Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення
The article presents an analysis of existing publications, which highlight the issues of increasing the strength and reliability of the axles of wheelsets. Increasing the strength and service life of axles can only be achieved in a comprehensive manner: by improving the design, by rational choice of...
Saved in:
| Date: | 2020 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/137 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Metal and Casting of Ukraine |
| Download file: |  |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465382765658112 |
|---|---|
| author | Бабаченко, О.І. Дьоміна, К.Г. Кононенко, Г.А. Сафронова, О.А. |
| author_facet | Бабаченко, О.І. Дьоміна, К.Г. Кононенко, Г.А. Сафронова, О.А. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "О.І. Бабаченко",
"institution": "Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України"
},
{
"author": "К.Г. Дьоміна",
"institution": "Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України"
},
{
"author": "Г.А. Кононенко",
"institution": "Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України"
},
{
"author": "О.А. Сафронова",
"institution": "Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України"
}
] |
| author_sort | Бабаченко, О.І. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T13:37:39Z |
| description | The article presents an analysis of existing publications, which highlight the issues of increasing the strength and reliability of the axles of wheelsets. Increasing the strength and service life of axles can only be achieved in a comprehensive manner: by improving the design, by rational choice of material, methods of processing and strengthening them. An important role in this is played by the improvement of the operating conditions of the rolling stock and its maintenance.
If earlier there was a tendency to ensure the reliability of the axle operation mainly by increasing the section, now this way has actually exhausted itself and is giving way to methods of increasing the fatigue strength. The opportunities in this area are wide enough. They are the main focus of this article.
To solve the problem of improving the quality of axles of railway cars, the following main methods can be distinguished: measures aimed at improving the quality of steel for the production of axles in the process of its smelting (reducing the content of sulfur, phosphorus, hydrogen, etc.); alloying and microalloying of steel for the manufacture of railway axles; improving the processing of the metal of axial blanks in the process of hot deformation; selection and development of optimal modes of heat treatment of axial workpieces.
In our opinion, improving the processing of the metal of axle blanks in the process of hot deformation is precisely the way to improve the quality of railway axles, which does not require measures that significantly increase the cost of the existing technology for their manufacture. Since, due to the intense deformation action in ordinary carbon steel, it is possible to improve the quality of its macrostructure, to form a favorable distribution of the hereditary chemical heterogeneity of silicon and manganese in its microstructure, which will ensure the formation of a fine-grained and uniform ferrite-pearlite microstructure. All this will contribute to an increase in the characteristics of plasticity, toughness and strength under cyclic loads of carbon steel for structural purposes, in particular for the manufacture of railway axles. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2020.04.084 |
| first_indexed | 2026-03-12T15:50:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
84 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
На виготовлення осей для колісних пар, що ремон-
туються, у великій кількості витрачається сталь. Тому
заходи з продовження їх служби мають значний вплив
і на економію металу.
Підвищення міцності та терміну служби осей може
бути досягнуто тільки комплексно: поліпшенням кон-
струкції, раціональним вибором матеріалу, методів їх
обробки та зміцнення. Важливу роль при цьому віді-
грає поліпшення умов експлуатації рухомого складу і
догляд за ним.
Якщо раніше спостерігалася тенденція забез-
печити надійність роботи осі переважно за рахунок
збільшення перерізу, то в даний час цей шлях фак-
тично вичерпав себе і поступається місцем прийо-
мам збільшення втомної міцності. Можливості в цій
області є досить широкими. Їм і приділено основну
увагу в цій статті.
Аналіз існуючих публікацій. Як зазначає автор
роботи [4], забезпечення, збереження та підтриман-
ня міцності осей колісних пар здійснюються різними
С
учасний стан проблеми. Для забезпечення
безпеки руху поїздів особливо великого значення
набуває підвищення міцності та надійності осей
колісних пар, які повинні витримувати тривалу
безаварійну роботу. При цьому змінюваність осей ру-
хомого складу в експлуатації все ще продовжує за-
лишатися значною, що свідчить про складні умови їх
навантаження [1].
Вагонний парк АТ «Укрзалізниця» знаходиться у
критичному стані – його зношеність складає близь-
ко 90 % [2]. В умовах пожвавлення економіки перед
вантажовласниками постала проблема гострого де-
фіциту вагонів. Для забезпечення всіх заявок на пе-
ревезення не вистачає вантажного рухомого складу.
Серед інших причин такої «вагонної недостатності»
з одного боку, а з іншого – простоїв рухомого скла-
ду є те, що галузь вагонобудування України відчуває
гостру потребу у деталях – комплектуючих ходових
частин. Зокрема, існує дефіцит осей колісних пар з
навантаженням 23,5 тс [3].
