Особенности хрупкого разрушения стрелочных переводов

Особенности хрупкого разрушения стрелочных переводов

А.А. Бивалькевич

Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 630092, Россия

Стрелочные переводы являются важным элементом железнодорожных путей. От их качества зависят скорость и безопасность движения железнодорожного транспорта. Развитие скоростных железных дорог требует изготовления неразрывных соединений. Несмотря на то, что технология сваривания рельсовой стали отработана, проблема производства крестовин с приварными рельсовыми окончаниями полностью не решена. Дефектность заводских сварных соединений составляет 7 %. Между рельсовой сталью и промежуточным слоем возникают крупные трещины, которые являются основными дефектами сварного соединения. Исследования показали, что основной причиной разрушения стрелочных переводов является мартенсит, образующийся в сварном соединении высокоуглеродистой стали и переходного слоя.

Peculiarities of brittle fracture of railway switches

A.A. Bivalkevich

The switch is an important element of railway. The speed of movement of trains and reliability of railway depend on quality of switches. With the development of the high-speed railway, the continuous welding is required. Although the technique of welding rail steel has been realized, the welding of frog to rail is only solved partially. In the plant the defect of welding is 7 per cent. Large cracks along a joint between high-carbon steel and intermediate layer are the main defects in the welded joint. The main cause of the destruction of the switches is martensite formed in processes of welding between high-carbon steel and intermediate layer.

Одним из наиболее ответственных элементов стрелочного перевода является крестовина, отлитая из стали Гадфильда, и, в частности, ее соединение с рельсовыми окончаниями. Еще несколько 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 Г адфиль-да. Проведенные исследования показали, что основной причиной разрушения сварного соединения является мартенсит, образующийся в переходной зоне в процессе сварки.

Крестовину с приварными рельсовыми окончаниями в России производят с 1996 г. Как показал зарубежный опыт, применение сварки для соединения крестовины, отлитой из стали Г адфильда, и прилегающих к ней рельсов из высокоуглеродистой стали, позволяет повысить надежность, срок службы стрелочных переводов, уменьшить затраты на их текущее содержание и снизить

расход высокомарганцовистой стали. Основной способ соединения крестовины с рельсовыми окончаниями — контактная стыковая сварка методом пульсирующего оплавления. Такой способ сварки ускоряет нагрев изделий и уменьшает машинное время процесса более чем вдвое по сравнению со сваркой с подогревом и даже непрерывным оплавлением. Сварка производится через хромоникелевую вставку для «совмещения» условий соединения рельсовой стали и стали Гадфильда. Основная проблема, возникающая в процессе сварки при производстве крестовин — трещины, образующиеся в зоне сварки рельсовой и хромоникелевой сталей. Количество бракованных изделий составляло более 7 %, что при таком дорогостоящем производстве вело к значительным убыткам.

Исследования сварного соединения проводили на оптическом микроскопе NU 2E и микротвердомере ПМТ-3. Испытания по схеме «трехточечный изгиб» выполняли на прессе МИИМ 2500-К на Новосибирском стрелочном заводе. Исследования разрушенных образцов проводились в лаборатории динамических воздействий Института гидродинамики имени Лаврентьева Сибирского отделения РАН на микроскопе LEO 420.

© Бивалькевич А.А., 2004

•Л ^ С V

Локализованные А зоны А

4' &* л П*

І Л'

*ґМартенситная прослойка

Ч ....і »',1

Сталь 12Х18Н10Т

Рис. 1. Схема сварного шва между рельсовой и хромоникелевой сталями

Микрорентгеноспектральный анализ проводили в Институте геологии на рентгеновском микроанализаторе типа JXA-5A (JEOL).

