СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРУГОЙ КЛЕММЫ ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО СКРЕПЛЕНИЯ И УПРУГАЯ КЛЕММА
METHOD FOR PRODUCING ELASTIC TERMINAL FOR RAIL ATTACHMENT, AND ELASTIC TERMINAL

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к изготовлению пружинного изделия в виде упругой клеммы верхнего строения пути, подверженных высоким нагрузкам в эксплуатации.
Известен способ изготовления упругой клеммы из стали для рельсового скрепления, включающий формообразование клеммы из прутка и термическую обработку (см. RU 2227812 С2, C21D 9/02, 27.04.2004) [1].
Известна упругая клемма рельсового скрепления, выполненная из стального прутка, содержащая петлеобразную среднюю часть, два промежуточных участка, расположенных по обе стороны от нее, две петли опирающиеся на верхнюю часть подошвы рельса (RU 2189417 С2, Е01В 9/48, 20.09.2002) [2].
Известна упругая клемма рельсового скрепления, выполненная из стального прутка с образованием В-образной формы в плоскости клеммы (RU 2252287 С2, Е01В 9/00, 20.05.2005) [3].
В процессе эксплуатации упругие клеммы верхнего строения пути подвергаются длительным нагрузкам в виде изгибающего момента, крутящего момента и их комбинации при воздействии атмосферных осадков различных климатических зон и агрессивного воздействия перевозимых грузов. К материалам, используемым для изготовления клемм, предъявляются специфические требования, а именно: сопротивление малым пластическим деформациям и высокая релаксационная стойкость.
Стабильность упругих характеристик при эксплуатационном содержании упругих клемм обеспечивает высокую удерживающую способность рельсов от угона, стабильную ширину колеи и высокую усталостную прочность клемм при циклическом нагружении.
Наиболее широкое применение для изготовления клемм нашла сталь 60С2А по ГОСТ 14959-79 со сквозной прокаливаемостыо с обеспечением равномерной твердости по сечению - 45-49 HRC.
Известна клемма с градиентом твердости по сечению из стали по ГОСТ 1050-88 -сталь 58 (55ПП).
Сталь 58 (55ПП) содержит, мас.%: углерод 0,55-0,63; кремний 0,10-0,30; марганец <0,20; хром <0,15; никель <0,25; медь <0,25; железо - основа.
Недостатком известной изготовленных из стали клемм является отсутствие стабильности получаемых в процессе термической обработки механических свойств, микроструктуры и твердости по сечению прутков с диаметрами 13-17 мм, а соответственно, и стабильности релаксационной стойкости и циклической долговечности клемм. Отсутствие стабильности указанных характеристик при термической обработке клемм из стали 58 (55ПП) из прутков диаметром 13-17 мм не позволяет добиться оптимальных свойств для упругих клемм с обеспечением стабильных характеристик по удерживающим способностям от угона рельсов, ширины колеи и циклической долговечности. Техническим результатом является обеспечение стабильности механических свойств упругих клемм, релаксационной стойкости и циклической долговечности.
Для достижения технического результата изобретение на способ изготовления упругой клеммы для рельсового скрепления включает выплавку стали при следующем соотношение компонентов, мас.%:
углерод
0,50-0,65
кремний
0,05-0,20
марганец
0,07-0,15
алюминий
0,02-0,09
азот
0,004-0,016
титан
0,025-0,10
ниобий
0,010-0,035
хром
0,05-0,10
никель
0,05-0,10
медь
0,15-0,20
медь
0,15-0,20
железо и
неизбежные примеси
остальное,
получение горячекатаных прутков диаметром 13-17 мм, формообразование из прутка клеммы В-образной формы в плоскости клеммы, нагрев до 850-920°С, охлаждение быстродвижущимся потоком воды в течение 6-8 с и отпуск при 180°C в течение 2 часов с обеспечением в поверхностном слое клеммы структуру мартенсита отпуска, а в сердцевине - троосто-сорбитную структуру.
Для достижения технического изобретения заявлена упругая клемма для рельсового скрепления, выполненная В-образной формы из стального горячекатаного прутка диаметром 13-17 мм, содержащего, мас.%:
углерод
0,50-0,65
кремний
0,05-0,20
марганец
0,07-0,15
алюминий
0,02-0,09
азот
0,004-0,016
титан
0,025-0,10
ниобий
0,010-0,035
хром
0,05-0,10
никель
0,05-0,10
медь
0,15-0,20
железо и
неизбежные примеси
остальное,
подвергнутая закалке быстро движущимся потоком воды и низкотемпературному отпуску, имеющая в поверхностном слое структуру мартенсита отпуска, а в сердцевине - троосто-сорбитную. Предложенное сочетание легирующих элементов и ограничение по содержанию примесных элементов позволяет получить исходную однородную, мелкозернистую структуру стали с баллом аустенитного зерна 10-12 и пониженной прокаливаемостью, что обеспечивает после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска получение оптимальных для клемм механических свойств, в частности прочности, предела текучести и предела упругости.