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020, № 4 (323), 84-94
УДК 669.1.015:629.4:005.004.12
О.І. Бабаченко, д-р техн. наук, ст. наук. співр., директор, e-mail: a_babachenko@i.ua, https://orcid.org/0000-0003-4710-0343
К.Г. Дьоміна, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: katya20@ua.fm, https://orcid.org/0000-0001-9668-8169
Г.А. Кононенко, канд. техн. наук, вчений секретар, e-mail: perlit@ua.fm, https://orcid.org/0000-0001-7446-4105
О.А. Сафронова, студентка, інженер 1 категорії, e-mail: safronovaaa77@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-4032-4275
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України (Дніпро, Україна)
Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції
залізничного призначення
В статті представлено аналіз існуючих публікацій, в яких висвітлені питання підвищення міцності та надійності
осей колісних пар. Підвищення міцності та терміну служби осей може бути досягнуто тільки комплексно: поліп-
шенням конструкції, раціональним вибором матеріалу, методів його обробки та зміцнення. Важливу роль при
цьому відіграє поліпшення умов експлуатації рухомого складу і догляд за ним.
Якщо раніше спостерігалася тенденція забезпечити надійність роботи осі переважно за рахунок збільшення пе-
рерізу, то в даний час цей шлях фактично вичерпав себе і поступається місцем прийомам збільшення втомної
міцності. Можливості в цій області є досить широкими. Їм і приділено основну увагу в цій статті.
Для вирішення задачі підвищення якості осей залізничних вагонів можна виділити наступні основні способи: за-
ходи, спрямовані на підвищення якості сталі для виробництва осей в процесі її виплавки (зниження вмісту сірки,
фосфору, водню і т. п.); легування та мікролегування сталі для виготовлення залізничних осей; поліпшення про-
роблюваності металу осьових заготовок в процесі гарячої деформації; вибір і розробка оптимальних режимів
термічної обробки осьових заготовок.
На наш погляд, поліпшення пророблюваності металу осьових заготовок в процесі гарячої деформації є саме тим
способом підвищення якості залізничних осей, що не потребує заходів, які суттєво здорожують існуючу техноло-
гію їх виготовлення. Оскільки за рахунок інтенсивної деформаційної дії у звичайній вуглецевій сталі можна покра-
щити якість її макроструктури, сформувати сприятливий розподіл спадкоємної хімічної неоднорідності кремнію
та марганцю в її мікроструктурі, який забезпечить утворення дрібнозернистої і рівномірної ферито-перлітної мі-
кроструктури. Усе це буде сприяти підвищенню характеристик пластичності, в’язкості та міцності при циклічних
напруженнях вуглецевих сталей конструкційного призначення, зокрема для виготовлення залізничних осей.
Ключові слова: залізнична вісь, сталь, легування та мікролегування, пророблюваність, термічна обробка, мі-
кроструктура.
https://doi.org/10.15407/steelcast2020.04.084
85ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
З урахуванням необхідності економії легуючих
елементів, а також зниження трудових і матеріаль-
них витрат на виготовлення деталей рухомого скла-
ду, більш раціональним визнано напрям кращого ви-
користання вуглецевої сталі за рахунок коригування
її складу і застосування різних засобів зміцнення, в
першу чергу поверхневого. До того ж в умовах пресо-
вих посадок легована сталь не завжди має переваги
перед вуглецевою, і її використання не виключає, а
навпаки, ще більше підкреслює необхідність засто-
сування накочування та інших засобів зміцнення,
оскільки тільки в цьому випадку можуть бути повніс-
тю реалізовані підвищені механічні властивості лего-
ваної сталі як матеріалу для осей і валів.
Сумісне поверхневе термічне і механічне зміцнен-
ня накочуванням сприяє значному підвищенню втом-
ної міцності осей. При цьому встановлено, що макси-
мальне підвищення втомної міцності досягається при
накочуванні осей, що мають підвищені значення ста-
тичної міцності. Однак, до теперішнього часу ці ро-
боти ще не знайшли промислового застосування [9].
У роботі [10] було досліджено процес руйнування
осей колісних пар в ході їх експлуатації. Визначено,
що руйнування осей колісних пар, як правило, відбу-
вається в поверхневому шарі. Розглянуто методи по-
верхневого пластичного деформування поверхневого
шару, що забезпечують підвищення втомної міцності.
