УДК621.793

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЯ ПОДПЯТНИКА

 

INVESTIGATION OF PHYSICO-MECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE COATING OF THE STRAP

 

Сычев А.П. (Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону, РФ),

Колесников И.В., Новиков Е.С., Василькова Е.А.(Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, РФ), Белоцерковский М.А. (Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь)

 

Sychev A.P.(Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, Russia),Kolesnikov I.V., Novikov E.S.,Vasilkova E.A.(Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia),Belocerkovskiy M.A.(The State Scientific Institution “The Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus”, Minsk, Republic of Belarus).

 

Разработан способ повышения износостойкости пятникового узла путем модифицирования опорной поверхности подпятника электроискровым легированием.

The authors developed a method to increase wear resistance of the center plate reinforcing and mounting arrangement based on modification ofsaddle’s bearing surface by electrospark deposition.

 

Ключевые слова: подвижной состав, пятниковый узел, электроискровое легирование, индентирование, износостойкость.

Key words: railway vehicles, center plate reinforcing and mounting arrangement, electrospark deposition, indentation, wear resistance.

 

Движение подвижного состава в кривых участках пути сопровождается интенсивным трением гребня колеса с боковыми гранями наружных рельсов. Значительное влияние на вписывание оказывает момент сопротивления, возникающий в трибосопряжении «пятник-подпятник» грузового вагона.

Пятниковый узел используется в экипажной части грузовых вагонов для передачи вертикальных и горизонтальных сил от кузова вагона на тележку, и является тяжело нагруженным элементом, подверженным сравнительно быстрому износу. За 12-15 лет толщина зеркала подпятника изнашивается с 30 до 18 мм, внутренний диаметр подпятника увеличивается с 302 до 312 мм и более. Значительный износ снижает надежность узла, нарушает нормальные условия соединения кузова и тележки, приводит к непредусмотренным режимам нагружения надрессорной балки [1].

На основе анализа процессов изнашивания пятникового узла можно утверждать, что малый срок службы существующей пары трения вызывается следующими факторами. В качестве материалов для пятников и подпятников до сих пор применяется литая сталь 20ФЛ, 20ГФЛ и 20ГЛ. Применение для пары трения одного и того же материала приводит к наибольшему изнашиванию. Кроме того, при трении с недостаточным количеством смазки в зоне скольжения сопряжение двух однотипных материалов часто приводит к заеданию, что еще больше усугубляет процесс.

Одним из наиболее перспективных методов создания композиционных покрытий с высокой износостойкостью и низкими коэффициентом трения, работающих при высоких удельных нагрузках представляется метод объединения характеристик полимерных материалов и высокопрочных сплавов. Реализация этого достигается путем создания износостойкого слоя на защищаемой поверхности, который играет роль силового каркаса, препятствующего износу поверхности, а также нанесением поверх этого слоя полимерной композиции, обеспечивающей как достижение требуемого коэффициента трения, так и за счет входящих в состав полимера добавок наноматериалов исключение негативных сегрегационных явлений на поверхности трибосопряжения.

Предлагаемая технология модифицирования опорной поверхности подпятника не нарушает установившуюся и утвержденную ОАО «РЖД» технологию восстановления надрессорных балок грузовых вагонов. Она органично вписывается в применяемый в настоящее время технологический процесс ремонта на завершающей его стадии, перед отправкой восстановленной надрессорной балки на участок сборки тележки вагона.

Новизной предлагаемой технологии является применение известного метода электроискрового легирования (ЭИЛ) поверхности металла с целью придания металлу заданных свойств на определенной глубине. В данном случае применение метода ЭИЛ обеспечивает повышение поверхностной твердости металла, а также его износостойкости. При этом одновременно удается повысить антифрикционные свойства узла трения.

Исследования проводились на шести образцах из стали 20ГЛ, на поверхности которых была выполнена наплавка проволокой ПП-АН180М-Т-Г (ТУ 12 7400-001-18486807-00)в один слой – №1 с высотой валика 2,6 мм; образец №2 с канавкой – наплавка электродом ЭЖТ-1 (ТУ 1272-252-01124323-2008) в один слой, с высотой валика 3 мм и глубиной 3 мм; образцы №1.1 и №1.2 (исходный образец тип №1) – наплавка была срезана до высоты, примерно 1 мм и упрочнена электроискровым способом; образцы с канавкой №2.1 и №2.2 (исходный образец тип №2) – наплавка была срезана до высоты, примерно 1 мм и упрочнена электроискровым способом.

