Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Ронжина, Юлия Вадимовна

• Ронжина, Юлия Вадимовна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ронжина, Юлия Вадимовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНДАРТНЫХ И НОВЫХ МАРОК СТАЛЕЙ ДЛЯ УПРУГИХ КЛЕММ С УЧЕТОМ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ЗАКАЛОЧНОЙ СРЕДЫ БЫСТРОДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ВОДЫ

1 Л. Анализ производства упругих клемм рельсовых скреплений

1.2. Анализ нагруженности и повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений

1.2.1. Анализ нагруженности упругих клемм рельсовых скреплений при эксплуатационном содержании

1.2.2. Анализ повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений

1.3. Влияние параметров давления и скорости на закалочное охлаждение стали

1.3.1. Влияние сверхвысокого давления

1.3.2. Влияние нормального давления

1.3.3. Влияние скорости охлаждения

1.3.4. Интенсификация теплообмена в области мартенситных превращений и механизмы упрочнения стали

1.4. Анализ применения принципов объемно-поверхностной закалки для ответственных изделий и перспективы расширения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды на производство упругих клемм рельсовых скреплений

1.4.1. Опыт применения объемно-поверхностной закалки тяжелонагруженных деталей машин

1.4.2. Разработка и развитие индукционной поверхностной закалки

1.4.3. Конструкционные материалы для упругих клемм рельсовых скреплений и влияние легирующих компонентов на их прокаливаемость

1.4.4. Закалочные устройства и охлаждающие среды

Выводы:

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКАЛОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БЫСТРОДВИЖУЩИМСЯ ПОТОКОМ ВОДЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

2.1. Оценка влияния технологических параметров термической обработки на прочность исследуемых сталей для упругих клемм рельсовых скреплений при изгибе

2.2. Образование трещин в стали при закалочном охлаждении в различных средах

2.3. Результаты моделирования температурно-структурного и напряженного состояний в прутках пружинной стали после стандартной термической обработки и закалки быстродвижущимся потоком воды

2.4. Оценка требуемой прокаливаемости составов сталей для упругих клемм рельсовых скреплений с диаметрами прутков 11 мм; 14 мм;

16 мм; 17мм; 19 мм

2.4.1. Постановка задачи

2.4.2. Теоретический анализ кинетики охлаждения в изделиях цилиндрической формы в условиях интенсивного охлаждения

2.4.3. Выбор вариантов химического состава стали для упругих элементов с диаметрами прутков 11 и 14 мм на основе результатов расчета по приведенной методике

2.4.4. Проверка варианта химического состава стали для упругих клемм рельсовых скреплений с диаметрами прутков 16 и 17 мм на основе результатов расчета по методике

2.4.5. Апробация расчетных данных прокаливаемости по методике с результатами экспериментальной работы

2.5. Усталостные испытания различных образцов сталей для упругих клемм рельсовых скреплений после различных вариантов термической обработки

2.5.1. Статистическая обработка результатов усталостных испытаний образцов пружинных сталей

2.5.2. Результаты статистической обработки данных усталостных испытаний

2.6. Исследование кинетики роста зерна аустенита в стали из рельсового передела, стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости 50ПП

2.7. Исследование фазового состава стали рельсового передела после различных режимов термической обработки

2.8. Исследование остаточных напряжений в стали 60С2А и стали пониженной прокаливаемости 55ПП после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска

2.9. Исследование неметаллических включений в сталях пониженной прокаливаемости 50ПП и рельсового передела

2.10. Микрорентгеноспектральное исследование зоны разрушения клеммы ЖБР-65 после усталостных испытаний

2.11. Микрорентгеноспектральное исследование обезуглероженного слоя на стали 60С2А после печного газового нагрева образца со шлифованной поверхностью и горячекатаного

2.12. Определение остаточной деформации после динамических нагружений исследуемых сталей при испытаниях на вертикальном копре

2.13. Исследование влияния обжатия упругих клемм рельсовых скреплений в горячем и холодном состоянии на релаксационную стойкость и циклическую долговечность

Выводы:

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЛИНИЙ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ЗАКАЛОЧНОЙ СРЕДЫ БЫСТРОДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА ВОДЫ

3.1. Установка для входного контроля металлопродукции для производства упругих клемм рельсовых скреплений

3.2. Конструктивные параметры закалочных устройств при использовании в качестве охлаждающей среды быстродвижущегося потока воды и влияние параметров индукционного нагрева и охлаждения на качество термической обработки

3.3. Системы закалочного охлаждения упругих клемм при промышленном применении

3.3.1. Закалочное охлаждение упругих клемм рельсовых скреплений

3.3.2. Оптимизация параметров закалочного охлаждения по скорости охлаждения, давлению и стоимостным параметрам водяных насосов

3.4. Промышленная реализация технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений

Выводы:

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ЗАКАЛОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БЫСТРОДВИЖУЩИМСЯ ПОТОКОМ ВОДЫ СЕРИЙНЫХ КРЕМНИСТЫХ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ, ЭКОНОМНО ЛЕГИРОВАННЫХ, СТАЛЕЙ РЕЛЬСОВОГО ПЕРЕДЕЛА И ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ УПРУГИХ КЛЕММ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

Выводы:

Общие выводы:

Список использованных источников

Приложение 1 Акт о внедрении результатов работы

Приложение 2 Технико-экономическое обоснование эффективности применения технологии объемно-поверхностной закалки и стали пониженной прокаливаемости для производства упругих клемм рельсовых скреплений АРС-4 и ЖБР-65

Приложение 3 Патент на изобретение № 2459877. Способ закалки пружинных клемм и установка для его осуществления

Приложение 4 Патент на полезную модель №114136. Карусельная электропечь для отпуска пружинных клемм рельсовых скреплений

Приложение 5 Патент на полезную модель № 113179. Устройство для нанесения защитного покрытия на пружинные изделия

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений»

ВВЕДЕНИЕ

В любом государстве транспорт во многом определяет уровень экономического и социального прогресса. Ключевую роль в России играют железные дороги и успешное претворение в жизнь стратегии их развития.

