eng
Выпуск #4/2025
Г. А. Казакевич, М. Г. Крукович, Р. Е. Рыгин, А. А. Кульков, Д. Н. Лыткин
Комбинированный метод обработки деталей подвижного состава
Комбинированный метод обработки деталей подвижного состава
Просмотры: 685
DOI: 10.22184/2499-9407.2025.41.4.40.42
Предложен комбинированный метод обработки деталей подвижного состава, заключающийся в сочетании процесса восстановления изношенных поверхностей и последующего упрочнения борированием из обмазок с нагревом ТВЧ. Борирование обеспечивает необходимую твердость и износостойкость и устраняет структурные дефекты наплавленного металла и подложки. Одновременно создаются условия ремонтопригодности при неоднократном восстановлении и упрочнении.
Ключевые слова: комбинированный метод, восстановление, наплавка, дефекты, борирование, композиционная структура, ремонтопригодность
Предложен комбинированный метод обработки деталей подвижного состава, заключающийся в сочетании процесса восстановления изношенных поверхностей и последующего упрочнения борированием из обмазок с нагревом ТВЧ. Борирование обеспечивает необходимую твердость и износостойкость и устраняет структурные дефекты наплавленного металла и подложки. Одновременно создаются условия ремонтопригодности при неоднократном восстановлении и упрочнении.
Ключевые слова: комбинированный метод, восстановление, наплавка, дефекты, борирование, композиционная структура, ремонтопригодность
Комбинированный метод обработки деталей подвижного состава
Г. А. Казакевич, М. Г. Крукович, Р. Е. Рыгин, А. А. Кульков, Д. Н. Лыткин
Предложен комбинированный метод обработки деталей подвижного состава, заключающийся в сочетании процесса восстановления изношенных поверхностей и последующего упрочнения борированием из обмазок с нагревом ТВЧ. Борирование обеспечивает необходимую твердость и износостойкость и устраняет структурные дефекты наплавленного металла и подложки. Одновременно создаются условия ремонтопригодности при неоднократном восстановлении и упрочнении.
Введение
Многие детали машин после изнашивания подвергаются восстановлению размеров методами сварочных технологий. Наплавленные с использованием электродуговой сварки слои обладают следующими недостатками:
Следовательно, восстановленные наплавкой детали не обеспечивают необходимой износостойкости, надежности и долговечности эксплуатации, что значительно снижает экономическую эффективность ремонтного производства. Для повышения эксплуатационных характеристик восстановленных деталей часто используют дополнительную обработку, которая заключается в применении методов термической и химико-термической обработок.
Применение отжига или нормализации [1] обеспечивает исправление структуры наплавленного слоя и подслоя, снятие напряжений, но не придает необходимой твердости и износостойкости. Закалка с низким отпуском [2–5] обеспечивает необходимую твердость, но повышает хрупкость, особенно при работе в условиях отрицательных температур и при ударном нагружении, что в ряде случаев также является неприемлемым. Применение же цементации или нитроцементации с последующей закалкой с нагревом в печи или ТВЧ [6] не вносит значительных преимуществ по отношению к отмеченным выше методам обработки. Применение азотирования [7, 8] связывается с обработкой при 500–570 °С, что одновременно с повышением твердости и износостойкости не исправляет хрупкие дендритную и видманштеттовую структуры. К тому же азотирование мало приемлемо для обработки крупногабаритных деталей, например поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок, и местного упрочнения. Применение электролизного или порошкового борирования при традиционных температурах обработки (950 °С) [6, 9, 10] приемлемо только при обработке деталей простой формы мелких и средних размеров.
Таким образом, целью данной работы является разработка процесса упрочнения восстановленных деталей подвижного состава, обеспечивающего повышение износостойкости и ресурса их работы.
Разработка процесса упрочнения
Одним из эффективных процессов повышения поверхностной твердости и износостойкости является процесс борирования. Основным преимуществом высокотвердых борированных слоев является стабильность их механических свойств (твердости, прочности и износостойкости) в широких температурных интервалах и при разном типе нагружений.
