CC BY
11ОСОБЕННОСТИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
А.А. Бивалькевич, А.А. Батаев, В.Г. Буров, В.А. Батаев, С.В. Хлебников
С 1996 года в России освоено серийное производство сварных железнодорожных крестовин. Зарубежный опыт показал, что применение процесса сварки для соединения крестовины, отлитой из стали Гадфильда, и примыкающих к ней рельсов из высокоуглеродистой стали, позволяет повысить срок службы стрелочных переводов, уменьшить затраты на их текущее содержание и снизить расход высокомарганцовистой стали.
Соединение крестовины из стали 110Г13Л с рельсовыми окончаниями является одной из наиболее ответственных зон стрелочного перевода. Способ соединения указанных элементов заключается в контактной стыковой сварке методом пульсирующего оплавления. Такой способ сварки ускоряет нагрев деталей и существенно уменьшает машинное время процесса. Высокомарганцовистая сталь относится к числу трудносвари-ваемых, поэтому сварка ее с рельсовой сталью производится через промежуточную вставку из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Этот материал хорошо сваривается как со сталью 110Г13Л, так и с рельсовой сталью М76 [1-4]. Главная проблема, возникающая в процессе сварки, связана с образованием трещин. Возникают эти дефекты между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой. Количество бракованных изделий даже в пределах 5 - 7 % приводит к значительным убыткам. Проведенные исследования показали, что основной причиной разрушения сварного соединения является мартенсит, образующийся в переходной зоне в процессе сварки. В работе приведены результаты исследований сварных элементов стрелочных
переводов производства Новосибирского стрелочного завода.
Исследования сварного соединения проводили на оптическом микроскопе Ш 2Е и микротвердомере ПМТ-3. Испытания по схеме «трехточечный изгиб» выполняли на прессе МИИМ 2500-К на Новосибирском стрелочном заводе. Фрактографические исследования разрушенных образцов проводились на микроскопе ЬЕ0420, микрорентге-носпектральный анализ выполняли на рентгеновском микроанализаторе типа JXA-5A УЕОЦ.
Сталь Гадфильда и хромоникелевая вставка относятся к одному структурному классу (обладают аустенитной структурой), поэтому их соединение не вызывает особых проблем. Сварной шов получается достаточно ровным, без каких-либо дефектов. Косвенно об этом свидетельствуют результаты измерения микротвердости в переходной зоне (рисунок 1). Сталь Гадфильда обладает характерной зеренной структурой аустенита, преимущественно свободной от карбидов. В некоторых случаях в стали 110Г13Л наблюдаются зернограничные карбиды и карбиды игольчатой формы. Такая структура является нежелательной и, по всей видимости, связана с нарушением технологии термической обработки сварного соединения.
Рельсовая и хромоникелевая стали относятся к различным структурным классам и значительно отличаются по содержанию легирующих элементов. В процессе сварки в приграничной зоне сварного шва возникают локализованные закаленные зоны и участки в виде сплошной мартенситной прослойки (рисунки 2 - 4).
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Рисунок 1 - Микротвердость сварного шва между хромоникелевой вставкой
и сталью Гадфильда
ОСОБЕННОСТИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАЗНОРОДНЫХ
СТАЛЕЙ
(Рельс. сталь в исходн. состоянии)
, Перех.зона
о
■чГ
о
см (
Аустенит
(сталь 12Х18Н10Т в исх.
