Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Общемировые тенденции в производстве железнодорожных рельсов направлены на увеличение длины рельсов, повышение их твердости, снижение уровня внутренних остаточных напряжений, обеспечение дифференцированного по сечению профиля уровня свойств, а также применение ресурсосберегающих технологий термической обработки с использованием экологически чистых охлаждающих сред и использование экономнолегированных марок сталей. Для того чтобы выпускаемая продукция соответствовала современным требованиям, в 2012-2013 гг. на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» проведена коренная реконструкция рельсового производства с освоением технологии дифференцированного термоупрочнения железнодорожных рельсов с использованием тепла прокатного нагрева. В ходе освоения новой технологии был проведен ряд научно-исследовательских работ по выявлению оптимального химического состава и режимов термической обработки рельсов. В данной работе представлены результаты исследования средствами электронной микроскопии микроструктуры рельсовых сталей четырех различных химических составов на основе стали перлитного класса марки Э76ХФ по ГОСТ Р 51685, отличающихся содержанием углерода, марганца, кремния, хрома, ванадия. Кроме того, две опытных плавки дополнительно микролегировали ниобием. Исследование проводили на образцах, вырезанных из нетермоупрочненных рельсов типа Р65, прокатанных из непрерывнолитых заготовок плавок опытного химического состава. Образцы перед исследованием нагревали до температуры 950 °С и подвергали ускоренному охлаждению в воздушной среде со скоростью 1-5 град/с. По результатам исследования установлено влияние содержания основных и микролегирующих химических элементов на параметры микроструктуры рельсов. Определены рациональные скорости охлаждения рельсовой стали различного химического состава, обеспечивающие формирование наиболее благоприятных параметров структуры металла. Установлено, что наиболее однородная микроструктура мелкодисперсного перлита в более широком диапазоне скоростей охлаждения (до 3 град/с) формируется в рельсовой стали с умеренным содержанием хрома (0,46 %), марганца (0,78 %), повышенным содержанием кремния (0,55 %), содержанием углерода, близким к эвтектоидному составу (0,79 %), микролегированной ванадием в количестве 0,07 %.

Посвящено экспериментально-теоретическому анализу процесса плоского шлифования торцом круга с учетом специфики упругой подвески шлифовальной головки. Показано принципиальное отличие силового замыкания кинематической цепи «абразивный круг - обрабатываемая поверхность» от геометрического. Особенность силового замыкания кинематической цепи заключается в самопроизвольном формировании глубины резания в процессе обработки в зависимости от ряда факторов: усилия прижатия, геометрии и физико-механических свойств обрабатываемой поверхности, режимов обработки и др. Представлена обобщенная математическая модель определения глубины резания при силовом замыкании кинематической цепи технологической системы. В разработанной модели установлена количественная взаимосвязь глубины резания шлифовальным кругом и комплекса указанных факторов. Полученные зависимости позволяют использовать глубину резания в качестве управляемого параметра механической обработки. Приведены результаты экспериментального подтверждения адекватности математической модели. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12 %. Показана возможность практической реализации полученных результатов исследований на примере технологического процесса шлифования рельсов с применением рельсошлифовальных поездов. Предложена методика назначения режимов механической обработки рельсов шлифованием. Промышленная апробация разработанной методики показала широкие возможности для повышения качества выполняемых работ в части увеличения точности формирования геометрического профиля рельсов и обеспечения требуемого уровня качества обработанной поверхности. Полученные результаты исследований позволили внести в технологию шлифования торцом круга с применением упругой подвески шлифовальной головки элемент управления, реализуемого в области оптимизации работы абразивного инструмента и повышения эффективности операции абразивной обработки в целом.