Следует иметь в виду, что классические борированные слои обладают повышенной хрупкостью. Поэтому для работы в условиях ударного нагружения целесообразно использование борированных слоев с эвтектической, псевдоэвтектической или композиционной структурами. Такие слои получают при частичном или полном расплавлении обрабатываемой поверхности из паст, которое обеспечивается, в частности, при нагреве ТВЧ. Борированные слои с композиционной структурой дополнительно обладают высоким запасом пластичности, что полностью исключает их хрупкое разрушение и обеспечивает надежность и долговечность эксплуатации восстановленным наплавкой деталям, например поверхностям контура зацепления корпусов автосцепок.
В результате проведенных исследований был определен состав, содержащий 60% В4С, 20% NaF и 20% NaCl, для получения борированных слоев с приемлемой структурой. При температуре обработки 1 120 °С и выдержке в течение 10 мин на образцах из стали 20Г1ФЛ был получен композиционный борированный слой, толщиной 1,1 мм и твердостью 600 НV (рис. 1). Температура обработки в течение 10 мин поддерживалась за счет периодического отключения подачи высокочастотного тока.
Структура слоя представляет собой зерна легированного перлита (темные включения) с выделением по границам зерен карбоборидной эвтектики (αFe(Mn) + (Fe, Mn)3B + + (Fe, Mn)2B + (Fe, Mn)3(B, С)) (светлые включения).
Фазовый состав слоя и температура процесса определены по схеме 5‑компонентной диаграммы состояния Fe – B – Mn – C – Cr [11], которая была построена для низкоуглеродистых и низколегированных сталей, широко применяемых для изготовления деталей автосцепки.
Температурные условия борирования с нагревом ТВЧ устраняют хрупкую дендритную структуру наплавленного слоя и видманштеттовую структуру подслоя за счет перекристаллизации, частично устраняют газовые включения и измельчают шлаковые включения.
Комбинированный процесс обработки (наплавка + борирование с нагревом ТВЧ) обеспечивает следующие преимущества:
Важной особенностью длительной эксплуатации деталей подвижного состава является их ремонтопригодность при неоднократных операциях восстановления. Поверхности восстановленных и упрочненных борированием с нагревом ТВЧ деталей подвижного состава оказываются ремонтопригодными, что выражается в следующих факторах:
Заключение
Проведенный анализ состояния слоев при использовании электродуговой наплавки деталей подвижного состава и методов упрочнения позволил определить наиболее приемлемый вид упрочнения – борирование из обмазок с нагревом ТВЧ, обеспечивающий необходимую твердость и износостойкость в сочетании с исправлением структуры наплавленного слоя и подслоя. Ремонтопригодность деталей после комбинированной обработки создает условия многократного ее проведения после изнашивания.
Литература
Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6‑е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
Савушкин Р. А., Кякк К. В., Тереньев М. И., Безобразов Ю. А., Бройтман О. А., Дзлиев С. В., Перевалов Ю. Ю. Способ создания твердого поверхностного слоя на детали автосцепки грузового вагона. Патент РФ № 2 673 437 B61G 3/00(2006.01), C21D 1/10(2006.01). Опубликовано: 2018.11.26.
Безобразов Ю. А., Бройтман О. А., Терентьев М. И., Пономарев С. А. Способ упрочнения корпуса автосцепки и корпус автосцепки, упрочненный этим способом. Патент RU № 2 755 188 C21D 9/00(2006.01), C21D 1/10(2006.01), C21D 1/18(2006.01). Опубликовано:2021.09.14.
Федин В. М., Ушаков Б. К., Девяткин В. П., Косарев Л. Н., Шоташвили Я. М., Власов А. А., Поляков В. Ф., Щербаков В. Ю. Способ термической обработки литых деталей из малоуглеродистой и низколегированной стали. Патент RU 2100451 МПК С21D 1/00. Опубликовано: 27.12.1997.