В эксплуатационном содержании рельсовых скреплений определена тенденция перехода на упругие рельсовые скрепления, как наиболее прогрессивный вид упругого скрепления, где основным элементом, обеспечивающим надежную эксплуатацию, является упругая клемма из рессорно-пружинной стали. Современные объемы укладки рельсов на железобетонные шпалы, где в качестве крепления и используются упругие клеммы, требует применения при их производстве значительного количества качественной легированной стали.

Опыт производства и эксплуатации упругих клемм рельсовых скреплений выявил необходимость повышения качества клемм. При этом, учитывая большие объемы их изготовления, данная задача должна решаться с учетом наиболее надежных и пригодных для массового производства средствами, обеспечивающими систему ресурсосбережения, принятую на железнодорожном транспорте.

Достижения в области материаловедения, где решаются вопросы прочности и деформируемости материалов и технологии упрочнения рессорно-пружинных сталей, показали перспективы применения для упругих элементов подвижного состава и пути железнодорожного транспорта метода закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды при индукционном нагреве с применением стандартных кремнистых рессорно-пружинных сталей и сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости.

Применение способа закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости (оъемно-поверхностная закалка) показало свое преимущество при упрочнении тяжело нагруженных деталей машин. Разработанный в 60-х годах прошлого

столетия в СССР под руководством профессора К.З. Шепеляковского метод нашел широкое применение в ведущих отраслях промышленности [1].

К преимуществам метода, наряду с обеспечением высокого качества деталей и экономической эффективностью в условиях массового производства, относится относительно простая возможность его реализации во вновь строящихся предприятиях по производству упругих элементов железнодорожного транспорта (винтовые пружины подвижного состава и упругие клеммы рельсовых скреплений) при меньших затратах по сравнению с другими известными методами, такими как ВТМО и др. Метод создает условия для автоматизации процессов производства и улучшения условий труда, что является важным социальным фактором [2].

Последующие исследования [3] позволили расширить преимущества метода при упрочнении не только сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости при индукционном нагреве, но и серийных сталей с применением печного нагрева.

На рис. 1 приведена схема распределения скоростей охлаждения по сечению упругих элементов подвижного состава и пути при закалке быстродвижущимся потоком воды. Применение сталей пониженной и регламентированной прокаливаемое™ (см. рис. 1, а), где глубина упрочненного слоя, определяемая химическим составом, находится в диапазоне 0,15 - 0,25 от диаметра прутка.

Применение кремнистых рессорно-пружинных сталей и экономно легированной стали (см. рис. 1, б) обеспечивает сквозную прокаливаемость.

Развитие положений метода закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды применительно к новому классу сталей требует разработки комплекса теоретических и технологических исследований, которые позволят предложить наиболее рациональное технологическое решение для упрочнения упругих клемм рельсовых скреплений.

Упрочиеншш юна

а)

Рис. 1. Схема распределения скоростей охлаждения по сечению упругих клемм рельсовых скреплений при закалке быстродвижущимся потоком воды:

а - стали пониженной и регламентированной прокаливаемости; б - кремнистые и экономно легированные стали

Известно, что структура и свойства стали определяются химическим составом и температурно-временными параметрами нагрева и закалочного охлаждения. Наиболее изученным является вопрос связи химического состава со структурой. Процессы, происходящие при нагреве и охлаждении стали изучены в меньшей степени. Именно в этой области имеются экономические резервы управления структурообразованием и свойствами металла в готовых изделиях. Технология закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды может существенно повысить прочность изделий за счет формирования структуры мартенсита и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма под влиянием высоких скоростей охлаждения. Получаемый высокий уровень прочности позволяет заменить дорогостоящие высоколегированные стали на экономнолегированные. Закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды способствует созданию однородной структуры или структуры с заданным градиентом по сечению детали в зависимости от марки стали, что в свою очередь позволит создать благоприятное распределение внутренних напряжений, повысить усталостные характеристики изделий и снизить склонность к трещинообразованию.

В связи с этим актуальность представленной работы заключается в разработке ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических решений, позволяющих существенно повысить эксплуатационные характеристики упругих клемм рельсовых скреплений.

Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных технологических решений по применению быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении упругих клемм рельсовых скреплений из различных марок сталей, а также расширение номенклатуры сталей, обеспечивающих в сочетании с новой технологией закалочного охлаждения надежность и долговечность упругих клемм в эксплуатации при высокой степени автоматизации и экологической чистоты производственных процессов.

В связи с изложенным выше, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Повышение усталостной прочности (предела выносливости, циклической долговечности) и релаксационной стойкости упругих клемм рельсовых скреплений.

2. Исследование, разработка и внедрение технологии термического упрочнения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм на расширенной номенклатуре конструкционных материалов (кремнистые рессорно-пружинные стали, рельсовые стали и сталь пониженной прокаливаемости).

3. Исследования технологических особенностей применения быстродвижущегося потока воды при закалочном охлаждении, обеспечивающем равномерный и одновременный отвод тепла по поверхности упругой клеммы с высокой скоростью, и устранение неблагоприятного напряженного состояния в изделии, которое может приводить к образованию закалочных трещин в упругих клеммах.

