Транспорт. Строительство

ля определения критических давлений в режиме чистого скольжения пары «колесо-рельс» использовался метод лунок. Условные обозначения испытанных сталей и их химический состав представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав исследованных сталей

Условный номер стали	Химический состав, вес %			Примечание
	С	Мп	Si
0,5	0.48	0.84	0.58	колесная, марка 1
0,6	0.59	0.72	0.33	колесная, марка 2
0,7	0.72	0.78	0.21	рельсовая
0,8	0.82	0.75	0.30	рельсовая

Стали подвергались термообработке на различную твердость двумя способами: закалкой на мартенсит с последующим отпуском до заданной твердости и ускоренным охлаждением без мартенситного превращения. Стали, обработанные по первому варианту, имели структуру зернистого перлита и мартенсита, по второму – структуру пластинчатого перлита различной степени дисперсности (сорбито-трооститные структуры) [1]. Ниже эти типы структур обозначаются соответственно буквами З и П.

(1)

где l – длина (или ширина лунки износа в направлении скольжения);

R_д и R_о – радиусы диска и образца, знак «+» используется, если образец выпуклый, знак «–» – если вогнутый.

Испытания выполнены на машине трения СМТ-1 по схеме «цилиндр-диск» с параллельными осями. Диаметры образцов и дисков – 40 мм, толщина диска 6 мм. Испытания проводились при нагрузке 500 Н в условиях сухого трения и 1500 Н в условиях смачивания водой. Скорость скольжения в обоих случаях была 12,6 м/мин. Характерная зависимость длины лунки от пути скольжения при сухом трении диска из рельсовой стали по цилиндрическому образцу из колесной стали представлена на рис. 1. Зависимость удельной интенсивности изнашивания – рассчитанная высота лунки h по формуле (1) от давления (W – σ кривая) – представлена на рис. 2. Как видно из рис. 2, W – σ кривая имеет две ветви, разделенные скачком износостойкости: нижнюю с интенсивностью изнашивания менее 10^-3 мм/м, соответствующую «умеренному» износу, верхнюю – «интенсивному» износу.

По результатам испытаний определялись следующие параметры W – σ кривой, которые являются по существу характеристиками износостойкости стали: критические давления перехода от «умеренного»
износа к «интенсивному», σ_к; интенсивность изнашивания при давлении, близком (но большем) σ_к, W_р,
и наклон верхней ветви кривой в терминах
. Эти величины для образцов из различных сталей при сухом трении в паре с дисками с зернистой и пластинчатой структурами представлены в табл. 2.

Рис. 1. Характерная зависимость длины лунки

от числа оборотов

Рис. 2. Характерная зависимость скорости

изнашивания от давления
Анализируя данные табл. 2, можно сделать вывод, что химический состав стали (в частности, содержание углерода) оказывает значительно меньшее влия-

ние на ее износостойкость, чем твердость и тип структуры. Зависимости σ_к, W₄₀ и β от твердости для исследованных сталей представлены на рис. 3, 4, 5. Метками возле точек замера обозначены приблизительное содержание углерода и тип структуры образца (пары трения 1...9, табл. 2).

Рассмотрим влияние твердости и типа структуры стали на параметры износостойкости. Как видно из рис. 3, σ_к возрастает пропорционально твердости во всем диапазоне исследованных твердостей.

Рис. 3. Влияние типа структуры, содержания углерода и твердости стали

Рис. 4. Влияние типа структуры, содержания углерода и твердости стали на скорость изнашивания

при давлении 40 Н/мм²

Таблица 2

Результаты измерения параметров износостойкости методом лунок на воздухе

№ пары трения	Образец			Диск			σк , Н/мм2	Для σ = 40 Н/мм2
	условное обозначение	тип структуры	твердость, HV10	условное обозначение	тип структуры	твердость, HVI0		W40, мм/м	Р, мм/м/МШ
1	5	П	266	7	З	365	6.6	0.26	0.063
2	6	П	274	7	З	365	5.0	0.20	0.040
3	7	З	280	7	З	365	3.0	0.24	0.063
4	6	З	290	7	З	365	4.3	0.32	0.082
5	6	П	320	7	З	365	9.0	0.10	0.030
6	5	З	425	7	З	365	12.0	0.06	0.030
7	6	З	530	7	З	365	18.0	0.04	0.010
8	7	З	613	7	З	365	24.0	0.04	0.010
9	8	П	440	7	З	365	18.0	0.02	0.001
10	6	П	274	6	П	322	6.0	0.07	0.010
11	5	З	425	6	П	322	33.0	0.01	0.009
12	6	З	530	6	П	322	33.0	0.03	0.000