Размер зерна в стали существенно влияет на ее свойства. Так крупное зерно снижает прочность, пластичность и порог хладноломкости, а также повышает склонность к хрупкому разрушению стали и увеличивает прокаливаемость.
Заявленный интервал содержания углерода обеспечивает необходимые прочность и прокаливаемость. При содержании менее 0,50 мас.% не обеспечивается требуемый уровень прочности и клемма имеет повышенную пластику, а при содержании свыше 0,65 мас.% образуются центры графитизации, вследствие чего снижается релаксационная стойкость и долговечность.
Кремний не только раскисляет сталь, но также упрочняет ее и повышает предел упругости, что увеличивает релаксационную стойкость. При содержании кремния менее 0,05 мас.% прочность и упругость стали становятся ниже допустимого уровня и не достигается необходимый уровень раскисления, а при содержании выше 0,20 мас.% снижается пластичность и сталь охрупчивается.
Марганец не только раскисляет сталь, но повышает ее прочность, упругость, износостойкость и долговечность. При содержании марганца свыше 0,15 мас.% увеличивается прокаливаемость, что для клемм, изготовленных из прутков предлагаемой стали диаметром 13-17 мм, приводит к увеличению глубины упрочненного слоя, снижению уровня сжимающих напряжений в упрочняемом слое и, как следствие, к уменьшению долговечности клемм и повышению их чувствительности к поверхностным концентраторам напряжения.
Введение в сталь алюминия в количестве 0,02-0,09 мас.% позволяет не только раскислить, но и модифицировать сталь, в частности, за счет того, что он связывает кислород и азот в оксиды и нитриды, которые являются эффективными барьерами для роста аустенитного зерна. К тому же чрезмерное введение алюминия более 0,09 мас.% в сталь приведет к ее графитизации, что резко снизит эксплуатационную стойкость клемм, выполненных из этой стали.
Азот упрочняет сталь за счет образования нитридов алюминия, способствующих получению мелкозернистой структуры. Для связывания алюминия с получением нитрида алюминия содержание азота должно быть, по меньшей мере, 0,004 мас.%. При содержании азота свыше 0,016 мас.% излишек азота проявляется в виде пузырьков на поверхности получаемого слитка, что снижает механические свойства, затрудняет дальнейшую его обработку.
Содержание фосфора и серы регламентируется их соотношением для конструкционных сталей.
Титан и ниобий в стали в приведенных диапазонах способствуют получению наследственной мелкозернистости стали.
Микролегирование медью основано на том, что она кристаллизуется в последнюю очередь, концентрируясь по границам зерен, снижая вероятность пережога. Поэтому увеличивается пластичность стали. К тому же медь увеличивает коррозионную стойкость стали, но ее действие на коррозионную стойкость не ощутимо при содержании менее 0,15 мас.%. При содержании меди свыше 0,20 мас.% хрупкие фазы меди приведут к растрескиванию по границам зерен при деформации.
Микролегирование хромом основано на том, что он участвует в твердорастворном упрочнении, однако при содержании менее 0,05 мас.% прочность и твердость стали становятся менее допустимого предела для заданного класса сталей, а при содержании свыше 0,10 мас.% увеличивается прокаливаемость стали выше допустимого значения.
Микролегирование никелем основано на твердорастворном упрочнении и повышении коррозионной стойкости, однако на указанные характеристики никель практически не влияет при содержании менее 0,05 мас.%, а увеличение содержания свыше 0,10 мас.% нецелесообразно из-за увеличения прокаливаемости.
Стабильно получаемая при закалке быстродвижущимся потоком воды структура мартенсита отпуска и троосто-сорбита обеспечивает требуемую твердость поверхностной зоны клеммы 55-60 HRC (мартенсит) и сердцевины 30 - 40 HRC (троосто-сорбит), высокую прочность клеммы, эксплуатационную надежность и долговечность. Структура троосто-сорбита в сердцевине клеммы более благоприятна, чем трооститная структура, наблюдаемая в большинстве стандартных кремнистых пружинно-рессорных сталей, поскольку имеет большую прочность, пластичность и ударную вязкость, что увеличивает долговечность клемм. При этом следует отметить, что при структуре мартенсита в поверхностном слое и троосто-сорбита в сердцевине по сечению прутка клеммы наводится благоприятная эпюра внутренних остаточных напряжений: сжимающие напряжения в поверхностном закаленном слое и растягивающие в сердцевине, что наилучшим образом отвечает нагруженность клемм в процессе эксплуатации.
Пример
Опытные плавки проводили в индукционных печах. Перед разливкой сталь раскисляли и модифицировали введением алюминия, титана и ниобия для обеспечения наследственно мелкозернистой структуры. Состав выплавляемой стали приведен ниже в табл.1. Балл аустенитного зерна составлял 10-12, что свидетельствует о получении наследственно мелкозернистой структуры.