4. Выявление механизмов упрочнения стали при охлаждении в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды.

5. Выявление технологических параметров термической обработки, обеспечивающих отсутствие закалочных трещин.

6. Разработка нормативной документации на новые конструкционные материалы для упругих клемм.

На основе систематизации и обобщения отечественного и зарубежного опыта производства упругих клемм рельсовых скреплений, а также исследований автора, разработаны теоретические и технологические основы производства новых конструкционных материалов и системы закалочного охлаждения для упругих клемм рельсовых скреплений.

При рассмотрении научных и практических результатов, представленных в данной работе при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений, вводится новое определение. Быстродвижущийся поток воды - это движение охлаждающей жидкости со скоростью (V), достаточной для получения критической скорости охлаждения (УКр.) на заданной толщине изделия в интервале температур диффузионного распада аустенита (720 - 550) °С, обеспечивающей отсутствие закалочных трещин при закалочном охлаждении. Движение охлаждающей жидкости характеризуется подачей воды душированием, потоком или смешанным способом ее движения при соответствующих значениях коэффициентов теплоотдачи аЭфф., Вт/м К:

6-Ю3 т

где Q - количество теплоты, Вт; р - площадь, м2; Аг - разница температур, К.

Решение вопросов, связанных с улучшением работы упругих клемм рельсовых скреплений, позволили сформулировать научную новизну работы, заключающуюся в следующем:

1. Показано, что закалочное охлаждение деталей быстродвижущимся потоком воды формирует их высокопрочное состояние и благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое с компенсирующими растягивающими напряжениями в сердцевине, тем самым

повышая релаксационную стойкость, усталостную прочность и циклическую долговечность клемм.

2. Разработана методика определения склонности сталей к трещинообразованию, заключающаяся в выявлении участков с высокой концентрацией напряжений на образцах сложной конфигурации по перепаду твердости на их поверхности после охлаждения различными способами и последующем подсчете количества трещин на каждом из выявленных участков.

3. По предложенной методике исследовано влияние геометрических параметров и способов охлаждения детали на склонность к трещинообразованию при закалке. Показано, что в условиях быстродвижущегося потока воды не возникает перепада твердости по поверхности детали, то есть отсутствуют концентраторы напряжений вследствие интенсивного и равномерного по поверхности отвода тепла.

4. Выявлены механизмы упрочнения в условиях барботирования и быстродвижущегося потока воды. Показано, что в условиях барботирования упрочнение является результатом мартенситного превращения и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков, а в условиях быстродвижущегося потока воды - за счет мартенситного превращения при высокой скорости охлаждения и увеличения плотности дислокаций в результате интенсификации сдвигового механизма.

5. Установлены технологические параметры термической обработки сталей, обеспечивающие отсутствие трещин.

6. На основе расчетной модели объяснены принципы формирования остаточных напряжений в упругих клеммах рельсовых скреплений с учетом структурных превращений и температурных полей при закалочном охлаждении различными средами.

Практическая значимость работы:

1. Обоснованы возможность и целесообразность применения закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для повышения усталостной

прочности, релаксационной стойкости и циклической долговечности упругих клемм.

2. Разработана новая экономнолегированная сталь пониженной прокаливаемости 501И1 для производства упругих клемм (ТУ 1150-00301055960-2012).

3. Показано, что термическое упрочнение в условиях быстродвижущегося потока воды позволяет заменить экологически вредные закалочные среды, такие как масло и полимеры, на воду при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды для всей номенклатуры сталей любой степени легирования, применяемых при производстве упругих клемм при одновременном повышении их эксплуатационных характеристик.

4. Показано, что использование стали пониженной прокаливаемости и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды делает возможным применение при производстве упругих клемм дешевого проката с более низкой чистотой поверхности без значительного изменения предела выносливости.

5. Экономический эффект от использования для изготовления клемм новой стали пониженной прокаливаемое™ и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды составляет 238 млн. руб./год при годовом объеме выпуска 15 600 000 клемм.

6. Реализовано промышленное внедрение технологии закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений на предприятии Сфера-21 (г. Воронеж).

Таким образом, положительный опыт применения технологии закалки упругих клемм рельсовых скреплений быстродвижущимся потоком воды позволяет считать данное технико-технологическое направление стратегически важным и перспективным при решении вопросов реконструкции массовых производств или организации новых технологических линий по выпуску упругих клемм рельсовых скреплений, где вопросы качества, стабильности производства, долговечности и надежности продукции, и безопасности эксплуатации являются ключевыми.

Основные результаты докладывались и обсуждались:

на научно-техническом семинаре: «Проблемы транспортного материаловедения». Разработка и внедрение новой технологии термической обработки упругих клемм верхнего строения пути верхнего строения пути и подвижного состава. ОАО «ВНИИЖТ», 22 декабря 2010 г.

- на V-ой Евразийской научно-практической конференции: «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ)». НИТУ МИСиС, 22 апреля 2010 г.

- на международной конференции «Колесо-рельс» г. Дрезден. Tagungssektion TS3: Neue Produktionstechnologie von Großschraubenfedern. 24 Februar, Dresden, 2011.

- на конференции ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» по проблемам железнодорожного транспорта. «Обоснование выбора технологических решений при закалочном охлаждении упругих элементов подвижного состава и верхнего строения пути», 13 апреля 2011 г.

- на Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященные 40-летию лаборатории ТМО, созданной профессором М.Л.Бернштейном. НИТУ МИСиС, 27 октября 2011 г.