состоянии)
Сталь 12Х18Н10Т
Рисунок 2 - Схема строения сварного шва между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой
Рисунок 3 - Закаленные участки в околошовной зоне (со стороны рельсовой стали)
I I I I Я 1 1
А л
/ А
1 I л
«г л л л У \ ) Г У Л Г
У J V г /
Вид гра има ница N ч/
с варного шва
Рисунок 4 - Мартенситная прослойка в околошовной зоне (со стороны хромоникелевой стали)
Исследования микротвердости полностью подтверждают результаты металлографии. Уровень микротвердости локализованных зон достигает 4500 - 6000 МПа, сплошной мартенситной прослойки - 4000 - 5000 МПа (рисунок 5). Для оценки качества сварного соединения были проведены испытания на статический поперечный трехточечный изгиб. В процессе нагружения образцы разрушались по сварному шву между рельсовой и хромоникелевой сталями. Полученный излом характеризуется металлическим блеском и является практически гладким (рисунок 6), что свидетельствует о его хрупком характере. Причина такого разрушения - наличие хрупкой высокопрочной структуры в сварном шве. Для уточнения химического состава структур, образующихся в переходной зоне в процессе сварки, был проведен микрорентгеноспек-тральный анализ образцов в направлении, перпендикулярном линии сварного шва (рисунок 7). По характеру распределения кривых
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Расстояние от сварного шва, мкм
Рисунок 5 - Микротвердость сварного шва между рельсовой сталью и хромоникелевой вставкой
можно выделить три участка: хромоникеле-вая сталь, переходная зона и рельсовая сталь. В рельсовой стали наблюдается несколько пиков по содержанию никеля и хрома (с одновременным снижением содержания железа). Появление этих пиков связано с прохождением зонда по локализованным закаленным зонам. Таким образом, образование зон объясняется диффузией хрома и никеля в процессе сварки из хромоникелевой вставки в рельсовую сталь. В зоне видимой границы раздела наблюдается значительный всплеск содержания углерода, что еще более способствует охрупчиванию мартенситной прослойки. Важное значение имеют результаты, отражающие распределение титана. В хромоникелевой стали наблюдаются значительные всплески его содержания. Химический анализ показал, что титан содержится в стали в виде сульфидов (рисунок 8).
500
А.А. БИВАЛЬКЕВИЧ, А.А. БАТАЕВ, В.Г. БУРОВ, В.А. БАТАЕВ, С.В. ХЛЕБНИКОВ
Рисунок 6 - Излом сварного соединения, полученный при испытаниях на статический трехточечный изгиб
Рисунок 8 - Хрупкие включения сульфида титана в хромоникелевой стали
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что в сварных соединениях железнодорожных крестовин с рельсовыми окончаниями имеются зоны, снижающие трещиностойкость материала. В процессе сварки рельсовой и хромонике-левой сталей в переходной зоне возникает высокохрупкая мартенситная структура. Она обеспечивает высокий уровень внутренних напряжений, способных привести к катастрофическому разрушению сварного соединения. Свойства мартенситной прослойки в разных сварных соединениях (или даже в пределах одного образца) отличаются. Чем выше уровень микротвердости мартенсита, тем более негативно его воздействие. Установлено, что приемлемый уровень микротвердости мартенсита, обеспечивающий достаточную надежность сварного шва, составляет HV < 4000 МПа. На качество сварного соединения отрицательно влияет наличие хрупких включений сульфида титана. Анализ полученных результатов свидетельствует о необходимости усовершенствования технологии стыковой контактной сварки с целью повышения трещиностойкости сварных швов и повышения надежности стрелочных переводов.
Рисунок 7 - Результаты микрорентгенос-пектрального анализа сварного шва между рельсовой и хромоникелевой сталями
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Генкин И.З. Сварные рельсы и стрелочные переводы // Путь и путевое хозяйство. -2000. - № 12. - С. 14 - 20.
2. Никитин А.С. Контактная стыковая сварка стали Гадфильда с рельсовой сталью // Сварочное производство. - 2000. - № 9. - С. 38-40.
3. Синадский Н.А., Турбина Л.А., Генкин И.З. Сварка высокомарганцовистой и углеродистой стали // Сварочное производство. - 1993. -№ 2. - С. 10-12.
4. Синадский Н.А., Генкин И.З., Турбина А.П. Сварка крестовин с рельсами // Путь и путевое хозяйство. - 1994. - № 4. - С. 11-14.
5. Бивалькевич А.А. Надежности сварных соединений рельсовой стали со сталью Гад-фильда// Материалы докладов региональной научной конференции молодых ученых «Наука. Технология. Инновации». Ч. 2. - Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2003. - С. 124-25.
6. Бивалькевич А.А. Выявление причин разрушения сварного соединения крестовины из стали Гадфильда с рельсовыми окончаниями// Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2004. - С. 135.
Новосибирский государственный технический университет
