В железнодорожном парке грузовых вагонов существенную долю составляют вагоны, которые отработали свой нормативный срок и подлежат списанию [1], Восстановление численности подвижного состава за счет строительства новых вагонов практически приостановлено [1]. В этих условиях техническое диагностирование и восстановление работоспособности грузовых железнодорожных вагонов, отслуживших свой нормативный срок, за счет проведения ремонтновосстановительных работ отдельных наиболее нагруженных узлов имеет важное народнохозяйственное значение.

При проведении капитально-восстановительного ремонта грузовых вагонов большой объем работ приходится на электродуговую сварку и наплавку, от качества выполнения которых во многом зависит надежность и безопасность эксплуатации подвижного состава.

Анализ статистических данных о повреждаемости узлов грузовых вагонов, прошедших капитально-восстановительный ремонт, показывает, что наибольший процент отказов приходится на раму вагона и раму тележки колесной пары. Одной из причин повреждаемости этих узлов может явиться неблагоприятная структура металла, сформировавшаяся при термодеформационных циклах электродуговой сварки и наплавки во время проведения ремонтно-восстановительных работ. Исходя из этих предпосылок, целью настоящей работы является оценка влияния структуры наплавленного металла и околошовной зоны на сопротивление узлов железнодорожных грузовых вагонов хрупкому разрушению.

Рама тележки вагона изготавливается литьем из стали 20Г1ФЛ (% вес.: С = 0,16...0,25; Si = 0,20. ..0,50; Mn = 0,90...1,4; V = 0,06...0,12; S и Р < 0 0,05). Ее опорные поверхности в период эксплуатации подвержены интенсивному износу, что приводит к потере геометрических размеров изделий за пределы допустимого по техническим условиям. Для восстановления работоспособности рамы изношенные участки после зачистки до металлического блеска и обезжиривания наплавляются электродуговой наплавкой в среде углекислого газа проволокой Св-08Г2С, а затем проходят механическую обработку.

Было отмечено, что в период эксплуатации восстановленных наплавкой рам имело место их аварийное разрушение. Анализ изломов показал, что разрушение происходило от верхней опорной поверхности и трещина продвигалась через технологические отверстия. По внешнему виду и характеру строения изломов установлено, что разрушение вызывалось воздействием ударно-изгибных нагрузок.

Наличие усталостных трещин или других макродефектов в изломе не обнаруживалось. Очаг разрушения, как правило, располагался на границе основного и наплавленного металла, то есть в месте перехода наплавленного участка верхней опорной поверхности к ненаплавленному участку в так называемой зоне термического влияния электрической дуги. Площадь мгновенного продвижения трещины составляла 1/3-1/2 часть от всей поверхности излома и характеризовалась четко выраженным зернистым строением без заметных следов пластической деформации, что свидетельствует о хрупком распространении макротрещины. Остальная часть излома, как правило, имела "шиферный излом", что может квалифицироваться как долом при воздействии статической нагрузки.

Исследование микроструктуры показало, что литье имело мелкозернистое строение, следов перегрева основного металла в разрушенной раме не обнаруживалось. Структура ферритно-перлитная с величиной зерна 4-5 балла. Наблюдались как крупные (до 10-15 мкм), так и мелкие неметаллические включения, имеющие овальную форму.

Наплавленный металл характеризуется мелкодендритной структурой, однородной по всему сечению. На границе раздела основного металла с наплавленным или на границе стыка валиков при многослойных проходах наблюдались пустоты и неметаллические включения различной формы.

Зона термического влияния при переходе наплавленного металла к основному имела хорошо просматриваемые под микроскопом три участка: участок перегрева с четко выраженной видманштеттовой структурой (при этом ферритная структурная составляющая располагалась в виде пластинок и игл в теле зерен перлита), участок полной перекристаллизации с мелким зерном феррита и перлита и участок неполной перекристаллизации с мелким зерном перлита и относительно крупными зернами феррита. Разрыв рамы тележки вагона проходил по участку перегрева с видманштеттовой структурой.

Измерения микротвердости по поперечному сечению детали "Рама боковая", выполненные на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор 10 г, показали, что основной металл имеет меньшие показатели микротвердости на 30-40 ед. по сравнению с наплавленным. В зоне перегрева ферритная фаза имела значительно большую микротвердость по сравнению с ферритной фазой, находящейся за зоной термического влияния. Это свидетельствует о том, что феррит, входящий в структуру видманштетта, более напряжен как за счет перенасыщенности по углероду, так и за счет пластической деформации при фазовом переходе. При этом построенные частотные кривые распределения микротвердости по зонам также свидетельствуют о значительной неоднородности структуры зоны сплавления и зоны перегрева по сравнению с другими участками ЗТВ.

Как известно [2], с увеличением размера зерна и появлением видманштеттовой структуры заметно возрастает склонность стали к хрупкому разрушению в результате повышения температуры хрупкого перехода. Она тем заметнее, чем больше околошовная зона и чем грубее ее структура. Согласно современным представлениям [3,4], структурная неоднородность вызывает неравномерность деформации в объеме металла. В свою очередь, чем выше неоднородность деформации, тем при меньшей деформации будет исчерпана пластичность стали и тем раньше наступит разрушение.

Результаты испытаний на ударный изгиб при температурах от +20 °С до -60 °С показали, что переход металла от вязкого к хрупкому разрушению в зоне перегрева на 20-30 °С выше, чем в зоне, не подверженной термическому влиянию. При наличии в зоне перегрева видманштеттовой структуры хрупкость металла рамы тележки вагона наступает при температурах -10...-20 °С, в то время как при отсутствии видманштеттовой структуры порог хрупкости отмечается при - 40...-50 °С. Следовательно, структура ЗТВ, сформировавшаяся при наплавке опорной поверхности рамы тележки вагона, оказывает существенное влияние на ее сопротивление хрупкому разрушению при наличии временных перегрузок и отрицательных температур в процессе эксплуатации.

На основании выполненных исследований разработаны и внедрены в производство на АО "Алтайвагон" научно обоснованные конструктивно-технологические процессы ремонтно-восстановительных работ узлов вагона, обеспечивающие при выполнении сварочных и наплавочных операций формирование как в литом металле, так и в околошовной зоне наиболее благоприятных для безопасной эксплуатации структур с полигональными зернами феррита и перлита 4-6 балла.