- на международной конференции «Колесо-рельс» г. Дрезден. Tagungssektion TS3: Einige Aspekte zur Hochgeschwindigkeitswasserhärtung von zylindrisch. Eisenbahnschraubenfedern. 13 September, Dresden, 2012.

- на научно-техническом семинаре: «Проблемы транспортного материаловедения» по рассмотрению материалов диссертационной работы Ронжиной Юлии Вадимовны на тему: «Термическое упрочнение быстродвижущимся потоком воды упругих клемм рельсовых скреплений». ОАО «ВНИИЖТ», 4 октября 2012 г.

Материалы диссертации опубликованы в материалах конференций, научно-технических журналах, в том числе рекомендованных ВАК, материалах международных конференций и патентах.

Работа выполнена в соответствии с планами ОАО «РЖД».

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Ронжина, Юлия Вадимовна

Общие выводы:

1. Анализ схем нагружения и повреждаемости упругих клемм рельсовых скреплений в эксплуатации показал, что основными нагруженными зонами являются поверхностные слои прутка клеммы в местах возникновения наибольшего уровня растягивающих напряжений.

2. Исследования влияния давления и скорости закалочной среды позволили оптимизировать параметры закалочного охлаждения в случае использования быстродвижущегося потока при упрочнении упругих клемм. Установлено, что необходимый теплоотвод, обеспечивающий быстрое и равномерное по поверхности детали охлаждение, а следовательно, и минимальную склонность к трещинообразованию, достигается при смешанном движении воды по схеме «душирование + поток», давлении воды - от 0,5 до 1,0 атм., скорости воды - от 5 до 10 м/сек).

3. Оценка влияния технологических параметров термической обработки исследуемых сталей на их прочность при изгибе показала, что закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды является наиболее перспективным вследствие своей универсальности по отношению ко всей гамме сталей, применяемых для изготовления клемм, экономической эффективности и экологической безопасности. Показано, что прочность сталей после закалки быстродвижущимся потоком воды повышается в 1,4 - 2,0 раза по сравнению с закалкой в масле, спокойной и барботирующей воде.

4. Выявлен механизм повышения прочности стали при закалочном охлаждении быстродвижущимся потоком воды. Упрочнение происходит вследствие мартенситного превращения за счет высокой скорости охлаждения и повышения плотности дислокаций вследствие сдвигового механизма. Выявлен механизм повышения прочности стали при закалочном охлаждении в барботирующей воде. Показано, что упрочнение является результатом совокупного действия мартенситного превращения при быстром охлаждении и пузырькового кипения за счет ударного воздействия захлопывающихся кавитационных пузырьков.

5. Разработана методика определения склонности к трещинообразованию сталей, применяемых для производства упругих клемм рельсовых скреплений. По предложенной методике исследовано влияние геометрических параметров и способов охлаждения детали на склонность к трещинообразованию при закалке. Показано, что в условиях быстродвижущегося потока воды не возникает перепада твердости по поверхности детали, то есть отсутствуют концентраторы напряжений вследствие интенсивного и равномерного по поверхности отвода тепла.

6. Расчетное и физико-математическое моделирование процессов термической обработки упругих клемм позволило объяснить принципы формирования временных и остаточных напряжений в определенные отрезки времени. Адекватность построенной модели подтверждена результатами замера остаточных напряжений рентгеновским методом 8Н12\|/. Показано, что закалочное охлаждение быстродвижущимся потоком воды формирует в поверхностном слое детали сжимающие напряжения и компенсирующие растягивающие напряжения в сердцевине. Закалочное охлаждение в спокойной воде приводит к формированию в поверхностном слое детали растягивающих напряжений, приводящих к возникновению и росту трещин.

7. Разработана новая экономнолегированная сталь пониженной прокаливаемости 50ПП для производства упругих клемм и ТУ 1150-00301055960-2012 на ее изготовление. Хорошая сходимость результатов расчета прокаливаемое™ и экспериментальных данных подтверждена на промышленных и лабораторных плавках.

8. Апробирована технология закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды для всей номенклатуры сталей, применяемых и впервые разработанных для производства упругих клемм. Промышленное внедрение новой технологии реализовано на предприятии «Сфера 21» (г. Воронеж). Показано, что срок службы упругих клемм, изготовленных по новой технологии, в 1,4 раза больше по сравнению с серийной технологией производства.

9. Комплекс исследований по оценке усталостной прочности сталей со сквозной и пониженной прокаливаемостью, с различной чистотой поверхностного слоя, после закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды показал (10 - 30) %-ное увеличение предела выносливости по сравнению с серийными технологиями упрочнения; повышение предела выносливости горячекатаного проката стали с пониженной прокаливаемостью на 25 % по сравнению со сквозной прокаливаемостью, а по сравнению с рельсовым переделом на 80 %; повышение предела выносливости калиброванного проката стали с пониженной прокаливаемостью на 10 % по сравнению со сквозной прокаливаемостью и на 30 % по сравнению с рельсовым переделом.

10. Применение стали пониженной прокаливаемости и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды дает возможность использовать для производства клемм более дешевый горячекатаный прокат (с более низкой чистотой поверхности) вместо калиброванного, так как различие в их пределах выносливости невелико и составляет 8,5 %.

11. Анализ результатов на ударный изгиб показывает, что сталь пониженной прокаливаемости имеет более высокие показатели по восприятию прикладываемой нагрузки без пластической деформации - на 30 % выше при температуре +20 °С и на 25 % выше при температуре минус 60 °С - по сравнению со сталями, имеющими сквозную прокаливаемость.

