Наноматериалы увеличат сроки службы бандажей колесных пар
Специалисты регионального инновационно-технологического центра КТЦ ТНЦ СО РАН (РИТЦ) из Томска для достижения наилучших результатов восстановления и упрочнения гребней колесных пар локомотивов разработали высокоэффективные наносодержащие модифицирующие смеси. Эти смеси применяют для повышения качества сварки и наплавки, а также литейных сплавов — сталей и чугунов.
В состав смесей входят порошки — оксиды алюминия, оксиды редких металлов размером от 30 до 60 нм: Zr02, Nb2О5, ТiО2 и их спутники НfО2, и Та2Об. Данные разработки запатентованы в России.
Использование этих разработок на практике позволило значительно повысить качество изготовления высокопроизводительного оборудования для восстановления и упрочнения изношенных деталей для ОАО «РЖД» и износостойкость отливок до 10 раз.
Особо высокие результаты были достигнуты при проектировании, изготовлении и внедрении оборудования для восстановления электрошлаковым способом с использованием наносодержащих модифицирующих смесей в составе флюса изношенных гребней бандажей колесных пар локомотива ВЛ10. Данный способ восстановления гребней, по сравнению с электродуго-вым, имеет более низкую температуру процесса (1600 — 1800 °С против 5000 — 6000 °С) и за счет медленного, равномерного прогрева обеспечивает полное сплавление. В результате, всего за один оборот колесной пары можно получить бездефектный полный гребень с наплавленным металлом высокого качества.
Высокое качество достигается за счет непрерывности сварочного процесса, соблюдения режимов наплавки, вертикального положения наплавляемого слоя, постоянного наличия в верхней его части жидкой кристаллической ванны, а также удаления газов и металлических включений из металла наплавляемого слоя.
При испытаниях для исследований был вырезан образец из обода колеса с восстановленным гребнем. После полирования и травления (4%-ным раствором азотной кислоты в спирте) исследовали микро- и макроструктуру наплавленного слоя. Макроанализ-образца показал хорошее сплавление наплавленного металла с основным. В наплавленном металле отсутствовали непровары, трещины, поры и шлаковые включения. На макрошлифе можно четко выделить три характерные зоны: основной металл, зона термического влияния и наплавленный металл.
Исследования твердости по Роквеллу показали относительную однородность механических свойств наплавленного металла. Твердость основного металла составляет 29... 30 HRC. Наплавленный металл имеет твердость 30... 32 HRC.
Анализ структуры показал, что основной металл отличается сравнительно равноосным строением перлитных зерен, окруженных мелкими ферритными включениями. В основном металле (обод колеса) наблюдаются отдельные шлаковые включения размером 3 — 5 мкм. Содержание углерода в стали 0,65 — 0,70 %.
Зона сплавления не имеет ярко выраженного характера, что можно объяснить фазовой перекристаллизацией основного и наплавленного металлов, прошедшей при нагреве и медленном охлаждении. Исследования наплавленного слоя и зоны термического влияния показали, что полученная макро- и микроструктура типичны для электрошлакового метода. В наплавленном металле и зоне термического влияния нет макродефектов и дефектов структуры.
Высокое качество и чистота наплавленного металла были также подтверждены ВНИИЖТом.
Полученные положительные результаты исследований позволили изготовить и запустить оборудование для восстановления изношенных гребней бандажей колесных пар в
депо Тында и Боготол.
Восстановленные на Красноярской дороге электрошлаковым методом колесные пары хорошо себя зарекомендовали — на 1 мм износа 24,5 тыс. км пробега, т.е. с 33 до 25 мм (8 мм износа) — это 200 тыс. км пробега до первой переточки идо 1 млн. км срока службы бандажа колесной пары.
Получив столь положительные результаты испытаний, можно констатировать, что данная технология позволит ОАО «РЖД»:
- обеспечить наибольший экономический эффект от инновационной деятельности;
- снизить издержки по обеспечению бандажами и колесными парами подвижного состава;
- значительно увеличить эксплуатационные характеристики восстановленных бандажей колесных пар до 1 млн. км путем повышения качества и изменения химического состава наплавленного металла гребня, используя флюс, в состав которого входят наносодержащие модифицирующие смеси, и электродной проволоки с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов, например Нп-ЗОХГСА и др.
Совокупность использования научно-технических достижений позволили изготовить и внедрить оригинальное оборудование с передачей высокоэффективной технологии — электрошлакового способа восстановления изношенных гребней колесных пар рельсовых транспортных средств. В составе оборудования две установки (см. рисунок) с приводом вращения колесных пар. Первая из них предназначена для подготовки колесной пары к восстановлению.
Подготовка заключается в удалении замасленных, грязевых отложений с внутренней поверхности ободов колес, срезке верхней части изношенных гребней, их выравнивании с последующей очисткой этой поверхности от остатков грата и загрязнений механической металлической щеткой.
После завершения подготовки колесная пара кран-балкой переносится на вторую установку для восстановления. На ней расположены два наплавочных автомата. Восстановление осуществляется следующим способом. Кристаллизатор подводится к гребню бандажа колесной пары при помощи передачи винт-гайка вращением маховиков и прижимается с помощью пружин. Перед началом восстановления подводится наплавочная проволока и засыпается слой флюса. При нажатии кнопки «Пуск» загорается дуга, начинаются плавление шлака и накопление его необходимого количества. Далее процесс переходит в электрошлаковый, и включается вращение колесной пары.
Восстановление гребня электрошлаковым способом с использованием флюса, включающего наносодержащие модифицирующие смеси и электродную проволоку Нп-ЗОХГСА с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов, проходит в автоматическом режиме. За один оборот колесной пары получается бездефектный полный гребень с наплавленным металлом высокого качества. Одновременно с наплавкой выполняют отпуск наплавленного металла.
Оборудование для восстановления гребней электрошлаковым способом обслуживают два оператора-газоэлект-росварщика IV — VI разрядов. Восстановление проводят с предварительным подогревом до 200 — 250 °С и последующим после процесса нагревом шва и околошовной зоны до 400 — 450 °С в течение не менее двух часов.
Электрошлаковый способ восстановления с использованием наносодержащих материалов — оксидов редких металлов в составе флюса обеспечивает модулированную структуру наплавленного металла, а также высокое качество зоны сплавления. Твердость наплавленного гребня составляет 28 — 32 HRC, что несколько выше твердости основного металла стандартных бандажей, но ниже твердости закаленного рельсового металла.
Ожидаемая себестоимость восстановления двух гребней в условиях депо не превышает 20 тыс. руб. Планируемый экономический эффект от продления срока службы колесной пары до 1 млн. км включает в себя: стоимость затрат, связанных с ремонтом двух-трех колесных пар, простои, транспортные и другие затраты.
Б.И. ТРОШКИН,
руководитель КТЦ ТНЦ СО РАН, г. Томск
