УДК 62.408

ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ОБОДА ЦЕЛЬНОКАТАНОГО КОЛЕСА

 

PARAMETERS OF QUALITY OF A SUPERFICIAL LAYER OF THE SOLID-ROLLED WHEEL’S RIM

 

Жуков  Д.А., Иванов И.А.

(Петербургский государственный университет путей сообщения, СПб, РФ)

 

Dmitry A. Zhukov, Igor A. Ivanov.

(St.-Petersburg State University of Means of Communications, St.-Petersburg)

 

Рассмотрены основные параметры качества поверхностного слоя обода колеса, которые в значительной мере определяют эксплуатационные свойства колесной пары.

The main parameters of the quality of the surface layer of the wheel’s rim are considered, which determine the exploitation properties of the wheel pair to a great extent.

 

Ключевые слова: Качество, параметры, поверхность.

Kеy words: quality, parameters, surface.

 

Процесс эксплуатации колесных пар заключается во взаимодействии двух твердых тел – колеса и рельса. При этом поверхностный слой колеса подвергается интенсивному пластическому деформированию и изнашиванию [1,2]. Наружный слой металла обода колеса, имеющий отклонения от номинальной геометрической формы и измененные физико-механические свойства по сравнению со свойствами основного материала, в значительной степени определяет эксплуатационные свойства колеса. На рис. 1 представлена схема основных параметров качества поверхностного слоя обода колеса.

Рисунок 1  - Взаимосвязь качества поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами

 

Рассмотрение качества поверхностного слоя деталей на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, изготовление, контроль, эксплуатация, ремонт, восстановление и утилизация) привело к зарождению учения «инженерия поверхности», которое займет одно из ведущих мест в XXI веке, отмечает А.Г.Суслов в [3]. Учение об инженерии поверхности включает в себя [4] работы по следующим направлениям:

– теоретическая и экспериментальная оценка взаимосвязи эксплуатационных свойств с формой и качеством рабочих поверхностей;

– физическое и математическое описание формирования параметров поверхностного слоя при изготовлении;

– технологическое наследование формы и качества поверхностного слоя, их изменение при эксплуатации;

– модификация рабочих поверхностных слоев при изготовлении и ремонте;

–контроль формы и параметров качества поверхности.

По данным [3] приведены некоторые параметры состояния наружных поверхностей вращения деталей машин после процесса обточки (табл. 1).

 

Таблица 1 - Возможности методов обработки в обеспечении точности размеров и параметров состояния наружных поверхностей вращения деталей машин

Метод

обработки

Квалитет

Параметры состояния поверхностного слоя детали

Hmax, мкм, 1000 мм

Wz, мкм

Smw, мм

Ra, мкм

Rp, мкм

Точение:

черновое

12-14

160-500

6,25-13,0

2,5-10,0

12-40

32-120

получиствое

10-12

80-200

3,2-10

1,2-8,0

2-16

5,0-50

чистовое

8-9

40-100

1,6-4,0

0,8-6,0

0,8-2,5

2,0-8,0

 

Метод

обработки

Параметры состояния поверхностного слоя детали

Sm, мм

S, мм

±σост , МПа

hσ , мм

ин , %

hн мм

Точение:

черновое

 

0,32-1,25

 

0,32-1,25

 

200-300

 

0,10-0,20

 

10-50

 

0,2-0,5

получиствое

0,16-0,40

0,12-0,40

150-250

0,08-0,15

10-40

0,15-0,3

чистовое

0,08-0,16

0,05-0,12

150-200

0,06-0,12

20-40

0,05-0,2

 

В таблице 1 указаны следующие параметры:

Нmax – высота наибольшего выступа волнистости;

Wz – средняя высота волнистости;

Smw – средний шаг волнистости;

Rа – среднее арифметическое отклонение неровностей профиля;

Rp – высота сглаживания профиля шероховатости;

Sm – средний шаг неровностей профиля по средней линии;

Sсредний шаг местных выступов профиля;

± σост – остаточные напряжения;

hσглубина залегания остаточных напряжений;

ин – степень наклепа;

hн – глубина наклепа.

 

В ГОСТ 9036 приведены основные размеры цельнокатаного колеса Размеры профиля поверхности обода также стандартизированы.

Так как отклонения формы и расположения на чертежах колеса не указаны, следует считать, что они назначаются равными допуску размера.

Волнистость поверхности в России не стандартизована. На практике используют отраслевые рекомендации. Имеются рекомендации института машиноведения РАН, в которых волнистость подразделяют на девять классов (IIX) с высотой волны (мкм) от 1 до 250. Ряд построен по закону геометрической прогрессии со знаменателем 2.

