Разработка и моделирование технологического процесса сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов. Моделирование процессов, протекающих при сварке и локальной термической обработке

Проблема образования локальных закаленных участков в металле сварного стыка в процессе сварки рельсов при изготовлении бесстыкового пути решается путем использования локальной термической обработки сварного стыка. В результате исключается образование закалочных структур, однако возможно появление новых зон термического влияния с пониженной твердостью. При эксплуатации такие рельсы характеризуются повышенным износом поверхности катания на данных участках и смятием головки на месте сварного стыка, что и является основной причиной изъятия рельсов из пути ранее гарантированного срока. Предложено использование новой технологии, основанной на знании зависимостей степени дисперсности структурных составляющих (в первую очередь перлита и карбидных частиц, образующихся в процессе получения сварных стыковых соединений рельсов) от состава стали и условий охлаждения. Скорость охлаждения оказывает определяющее влияние на степень дисперсности феррито-цементитной структуры, образующейся при распаде аустенита. При сварке рельсов в стыковом шве образование зернистого перлита возможно в участках с температурой, лежащей в интервале между точками Ac₁ и Ac_m. Для определения этих критических температур проведены термодинамические расчеты с использованием программного обеспечения Thermo-Calc^® (база данных TCFE) с учетом полученного спектрометрией химического состава образцов. Смоделированы диаграммы состояния железо – углерод для рельсовой стали 76ХСФ с минимальным и максимальным содержанием легирующих элементов по ГОСТ Р 51685 – 2013. Для получения минимального объема участков с пониженной твердостью возможно проведение сварки рельсов на жестких режимах электроконтактным способом пульсирующим методом оплавления, а для исключения образования дефектных участков с закалочной структурой возможно управление охлаждением сварного соединения с помощью контактного нагрева. Измерение распределения температур при сварке по заданным режимам и управляемого охлаждения подтверждает теоретические выводы.

рельсы, контактная сварка, термическая обработка, ток, импульс, режим сварки, твердость, зона термического влияния

1. Позняков В.Д., Кирьяков В.М., Гайворонский А.А., Клапатюк А.В., Шишикевич О.С. Свойства сварных соединений рельсовой стали при электродуговой сварке // Автоматическая сварка. 2010. № 8 (688). С. 19 – 24.

2. Dahl B., Mogard B., Gretoft B., Ulander B. Repair of rails on-site by welding // Svetsaren. 1995. Vol. 50. No. 2. P. 10 – 14.

3. Рукавчук Ю.П., Рождественский С.А., Этинген И.З. Дефектность стыков алюминотермитной сварки рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 4. С. 26 – 27.

4. Гудков А.В., Лозинский В.Н. Новые технологические и технические решения в области сварки на железнодорожном транспорте: проблемы и суждения // Вестник ВНИИЖТ. 2008. № 6. С. 3 – 9.

5. Калашников Е.А., Королёв Ю.А. Технологии сварки рельсов: тенденции в России и за рубежом // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 8. С. 2 – 6.

6. Girsch G., Keichel J., Gehrmann R., Zlatnik A., Frank N. Advanced rail steels for heavy haul applications–track performance and weldability. – In book: Heavy haul and innovation development proceedings; 9th International Heavy Haul Conference, Shanghai, June 22 – 25, 2009. – Shanghai. 2009.

7. Mutton P., Cookson J., Qiu C., Welsby D. Microstructural characterisation of rolling contact fatigue damage in flashbutt welds // Wear. 2016. Vol. 366. P. 368 – 377.

8. Лейкин А.Е., Родин Б.И. Материаловедение. Учебник для машиностроит. специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1971. – 416 с.

9. Лахтин Ю.M., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для высших технических учебных заведений. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

10. Oyama T., Sherby O.D., Wadsworth J., Walser B. Application of the divorced eutectoid transformation to the development of fine-grained, spheroidized structures in ultrahigh carbon steels // Scr. Metall. 1984. Vol. 18. No. 8. P. 799 – 804.

11. Nakano T., Kawatani H., Kinoshita S. Effects of Cr, Mo and V on spheroidization of carbides in 0.8 % carbon steel // Trans. Iron Steel Inst. Jpn. 1977. Vol. 17. No. 2. P. 110 – 115.

12. Zhang G.H., Chae J.Y., Kim K.H., Suh D.W. Effects of Mn, Si and Cr addition on the dissolution and coarsening of pearlitic cementite during intercritical austenitization in Fe – 1 mass % C alloy // Mater. Charact. 2013. Vol. 81. P. 56 – 67.

13. Molinder G. A quantitative study of the formation of austenite and the solution of cementite at different austenitizing temperatures for a 1.27 % carbon steel // Acta Metall. 1956. Vol. 4. No. 6. P. 565 – 571.

14. Hillert M., Nilsson K., Törndahl L.-E. Effect of alloying elements on the formation of austenite and dissolution of cementite // J. Iron Steel Inst. 1971. Vol. 209. No. 1. P. 49 – 66.

15. Gouné M., Maugis P., Drillet J. A criterion for the change from fast to slow regime of cementite dissolution in Fe–C–Mn steels // J. Mater. Sci. Technol. 2012. Vol. 28. No. 8. P. 728 – 736.

16. Luzginova N.V., Zhao L., Sietsma J. The Cementite Spheroidization Process in High-Carbon Steels with Different Chromium Contents // Metall. Mater. Trans. A. 2008. Vol. 39. P. 513 – 521.

17. Костин В.Н., Тишина Н.А. Статистические методы и модели. Учеб. пособие. – Оренбург: Изд-во ОГУ, 2004. – 138 с.

18. Скугорова Л.П. Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ. Уч. пособие. – М.: Недра, 1989. – 344 с.

19. Шевченко Р.А., Козырев Н.А., Шишкин П.Е., Крюков Р.Е., Усольцев А.А. Расчет оптимальных режимов электроконтактной сварки железнодорожных рельсов. – В кн.: Вестник горнометаллургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2016. № 37. С. 175 – 180.

20. Шевченко Р.А., Козырев Н.А., Куценко А.И., Усольцев А.А., Куценко А.А. Методика исследования влияния режимов изотермического отжига при сварке рельсовой стали // Вестник СибГИУ. 2018. № 4 (26). С. 8 – 11.