Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Плазменное поверхностное упрочнение






Плазменное поверхностное упрочнение (закаливание) гребней колесных пар считается основным (наряду с рельсосмазыванием) способом предотвращения износа гребня.

Установка упрочнения колесных пар (УУКП) представляет собой механизм вращения колесной пары и два плазмотрона, установленных непосредственно вблизи рабочей поверхности колес, с профилированным срезом канала на выходе в соответствии с профилем колеса. Вращение колесной пары и режим работы плазмотронов управляются компьютером.

Для генерирования плазмы используются плазмотроны с закрытой электрической дугой косвенного действия, т.е. отрицательный и положительный полюса источника питания подаются на электроды плазмотрона, соответственно, катод и анод, расположенные внутри плазмотрона. При работе плазмотрона сжатая электрическая дуга, горящая между катодом и анодом, стабилизируется вихревым газовым потоком. В качестве плазмообразующего газа используется технический азот т.к. он является нейтральным газом по отношению к электродам. Вольфрамовый наконечник катода впаян в медный держатель. Межэлектродная вставка (сопло) и медный анод служат для создания требуемых электрических параметров дуги. Низкотемпературная плазма образуется при взаимодействии электрической дуги с азотом. Далее плазменная струя формируется в щель преобразователем потока.

Технология термоупрочнения основана на воздействии низкотемпературной плазмы на поверхность обода колеса. Конструкция плазмотрона позволяет за один проход обрабатывать гребень и часть поверхности катания, т.е. область колеса, наиболее подверженную износу, это так называемая область " бокового износа". Нагрев металла производится в g - области до температуры, не приводящей к образованию оплавленного слоя. Охлаждение осуществляется на воздухе и за счет теплоотвода металлом колеса.

На рис. 2.2.3.1. представлено поперечное сечение обода колеса, подвергнутого плазменной обработке, на котором травлением выявлена упрочненная зона. Эта зона имеет вид непрерывной полосы шириной до 70 мм, охватывающей часть поверхности катания (до 35 мм) и гребня (до 35 мм). Максимальная толщина упрочненного слоя – 5 мм.

 

Рис. 2.2.3.1. Поперечный шлиф обода термоупрочненного колеса

 

Структура и свойства термоупрочненного колеса.

При исследовании микроструктуры термоупрочненного и переходных слоев выявлено пять участков с различным типом микроструктуры (рис. 2.2.3.2.):

1. Тонкий поверхностный слой с аустенитной структурой толщиной до 20 мкм (рис. 2.2.3.2 а). Слой прочно связан с металлом колеса, не отслаивается. Наблюдается прорастание игл " фермообразного" мартенсита вглубь данного слоя. Его твердость несколько ниже, чем у прилегающего слоя с игольчатой структурой. Определить точное значение микротвердости не представляется возможным из-за малой толщины слоя. Электронно-микроскопическое исследование показало присутствие в этом слое нитридных фаз, образовавшихся в результате насыщения поверхностных слоев металла азотом, вследствие особенностей технологии плазменной обработки. То обстоятельство, что вблизи поверхности имеется слой аустенита, позволяет предположить, что содержание азота в поверхностном слое может достигать 1.5–2.0% вес.

2. Слой со структурой низкоотпущенного " пакетного" мартенсита с микротвердостью Hm0, 981 = 500 – 740 Н/мм2 (рис. 2.2.3.2 б). Ширина этого слоя достигает 1 мм. Тонкая структура этого слоя включает две составляющие – двойникованные пластины и более тонкие рейки мартенсита. Внутри двойникованных кристаллов мартенсита наблюдаются дисперсные частицы карбидов размером 50–100 мкм.

 

Рис. 2.2.3.2. Изменение микроструктуры с увеличением толщины термоупрочненного слоя

а) на толщине до 20 мкм, б) 0.1 мм, в) 1.0 мм, г)7.0 мм (увеличение в 500 раз).

 

3. Область неоднородной промежуточной структуры, представляющая собой смесь участков троостомартенсита с Hm0, 981 = 420 Н/мм2 и мартенсита с Hm0, 981 = 610 Н/мм2. Ширина этого слоя также до 1 мм (рис. 2.2.3.2 в).

4. Промежуточная структура троостосорбита с Hm0, 981 = 300 – 390 Н/мм2 шириной до 1 мм плавно переходящая к основному металлу.

5. Структура основного металла колеса – сорбит отпуска с участками феррита по границам зерен (Hm0, 981 = 300 – 320 Н/мм2).