Шероховатость профиля поверхности катания обода по параметру Rz (ГОСТ 2789) после механической обработки ограничена величиной 80 мкм. В процессе эксплуатации величина Rz значительно ниже. Как показали исследования [5], [6] и др., в период приработки шероховатость поверхности трущихся пар может меняться. От технологической, полученной в процессе обработки, до эксплуатационной, установившейся в процессе эксплуатации после приработки.

Наряду с шероховатостью претерпевают изменения и другие параметры поверхности трения [3]. Изменению свойств поверхностных слоев трущихся пар посвящены работы [7-10] и другие.

Cиловые и температурные нагрузки на поверхности трения в процессе изготовления и эксплуатации приводят к изменению физико-химического состояния поверхностного слоя. Поверхностный слой, по сравнению с основным материалом, обладает повышенной химической активностью. Атомы, находящиеся у поверхности, имеют односторонние связи и неустойчивое состояние. Это определяет изменение физико-химического состояния поверхностного слоя, которое характеризуют механическими свойствами, структурно-фазовым и химическим составом (рис. 1).

Деформационное упрочнение. При эксплуатации колес наблюдается как упрочнение, так и разупрочнение их поверхностного слоя, поэтому структурные изменения в поверхностном слое металла обода колеса чрезвычайно разнообразны [11].

Структурные изменения при трении протекают в несколько этапов [12]. На начальном этапе происходит увеличение плотности дислокаций, образование их скоплений, формирование ячеистой и фрагментированной структур. Деформационное упрочнение и соответственно тонкая структура по поверхности трущихся пар при этом имеют неравномерный характер, что обусловлено дискретностью контакта при трении. С увеличением пути трения структура поверхностного слоя становится более однородной, стабилизируется. Это связано с окончанием периода приработки. После периода временной стабилизации структуры поверхностного слоя наступает период разупрочнения. Механизм разупрочнения может быть различным.

Интенсивные структурные изменения, обусловленные деформационным упрочнением с последующим разупрочнением, происходят в поверхностном слое при работе в условиях циклических нагрузок. Разнообразные изменения в структуре наблюдаются при нагреве с деформированным поверхностным слоем. Происходящие при этом процессы принято подразделять на возврат (включающий отдых и полигонизацию) и рекристализацию (первичную, собирательную и вторичную).

Под возвратом понимают совокупность всех структурных изменений за исключением тех, которые связаны с движением большеугловых границ зерен. Процессы возврата могут протекать при низких температурах, составляющих десятые и даже сотые доли от температуры плавления Тпл металла. Отдых является первой стадией возврата, на которой снижение внутренней энергии деформированного материала, обусловлено, в основном, аннигиляцией точечных дефектов (рекомбинацией вакансий с межузельными атомами) и их миграцией в стоки (дислокации, границы и т.д.). Твердость и уширение рентгеновских линий при отдыхе меняются мало, однако происходит заметное «восстановление» некоторых физических свойств: электросопротивления, внутреннего трения. При более высокой температуре наблюдается полигонизация, включающая процессы формирования и развития полигональной структуры в результате перераспределения и аннигиляции дислокации противоположных знаков. Дислокации при этом формируют стенки, являющиеся малоугловыми границами  субзерен (полигонов). Размер полигональных субзерен обычно достаточно велик (10-4 …10-2 мм.), они практически не дают вклада в уширение рентгеновских линий, поэтому полигональную субструктуру обычно исследуют микроскопическими методами и методом рентгеновской дифракционной микроскопии. Внутренняя энергия при полигонизации снижается в большей мере, чем при отдыхе. Снижение плотности дислокаций ведет к значительному уменьшению физического уширения рентгеновских линий. Твердость металла снижается в меньшей степени.

Изменение химического состава.  Состояние поверхностного слоя при его эксплуатации непрерывно меняется. Изменение химического состава обусловлено в основном взаимодействием металла с окружающей средой. При этом элементы среды проникают в поверхностный слой детали. Глубина их проникновения зависит от коэффициента диффузии D [13], времени взаимодействия t и может быть оценена величиной ÖDt. Следует отметить, что величина D  зависит от температуры (согласно закону Аррениуса), вида диффундирующего элемента и материала детали. Повышение плотности дефектов кристаллического строения (прежде всего вакансий) может резко повысить D и усилить диффузионные процессы. Согласно первому закону Фика плотность диффузионного потока i-го компонента gi пропорциональна градиенту его концентрации в металле Ñci :

gi = – DiÑci ,

где Di – коэффициент диффузии i-го компонента.