На одном из ведущих предприятий металлургической отрасли России ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО ММК) в последние годы освоена новейшая технология производства современных и перспективных видов холоднокатаной продукции. В листопрокатном цехе № 11 (ЛПЦ-11) ОАО ММК в головных частях агрегатов второй очереди проводят укрупнение рулонов методом лазерной сварки для производства продукции для автомобильной и строительной отраслей промышленности, а также для изготовления товаров широкого потребления. В статье рассмотрено влияние мощности предварительного и окончательного нагрева на микроструктуру и твердость сварных соединений при укрупнении холоднокатаных рулонов полосы из стали марки 10пс методом лазерной сварки на стыкосварочных машинах фирмы Miebach в условиях агрегатов второй очереди ЛПЦ-11. Описаны особенности проведения предварительного и окончательного нагревов на стыкосварочных машинах фирмы Miebach. Дается описание методик исследований сварных соединений, выполненных методом лазерной сварки, проводимых в рамках данной работы. Представлены опытные режимы для сварки концов холоднокатаных полос. Проанализированы результаты металлографических исследований зоны сварного шва в металлопрокате из низкоуглеродистой марки стали. На основе сравнения экспериментальных данных выявлены закономерности изменения длин структурных зон сварных соединений в зависимости от проводимой термической обработки. Установлено, что при увеличении мощности предварительного или окончательного нагрева происходит увеличение длины зоны разупрочнения . При этом при увеличении мощности окончательного нагрева свыше 4,5 кВт резко увеличивается длина зоны рекристаллизации и протяженность зоны разупрочнения, что приводит к ухудшению качества сварного соединения.

Исследованы механические свойства стали 38ХС после различных режимов изотермической закалки в бейнитном интервале температур и хромоникельмолибденовых кремнистых сталей с содержанием углерода 0,18 и 0,27 % после медленного непрерывного охлаждения в бейнитной области со скоростью v охл = 5 °С/мин. Показано, что после таких режимов термической обработки в исследованных сталях образуется структура бескарбидного бейнита, представляющая собой двухфазную смесь обедненного по углероду бейнитного феррита и пересыщенного углеродом остаточного аустенита различной морфологии. Целью настоящей работы являлось исследование влияния отпуска при различных температурах на поведение остаточного аустенита и механические свойства сталей с бескарбидным бейнитом, полученным при изотермической закалке и медленном непрерывном охлаждении в бейнитном интервале температур. Основными методами являлись электронно-микроскопичские исследования особенностей бейнитной структуры, образовавшейся при изотермических выдержках стали 38ХС и медленном непрерывном охлаждении хромоникельмолибденовых сталей 18Х2Н2СМ и 27Х2Н2СМ, определение механических свойств и измерение параметров кристаллической решетки остаточного аустенита, присутствующего в структуре сталей после различных режимов термообработки, включающих отпуск на различные температуры. Остаточный аустенит в бескарбидном бейните существенно обогащен по углероду и содержит значительную часть от общего содержания углерода в стали. Показано, что отпуск при температуре 300 °С в течение 1-2 ч повышает значения ударной вязкости изотермически закаленной стали 38ХС и сталей 18Х2Н2СМ и 27Х2Н2СМ после медленного непрерывного охлаждения, имеющих в структуре различное соотношение как нижнего реечного, так и верхнего глобулярного бейнита, остаточного аустенита и мартенсита. Установлено, что при таком отпуске происходит стабилизация остаточного аустенита за счет заметного повышения в нем содержания углерода.

