Ключевые слова: алюминотермитная сварка, рельсы, термическая обработка, микроструктура, твердость.
На сети железных дорог РФ при соединении рельсов применяют разные способы сварки рельсовых стыков, в основном используют контактный и алюминотермитный способы сварки. В процессе эксплуатации рельсов, сваренных алюминотермитной сварки, было обнаружено, что в зоне сварных швов образуются седловины [1,2]. Согласно [3] для улучшения эксплуатационных свойств алюминотермитных сварных соединений рельсов допускается проведение термической обработки (нормализации) только подошвы рельса в зоне сварного шва. Известно, что при нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру [4].
Целью работы является исследование механических свойств и структуры металла сварного шва и зоны термического влияния алюминотермитного сварного соединения головки рельса после нормализации.
Материалами исследования служили темплеты, вырезанные из головки алюминотермитного сварного соединения рельса с помощью горизонтального полуавтоматического ленточного станка UE – 350 SA. Нормализацию образцов проводили по следующим режимам: 1) выдержка образцов в печи при температуре 850-900 °С, время выдержки – 25-30 мин; 2) охлаждение образцов на воздухе. После нормализации измеряли твердость в зоне сварного шва и зоне термического влияния. Измерение твердости металла осуществляли по методу Роквелла с помощью универсального твердомера HBRV-187.5 в соответствии с ГОСТ 9013-53
Микроструктурный анализ проводился на шлифах с применением оптического микроскопа МИМ – 8М при увеличениях 100 — 400 крат. Для выявления микроструктуры поверхность шлифов подвергали травлению в 5% спиртовом растворе азотной кислоты. На первом этапе проведена оценка твердости образцов сварных соединений рельсов в исходном состоянии (без термической обработки). Ширина сварного шва составляет порядка 40 мм. В качестве точки отсчета выбрана середина сварного шва. Твердость металла в зоне сварного шва находится в диапазоне 24…26 HRC. Вблизи границы сплавления металла сварного шва с металлом рельса твердость возрастает до 32 HRC. На расстоянии 26…28 мм от середины сварного шва наблюдается увеличение твердости металла до 37…38 HRC. При дальнейшем удалении от середины сварного шва твердость снижается и на расстоянии 32…38 мм составляет в среднем 32 HRC.
Твердость металла рельса по мере удаления от поверхности катания головки рельса (поверхность Б, зона термического влияния) изменяется в небольших пределах и составляет порядка 32…33 HRC.
До проведения нормализации твердость металла сварного шва от поверхности катания до 38 мм по глубине (поверхность В) изменяется незначительно и составляет порядка 25…26 HRC. На глубине 38…44 мм от поверхности катания головки рельса наблюдается постепенное повышение твердости металла сварного шва до 30 HRC, это связано с увеличением скорости охлаждения в области шейки рельса.
Анализ результатов измерения твердости сварных соединений после нормализации показал, что твердость металла в зоне сварного шва (поверхность А) составляет 23…24 HRC. Вблизи границы сплавления металла сварного шва с металлом рельса твердость возрастает до 26…30 HRC.
На расстоянии 22…38 мм от середины сварного шва твердость металла рельса изменяется незначительно и составляет 29…. 30 HRC. Твердость металла рельса в зоне термического влияния по глубине изменяется в небольших пределах и составляет порядка 29…30 HRC (поверхность Б). Твердость металла сварного шва по глубине (поверхность В) составляет порядка 23…24 HRC.
Металлографический анализ структуры металла сварного шва и зоны термического влияния до проведения нормализации показал, что металл в зоне сварного шва имеет литую структуру, представляющую собой игольчатую α-фазу с выраженным строением в виде дендритов. В зоне сплавления металла сварного шва и металла рельса видна ярко выраженная неровная граница перехода от литой структуры металла сварного шва к крупнозернистой структуре перлита с ферритными прослойками. На расстоянии 36…38 мм структура металла представляет собой смесь феррита и цементита.
Металл сварного шва после проведения нормализации имеет мелкозернистую феррито-перлитную структуру, размеры дендритов уменьшены. В зоне сплавления металла сварного шва и металла рельса отсутствует четкая граница перехода от одной структуры к другой. Кроме того, отчетливо видно отсутствие крупных зерен со стороны основного металла, что свидетельствует об устранении последствий перегрева. Структура металла рельса в зоне термического влияния представляет собой перлит с небольшими участками феррита
Проведенные исследования показали, что причиной образования седловин в зоне головки алюминотермитных сварных соединений рельсов в процессе эксплуатации является пониженное значение твердости в зоне сварного шва. Склонность к хрупкому разрушению в зоне термического влияния, сразу за зоной сплавления, объясняется наличием крупнозернистой структуры. За счет проведения нормализации головки алюминотермитных сварных соединений устранено вредное влияние перегрева металла в зоне термического влияния. После нормализации в зоне термического влияния сварных швов наблюдается мелкозернистая структура с твердостью близкой к твердости термически обработанного рельса, в результате чего снижается вероятность хрупкого разрушения.
Список использованных источников
1. Алехин А.Л. Параметры твердости стыков, сваренных алюминотермитной сваркой // Известия ПГУПС. 2010. с. 51- 56.
2. Тихомирова Л.Б., Галай М.С. Повышение твердости алюминотермитных сварных соединений рельсов поверхностным пластическим деформированием // Политранспортные системы: материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия — ЕС. Новосибирск, 2015.- С. 564-567.
3. ТУ 0921-127-01124323-2005. Сварка рельсов алюминотермитным методом промежуточного литья. Технические условия
4. Технология термической обработки стали / пер. с нем. В.В. Левина; под ред. М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1981. 608 с.
5. Пасько С. В., Тихомирова Л. Б., Болотова О.В. Алюмотермитная сварка рельсов методом промежуточного литья. учебное пособие. Новосибирск: Сибирский гос. ун-т путей сообщ. (СГУПС), 2010 — 76 с.
6. Технология алюминотермитной сварки рельсов: Учебное пособие. /Н. Н. Воронин, В. В. Засыпкин, В. И. Коненков, Э. В. Воробьёв, О. Н. Трынкова; Под ред. Н. Н. Воронина. — М.: МИИТ, 2008. 117c.