О результатах трибологических исследований железнодорожных рельсов

Введение

По требованиям ГОСТ Р 51685 качество рельсового металла оценивается рядом механических свойств (предел текучести (σ_т), временное сопротивление разрыву (σ_в), относительное удлинение (δ₅), относительное сужение (φ), ударная вязкость, твердость на поверхности катания и по сечению, уровень остаточных напряжений), а также соответствием металлопроката требованиям по микро- и макроструктуре, загрязненности неметаллическими включениями, качеству поверхности, прямолинейности и др. Все вышеперечисленное влияет на эксплуатационные свойства рельсов, однако один и тот же комплекс свойств может быть достигнут различными путями (легированием, термической обработкой, энергосиловыми и температурно-временными режимами прокатки). При разных видах обработки реализуются различные механизмы упрочнения и формирования структуры, непосредственно влияющие на стойкость к образованию и развитию дефектов контактной усталости и на износостойкость. Особенно сильно эти различия проявляются при эксплуатации рельсов в кривых участках железнодорожного пути. Рельсы наружной нити кривых участков пути интенсивно изнашиваются под действием боковых сил от гребня колес подвижного состава, где боковая сила обусловлена ориентацией между вращающимися колесами и касательной к рельсам кривой [1 – 3].

Длительное время основной характеристикой износостойкости стали считалась твердость. Исследования последних лет [4; 5] показывают, что природа изнашивания значительно более сложная и износостойкость не может оцениваться только твердостью. На абразивный износ влияют твердость, прочность и пластичность стали. Также стоит отметить, что износостойкость, помимо твердости, зависит от химического состава, особенностей технологии производства рельсов и их микроструктуры [6 – 8].

В связи с развитием тяжеловесного движения и общей тенденцией роста грузонапряженности [9] проблемы износа рельсов в кривых участках пути и образования контактно-усталостных дефектов приобретают большую актуальность, что нашло отражение в исследованиях [10 – 15], посвященных определению механизмов образования и развития дефектов контактной усталости и структуры в процессе эксплуатации. Другим направлением исследований данной проблематики является оценка потребительских свойств непосредственно в пути [16 – 21] или с применением специализированных стендов [22; 23], в которых моделируют взаимодействие пары колесо – рельс в полном масштабе. На установке колесо – рельс с большой точностью можно оценить качественные характеристики износостойкости, поскольку рельс испытывается как цельная конструкция и учитываются неравномерность структуры и свойств по сечению, что отражает его работу на различных этапах жизненного цикла. При этом существенными недостатками непосредственных измерений в пути являются высокая степень влияния собственно условий эксплуатации при полигонных испытаниях, а также большая длительность как полигонных (~2,0 – 2,5 года), так и лабораторных стендовых (0,5 – 1,0 год) испытаний. Кроме того, испытательные стенды колесо – рельс – это дорогостоящее испытательное оборудование и в настоящее время в РФ отсутствует.

Таким образом, в настоящее время актуальной задачей при производстве рельсовой продукции является разработка и внедрение новых методов оценки в лабораторных условиях стойкости металла к образованию износа и контактно-усталостных дефектов. Такие методы позволят оценивать эффективность применяемых технологических решений и будут способствовать ускорению разработки востребованной продукции. Первоочередной задачей в области оценки износостойкости рельсов является поиск обоснованной методики, поскольку в настоящее время в научно-технической документации разработанная типовая методика отсутствует.

Материал и методы исследования

В настоящей работе в качестве объекта исследования использовали дифференцированно термоупрочненные рельсы типа Р65 составов 1 и 2 текущего производства АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ ЗСМК») стали марки 76ХФ. Химический состав стали марки 76ХФ по ГОСТ Р 51685 – 2022 следующий, мас. %: C 0,71 – 0,84; Mn 0,75 – 1,25; Si 0,25 – 1,00; P не менее 0,020; S не менее 0,020; Al не менее 0,004; Cr 0,20 – 0,60; V 0,03 – 0,15. Составы текущего производства отличаются по содержанию углерода и марганца: состав 1 – 0,76 % C, 0,79 % Mn; состав 2 – 0,81 % C, 0,97 % Mn.

Испытания образцов трением проводили на роликовой машине трения со следующими характеристиками:

– нагрузка – до 5 кН;

– скорость вращения образцов – до 3000 об./мин;

– возможность проведений испытания с лубрикантом и без него, с возможностью разогрева смазочных материалов до 100 °С.

Машина оснащена датчиками износа, вихретоковым датчиком, двумя датчиками вибрации, которые проводят измерения в трех плоскостях (х, у, z).