Борц А. И. Способ термической обработки деталей автосцепки. Патент RU 2 415 182 C21D 1/42(2006.01), C21D 1/78(2006.01), C21D 1/18(2006.01), B23P 6/00(2006.01). Опубликовано: 27.03.2011.
Савельев С. Н. Поверхностное упрочнение деталей, восстановленных наплавкой, нитроцементацией и борированием. Дис. канд. техн. наук: ВАК РФ 05.16.01, – Курск: 2003. 138 с.
Крукович М. Г., Федотова А. Д., Казакевич Г. А. Пути оптимизации износостойкости наплавленных слоев. «National science journal». Национальная ассоциация ученых. 2021. № 66–1 (66). С. 34–41. DOI: 10/31618/nas.2413‑5291.2021.66.404
Крукович М. Г., Герасимов С. А., Сизов И. Г. Моделирование процесса азотирования сталей: монография. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2024. 224 с.
Минкевич А. Н., Крукович М. Г., Колмыкова Е. А., Шуринов А. Д., Сорокина В. Х. Применение борирования для повышения стойкости быстроизнашиваемых деталей подвижного состава // Межвузовский сб. научн. трудов / Повышение работоспособности деталей и сварных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта. М.: Изд. МИИТа, 1986, вып. 783, с. 27–32.
Крукович М. Г., Прусаков Б. А., Сизов И. Г. Пластичность борированных слоев. М.: Физматлит, 2010. 384 с.
Казакевич Г. А., Попов А. Ю. Построение поверхности ликвидус пятикомпонентной схемы диаграммы Fe – B – Mn – C–Cr. Известия вузов. Черная металлургия. 2025;68(1):1–7. DOI:10.17073/0368‑0797‑2025‑1‑1‑7
Авторы
Казакевич Григорий Алексеевич – ассистент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Крукович Марат Григорьевич – доктор технических наук, профессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Рыгин Роман Евгеньевич – кандидат технических наук, доцент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Кульков Анатолий Александрович – доктор технических наук, профессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Лыткин Дмитрий Николаевич – кандидат технических наук, ведущий инженер-технолог управления главного технолога, филиал ПАО «ОДК-УМПО» «ЛМЗ»
Г. А. Казакевич, М. Г. Крукович, Р. Е. Рыгин, А. А. Кульков, Д. Н. Лыткин
Предложен комбинированный метод обработки деталей подвижного состава, заключающийся в сочетании процесса восстановления изношенных поверхностей и последующего упрочнения борированием из обмазок с нагревом ТВЧ. Борирование обеспечивает необходимую твердость и износостойкость и устраняет структурные дефекты наплавленного металла и подложки. Одновременно создаются условия ремонтопригодности при неоднократном восстановлении и упрочнении.
Введение
Многие детали машин после изнашивания подвергаются восстановлению размеров методами сварочных технологий. Наплавленные с использованием электродуговой сварки слои обладают следующими недостатками:
- имеют хрупкую дендритную структуру слоя;
- имеют хрупкую видманштеттовую структуру подслоя;
- на поверхности образуются сварочные растягивающие остаточные напряжения;
- в наплавленном слое имеются газовые и шлаковые включения.
Следовательно, восстановленные наплавкой детали не обеспечивают необходимой износостойкости, надежности и долговечности эксплуатации, что значительно снижает экономическую эффективность ремонтного производства. Для повышения эксплуатационных характеристик восстановленных деталей часто используют дополнительную обработку, которая заключается в применении методов термической и химико-термической обработок.
Применение отжига или нормализации [1] обеспечивает исправление структуры наплавленного слоя и подслоя, снятие напряжений, но не придает необходимой твердости и износостойкости. Закалка с низким отпуском [2–5] обеспечивает необходимую твердость, но повышает хрупкость, особенно при работе в условиях отрицательных температур и при ударном нагружении, что в ряде случаев также является неприемлемым. Применение же цементации или нитроцементации с последующей закалкой с нагревом в печи или ТВЧ [6] не вносит значительных преимуществ по отношению к отмеченным выше методам обработки. Применение азотирования [7, 8] связывается с обработкой при 500–570 °С, что одновременно с повышением твердости и износостойкости не исправляет хрупкие дендритную и видманштеттовую структуры. К тому же азотирование мало приемлемо для обработки крупногабаритных деталей, например поверхностей контура зацепления корпусов автосцепок, и местного упрочнения. Применение электролизного или порошкового борирования при традиционных температурах обработки (950 °С) [6, 9, 10] приемлемо только при обработке деталей простой формы мелких и средних размеров.
