Материалы нажимных пластин, термообработка, усталость

Что несет нажимная пластина

Прижимная пластина располагается между основанием рельса и шпалой или опорной плитой, распределяет силу зажима системы крепления на подошву рельса и помогает удерживать рельс в поперечном направлении. Он видит изменяющийся спектр нагрузки: каждый проход колеса добавляет импульс сжатия, а изгиб добавляет боковой изгиб. Пластина, потерявшая прочность или потрескавшаяся, меняет распределение нагрузки на весь комплект крепления, и рельс под ней начинает перемещаться. Таким образом, сопротивление усталости, способность выдерживать миллионы циклов нагрузки без образования трещин, является основным конструктивным свойством листового материала, и оно создается в печи термической обработки, а не в чертежном бюро. Два семейства сталей, среднеуглеродистая сталь C45 и пружинная сталь 60Si2Mn, выбраны именно по этой причине: обе хорошо поддаются термообработке, и от маршрута процесса зависит, прослужит ли пластина годы или выйдет из строя через месяцы.

Закалка и отпуск в сравнении с нормализацией для C45

В результате закалки и отпуска образуется отпущенный сорбит — структура, сочетающая в себе высокую прочность и вязкость, поэтому пластина выдерживает как знакопеременное сжатие поездных нагрузок, так и воздействие сколов колес. Нормализованная структура, перлит плюс феррит, имеет меньшую вязкость, и усталостные трещины возникают раньше в точках концентрации напряжений, таких как края отверстий и углы сечения. Разница в пределе выносливости 250 МПа против 180 МПа напрямую влияет на срок службы: при одном и том же спектре нагрузок срок службы нормализованной пластины составляет лишь примерно 60 процентов. Для компонента, который находится в исправном состоянии в течение многих лет, дополнительные затраты на закалку и отпуск многократно окупаются за счет затрат на проверку и замену.

Поверхностная закалка пластин 60Si2Mn

Там, где пластина также должна противостоять истиранию от подошвы рельса, поверхность пружинной стали марки 60Si2Mn закаливают индукционным нагревом и быстрым охлаждением. Поверхность достигает твердости HRC 45–50 с плотным мартенситным слоем, что повышает износостойкость более чем в два раза. Что еще более важно с точки зрения усталости, закаленный поверхностный слой несет остаточное сжимающее напряжение, которое компенсирует часть растягивающего и изгибающего напряжения от поездных нагрузок, повышая предел выносливости на 25–30 процентов. Структура намеренно состоит из двух-слоев: прочная-износостойкая оболочка снаружи и прочный закаленный сердечник внутри, поэтому конструкция называется жесткой снаружи и жесткой внутри. Такое сочетание делает пластины 60Si2Mn с поверхностной-закалкой предпочтительным выбором для тяжелых-транспортных линий, где истирание и усталость действуют одновременно. Необходимо указать как глубину закалки, так и твердость сердечника, поскольку слишком тонкий корпус изнашивается, а слишком твердый сердечник теряет прочность.

Закалочные трещины и их предотвращение

Закалочные трещины являются классическим дефектом термообработки и возникают по трем причинам. Во-первых, слишком быстрый нагрев приводит к большой разнице температур между поверхностью и ядром и высоким тепловым напряжениям. Во-вторых, слишком быстрое охлаждение при закалке приводит к тому, что напряжение превращения аустенита в мартенсит превышает локальную прочность стали. В-третьих, острые углы и края отверстий без фасок действуют как концентраторы напряжений, где происходит разгрузка трансформационного напряжения. Меры профилактики стандартны: поэтапное нагревание, чтобы разница температур оставалась небольшой, закалка в градиентной среде, такой как нитратная ванна, чтобы замедлить охлаждение, и перед закалкой снятие фаски на каждом остром углу и кромке отверстия радиусом 0,5 мм или более. Пластина с закалочной трещиной является браком, поскольку трещина открывается под нагрузкой и перерастает в усталостное разрушение, поэтому стоимость предотвращения намного ниже стоимости дефекта.