Сталь Гадфильда и хромоникелевая вставка относятся к одному структурному классу (обладают аусте-нитной структурой), поэтому их соединение не вызывает особых проблем. Сварной шов получается достаточно ровным без каких-либо дефектов. Рельсовая и хромоникелевая стали относятся к различным структурным классам и значительно отличаются по содержанию легирующих элементов. В результате в процессе сварки в приграничной зоне сварного шва возникают локализованные закаленные зоны и сплошная мартен-ситная прослойка (рис. 1). Исследования микротвердости полностью подтвердили наличие мартенситных зон. Уровень микротвердости локализованных зон достигает 4500-6000 МПа, сплошной мартенситной прослойки — 4000-5000 МПа (рис. 2). Для оценки ка-

4500

3000

1500

Хромоникелевая о Рельсовая

~А сталь 1 \ о о

Видимая . граница ^ сварного шва _| і і і і і і і і 1_

-400 -200 0 200 400

Расстояние от сварного шва, мкм

Рис. 2. Микротвердость сварного шва между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой

Рис. 3. Излом сварного соединения, полученный после испытания по схеме «трехточечный изгиб»

чества сварного соединения были проведены испытания на статический поперечный трехточечный изгиб. В процессе нагружения образцы разрушались по сварному шву между рельсовой и хромоникелевой сталями. Полученный излом характеризуется металлическим блеском и является практически гладким (рис. 3), что сви-

Рис. 4. Результаты микрорентгеноспектрального анализа сварного шва

Рис. 5. Включения сульфида титана в хромоникелевой стали

детельствует о его хрупком характере. Причина такого разрушения — наличие хрупкой высокопрочной структуры в сварном шве. Для уточнения химического состава структур, образующихся в переходной зоне в процессе сварки, был проведен микрорентгеноспектраль-ный анализ образцов в направлении, перпендикулярном линии сварного шва между рельсовой и хромоникелевой сталями (рис. 4). По характеру распределения кривых на диаграмме можно выделить три участка: хромоникелевая сталь, переходная зона и рельсовая сталь. В рельсовой стали наблюдается несколько пиков по содержанию никеля и хрома (с одновременным снижением содержания железа). Появление этих пиков связано с прохождением зонда по закаленным зонам. Таким образом, образование 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 еще более способствует охрупчиванию мар-тенситной прослойки. Важное значение имеют результаты, отражающие распределение титана. В хромоникелевой стали наблюдаются значительные всплески его содержания. Химический анализ показал, что титан содержится в стали в виде сульфидов (рис. 5).

На основании полученных данных можно сделать вывод, что сварное соединение железнодорожной крестовины, отлитой из стали Гадфильда, с рельсовыми окончаниями через хромоникелевую вставку не достаточно надежное. В процессе сварки рельсовой и хромоникелевой сталей в переходной зоне возникает высокохрупкая мартенситная структура. Она вызывает высокий уровень внутренних напряжений и приводит 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 мартен-ситной прослойки в разных сварных соединениях (или даже в пределах одного образца) отличаются. Чем выше уровень микротвердости мартенсита, тем более негативно его воздействие. Кроме этого, на качество сварного соединения отрицательно влияет наличие хрупких включений сульфида титана. Анализ полученных результатов свидетельствует о необходимости изменения технологии стыковой контактной сварки с целью повышения трещиностойкости сварных швов и повышения надежности стрелочных переводов.

Литература

1. Генкин И.З. Сварные рельсы и стрелочные переводы // Путь и путевое хозяйство. - 2000. - № 12. - С. 14-20.

2. Никитин А.С. Контактная стыковая сварка стали Гадфильда с рель-

совой сталью // Сварочное производство. - 2000. - № 9. - С. 3840.

3. Синадский Н.А., Турбина Л.А., Генкин И.З. Сварка высокомарганцовистой и углеродистой стали // Сварочное производство. - 1993. -№ 2. - С. 10-12.

4. Бивалъкевич А.А. Батаев А.А., Батаев В.А. Выявление причин разрушения железнодорожных стрелочных переводов // Материалы Сибирской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск, 2001. - С. 136-137.

5. Синадский Н.А., Генкин И.З., Турбина А.П. Сварка крестовин с рельсами // Путь и путевое хозяйство. - 1994. - № 4. - С. 11-14.

6. Бивалъкевич А.А., Батаев В.А., Батаев А.А. Особенности разрушения железнодорожных стрелочных переводов // Тез. докл. региональной научн. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых «Наука. Техника. Инновации». - Новосибирск: НГТУ, 2001. -Ч.3.- С. 47-48.