины II ти­па показан на рис. 207, а на рис. 208 показаны трещины в по­верхностных слоях обода колеса, весьма характерные для уста­лостного разрушения.

Значительную роль в развитии первоначальных трещин иг­рает, повидимому, влага. Проникая в трещины, она способст­вует их развитию путем расклинивающего действия. Под воз­действием больших давлений в контакте, вода, сжатая в трещи­не, создает растягивающие напряжения в ее вершине, ускоряя процесс разрушения. Кроме того, вода вызывает коррозию, так­же ускоряющую процесс образования выщербин.

Поскольку в образовании выщербин II типа значительную роль играют пластические деформации и усталостное разрушение, необходимо повысить прочность стали и, следовательно, ее сопротивляемость пластическим деформациям и предел устало­сти. Эти требования могут быть удовлетворены при повышении содержания углерода в колесной стали. Таким образом, средства борьбы с выщербинами I и II типов прямо противоположны.

Рис. 205. Трещины, образовавшиеся в результате заклинивания колеса при торможении (в поперечном сечении обода)

Рис. 206. Гамма структур закаленного слоя у выщербины

Поэтому особенно возрастает роль закалки колес, позволяю­щей снизить содержание углерода в колесной стали и тем самым повысить ее сопротивляемость образованию выщербин I типа. Вместе с тем повышение прочностных характеристик путем за­калки увеличивает сопротивляемость металла пластическим де­формациям и предел упругости, что благотворно сказывается на уменьшении выщербин II типа и проката.

Выявлению связи между износостойкостью колесной стали против выщербливания и механического истирания, с одной сто­роны, и механическими свойствами и микроструктурой, опреде­ляемыми химическим составом и термической обработкой, с дру­гой, посвящено много работ, проводящихся особенно интенсивно в последние годы. В этой области работают Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта [18— 20], Научно-исследовательский трубный институт, Институт ме­таллургии Академии наук СССР, Украинский институт метал­лов. Большой комплекс исследований в области свойств колес­ной стали и цельнокатаных колес был проведен в 1949—53 гг. указанными институтами. Все работы по отливке опытных пла­вок, прокатке и термической обработке колес проводились на за­воде им. К. Либкнехта при непосредственном участии работников завода.

Проведение этих работ было необходимо также и для уста­новления оптимальной технологии термической обработки, за­проектированной для второго колесопрокатного цеха в СССР.

В результате проведенных работ было установлено, что вид термической обработки существенно влияет на износостойкость колес.

В исследованиях намечено было изучить колесные стали в широком диапазоне содержания углерода, %:

Пониженное.............0,55—0,60 (марки А-5, Б-5 и В-5)

Среднее.....................0,63—0,68 (марки А-6, Б-6 и В-6)

Повышенное.............0,76—0,79 (марки А-7, Б-7 и В-7)

Химический состав фактически отобранных марок (плавок) приведен в табл. 30.

Марки Б-5 и, в особенности, В-6 по контрольному анализу ока­зались несколько неудачными (последняя заметно мягче наме­ченного). Сумма С + 1/4 Мn изменяется в среднем от 0,80 до 1,02%, т. е. в очень широких пределах, что весьма важно для исследования.

Рис. 207. Выщербины II типа на поверхности катания колеса

Рис. 208. Трещины в поверхностных слоях обода, приводящие к образованию

выщербин II типа

Таблица 30