Структурные особенности сварного соединения
железнодорожных крестовин с рельсами
, аспирант,
, профессор, канд. техн. наук,
, профессор, доктор техн. наук,
, профессор, доктор техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск
Аннотация
Одним из наиболее ответственных элементов стрелочного перевода является крестовина, отлитая из стали 110Г13Л, и ее соединение с рельсовыми окончаниями. Еще около 10 лет назад соединение этих элементов было разъемным. Однако, как показал зарубежный опыт, более эффективным и экономичным является сварное соединение. Основная проблема, появившаяся в связи с производством крестовин с приварными рельсовыми окончаниями, – хрупкое разрушение сварного соединения по шву между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой, используемой для «совмещения» условий сварки рельсовой стали и стали Гадфильда. Проведенные исследования показали, что основной причиной разрушения сварного соединения является мартенсит, образующийся в переходной зоне в процессе сварки.
Введение
C 1996 года в России освоено серийное производство сварных железнодорожных крестовин. Зарубежный опыт показал [1], что применение сварки для соединения крестовины, отлитой из стали 110Г13Л, и примыкающих к ней рельсов из высокоуглеродистой стали позволяет повысить надежность и срок службы стрелочных переводов, уменьшить затраты на их текущее содержание и снизить расход высокомарганцовистой стали.
Соединение крестовины из стали 110Г13Л с рельсовыми окончаниями является одной из наиболее ответственных зон стрелочного перевода. Способ соединения указанных элементов заключается в контактной стыковой сварке по схеме пульсирующего оплавления. Такой способ сварки ускоряет нагрев детали и уменьшает машинное время процесса более чем вдвое по сравнению со сваркой с подогревом. Высокомарганцовистая сталь относится к числу трудносвариваемых, поэтому сварка ее с рельсовой сталью производится через промежуточную вставку из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Этот материал хорошо сваривается как со сталью 110Г13Л, так и с рельсовой сталью М76 [2 - 4]. Главная проблема, возникающая в процессе сварки, связана с образованием трещин между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой. Количество бракованных изделий даже в пределах 5 ... 7 % приводит к значительным экономическим потерям. Проведенные исследования показали, что основной причиной разрушения сварного соединения является мартенсит, образующийся в переходной зоне в процессе сварки.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования использовались сварные элементы стрелочных переводов производства Новосибирского стрелочного завода (НСЗ). Исследования сварных соединений проводили на оптическом микроскопе NU 2E и микротвердомере ПМТ-3, испытания по схеме «трехточечный изгиб» выполняли на прессе МИИМ 2500-К на НСЗ. Фрактографические исследования разрушенных образцов осуществляли в лаборатории динамических воздействий Института гидродинамики имени Лаврентьева СО РАН на микроскопе LEO 420. Микрорентгеноспектральный анализ проводили в Институте геологии на рентгеновском микроанализаторе типа JXA-5A (JEOL). Для испытаний на ударную вязкость использовался маятниковый копер КМ – 5Т с максимальным запасом энергии 50 Дж.
Результаты и обсуждение
Сталь 110Г13Л и хромоникелевая вставка относятся к одному структурному классу (обладают аустенитной структурой), поэтому их соединение не вызывает особых проблем. Сварной шов получается достаточно ровным без каких-либо дефектов. Косвенно об этом свидетельствуют результаты измерения микротвердости в переходной зоне (рис. 1). В закаленном состоянии сталь 110Г13Л обладает характерной зеренной структурой аустенита, преимущественно свободной от карбидов (рис. 2, а). В некоторых случаях в ней наблюдаются зернограничные карбиды и карбиды игольчатой формы (рис. 2, б). Такая структура является нежелательной и, по всей видимости, связана с нарушением технологии термической обработки сварного соединения.
Рельсовая и хромоникелевая стали относятся к различным структурным классам и значительно отличаются по содержанию легирующих элементов, в результате чего в процессе сварки в приграничной зоне сварного шва возникают новые структуры (рис. 3).