Таким образом, целью данной работы является разработка процесса упрочнения восстановленных деталей подвижного состава, обеспечивающего повышение износостойкости и ресурса их работы.
Разработка процесса упрочнения
Одним из эффективных процессов повышения поверхностной твердости и износостойкости является процесс борирования. Основным преимуществом высокотвердых борированных слоев является стабильность их механических свойств (твердости, прочности и износостойкости) в широких температурных интервалах и при разном типе нагружений.
Следует иметь в виду, что классические борированные слои обладают повышенной хрупкостью. Поэтому для работы в условиях ударного нагружения целесообразно использование борированных слоев с эвтектической, псевдоэвтектической или композиционной структурами. Такие слои получают при частичном или полном расплавлении обрабатываемой поверхности из паст, которое обеспечивается, в частности, при нагреве ТВЧ. Борированные слои с композиционной структурой дополнительно обладают высоким запасом пластичности, что полностью исключает их хрупкое разрушение и обеспечивает надежность и долговечность эксплуатации восстановленным наплавкой деталям, например поверхностям контура зацепления корпусов автосцепок.
В результате проведенных исследований был определен состав, содержащий 60% В4С, 20% NaF и 20% NaCl, для получения борированных слоев с приемлемой структурой. При температуре обработки 1 120 °С и выдержке в течение 10 мин на образцах из стали 20Г1ФЛ был получен композиционный борированный слой, толщиной 1,1 мм и твердостью 600 НV (рис. 1). Температура обработки в течение 10 мин поддерживалась за счет периодического отключения подачи высокочастотного тока.
Структура слоя представляет собой зерна легированного перлита (темные включения) с выделением по границам зерен карбоборидной эвтектики (αFe(Mn) + (Fe, Mn)3B + + (Fe, Mn)2B + (Fe, Mn)3(B, С)) (светлые включения).
Фазовый состав слоя и температура процесса определены по схеме 5‑компонентной диаграммы состояния Fe – B – Mn – C – Cr [11], которая была построена для низкоуглеродистых и низколегированных сталей, широко применяемых для изготовления деталей автосцепки.
Температурные условия борирования с нагревом ТВЧ устраняют хрупкую дендритную структуру наплавленного слоя и видманштеттовую структуру подслоя за счет перекристаллизации, частично устраняют газовые включения и измельчают шлаковые включения.
Комбинированный процесс обработки (наплавка + борирование с нагревом ТВЧ) обеспечивает следующие преимущества:
- возможность упрочнения отдельных изнашиваемых поверхностей;
- возможность получения борированных слоев с различной нетрадиционной структурной морфологией и свойствами с твердостью от 300 до 1 000 кгс/мм2 и высоким запасом пластичности;
- кратковременную обработку от нескольких до десятков минут;
- формирование сжимающих остаточных напряжений на обработанной поверхности;
- высокую работоспособность при отрицательных и повышенных температурах за счет отсутствия фазовых и структурных превращений в слое;
- снижение коэффициента трения до 0,25 пары Ме – Борированный слой (композиционная структура) по сравнению с металлическими контактными поверхностями Ме – Ме.
Важной особенностью длительной эксплуатации деталей подвижного состава является их ремонтопригодность при неоднократных операциях восстановления. Поверхности восстановленных и упрочненных борированием с нагревом ТВЧ деталей подвижного состава оказываются ремонтопригодными, что выражается в следующих факторах:
- умеренной твердости и хорошей обрабатываемости резанием;
- возможности повторной упрочняющей обработки при исправлении дефектов борированного слоя;
- возможности повторного восстановления размеров сварочными технологиями после изнашивания борированных поверхностей;
- возможности использования отходов насыщающей обмазки после обработки в качестве защитной обмазки.