Аналіз результатів випробувань зразків на втому по-
казав, що значення границь обмеженої втоми при
розтягуванні зразків, що піддані вібраційній обробці,
на 10 % вище, ніж у зразків, оброблених за серійною
технологією. Для великогабаритного виробу, яким є
ось колісної пари, рекомендується використання об-
ладнання для дробоструминної обробки, що забез-
печить рівномірний розподіл величини залишкових
напружень по глибині зміцненого шару.
У роботах [11, 12] узагальнено та проаналізовано
результати дослідження процесів і якості металу на
всіх стадіях наскрізної технологічної схеми, а також
дані дослідно-промислового освоєння виробництва
способами залежно від знижуючого її фактора. Існує
кілька способів:
1) застосування різних присадок, паст, лаків і по-
криттів для зменшення фретинг-корозії і відповідно її
впливу на міцність осей;
2) накатка поверхні осі колісної пари з вуглецевої
сталі для утворення на її поверхні напруження стис-
нення, що підвищує міцність накатаної осі у порівнян-
ні з ненакатаною віссю;
3) для недопущення пошкоджень поверхні осі від ко-
розії і механічних пошкоджень і також впливу агресив-
них середовищ на осі наносять захисні покриття [5–8];
4) застосування технологічних способів зміни ме-
ханічних властивостей матеріалу осей, яке покращує
його характеристики міцності.
Встановлення причин виходу деталей з ладу є від-
правною базою для розробки заходів з підвищення їх
міцності. На основі аналізу пошкоджуваності та при-
чин виходу з експлуатації осей, розкриття особливос-
тей утворення і розвитку тріщин, дослідження міцнос-
ті шляхом випробування натурних зразків і моделей,
а також в результаті статистичних методів аналізу
впливу на міцність даються відповідні рекомендації.
Останніми, крім перших трьох способів, що описані
вище, передбачено поліпшення складу, структури та
властивостей металу, нові методи контролю якості,
комплексне зміцнення осей термічною обробкою та
ін. Існують також шляхи продовження термінів служ-
би в експлуатації і повторного використання осей, які
отримали пошкодження.
Підвищення міцності осей накочуванням дозво-
лило по-новому підійти до вибору сталі для них.
Накочування дало можливість застосувати сталь з
підвищеною міцнісною характеристикою, що забез-
печує високу стійкість осей в експлуатації. При цьому
ефективність накочування як засобу підвищення міц-
ності збільшується з ростом міцнісної характеристики
сталі. Накочування дозволяє підійти до практичного
вирішення питання про застосування для осей тер-
мічної обробки – загартування та відпуску [1].
Схема типової кованої профільної заготовки для осей вагонів рухомого складу залізниць: А – шийка осі; Б – підматочинна частина; В –
маточина [10]
86 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
кованих профільних заготовок для осей залізнично-
го транспорту (чорнових осей), включаючи виплавку
в дуговій сталеплавильній печі електросталі EA1N
(35Г), рафінування (піч-ківш, вакууматор), розливан-
ня по виливницям (вага злитка 4,8 і 6,7 тонн), прокат-
ку, кування і термічну обробку (нормалізацію, відпуск)
профільних заготовок. Наведено результати техноло-
гічного та дослідницького контролю розмірного фак-
тора, кількості неметалевих включень і механічних
властивостей металу чорнових осей, а також аналіз
в аспекті відповідності вимогам UIC 811-1(Е) та EN
13261:2009.
На території України і країн СНД чорнові осі виро-
бляють зі сталі марки ОС, які за якістю відповідають
вимогам ГОСТ 31334-2007 і ДСТУ ГОСТ 4728:2014.
Для країн далекого зарубіжжя аналогічні за геометрі-
єю та формою чорнові осі (рисунок) виготовляють зі
сталі марки EA1N відповідно до норм UIC 811-1(Е) і
EN 13261:2009. Дана сталь EA1N за хімічним складом
аналогічна і близька до сталі 35Г (ДСТУ 7806:2015).
Особливістю зарубіжних стандартів є більш жор-
сткі вимоги до хімічного складу, механічних власти-
востей і чистоти сталі за неметалевими включеннями,
що зумовило необхідність наукового обґрунтування
нових технологічних рішень на стадії виплавки і по-
запічної обробки, а також створення нових режимів
термічної обробки чорнових осей.