В статье рассмотрено влияние высокотемпературного нагрева на структуру электроискровых покрытий из алюминия и титана, нанесенных в воздушной среде на низкоуглеродистую сталь вращающимся электродом на типовых режимах. Высокотемпературный нагрев осуществляли на разработанной и изготовленной установке на базе сварочного трансформатора ТСД-1000-3, оснащенной аналого-цифровым преобразователем для фиксации температуры, тока и напряжения. Использовались режимы, на которых скорость нагрева максимально приближена к наблюдаемой при сварке. Установлено, что после электроискрового легирования обоими электродами формируется твердый слой с трещинами и зоной термического влияния под ним. Для алюминиевого покрытия после высокотемпературного нагрева и охлаждения образуется более толстый белый слой, с микротвердостью на уровне основного металла, а на некотором удалении от него образуется тонкий слой со структурой частичного обезуглероживания. На месте титанового покрытия выявляются участки плавления, более твердые по сравнению с основным металлом и имеющие дендритную структуру, за которой следует тонкая зона полного обезуглероживания и протяженная зона частичного обезуглероживания. На основе данных измерения термического цикла электротермического нагрева выявлено локальное плавление обоих электроискровых покрытий в интервале 500-650 °C, в результате которого и происходит изменение структуры поверхностного слоя. Анализ равновесных диаграмм состояния показал, что в системах железо - алюминий и железо - титан имеются эвтектики с температурами 652 и 590 °С соответственно, что объясняет подобную реакцию покрытия на нагрев.

Формирование сварного шва при электронно-лучевой сварке представляет собой сложный процесс, результирующий совместное действие множества факторов (тепломассообмена, истечения паров, рассеяния и переотражения электронов луча и т.д.), которые являются следствием воздействия на свариваемые материалы концентрированного источника энергии - пучка электронов. Сложность и многофакторность этого вида сварки оставляют многие задачи обеспечения требуемого качества сварного шва для решения непосредственно в процессе сварки с помощью технических средств управления формированием сварного шва. Визуальное наблюдение может стать дополнительным инструментом для исследований физических процессов, происходящих в канале проплавления, и для контроля формирования сварного шва при сварке. Сопутствующее тормозное рентгеновское излучение - практически единственный источник информации для этой цели. В статье представлены результаты исследований, направленных на обеспечение визуального наблюдения за каналом проплавления в рентгеновском спектре. Рассматривается метод формирования стереоскопического изображения канала проплавления путем коммутации на экране дисплея двух аксонометрических изображений канала и наблюдения их с помощью бинокулярного устройства, у которого синхронно с частотой коммутации аксонометрических изображений коммутируют прозрачность левого и правого окуляров. При этом каждое аксонометрическое изображение канала проплавления получают по сформированному массиву данных о топографии канала проплавления. Сигналы о заглублении электронного луча в материал для каждого аксонометрического изображения регистрируют из разных точек пространства. В качестве датчиков рентгеновского излучения использованы сцинтилляционные кристаллы совместно с фотоэлектронными умножителями. Кристаллы выполнены на основе монокристаллического йодистого натрия, активированного таллием.

Рассмотрены современные способы управления электронным лучом при электронно-лучевой сварке. К данным способам относятся: импульсная модуляция тока электронного луча, приводящая к изменению тепловложения; влияние колебательного перемещения фокальной плоскости луча по вертикали (динамическая фокусировка) на формирование сварного соединения при электронно-лучевой сварке; осцилляция луча с различного вида разверткой непосредственно по стыку сварного соединения, приводящая к увеличению площади зоны действия луча; многолучевая (многованновая) сварка, при которой электронный луч сканирует по поверхности изделия с высокой частотой (~ 5 кГц и более) по нескольким точкам от одной к другой и обратно, расположенным друг от друга на расстоянии; многофокусная сварка, приводящая к динамическому синхронному изменению фокуса и отклонению электронного луча в определенную точку. Применение данных методов направлено на устранение специфических дефектов в сварных швах, таких как корневые дефекты (пикообразная глубина проплавления, наличие полостей или несплавлений), протяженные полости в объеме шва, «серединные» трещины и отклонения шва от стыка из-за остаточных или наведенных магнитных полей. Также возможно проведение сварки сразу в нескольких обрабатываемых зонах, либо проведение сварки с образованием нескольких сварочных ванн, следующих друг за другом, либо совмещение сварки и термообработки. Многолучевая техника может успешно применяться при соединении разнородных материалов, например бронзового венца червячного колеса со ступицей из чугуна или стали, чтобы уменьшить стоимость колеса, а также при сварке других композиций, например меди с вольфрамом или стали с алюминием через медную прокладку.