Локализованные закаленные зоны представлены на рис. 4, а, б, участки в виде сплошной мартенситной прослойки - на рис. 4, в, г.
Исследования микротвердости полностью подтверждают результаты металлографических данных. Уровень микротвердости локализованных закаленных зон достигает 4500 ... 6000 МПа, сплошной мартенситной прослойки – 4000 ... 5000 МПа (рис. 5).
Для оценки качества сварных соединений были проведены испытания на статический трехточечный изгиб. В процессе нагружения образцы разрушались по сварному шву между рельсовой и хромоникелевой сталями. Полученный излом характеризуется металлическим блеском и является относительно гладким (рис. 6), что свидетельствует о его хрупком характере. Причина такого разрушения – наличие хрупкой высокопрочной структуры в сварном шве.
Испытания на ударную вязкость показали, что разрушение образцов происходит как по хромоникелевой, так и по рельсовой сталям. Такое непостоянство результатов объясняется, видимо, тем, что в первом случае разрушение идет по мартенситной прослойке, а во втором – по закаленным зонам в зависимости от того, какая из областей обладает более высоким уровнем внутренних напряжений. На рис. 7, а и 7, б представлены фрактограммы изломов хромоникелевой и рельсовой сталей соответственно.
Для уточнения химического состава структурных составляющих, образующихся в переходной зоне в процессе сварки, был проведен микрорентгеноспектральный анализ образцов в направлении, перпендикулярном линии сварного шва (рис. 8). На полученных кривых можно выделить три участка, соответствующих хромоникелевой стали, переходной зоне и рельсовой стали. В рельсовой стали наблюдается несколько пиков по содержанию никеля и хрома (с одновременным снижением содержания железа). Появление этих пиков связано с прохождением зонда по локализованным закаленным зонам. Таким образом, образование отмеченных зон объясняется диффузией хрома и никеля в процессе сварки из хромоникелевой вставки в рельсовую сталь. В зоне видимой границы раздела наблюдается значительный всплеск содержания углерода, что также способствует охрупчиванию мартенситной прослойки. Важное значение имеют результаты, отражающие распределение титана. В хромоникелевой стали наблюдаются значительные всплески его содержания. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что титан содержится в стали в виде сульфидов (рис. 9).
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что сварные соединения железнодорожной крестовины с рельсовыми окончаниями не являются достаточно надежными. В процессе сварки рельсовой и хромоникелевой сталей в переходной зоне возникает высокохрупкая мартенситная структура. Она вызывает высокий уровень внутренних напряжений и может привести к катастрофическому разрушению сварного соединения. При использовании принятой в настоящее время технологии сварки мартенсит образуется практически всегда. Во всех исследованных сварных соединениях мартенсит был обнаружен металлографически. Свойства мартенситной прослойки в разных сварных соединениях (или даже в пределах одного образца) отличаются. Чем выше уровень микротвердости мартенсита, тем более негативно его воздействие. Установлено, что приемлемый уровень микротвердости мартенсита, обеспечивающий достаточную надежность сварного шва, составляет HV ≤ 4000 МПа. На качество сварного соединения отрицательно влияет также наличие хрупких включений сульфида титана. Анализ полученных результатов свидетельствует о необходимости усовершенствования технологии стыковой контактной сварки с целью повышения трещиностойкости сварных швов и надежности стрелочных переводов.
Литература
1. Патент 1819305 СССР Е01 В 11/44. Йоханесс Блумауер. Способ соединения деталей стрелки.
2. Сварные рельсы и стрелочные переводы // Путь и путевое хозяйство. – 2000. – № 12. – С. 14 – 20.
3. Контактная стыковая сварка стали Гадфильда с рельсовой сталью // Сварочное производство. – 2000. – № 9. – С. 38 – 40.
4. Особенности хрупкого разрушения стрелочных переводов // Физическая мезомеханика. – Томск, 2004. – т.7. - ч.1. - С. 199 – 201.
5. , , Особенности хрупкого разрушения сварных соединений разнородных сталей // Ползуновский вестник. – Барнаул, 2004. - №2. - С. 44 – 46.