Таблица 1
№
С
Si
Mn
А1
N
Ti
Nb
Cr
Ni
Cu
Fe
1
0,60
0,07
0,10
0,02
0,01
0,025
0,010
0,07
0,10
0,15
основа
2
0,62
0,10
0,15
0,08
0,01
0,1
0,035
0,10
0,10
0,16
основа
Партию, состоящую из 20 образцов, изготавливали из горячекатаных прутков диаметром 13 и 17 мм, которые были подвергнуты термической обработке: закалка быстродвижущимся потоком воды с температуры нагрева 900°C и отпуск при 180°C в течение 2 часов.
Для определения прокаливаемости после закалки быстродвижущимся потоком воды, прутки разрезали, исследовали структуру и измеряли твердость. Толщина закаленного слоя составила 2,5-3,0 мм (для ⌀13 мм) и 3,0-3,5 мм (для ⌀17 мм), твердость поверхности 64-65 HRC (для ⌀13 мм) и 65-66 HRC (для ⌀17 мм), твердость сердцевины 35-40 HRC (для ⌀13 мм) и 30-35 HRC (для ⌀17 мм), критическая скорость охлаждения: 180°C/с (для 013 мм) и 200°C/с (для  ⌀17 мм).
После отпуска при 180°C в течение 2 часов твердость прутков снизилась до следующих значений и составила для партии образцов с диаметрами 13 и 17 мм: в поверхности 56-59 HRC (для  ⌀13 мм) и 56-59 HRC (для  ⌀17 мм), в сердцевине 35-38 HRC (для  ⌀13 мм) и 32-35 HRC (для  ⌀17 мм).
Структура поверхностного слоя после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска во всех образцах представляла собой мартенсит отпуска, а сердцевины - троосто-сорбит.
Испытания на механические свойства проводили на цилиндрических образцах с диаметром 6 мм и расчетной длиной 30 мм, изготовленных из прутков предлагаемой стали в состоянии поставки. Моделирование механических свойств упрочненного слоя, получаемого в клеммах после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска, осуществляли путем закалки образцов указанных размеров с предварительным нагревом в соляной ванне до температуры закалки 900°C и интенсивным охлаждением быстродвижущимся потоком воды в специальном закалочном устройстве. Для определения механических свойств сердцевины цилиндрические образцы указанных размеров изготавливали из сердцевины прутков предлагаемой стали после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска.
в
0,2
0,05
Механические свойства исследованных образцов предлагаемой стали в состоянии поставки составляют: прочность стали σ - 800 МПа, предел текучести σ- 460 МПа, предел упругости σ - 300-350 МПа. Значения указанных свойств в состоянии поставки положительно характеризуют предлагаемую сталь с точки зрения обрабатываемости.
в
0,2
0,05
После закалки, близкой по режиму к закалке быстродвижущимся потоком воды, и отпуска механические свойства предлагаемой стали исследуемых образцов, соответствующие свойствам упрочненного слоя клеммы, составляют: прочность стали σ - 2300-2500 МПа, предел текучести σ - 1950-2000 МПа, предел упругости σ - 1600-1750 МПа.
в
0,2
0,05
Механические свойства сердцевины прудка предлагаемой стали исследуемых образцов после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска составляют: прочность стали σ - 1100 МПа, предел текучести σ - 800 МПа, предел упругости σ - 750 МПа.
Стабильное обеспечение описанного уровня механических свойств в поверхности и в сердцевине клемм является отличительной особенностью предлагаемой стали. Такое сочетание свойств по сечению прутка клеммы означает получение большей прочности, релаксационной стойкости и циклической долговечности как самих прутков предлагаемой стали, так и клемм, изготовленных из нее.
0,2
0,05
0,01
Релаксационная стойкость прутков предлагаемой стали исследуемых образцов после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска, определенная при статических испытаниях прутков на трехточечный изгиб с регистрацией значений пластической деформации, характеризуется следующими показателями: предел текучести σ - 2500 МПа, предел упругости σ - 1950 МПа, предел пропорциональности σ - 1250 МПа.
Релаксационная стойкость самих клемм, изготовленных из прутков предлагаемой стали исследуемых образцов после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска, оцененная по величине остаточной деформации, составляет 0,5 мм (разница между значениями высоты клеммы после третьего и второго обжатия).
Циклическая долговечность, оцененная при испытаниях на трехточечный изгиб прутков предлагаемой стали, составила 5 млн циклов нагружения при пределе выносливости 1100-1200 МПа. Циклическая долговечность клемм, изготовленных из предложенной стали и упрочненных закалкой быстродвижущимся потоком воды и отпуска составляет 2 млн циклов нагружения при двойном перемещении усов клеммы по сравнению со стандартными.
В результате проведенных испытаний установлено, что указанные характеристики стали и клемм, изготовленных из нее, стабильно обеспечиваются во всем диапазоне ее химического состава для диаметров прутков 13-17 мм.
Таким образом, стабилизация структуры обеспечивается способом комплексного легирования, а ограничение содержания компонентов подобрано для эффективного взаимодействия между собой, чем достигается мелкое зерно аустенита (10-12 балл) и получаемая структура мартенсита отпуска и троосто-сорбита в поверхностном слое и сердцевине соответственно высокие эксплуатационные характеристики, в том числе релаксационная стойкость и циклическая долговечность.