Таким образом, плазменная обработка обеспечивает плавный переход от закаленных структур к структурам основного металла колеса, что должно благоприятно сказываться на прочности сцепления термоупрочненного слоя с основным металлом. [9]

 

Рис. 2.2.3.3. Распределение микротвердости по толщине упрочненного слоя

 

С февраля 1996 года в локомотивном Муромское локомотивное депо Горьковской ЖД действует установка УУКП–4, производящая упрочнение выкаченных и новых заводских колесных пар, а с мая 1998 года установка УУКП–4а, упрочняющая колесные пары без выкатки после обточки на станке КЖ–20. Установки упрочнения предназначены для поверхностной закалки (шириной 3–4 мм) гребня и сопряжения гребня и поверхности катания колесной пары. Закалка производится током высокой частоты в среде азота, в результате чего азот переходит в состояние высокотемпературной плазмы. Контроль за процессом компьютеризирован. Компьютер контролирует ток, напряжение, мощность, расход газа, скорость вращения колеса.

Технология плазменного упрочнения разработана ВНИИЖТ совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН и ООО " Современные плазменные технологии".

В состав установки упрочнения колесных пар (УУКП) входят: система электроснабжения, механизм вращения колесных пар, система газоснабжения, система водяного охлаждения, центральный пульт управления (ЦПУ), персональный компьютер (ПК), два плазмотрона.

В качестве плазмообразующего газа используется технический азот, подаваемый от баллонной рампы через редуктор по трубопроводу в ЦПУ. Расход азота через каждый плазмотрон составляет (1÷ 3)*10-3 кг/с, давление азота на входе в электроклапан 0, 5÷ 0, 7 МПа. Для охлаждения плазмотронов используется техническая вода.

Колесные пары, предназначенные для плазменного упрочнения гребней, должны соответствовать ГОСТ 398–96, ГОСТ 3225–80, ГОСТ 11018–87, ТУ 0943–01124328–98, конструкторской и технологической документации, утвержденной в установленном порядке, " Инструкции по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм " ЦТ – 329 от 14.06.1995 г.

Плазменному упрочнению подвергаются колесные пары, прошедшие окончательную механическую обработку поверхности обода бандажа на станке. Механически обработанный бандаж колесной пары должен иметь профиль, установленный " Инструкцией по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм" ЦТ–329 от 14.06.1995 г. После упрочнения дополнительной механической обработки бандажа не требуется.

Не допускается подвергать плазменному упрочнению колесные пары с ранее наплавленными гребнями (о наплавке свидетельствует маркировка на колесе и отметка в паспорте колесной пары).

На поверхности бандажа не должно быть следов загрязнений и масла. Перед плазменным упрочнением должна проводиться дефектоскопия бандажа согласно действующей технической документации.

Колесная пара, поступающая на упрочнение гребней, должна иметь температуру не менее +5°С. Контроль температуры производится мультиметром или другим прибором с пределом измерения от -10°С до +50°С и относительной погрешностью измерений не более 2%.

Плазменное упрочнение гребня бандажа производится за один оборот колесной пары полосой шириной 35–45 мм, определяемой по образующей профиля. Зона упрочнения начинается на расстоянии 5–8 мм от вершины гребня. Глубина зоны упрочнения должна составлять 1, 5–3 мм. Допускается перекрытие начальной зоны упрочнения длиной 15–20 мм. Не допускается повторное упрочнение по упрочненному слою, за исключением вышеуказанной зоны. При аварийном отключении установки дальнейшее продолжение процесса допускается с перекрытием зоны упрочнения длиной 15–20 мм. Повторное плазменное упрочнение гребней возможно только после естественного (эксплуатационного) износа всего упрочненного слоя или после удаления его механической обработкой.

Значение микротвердости, измеряемое на поперечном микрошлифе на глубине 0, 03–0, 05 мм от поверхности упрочненного слоя должно составлять 800±50 HV0, 05 (соответствующего мартенситной структуре) и плавно снижаться через закалочные структуры вглубь бандажа до твердости основного металла. Микротвердость по длине зоны перекрытия не должна иметь резких перепадов.

После плазменного упрочнения производится повторная дефектоскопия бандажа согласно действующей технической документации. Дефекты в виде кратеров и оплавлений более 0, 03 мм в упрочненной зоне не допускаются. При выявлении вышеуказанных дефектов колесная пара поступает на переточку.

В процессе упрочнения производится контроль основных технологических параметров (скорость вращения колесной пары, мощность дуги и расход газа).

Процесс плазменного упрочнения гребней может осуществляться как в автоматическом, так и в ручном режимах. Технологические параметры (скорость вращения колесной пары, мощность дуги, расход газа) должны соответствовать параметрам, при которых проводились периодические испытания. Они указываются в акте, составленном на основании протокола металлографических исследований контрольной колесной пары. Общая последовательность включения установки в ручном режиме следующая:

· включается подача воды в систему охлаждения плазмотронов;

· включается механизм вращения колесной пары и устанавливается заданная скорость вращения;

· устанавливаются плазмотроны на колесную пару;

· включаются источники питания плазмотронов;

· отключение каждого источника питания происходит после полной обработки бандажа.