12. Стендовые испытания по оценке остаточной деформации и усталостной прочности клемм подтвердили преимущества закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды, так как показали увеличение релаксационной стойкости клемм на (10 - 30) % с сохранением требуемого уровня циклической прочности.

Расчет экономической эффективности от использования для изготовления клемм новой экономнолегированной стали 50ПП и закалочного охлаждения быстродвижущимся потоком воды, показал, что экономический эффект составляет 238 млн. руб./год при годовом объеме выпуска 15 600 000 клемм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ронжина, Юлия Вадимовна, 2013 год

Список использованных источников

1. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. -М.: Машиностроение, 1972 - 288 с.

2. Шепеляковский К.З., Ушаков Б.К. Индукционная объемно-поверхностная закалка как эффективный метод экономии материальных ресурсов // МиТОМ,- 1984,- № 6,- С. 51-54.

3. Федин В.М. Объемно-поверхностная закалка деталей подвижного состава и верхнего строения пути. -М.: Интекст, 2002. -208 с.

4. ГОСТ 14959-79. Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия. - М.: ИПК стандартов, 2008.

5. ЦП 369 ТУ-1. Клемма пружинная ЖБР. Технические условия.

6. ТУ 3185-001-1115863-2004. Клемма анкерного рельсового скрепления АРС-4. Технические условия.

7. Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И., Егоров Д.И. Применения рельсового передела в качестве конструкционных материалов для упругих клемм верхнего строения пути на железнодорожном транспорте // Вестник ВНИИЖТ,- 2011,- № 3,- С. 29-33.

8. ТМ 37-36-10. Клеммы пружинные бесподкладочного раздельного рельсового скрепления ЖБР-65. Типовая методика испытаний. Борц А.И., Базанов Ю.А., Ронжина Ю.В. - 19 с.

9. ТМ 04-17-06. Клеммы пружинные анкерного рельсового скрепления АРС-4. Типовая методика испытаний.

10. ТМ 37-54-11. Клеммы прутковые промежуточного рельсового скрепления. Типовая методика испытаний.

11. Мониторинг качества упругих клемм рельсовых скреплений железнодорожного пути и повышение их эксплуатационной стойкости и надежности. // Отчет о НИР / Руководитель Федин В.М.- ВНИИЖТ, № 10.2.001.Р - 2008,- 57 с.

12. Ермаков В.М. Скрепления для железобетонных шпал: требования, обоснование, оценка // Путь и путевое хозяйство.— 2009 — № 1 — С. 10 — 13 — №2,-С. 9- 17.

13. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. № ЦП-774 (в ред. указаний МПС РФ от 30.05.2001 № С-950у, от 29.03.2002 № С-264).

14. Проведение конечно-элементных вариантных расчетов прутковой клеммы скрепления ЖБР-65 // Отчет о НИР / Руководитель Аксенов Ю.Н.-ВНИИЖТ, № 399р/01,- 56 с.

15. Bundy F.Р. Pressure - Temperature Diagram of Iron to 200 kBar, 900 °C.- «Journal of Applied Physics» vol. 36,- № 2,- 1965.

16. Красильников O.M., Векилов Ю.Х., Бондаренко Н.Г. Особенности структурных превращений в металлах при сверхвысоких давлениях // Тяжелое машиностроение - 2010 - № 10 - С. 7 - 10.

17. Кобаско Н.И. Закалка стали в жидких средах под давлением. - К.: Наукова Думка,- 1980. - 208 с.

18. Кадинова A.C., Кривиженко В.И. Исследование охлаждающей способности сопел различных конструкций // МиТОМ,- 1968.- № 3-С. 27-30.

19. Кадинова A.C., Хейфец Г.Н. Факторы, влияющие на теплообмен при струйном охлаждении водой // МиТОМ,- 1974,- № 1,- С. 10-14.

20. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали. - К.: Техшка, 1975 - 304 с.

21. Курдюмов Г.В. Явления закалки и отпуска стали. - М.: Метал лургиз дат, 1960.

22. Курдюмов Г.В. Бездиффузионные (мартенситные) превращения в сплавах.- /Журнал технической физики/ т. 18, Вып. 8, 1998.

23. Курдюмов Г.В. К теории мартенситных превращений.- В сб.: Проблемы металловедения и физики металлов. Вып. 3. - М.: Металлургиздат. 1952.

24. Курдюмов Г.В., Перкас М.Д. О закалке нелегированного безуглеродистого железа - ДАН СССР. т. III, № 4, 1956.

25. Курдюмов Г.В. О закалке нелегированного безуглеродистого железа // Журнал экспериментальной и теоретической физики - 1948,- т. 18.-Вып. 4.

26. Морозов О.П. О некоторых закономерностях превращения в железе при охлаждении с высокими скоростями // Физика металлов и металловедение-1971,-т. 32.-Вып. 6.

27. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стадии. - М.: Наука, 1977 - 240 с.

28. Чудина О.В., Александров В.А., Фатюхин Д.С. Влияние ультразвуковой кавитации на состояние поверхности конструкционных сталей // Упрочняющие технологии и покрытия.- 2011.- №2 - С. 3-6.

29. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. Под общ. ред. О.В. Абрамова и В.М. Приходько - М.: Янус-К, 2006 - 688 с.

30. Ушаков Б.К., Шепеляковский К.З., Федин В.М., Кузнецов A.A.,

<

Кузнецова Н.Ю. Развитие способа объемно-поверхностной закалки для тяжелонагруженных изделий и деталей машин // Сталь - 2001.- № 11.- С. 6468.