В последнее время большое внимание уделяется наводороживанию поверхностных слоев деталей в процессе трения, что ведет к преждевременному выходу их из строя в результате «водородного износа». Наводороживание поверхностного слоя металла является результатом разложения углеводородных смазочных материалов при трении, а также преимущественной диффузии водорода, содержащегося в металле, к поверхности. Наводороживание оказывает существенное влияние на величину и характер распределения деформации по глубине поверхностного слоя в процессе трения, на величину силы трения.

Изменение фазового состава. Изменение химического состава поверхностного слоя вызывает изменение его фазового состава. Наиболее типичным примером этого процесса является формирование оксидов металлов. Кроме того, к изменению фазового состава ведет и обеднение поверхностного слоя активно корродирующими элементами [11].

Протеканию фазовых превращений способствует и пластическая деформация поверхностного слоя деталей при их эксплуатации.

Фазовые превращения в твердом состоянии обычно сопровождаются возникновением высоких локальных напряжений вблизи частиц выделяющихся фаз, что обусловлено различием в удельном объеме этих фаз, по сравнению с исходными фазами и усилием диффузионных процессов [13].

Остаточные макронапряжения. Макронапряжения, возникающие при обработке заготовок, в процессе эксплуатации колеса изменяются. Устойчивость и закономерности их изменения зависят от вида нагружения, его величины, температуры и продолжительности работы, а также от физико-химического состояния поверхностного слоя [11].

Перераспределение и релаксация макронапряжений происходят в результате пластической деформации металла под действием остаточных макронапряжении и напряжения от внешней нагрузки. Таким образом, макронапряжения изменяются, если сумма макронапряжений и внешнего напряжения превосходит напряжение течения материала. Поэтому устойчивость макронапряжений снижается с ростом их величины и значения внешнего напряжения, а также с уменьшением напряжения течения. Пластическая деформация поверхностного слоя при эксплуатации на величину около 1% приводит к практически полной релаксации макронапряжений. Обычно наблюдается рост макронапряжений с увеличением степени наклепа поверхностного слоя.

Устойчивость макронапряжений резко снижается при эксплуатации в условиях циклического нагружения. Это обусловлено прежде всего тем, что предел текучести при циклическом нагружении значительно ниже, чем при статическом. Кроме того, циклические нагрузки могут привести к заметному повышению температуры металла, интенсифицирующей процесс релаксации остаточных напряжений.

Релаксация макронапряжений зависит и от продолжительности нагружения. Основная их часть снимается в начальный период времени. Если циклическая нагрузка невелика и сумма макронапряжений и максимальной величины циклического напряжения не превосходит «циклический» предел текучести, релаксация отсутствует. При высокой нагрузке наблюдается быстрая релаксация остаточных макронапряжений.

Рассмотренные выше параметры качества поверхностного слоя оказывают наибольшее влияние на эксплуатационные свойства поверхности катания. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят количественно оценить степень их влияния.

 

Список использованных источников

1.        Влияние структуры и механических характеристик колесных сталей на изнашивание и режимы восстановления профиля колесных пар. Монография (под ред. проф. И.А. Иванова и проф. В.С. Кушнера). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. 224 с.

2.        Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог. Монография (под ред. проф. И.А. Иванова).  М.: ИНФРА-М, 2011. 264 с.

3.        Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320с.

4.        Суслов А.Г. Инженерия поверхности деталей – резерв в повышении конкурентоспособности машин // Справочник. Инженерный журнал. 2001. №4. С.3-9.

5.        Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

6.        Хрущев М.М. Исследование приработки подшипниковых сплавов и цапф. М-Л.: изд-во АН СССР, 1946. 146 с.

7.        Костецкий Б.И. Износостойкость металлов. М.: Машиностроение, 1980. 52 с.

8.        Любарский И.М. Повышение износостойкости тяжелонагруженных шестерен. М.: Машиностроение, 1965. 132 с.

9.        Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976. 176 с.

10.    Буше Н.А. Трение, износ и усталость в машинах. М.: Транспорт, 1987. 223 с.

11.    Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин /А.М. Сулина, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

12.    Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И., Босов С.В. Рентгенографический метод исследования структурных изменений в тонком поверхностном слое металла при трении.//Заводская лаборатория. 1973. №3. С.293-295.

13.    Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия, 1974. 280 с.