Рис. 5. Влияние типа структуры, содержания углерода и твердости стали на баррокоэффициент

Из этого следует, что критические давления σ_к для тех режимов эксплуатации, в которых колеса и рельсы работают вблизи критического перехода от «умеренного» износа к «интенсивному», увеличение твердости сталей будет непрерывно повышать их износостойкость вплоть до самых больших твердостей. Такой же характер зависимости σ_к от твердости перлитных сталей был получен П. Клэйтоном в диапазоне твердостей от 140 до 350 HV₃₀ [2].

В целом, с учетом данных работы [2, 3] можно утверждать, что в диапазоне твердостей от 140 до 650 HV зависимость интенсивности изнашивания углеродистых сталей от твердости подчиняется обратнопропорциональному закону.

Изменение параметра β, характеризующего наклон верхней ветви (рис. 5), близко к обратно пропорциональному. Когда твердость образца становится много больше твердости диска, значение Р стремится к нулю, т.е. интенсивность изнашивания перестает зависеть от давления.

Как видно из табл. 2 и рис. 3, 4, 5, стали с пластинчатой структурой закалки имеют значительно большие σ_к, меньшие W₄₀ и β, чем стали с зернистыми структурами отпуска. Это еще раз подтверждает известный факт, что, с точки зрения сопротивления изнашиванию, стали с пластинчатой структурой предпочтительнее.

Внешняя среда оказывает значительное влияние на результаты определения износостойкости, так как при изменении среды наблюдается смена механизмов износа (изменяется характер сил сцепления трущихся поверхностей, шероховатость, соотношение пластического, хрупкого и усталостного разрушения, скорость окисления и адсорбирования), поэтому нет оснований распространять результаты испытаний, полученных в одних условиях, на другие. Колеса и рельсы работают в широком диапазоне внешних условий, в том числе повышенной влажности, загрязненности, смазки маслами.

Испытания в условиях смачивания осуществляли путем погружения диска в ванну с водой. Нагрузка на образцы при этом была повышена до 1500 Н. Характер зависимостей W = f(L) и W = f(σ) при смачивании остался таким же, как и при сухом трении, поэтому определялись те же самые параметры W – σ кривой, что и при сухом трении. Эти параметры представлены в табл. 3. Как можно видеть, в условиях смачивания водой σ_к в 10 раз больше, β – на два порядка меньше, чем в условиях сухого трения.

Приведенные эксперименты с точки зрения теоретической трибологии имеют большое значение, однако с практической точки зрения их ценность для железнодорожного транспорта состоит лишь в том, что давления перехода от умеренного к суровому износу при чистом скольжении чрезвычайно малы и находятся намного ниже самых низких.

Таблица 3

Результаты определения параметров износостойкости методом лунок в воде

№ пары трения	Образец			Диск			σк, Н/мм2	Для σ = 40 Н/мм2
	условное обозначение	тип структуры	твердость, HV10	условное обозначение	тип структуры	твердость, HVI0		W40, мм/м	β, мм/м/МПа
1	6	П	297	6	П	320	45	0.27	76
2	6	П	297	7	З	385	50	0.17	45
3	6	П	297	6	З	560	50	0.17	46
4	7	З	3,0	6	П	320	45	0.27	66
5	7	З	340	6	З	383	50	0.25	52
6	7	З	340	7	З	385	45	0.24	52
7	7	З	340	6	З	560	60	0.18	41
8	7	З	460	6	П	320	120	0.065	3.7
9	7	З	460	7	З	360	120	0.065	3.7
10	7	З	460	6	З	450	80	0.100	6.1
11	7	З	460	6	З	560	80	0.076	2.3
12	8	П	440	6	П	320	140	0.030	3.3