31. Шепеляковский К.З., Латышкова Ц.П., Амбарцумян В.Х. Сопротивление усталостному разрушению листовых образцов-моделей после объемно-поверхностной закалки // Поверхностные методы упрочнения металлов и сплавов в машиностроении - М.: МДНТП, 1983 - С. 114-118.

32. Шепеляковский К.З. Технология индукционной поверхностной закалки // Термическая обработка в машиностроении: Справочник под ред. Ю.М. Лахтина и А.Г. Рахштадта. - М.: Машиностроение, 1980. С. 242-274.

33. Шепеляковский К.З. Поверхностная и объемно-поверхностная закалка как средство упрочнения... // МиТОМ,- 1983,- № 11- С. 8-14.

34. Шепеляковский К.З. Объемно-поверхностная закалка как способ повышения прочности, надежности и долговечности деталей машин // МиТОМ,- 1995,- № 11,-С. 2-9.

35. Рессоры автомобильные // Продукция // Чусовской металлургический завод: официальный сайт. - URL: http://www.chmz.ru/common/img/uploaded/files/Catalog_OMK.pdf (дата обращения 15.06.2011 г.).

36. Ушаков Б.К., Любовцов Д.В., Путимцев Н.Б. Объемно-поверхностная закалка мелкомодульных шестерен из стали 58 (55ПП) производства ОЭМК // Материаловедение - 1998 - № 4- С. 31-35.

37. Островский Г.А., Рыскинд A.M. Влияние распределения остаточных напряжений сжатия на концентрацию результирующих напряжений... //МиТОМ,- 1977,-№ 9,-С. 33-37.

38. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. -М.: Машгиз, 1951,—273 с.

39. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963.- 232 с.

40. Баранов С.М. Отпускная хрупкость и зависимость ее от металлургических факторов // МиТОМ- 1956 - № 12 - С. 40-45.

41. Федин В.М. Объемно-поверхностное упрочнение деталей железнодорожного транспорта быстродвижущимся потоком воды // МиТОМ.-1996,-№9,-С. 2-6.

42. Федин В.М., Шур Е.А., Ушаков Б.К. Закалка быстродвижущимся потоком воды низколегированных сталей для железнодорожного транспорта // МиТОМ,- 1994,-№ 10.-С. 20-22.

43. Федин В.М., Строк Л.П., Девяткин В.П., Болдырева Е.В. Новая технология упрочнения рельсовых подкладок // Вестник ВНИИЖТ- 1991-№ 5,- С. 37-39.

44. B.K.Ushakov, K.Z. Shepeljakovsky. New Steels and Methods for Induction Hardening of Bearing Rings and Rollers // Bearing Steels: Into the 21st Century. ASTM STP1327. P. 307 - 320 / J J. Hoo, W.B. Green, Eds., ASTM, 1998.

45. Ушаков Б.К., Ефремов B.H., Шишимиров В.А. Особенности закалки быстрорежущей стали при индукционном нагреве // Технология металлов,-1999,-№4,-С. 2-4.

46. Ушаков Б.К., Братков A.JI., Скрягин В.И., Ефремов В.Н. Опыт применения объемно-поверхностной закалки крупногабаритных колец подшипников // Подшипниковая промышленность,- 1989.- № 4.- С. 29-34.

47. Федин В.М., Борц А.И. Новый технологический процесс производства пружин тележек грузовых вагонов // Железнодорожный транспорт. - 2009.- № 4 - С. 46-47.

48. Головин Г.Ф., Зимин A.B. Технология термической обработки с применением индукционного нагрева. -М.: Машиностроение, 1979.- 120 с.

49. Кузнецов A.A. Исследование свойств сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости после электротермической обработки и низкого отпуска. Автореферат диссерт. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - М.: 1975.- 50 с.

50. Вологдин В.П. Поверхностная закалка индукционным способом. М.: Металургиздат, 1939 - 244 с.

51. Вологдин В.П. Поверхностная индукционная закалка. М. Оборонгиз, 1947.

52. Слухоцкий А.Е. и Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. М.: Машгиз, 1954.

53. Бабат Г.И. индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. 2 изд.: М. - Л, 1965.

54. Кидин И.Н. Термическая обработка стали при индукционном нагреве. - М.: Металлургиздат, 1950.

55. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. -М.: «Металлургия», 1969.

56. Шепеляковский К.З. К пятидесятилетию индукционной поверхностной закалки // МиТОМ- 1980 - № 8 - С. 2-10.

57. Латышкова Ц.П. Сопротивление разрушению конструкционных сталей после электротермической обработки: Диссертация канд. техн. наук,— М., 1981.- 161 с.

58. Шепеляковский К.З., Девяткин В.П., Бернштейн Б.О. Прочностные характеристики высокоуглеродистой стали регламентированной прокаливаемости после объемно-поверхностной закалки // МиТОМ,- 1975-№ 5.-С. 40-44.

59. Шкляров И.Н. Поверхностная закалка при глубинном индукционном нагреве полуосей грузовых автомобилей ЗИЛ-130 // МиТОМ,-1966,-№ 7.-С. 33-39.

60. Шкляров И.Н. Сопротивление малым пластическим деформациям валов, подвергнутых поверхностной индукционной закалке // Вестник машиностроения.- 1967.-№ 12-С. 59-63.

61. Шепеляковский К.З., Девяткин В.П., Ушаков Б.К. Индукционная поверхностная закалка деталей подшипников качения // МиТОМ - 1974 - № 1,-С. 17-21.

62. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы,— М.: Металлургия, 1982,- 400 с.