Испытания всех исследуемых образцов проводили при одинаковых режимах:

– нагрузка – 1,2 кН;

– скорость вращения рельсового ролика – 217 об./мин;

– коэффициент проскальзывания – ~10 %;

– время испытания – 120 мин;

– твердость контактного ролика – 59 HRC;

– смазочные материалы отсутствуют.

Также стоит отметить ряд вычислительных параметров, которые машина фиксирует в виде графиков: коэффициент трения, степень проскальзывания, сила трения, скорость проскальзывания и скорость подъема, зависимость скольжения от диаметра ролика (машина вычисляет параметры в соответствии с новыми вводными параметрами).

В работе изменяли скорость скольжения контактного ролика с целью удержания коэффициента (степени) проскальзывания 10 % в связи с изменением диаметра ролика в процессе трения.

Для проведения лабораторных испытаний с целью оценки износостойкости образцов из рельсов текущего производства составов 1 и 2 вырезали по одному образцу в соответствии с чертежом (рис. 1).

В качестве контактного образца использовали термоупрочненный ролик с твердостью (59 ÷ 59) ± 2 HRС из стали марки 31Mn4 в соответствии с Европейским стандартом DIN 21544. Схема контактного образца представлена на рис. 2.

Оценка интенсивности износа рельсовых роликов проводилась с 52 000 до 156 000 оборотов с целью исключения влияния качества поверхности в начале испытаний и отслоения металла при последних циклах испытаний.

Износостойкость определялась как величина, обратная интенсивности износа (из-за малой потери массы при испытании использовались лабораторные аналитические весы с точностью до одной десятитысячной):

\(W = \frac{{{m_1} - {m_2}}}{{{N_{{\rm{цикл}}}}}} \cdot {10^{ - 5}},\)

где W – износостойкость, г/цикл; m₁ и m₂ – масса образца до и после испытаний, г; N_цикл – количество оборотов (1 цикл = 2600 об.).

К параметрам, влияющим на износостойкость рельсового металла, относится совокупность нескольких характеристик, которые позволяют оценивать и улучшать рельсовую сталь по износостойкости, а именно: твердость материала; химический состав (карбидообразующий углерод) и сера (определяет количество сульфидов марганца и железа, которые играют роль концентраторов напряжений в микроочагах разрушения при износе) [16]; параметры микроструктуры (межпластинчатое расстояние, диаметр зерна, размер перлитных колоний, объемная доля цементита); влияние карбидов и карбонитридов (их количество, форма и распределение) [4].

Сравнительный анализ полученных результатов

Твердость металла исследуемых образцов измеряли методом Виккерса на микротвердомере «Qness Q10A+» по семи точкам по поверхности образца при нагрузке 50 Н, результаты измерений приведены в табл. 1.

Из представленных данных видно, что твердость образцов из рельсов состава 2 выше на 7,85 %.

Микроструктуру металла рельсов исследовали на поперечных шлифах, изготовленных из зоны выкружки головки рельса после электрополировки и травления в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Исследования проводили на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Исследуемая зона находилась на расстоянии 2 – 4 мм от поверхности катания головки рельса.

Результаты измерений представлены в табл. 2 и на рис. 3.

Из анализа полученных данных следует, что межпластинчатое расстояние в микроструктуре металла исследуемых рельсов состава 1 незначительно превышает значение, полученное для рельсов состава 2. При этом диаметр зерна в металле рельсов с пониженным содержанием углерода и марганца (состав 1) превышает диаметр зерна в металле рельсов состава 2 на 1,0 балл. Зерно образцов 1 и 2 соответствует значениям 24,20 мкм (8 номер) и 19,50 мкм (9 номер).

Средняя интенсивность износа образцов из рельсов состава 2 составила 1,0665·10^–5 г/цикл, что на 13,5 % ниже интенсивности износа, полученной в результате испытаний образцов из рельсов состава 1 со значением 1,2324·10^–5 г/цикл.

Необходимо отметить, что после 182 000 оборотов образцы, вырезанные из рельсов состава 1, показали резкую потерю массы (рис. 4).

Микроструктуру образцов после цикла испытаний трением изучали на оптическом инвертированном микроскопе Olympus JX71. Оценка микроструктуры показала наличие волокнисто-деформированной структуры с толщиной слоя до 82,4 мкм на образцах состава 2 и до 103,9 мкм на образцах состава 1 по краям образца (рис. 5, а, б), а также до 67,7 мкм на образцах состава 2 и до 77,6 мкм на образцах состава 1 по центральной части образца (рис. 5, в, г).

Выводы

Повышение содержания углерода и марганца в рельсовой стали приводит к повышению износостойкости и стойкости к дефектам контактно-усталостного происхождения.

Научные результаты работы могут быть использованы для развития теории по увеличению срока службы рельсов, сокращению расходов на их текущее содержание и повышение надежности дифференцированно упрочненных рельсов производства АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».