Заключение
Проведенный анализ состояния слоев при использовании электродуговой наплавки деталей подвижного состава и методов упрочнения позволил определить наиболее приемлемый вид упрочнения – борирование из обмазок с нагревом ТВЧ, обеспечивающий необходимую твердость и износостойкость в сочетании с исправлением структуры наплавленного слоя и подслоя. Ремонтопригодность деталей после комбинированной обработки создает условия многократного ее проведения после изнашивания.
Литература
Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6‑е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
Савушкин Р. А., Кякк К. В., Тереньев М. И., Безобразов Ю. А., Бройтман О. А., Дзлиев С. В., Перевалов Ю. Ю. Способ создания твердого поверхностного слоя на детали автосцепки грузового вагона. Патент РФ № 2 673 437 B61G 3/00(2006.01), C21D 1/10(2006.01). Опубликовано: 2018.11.26.
Безобразов Ю. А., Бройтман О. А., Терентьев М. И., Пономарев С. А. Способ упрочнения корпуса автосцепки и корпус автосцепки, упрочненный этим способом. Патент RU № 2 755 188 C21D 9/00(2006.01), C21D 1/10(2006.01), C21D 1/18(2006.01). Опубликовано:2021.09.14.
Федин В. М., Ушаков Б. К., Девяткин В. П., Косарев Л. Н., Шоташвили Я. М., Власов А. А., Поляков В. Ф., Щербаков В. Ю. Способ термической обработки литых деталей из малоуглеродистой и низколегированной стали. Патент RU 2100451 МПК С21D 1/00. Опубликовано: 27.12.1997.
Борц А. И. Способ термической обработки деталей автосцепки. Патент RU 2 415 182 C21D 1/42(2006.01), C21D 1/78(2006.01), C21D 1/18(2006.01), B23P 6/00(2006.01). Опубликовано: 27.03.2011.
Савельев С. Н. Поверхностное упрочнение деталей, восстановленных наплавкой, нитроцементацией и борированием. Дис. канд. техн. наук: ВАК РФ 05.16.01, – Курск: 2003. 138 с.
Крукович М. Г., Федотова А. Д., Казакевич Г. А. Пути оптимизации износостойкости наплавленных слоев. «National science journal». Национальная ассоциация ученых. 2021. № 66–1 (66). С. 34–41. DOI: 10/31618/nas.2413‑5291.2021.66.404
Крукович М. Г., Герасимов С. А., Сизов И. Г. Моделирование процесса азотирования сталей: монография. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2024. 224 с.
Минкевич А. Н., Крукович М. Г., Колмыкова Е. А., Шуринов А. Д., Сорокина В. Х. Применение борирования для повышения стойкости быстроизнашиваемых деталей подвижного состава // Межвузовский сб. научн. трудов / Повышение работоспособности деталей и сварных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта. М.: Изд. МИИТа, 1986, вып. 783, с. 27–32.
Крукович М. Г., Прусаков Б. А., Сизов И. Г. Пластичность борированных слоев. М.: Физматлит, 2010. 384 с.
Казакевич Г. А., Попов А. Ю. Построение поверхности ликвидус пятикомпонентной схемы диаграммы Fe – B – Mn – C–Cr. Известия вузов. Черная металлургия. 2025;68(1):1–7. DOI:10.17073/0368‑0797‑2025‑1‑1‑7
Авторы
Казакевич Григорий Алексеевич – ассистент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Крукович Марат Григорьевич – доктор технических наук, профессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Рыгин Роман Евгеньевич – кандидат технических наук, доцент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Кульков Анатолий Александрович – доктор технических наук, профессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Лыткин Дмитрий Николаевич – кандидат технических наук, ведущий инженер-технолог управления главного технолога, филиал ПАО «ОДК-УМПО» «ЛМЗ»
Отзывы читателей