63. Ушаков Б.К., Ефремов В.Н., Колодяжный В.В., Скрягин В.И., Дуб Л.Г. Новые составы подшипниковой стали регламентированной прокаливаемое™// Сталь,- 1991-№ 10,-С. 62-65.

64. Гольдштейн Я.Е., Спиркина Г.В., Долинин Д.П. Влияние условий выплавки и раскисления на прокаливаемость подшипниковой стали // МЧМ СССР / Инструментальные и подшипниковые стали - М.: Металлургия, 1973.— № 1.-С. 101-110.

65. Панфилова JI.M., Смирнов JI.A. Уникальные свойства сталей нового поколения, микролегированных ванадием и азотом // Сталь - 2010.-№ 5,-С. 117-121.

66. Гольдштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э., Панфилова Л.М. Упрочнение конструкционных сталей нитридами.- М.: Металлургия, 1970.— 224 с.

67. Pilling N., Lynch Т.- Trans. Of the Am. Inst. Of Mining. Engrs., 1919, v. LXII.

68. Петраш JI.B. Закалочные среды. -M.: Машгиз, 1959, 112 с.

69. Зимин Н.В. Применение регулируемого душевого охлаждения при закалке сталей // МиТОМ,- 1977,- № 2 - С. 31-35.

70. Зимин Н.В., Акимов И.К., Геденидзе E.H. Новые охлаждающие системы для термической обработки деталей и полуфабрикатов // МиТОМ-

1983,-№3,-С. 2-6.

71. Гудремон Э. Специальные стали. - М.: Металлургия, 1966, т. 1,

736 с.

72. Кузнецов A.A., Инглези Ю.Х. Охлаждающие среды для поверхностной индукционной закалки деталей // МиТОМ.- 1988 - № 10 - С. 27-30.

73. Повышение долговечности коленчатых валов дизелей / В.Г. Кислов, С.С. Исхаков, A.A. Кузнецов, H.A. Кострюков // Тракторы и сельхозмашины.-

1984,-5,-С. 29-32.

74. А. с. 520409 СССР, МКИ С 21 Д 9/08; С 21 Д 1/56. Способ закалки трубчатых деталей.

75. Горюшин В.В., Кобаско Н.И. Свойства закалочных сред на водной основе с добавками полимера ПК-2 // МиТОМ - 1984- № 7 - С. 29-32.

76. Охлаждающая способность водного раствора полимера ПК-2 при различных температурах / Н.И. Кобаско, Ю.И. Швец, Н.М. Фиалко и др. // МиТОМ,- 1985,- № 9,- С. 2-5.

77. А. с. 1237714 СССР МКИ С 21 Д 9/02, Д 9/46. Способ изготовления листов из стали с регламентированной прокаливаемостью / Шепеляковский К.З., Недорезов В.А, Ушаков Б.К. и др. Б.И. № 22, 1968.

78. Опыт разработки и внедрения в производство негорючих закалочных сред на водной основе и методы контроля их охлаждающей

способности / Материалы Всесоюзного семинара.- Волгоград, 17-19 ноября, 1982.- 102 с.

79. Беланов A.A., Кутьев А.П., Мирзабекова Н.С., Ксенофонтов А.Г., Шевченко С.Ю. Исследования полимерной закалочной среды ЗАК-ПГ // МиТОМ,- 1999.- № 2,- С. 7-8.

80. Коршак В.В. Химическое строение и температурные характеристики полимеров. - М.: Наука, 1970.- 420 с.

81. Борисов И.А., Голанд Л.Ф. Охлаждение крупных поковок в водно-воздушной смеси // МиТОМ,- 1988,- № 10,- С. 17.

82. Астафьев A.A., Левитан Л.М. Регулируемая закалка: спрейерное и водовоздушное охлаждение // МиТОМ - 1999.- № 2.- С. 9-12.

83. Большаков В.И., Стародубов К.Ф., Тылкин М.А. Термическая обработка строительных сталей повышенной прочности. - М.: Металлургия, 1977.- 200 с.

84. Майсурадзе М.В., Эйсмонд Ю.Г., Юдин Ю.В. Определение оптимальных конструктивных параметров водокапельных охлаждающих устройств // МиТОМ,- 2010.- № 10,- С. 53-60.

85. Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Капуткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. - М.: Металлургия, 1983,- 430 с.

86. Шаврин О.И., Исмагилов М.М. Повышение прочности и долговечности деталей машин. - Ижевск.: 1974, С. 20-28.

87. Редькин Л.М., Шаврин О.И., Потапов A.C. Повышение долговечности жестких пружин высокотемпературной термомеханической обработкой // В кн. Конструирование и технология изготовления пружин. -Устинов, 1986, С. 83-91.

88. Дементьев В.Б., Редькин Л.М. Технология изготовления крупных пружин с упрочняющей обработкой // В сб. Повышение качества пружин, торсионов и рессор. Под ред. Л.М. Редькина, В.М. Колмыкова. - Белорецк.: Оникс, 2001,- 160 с.

89. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г., Свяжин А.Г. и др. Упрочнение микролегированных азотом среднеуглеродистых конструкционных сталей при ВТМО с деформацией радиально-сдвиговой прокаткой // МиТОМ.- 2011-№ 6,-С. 18-23.

90. Кисин В.И., Ковригин В.А., Куликова H.A. Магнитные свойства и электропроводность сталей 58 (55ПП) и 47ГТ после закалки и отпуска // МиТОМ.- 1984,- № 7,- С. 12-14.

91. Иоффе А.Ф. Физика кристаллов. - М.: Госиздат, 1929 - 192 с.

