X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Надежная работа железных дорог во многом определяются качеством и эксплуатационной стойкостью основного элемента железнодорожного пути – рельсов, при этом широкий спектр требований, предъявляемых в связи с этим к качеству железнодорожных рельсов, требует внедрения новых технологий упрочнения рельсов.

На рисунке 1 приведено расположение зоны контакта колеса с рельсом на прямолинейных и криволинейных участках железнодорожного пути.

Рисунок 1 - Расположение зоны контакта колеса с рельсом на прямолинейных и

криволинейных участках железнодорожного пути

Для увеличения срока службы рельс предлагается дифференцированная термическая обработка, включающая первоначальную индукционную закалку токами высокой частоты и последующую обработку высокоэнергетическим лазерным излучением.

На рисунке 2 приведена схема расположения зон фазового состояния поверхностных слоев рельса после термического упрочнения.

Рисунок 2 - Схема расположения зон фазового состояния поверхностных

слоев рельса после термического упрочнения; 1- мелкозернистая дисперсная мартенситная структура; 2 - однородная мелкодисперсная перлитная структура

Первоначальную термическую обработку рельсов, как из углеродистых нелегированных сталей, так и из легированных сталей предлагается осуществлять ТВЧ с мощностью до 20 кВт на оба рельса. Охлаждение рельсов следует осуществлять со скоростями охлаждения в пределах 12-20°C/с с плавным изменением скорости охлаждения в процессе термообработки, что позволяет получить однородную мелкодисперсную структуру пластинчатый перлит - сорбит закалки на глубину более 22 мм от поверхности и получать твердость по поверхности катания до НВ400. Регулирование охлаждающей способности газовой среды следует производить по программно заданному режиму путем импульсной квазинепрерывной и/или непрерывной инжекции воды в поток воздуха. В зависимости от химического состава рельсовой стали и начальной температуры рельса не ниже температуры аустенизации следует регулировать расходом газовой среды от 20 до 60 м3/мин на 1 метр погонный рельса, при этом расход инжектируемой воды может составлять до 12 л/мин на 1 метр погонный рельса. Кроме того, содержание воды в газовой среде должно составлять до 0,2 литра воды на 1 метр кубический воздуха. Давление газовой среды регулируемое в пределах от 0,005 до 0,1 МПа.

На рисунке 3 приведена схема управляемой подачи воздуха для регулирования скорости охлаждения рельса после индукционного нагрева.

Рисунок 3 - Схема управляемой подачи воздуха

Предварительная термическая обработка рельсовой стали приведет к формированию поликристаллической структуры, представленной зернами структурно свободного феррита, зернами перлита пластинчатой морфологии и в небольшом количестве зернами «псевдоперлита» (зернами феррита, содержащими включения цементита пластинчатой и глобулярной формы, расположенными хаотически в объеме зерна). Зерна феррита и «псевдоперлита» содержат дислокационную субструктуру в виде сеток и хаотически расположенных дислокаций. В ферритных прослойках перлита выявляется дислокационная субструктура преимущественно в виде хаотически распределенных дислокаций.

После облучения стали высокоинтенсивным лазерным излучением с плотностью энергии до 10 Дж/см2 в поверхностном слое формируется поликристаллическая мелкозернистая дисперсная мартенситная структура, средний размер зерен которой до 0,3 мкм. Для управляемого процесса формирования структуры поверхностного слоя с размером частиц 0,14- 0.3 мкм на глубину до 1.5 мм целесообразно упрочняемую поверхность предварительно охлаждать потоком холодного воздуха как на риунке 3.

Для осуществления процесса лазерного термического упрочнения рельсов со скоростью 1 км/час необходима мощность излучения до 120 кВт при интенсивности до 1*105 Вт/см2 . Тип лазера - СО2 или волоконный.

Для размещения оборудования, выполняющего термообработку необходим один специализированный вагон для индукционного нагрева и охлаждения и два вагона (платформы) для установок лазерного нагрева и охлаждения двух рельсов.

Библиографический список

1. Оптимизация взаимодействия колеса и рельса // Железные дороги мира. - 2003. - № 1.

2. Скоростная очистка рельсов лазерным излучением // Железные дороги мира. - 2005. - № 2.

3. Структура перлита в рельсовой стали после дифференцированной закалки и плазменной обработки / В.В. Коваленко [и др.] // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2002. - № 10.

3

Код для цитирования: Скопировать