Для исследований были изготовлены образцы из материала надрессорной балки размерами 10×10×3 мм с нанесенным на одну из малых граней модифицирующим покрытием (рисунок 1) с шероховатостью поверхности индентирования не более Ra 0,16.

В ходе анализа изменения механических свойств стали вглубь от поверхности нанесения определялись следующие характеристики (таблица 1).

 

Рисунок 1 - Образец для исследования механических свойств

 

Таблица 1- Измеряемые механические свойства образцов

Наименование показателя

Единицы измерения

Значения (допуск) показателя по НД

Метод, способ определения показателя

Микротвердость,

ГПа

± 0,1

инструментальный

Приведенный модуль,

ГПа

± 5

инструментальный

Микротвердость по Бринеллю

НВ

± 10

расчетно-экспериментальный

Модуль упругости,

ГПа

± 5

расчетно-экспериментальный

Индекс пластичности,

безразм.

± 0,001

расчетно-экспериментальный

Коэффициент,

ГПа

± 0,001

расчетно-экспериментальный

 

Исследования проводились методом наноиндентирования с помощью системы анализа механических свойств материалов на наноуровне «NanoTest 600».

Исследования проводились в специальной закрытой теплоизолированной кабине при постоянной температуре воздуха +25±0,1°С, относительной влажности не более 80±5% и атмосферном давлении в пределах от 630 до 800 мм рт.ст. Перед исследованиями образцы выдерживались в этих же условиях не менее 24 часов.

Результаты исследований изменения по глубине механических свойств образцов с модифицированной поверхностью приведены на рисунках 2 – 5.

Также была произведена оценка погрешностей косвенных измерений величин по ГОСТ Р 50.2.038-2004, согласно которому погрешность косвенных измерений некоторой величины , выражаемой через непосредственно измеряемые величины , определяется выражением

,

где  – абсолютные погрешности измерений непосредственно измеряемых величин.

Абсолютные погрешности измерений величин Ни  в соответствии с документацией к системе «NanoTest 600» составляют 0,02.

 

Рисунок 2- Диаграмма изменения микротвёрдости образцов по глубине

 

Рисунок 3 - Диаграмма изменения модуля упругости образцов по глубине

 

Рисунок 4- Диаграмма изменения индекса пластичности образцов по глубине

 

Рисунок 5- Диаграмма изменения коэффициента образцов по глубине

 

Таким образом, погрешности косвенных измерений величин ,, ,  не превысили следующих значений:

;

 ГПа;

;

 ГПа.

Анализируя приведенные диаграммы, можно констатировать следующее:

1.          Все измеренные и вычисленные показатели для образцов «1» и «2» остаются практически постоянными по всей глубине исследования (до 100 мкм).

2.          В то же время, для образцов «1.1», «1.2», «2.1», «2.2» и «0.2» наблюдается подповерхностный скачок микротвёрдости и модуля упругости.

3.          Индекс пластичности по всей глубине не превышает значений, характерных для крупнокристаллических материалов (металлы, сплавы).

4.          Коэффициент сопротивления пластической деформации  на поверхности покрытий имеет максимум для образцов «1.1», «1.2» и «2.1».

5.          Наибольшую стабильность механических свойств по глубине имеют образцы «1» и «2».

6.          Наиболее высокие по сравнению с другими образцами значения коэффициента сопротивления пластической деформации в тонком поверхностном слое (до 20 мкм) демонстрируют образцы «1», «2» и «0.2».

Список использованных источников

1.      Погорелов Д. Ю. Универсальный механизм 7.0. Износ профилей колес и рельсов. Руководство пользователя [Электронный ресурс].  2012. С. 7–8. Режим доступа: http://www.universalmechanism.com/download/70/rus/ 16_um_wheel_wear.pdf .

 

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №16-58-00165-Бел_а и грант №17-08-00777)