92. Малинкина Е.И. Образование трещин при термической обработке стальных изделий. -М.: Машиностроение, 1965,- 176 с.

93. Гуляев А.П. Металловедение. -М.: Оборонгиз, 1951.-484 с.

94. Технология термической обработки сталей / Ю.А. Башнин, Б.К. Ушаков, А.Г. Секей. - М.: Металлургия, 1986 - 424 с.

95. Вафин Р.К., Покровский A.M., Лешковцев В.Г. Прочность термообрабатываемых прокатных валков. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.- 264 с.

96. Моделирование структурного состояния и напряжений в прокатных валках при закалке с индукционного нагрева / A.M. Покровский, В.Г. Лешковцев, A.A. Полушин, Е.Б. Бочектуева // МиТОМ - 2010 - № 9 - С 40- 43.

97. Попов A.A., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита: Справочник термиста. -Свердловск: Машгиз, 1961.-430 с.

98. Рыжков М.А., Попов A.A. Методические вопросы построения термикинетических диаграмм превращения переохлажденного аустенита в низколегированных сталях // МиТОМ - 2010 - № 12 - С. 37-41.

99. Траянов Г.Г., Липунов Ю.И. Использование термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита для расчета процесса закалки стальных изделий при переменной скорости охлаждения // МиТОМ.- 2010-№ 12,-С. 34-37.

100. Моделирование температурно-структурного и напряженного состояний в прутках пружинной стали после термической обработки / Покровский A.M., Ронжина Ю.В., Федин В.М., Борц А.И. // Бернштейновские чтения,-НИТУ МИСиС,-М., 2011.-С. 101.

101. Шепеляковский К.З. Поверхностная закалка машиностроительных сталей обычной и пониженной прокаливаемое™ при индукционном нагреве. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, 1965.

102. Ушаков Б.К. Методика расчета оценки распределения твердости по сечению стальных изделий после закалки // Технология металлов.- 2006.-№ 6.- С. 44-54.

103. Немчинский A.JI. Тепловые расчеты термической обработки.: Судпромгиз, 1953.

104. Малинкина Е.А., Ломакин В.Н. Прокаливаемость стали. - М.: Машиностроение, 1969 г.

105. Лыков A.B. Теория теплопроводности.: ГИТТЛ, 1952.

106. Шкляров И.Н. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М., 1967.

107. Ушаков Б.К. Разработка и исследование стали и технологии электротермической обработки деталей подшипников качения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М., 1970.

108. Ушаков Б.К. Теоретические и технологические основы создания новых сталей и способов закалки деталей подшипников качения при индукционном нагреве и охлаждении быстродвижущейся водой. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М., 1989.

109. Федин В.М. Закономерности объемно-поверхностного упрочнения деталей железнодорожного транспорта: Диссертация докт. техн. наук,- М., 1996.

110. Терентьев В.Ф. Усталость высокопрочных сталей. 4.1. Корреляция с пределом прочности, вид кривых усталости и зарождение трещин // Деформация и разрушение материалов,- 2006 - № 8.- С. 2-11.

111. ТМ 04-07-04. Рельсы термоупрочненные железнодорожные широкой колеи. Испытания на усталость. Типовая методика испытаний.— ИЦ ЖТ ФГУП ВНИИЖТ,- 12 с.

112. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна - М.: Изд-во стандартов, 2003.

113. Металловедение и термическая обработка стали, т. I. Методы испытаний и исследований / Под. ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. — М.: Металлургия, 1983.-352 с.

114. Каган A.C., Цильман Р.И. К методике рентгеновского определения напряжений I рода в закаленной и низкоотпущенной стали // Заводская лаборатория,- 1976,-№ 8,-С. 981-982.

115. Васильев Д.М., Иванов С.А., Колотов A.C. Рентгенографический анализ напряженного состояния в приповерхностном слое материалов // Поверхность. Физика, химия, механика - 1984-№ 8 - С. 125-129.

116. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов: ч. 2. - М.: Машиностроение, 1974.-368 с.

117. Металловедение и термическая обработка стали, т. 1. Методы испытаний и исследований / Под. ред. Бернштейна M.JL, Рахштадта А.Г. - М.: Металлургия, 1983.-352 с.

118. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1971,- 496 с.

119. Гуляев А.П. металловедение. - М.: Металлургия, 1977 - С. 404-405.

120. Ронжина Ю.В. Обоснование выбора технологических решений при закалочном охлаждении упругих клемм верхнего строения пути подвижного состава и верхнего строения пути // Проблемы железнодорожного транспорта -Сборник статей ученых и аспирантов ВНИИЖТ - М.: Интекст, 2011- С. 214220.

121. Гудремон Э. Специальные стали - ч. 1- 104.

122. Способ закалки пружинных клемм и устройство для его осуществления (Положительный результат формальной экспертизы. Заявка №2011113924/02/(020634) от 08.04.2011 г. Дъяков A.B., Гучков А.К., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Иванов A.B., Мишунин В.М.

123. Карусельная электропечь для отпуска пружинных клемм рельсовых скреплений. Заявка № 2011119584/02(028902) от 16.05.2011 г. Дьяков A.B., Гучков А.К., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Иванов A.B., Мишунин В.М., Прокофьев А.Д., Хатунцев В.И.

124. Устройство для нанесения защитного покрытия на пружинные изделия. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке №2011109149/02(013329) от 10.05.2011 г. Дъяков A.B., Гучков А.К., Федин В.М., Борц А.И., Ронжина Ю.В., Иванов A.B., Мишунин В.М., Прокофьев А.Д., Катунцев В.И.