Принятие твердости и опасность неправильных значений

Твердость – решающий фактор-качества термообработки. Закаленная и отпущенная пластина C45 должна иметь твердость HRC от 22 до 28, а поверхность -закаленной пластины из 60Si2Mn - от HRC от 45 до 50. Если твердость слишком высока, выше 55 HRC, пластина становится хрупкой: ударная вязкость падает более чем на 40 процентов, и пластина может сломаться под ударной нагрузкой, при этом риск наиболее высок при низких зимних температурах. При слишком низкой твердости, ниже 35 HRC, прочность и износостойкость недостаточны, под действием поперечной нагрузки рельса пластина пластически деформируется, на поверхности контакта образуется ступенька, рельс начинает расползаться вбок и расширять колею. Оба вида отказа сокращают срок службы пластин и дестабилизируют систему крепления, поэтому приемочные испытания включают измерение твердости на определенном количестве деталей из партии.

Полевые проверки установленных пластин

На месте состояние термообработки проверяется без лабораторного оборудования. Портативный твердомер Роквелла измеряет поверхностную твердость и подтверждает диапазон: от 22 до 28 HRC для закаленного и отпущенного C45 и от 45 до 50 HRC для поверхностно--закаленного 60Si2Mn. Поверхность осматривают на наличие трещин, обезуглероживания и деформаций; любой из них отклоняет тарелку. Опытные контролеры также используют звуковой тест: закаленная и отпущенная пластина звенит глубоким звуком, пластина с поверхностной-закалкой — четким звуком, а хриплый звук указывает на внутреннюю трещину. При подозрении на наличие партии отбираются образцы для испытаний на ударную вязкость, чтобы подтвердить термообработку, прежде чем пластины будут выпущены для отслеживания. Те же проверки распространяются на поступающий товар, и покупатель должен указать в техническом соглашении окно твердости, частоту отбора проб и метод испытаний.

Почему закалка и отпуск для нажимных пластин лучше, чем нормализация?

Потому что он образует закаленный сорбит, сочетающий в себе прочность и вязкость. Предел выносливости повышается примерно со 180 МПа до 250 МПа, а срок службы увеличивается примерно в два раза по сравнению с нормализованной пластиной из той же стали.

Какую твердость должна иметь нажимная пластина?

Закаленная и отпущенная пластина C45 должна иметь твердость HRC от 22 до 28, а поверхность -закаленной пластины из 60Si2Mn - от HRC от 45 до 50. Значения выше HRC 55 чреваты хрупким разрушением, а ниже HRC 35 – пластической деформацией.

Как избежать закалочных трещин?

Путем ступенчатого нагрева, ступенчатой ​​закалки в нитратной ванне и снятия фасок с каждого острого угла и кромки отверстия радиусом 0,5 мм и более. Фаски удаляют точки концентрации напряжений, в которых трансформационные напряжения вызывают растрескивание стали.

Что произойдет, если пластина окажется слишком твердой?

Пластина становится хрупкой, ударная вязкость снижается более чем на 40 процентов. Он может сломаться под ударной нагрузкой поезда, причем риск наиболее высок в холодных зимних условиях, поэтому твердость выше 55 HRC отклоняется при приемке.

Как проверяется качество термообработки на месте?

Переносным твердомером по Роквеллу против указанного окна, визуальная проверка на наличие трещин и обезуглероживания, звуковая проверка молотком. Хриплый звук указывает на внутреннюю трещину, а подозрительные партии отправляются на испытания на ударную вязкость.

C45 или 60Si2Mn, какой материал для пластин для тяжелых-тягачей?

60Si2Mn с поверхностной закалкой – это выбор для тяжелых-перевозок: поверхность HRC от 45 до 50 устойчива к истиранию подошвы рельса, а остаточное сжимающее напряжение повышает предел выносливости на 25–30 процентов, а прочный сердечник предотвращает разрушение.