В автоматическом режиме плазменное упрочнение гребней осуществляется по программе ПК, после установки колесной пары на механизм вращения, включения водяного охлаждения и позиционирования плазмотронов на колесной паре. Автоматизированная система выдает на дисплей ПК информацию об измеряемых и вычисляемых параметрах технологического процесса в виде таблиц и графиков в зависимости от их времени, а также производит запись на жесткий диск ПК. При формировании архивного кадра технологического процесса в ПК вводятся следующие данные: номер оси колесной пары, диаметр бандажей, заводская маркировка каждого бандажа, фамилия оператора (рис.2.2.3.4.).

 

Рис. 2.2.3.4. Данные на дисплее оператора

 

О проведении плазменного упрочнения гребней производится отметка в паспорте колесной пары локомотива с указанием места, даты (числа, месяца, года) и смены. Отметка об обработке делается также в учетной форме ТУ–21. Процесс плазменного упрочнения гребней каждой колесной пары сохраняется в памяти ПК с указанием даты упрочнения, номера колесной пары, заводской маркировки каждого бандажа и фамилии оператора. После плазменного упрочнения гребней на наружной торцевой поверхности бандажей колесных пар наносится желтая контрольная полоса.

Бытующее среди части специалистов и ученых мнение, что значительное превышение твердости гребня колеса над твердостью рельса отрицательно отразится на состоянии пути и приведет к увеличению интенсивности бокового износа рельсов, практикой не подтверждается. Однако плазменное упрочнение позволяет снизить износ гребня. Анализ состояния колесных пар приписного парка локомотивного Муромское локомотивное депо Горьковской ЖД показывает, что у упрочненных колесных пар износ значительно ниже, у неупрочненных.

 

Таблица 2.2.3.1

Интенсивность износа гребней колесных пар электровозов ВЛ10, ВЛ10у приписного парка локомотивного Муромское локомотивное депо Горьковской ЖД на 10 тыс.км пробега

Наименование показателя                
ДМеТИ 0, 17 0, 10 0, 03 0, 08 0, 18 0, 27 0, 35 0, 27
Упр.ДМеТи 0, 08 0, 06 0, 02 0, 06 0, 12 0, 21 0, 21 0, 14
Проф.32 мм 0, 22 0, 24 0, 14 0, 25 0, 24 0, 35 0, 49 0, 33
Упр.проф. 32 мм 0, 18 0, 18 0, 08 0, 20 0, 25 0, 30 0, 47 0, 28
Средний износ, на 10тыс.км.пробега: 0, 15 0, 15 0, 05 0, 10 0, 17 0, 25 0, 29 0, 25

 

Из таблицы 2.2.3.1 изменения интенсивности износа гребней колесных пар видно, что наименьший износ на 10 тыс. км пробега стабильно имеют колесные пары с профилем ДМеТИ ЛР упрочненным. Так среднее значение износа гребней колесных пар за 2013 года составляет: профиль ДмеТИ ЛР - 0, 27 мм, ДмеТИ ЛР с упрочненным гребнем - 0, 14 мм, профиль ГОСТ 11018-87-0, 33 мм, профиль ГОСТ 11018-87 с упрочненным гребнем - 0, 28 мм (рис. 2.2.3.5.)


Рис. 2.2.3.5. Диаграмма интенсивности износа колесных пар электровозов ВЛ10, ВЛ10у приписки локомотивное Муромское локомотивное депо Горьковской ЖД за 2014 г.

локомотив колесный рельсосмазывание лубрикация

Т.е. интенсивность износа гребней электровозов с профилем ДмеТИ ЛР меньше интенсивности износа гребней электровозов с локомотивным профилем.

Таким образом, плазменное термическое упрочнение поверхности колеса повышает сопротивление зарождению и распространению усталостной трещины, износостойкость и эксплуатационный ресурс колес, что является следствием особенностей структурного состояния упрочненного слоя. Возникновение в колесной стали таких структурных составляющих, как аустенит, нитридные фазы, игольчатый мартенсит, становится возможным благодаря насыщению стали азотом в процессе плазменной обработки. При этом концентрация азота в поверхностном слое настолько велика (до 2% весовых), что в результате обработки происходит образование структур, не характерных для простых углеродистых сталей типа 60Г. Можно полагать, что образование такого необычного для этой стали " спектра" структур является одним из основных факторов, обеспечивающих повышенный комплекс механических свойств термоупрочненного колеса.

 







© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.