Однією з основних складних задач при виконанні
експортних поставок осей є забезпечення жорстких
вимог стандарту EN 13261:2009 до забруднення сталі
за неметалевими включеннями. Відповідно до вимог
стандарту UIC 811-1(Е), всі види неметалевих вклю-
чень не повинні перевищувати 2,5–3,0 бала (для
тонких включень) і 2,0 бала (для товстих включень)
під час контролю за ISO 4967, метод А. Разом з тим,
згідно з новими вимогами стандарту EN 13261:2009,
забрудненість сталі за неметалевими включеннями
не повинна перевищувати відповідно 2,0 і 1,5 бала.
Сталь EA1N (35Г) для промислового виробництва
заготовок чорнових осей виплавляли в основній ду-
говій печі ДСП-60 з окиснювальним періодом і засто-
суванням кисню. Після дефосфорації сталевої ванни
і окиснення вуглецю сталь-напівпродукт розкисню-
вали феросиліцієм ФС65, алюмінієм і обробляли у
ковші твердошлаковими сумішами на основі вапна і
плавикового шпату. Подальшу обробку металу про-
водили на установці піч-ківш (УПК) і в вакууматорі.
Перед передачею ковша з вакууматора на розливку
проводили комплексне розкиснення металу з вико-
ристанням алюмінію, титану і SiCa дроту.
Наведені заходи сприяли зниженню масової част-
ки сірки в кінці рафінування металу на УПК в 1,5 раза
в порівнянні з виплавкою такої сталі з допустимим
рівнем сульфідів товстої серії не більше 2,0 бала і,
як наслідок, зменшення забрудненості сталі товстими
сульфідними включеннями Атл до необхідного рівня
(не більше 1,5 бала). Низький рівень забрудненості
сталі товстими оксидними включеннями забезпечува-
ли шляхом регламентації залишкової масової частки
алюмінію, кальцію і введення додаткового елементу
титану [13].
Після освоєння нової технології кінцевого розкис-
нення сталі 35Г при ультразвуковому контролі в по-
одиноких осях виявлено невеликі скупчення немета-
левих включень [10]. В процесі їх вивчення на елек-
тронному мікроскопі встановлено наявність в них
поряд з оксидами алюмінію і кальцію також оксидів
титану. При масовій частці титану не більше 0,03 %
оксиди титану раніше не виявляли. Це послужило
припущенням того, що вони внесені в сталь у вигляді
екзогенних включень.
Титан, що застосовується для розкиснення мета-
лу, забруднений киснем більшою мірою, ніж вакуумо-
вана сталь. Тому оксиди титану могли бути внесені
разом з титаном, який сідав в розплав після вакууму-
вання перед передачею ковша на розливання, і при
відсутності обробки металу аргоном не вилучились у
шлакову фазу.
Для перевірки цієї гіпотези автори роботи [11] при
подальшій виплавці сталі вводили титан в рідкий
метал до вакуумування. В процесі ультразвукового
контролю кованих чорнових осей зі сталі плавок за
новою технологією розкиснення дефекти, що зустрі-
чалися раніше у вигляді скупчень неметалевих вклю-
чень, виявлені не були. Зміна черговості присадки
титану сприяла також зменшенню загальної забруд-
неності сталі неметалевими включеннями: оксидами
і сульфідами.
У роботі [14] показано, що головною причиною
низьких техніко-економічних показників ефективнос-
ті роботи залізничного транспорту України, держав
СНД та деяких країн далекого зарубіжжя: його не-
відповідність сучасним вимогам підвищених швидко-
стей руху і вантажопідйомності рухомого складу, – є
застосування нелегованих і низьколегованих високо-
і середньовуглецевих перлітних сталей виробництва
металопродукції для рухомого складу (рейок, коліс,
осей і т. д.).
У сталях цих класів підвищення статичної міцності
за рахунок збільшення вмісту вуглецю супроводжу-
ється зниженням циклічної міцності, статичної і ци-
клічної в’язкості руйнування, пластичності, контактної
витривалості [15–17].
В Росії і Україні до теперішнього часу провідні ма-
теріалознавчі організації, зокрема Інститут металургії
і матеріалознавства ім. О.О. Байкова Російської ака-
демії наук, Федеральне державне унітарне підприєм-
ство «Центральний науково-дослідний інститут чор-
ної металургії ім. І.П. Бардіна», Федеральне державне
унітарне підприємство «Всеросійський науково-до-
слідний інститут залізничного транспорту», Інститут
чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної ака-
демії наук Ураїни і підприємства-виробники метало-
продукції для залізничного транспорту: ВАТ «Кузнець-
кий металургійний комбінат», ПАТ «МК «Азовсталь»,
ВАТ «Виксунський металургійний завод», ВАТ «Ниж-
ньо-тагільський металургійний комбінат», ТОВ «МЗ
«ДНІПРОСТАЛЬ» і ПАТ «ІНТЕРПАЙП НТЗ», – як шля-
хи підвищення експлуатаційних характеристик стан-
дартних перлітових сталей розглядають уже давно
відому технологію мікролегування ванадієм, а також
методи термічного і термомеханічного зміцнення [18].
87ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
цевих сталей на низьковуглецеві сталі зі структурою
нижнього бейніта і навіть на жароміцні сталі на ні-
келевій основі [23, 24]. Ці сталі, наприклад рейкова
сталь фірми «Nippon Steel Corp.» (Японія) з вмістом
(%мас.): 0,15–0,45 С; 0,15–0,20 Si; 0,3–2,0 Mn; 0,5–3,0
Cr; 0,1–0,6 Mo, 0,05–0,40 Ni; 0,03–0,30 V; 0,05–0,50
Cu; 0,1–0,6 Mo, 0,05–0,40 Ni; 0,03–0,30 V; 0,05–0,50
Cu; 0,01–0,05 Ti, 0,01–0,05 Nb, сталь для колісного
обода RTX (Великобританія) з вмістом (%мас.) 0,25
C; 1,1 Si, 1,1 Mn; Cr + Mo + Ni = 1,8; 0,05 V; 0,30 Cu,
а також нікелеві сплави мають високу міцність, зно-
состійкість, тепло- і термостійкість, не схильні до
a→g→М перетворень.
Об’єктом дослідження конструкторів і авто-
рів роботи [25] стала високоміцна легована сталь
30NiCrMoV12 від італійської компанії «Lucchini
Sidermeccanica», що широко використовується в Іта-
лії і Європі, особливо для осей колісних пар високо-
швидкісних поїздів.
Основною характеристикою цієї сталі є висока
втомна міцність разом зі значенням чутливості до над-
різу, що аналогічні стандартним маркам сталі EA1N і
EA4T (EN 13261:2009). Це дозволяє конструкторам
повною мірою використовувати її переваги при роз-
робці виробів і значно на 20 % знизити вагу колісних
пар, що досягається за рахунок зменшення зовнішніх
діаметрів осі або при виготовленні з даної марки ста-
лі порожнистої осі. В результаті, може бути досягнуто
зниження вібрацій всіх непідресорених компонентів,
меншого зносу колеса і рейки, в тому числі в важких
умовах навантаження, і кращої динамічної поведінки
завдяки зменшенню моменту інерції.
Але, незважаючи на всі переваги мікро- і комплек-
сно легованих сталей перед якісними вуглецевими
сталями, висока собівартість легування і досить ве-
ликий обсяг виробництва і застосування рейок, коліс
і осей роблять розвиток даного напряму в Україні і в
країнах СНД в даний час нереальним. Тому на по-
страдянському просторі найбільш доцільним зали-
шається спосіб підвищення якості металопродукції
залізничного призначення шляхом варіації хімічного
складу в межах марочного складу, а в окремих випад-
ках – використання мікролегування і/або підвищення
вмісту одного з основних елементів в сталі до рівня
легуючого [11, 26–30].
Так, в роботі [11] для отримання чорнових осей зі
сталі EA1N (35Г) на підставі проведених досліджень
обґрунтовано звужені границі за вмістом вуглецю
і марганцю під верхню допустиму границю. При по-
дальшому виробництві чорнових осей із забезпечен-
ням рекомендованих звужених границь за хімічним
складом виконано 27 плавок. При первинному кон-
тролі механічних властивостей 59 % плавок мали рі-
вень тимчасового опору вище норм UIC 811-1(Е).
В Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова
НАН України (ІЧМ НАН України) виконано комплекс
науково-дослідних робіт з розробки нових сталей
для залізничних коліс з підвищеним рівнем твердості
(320–400 НВ). Розроблено хімічний склад економно
легованої сталі кремнієм (марка «К») і режими тер-
мічної обробки залізничних коліс, що виробляються
Мікролегуванню сталей азотом і нітридоутворюю-
чими елементами: ванадієм, ніобієм, титаном, алюмі-
нієм, – в останні роки приділяють пильну увагу [19–21].
При цьому вирішується задача диспергування зерна
аустеніту і перліту, а також обмеженого і нестабільно-
го підвищення дисперсійного зміцнення сталей. Так,
в роботі [20] визначено оптимальний термічний інтер-
вал відпуску загартованих мікролегованих ванадієм
колісно-бандажних сталей – при температурі 500 ±
10 °С. Показано, що в інтервалі 450–500 °С цілісність
структурного стану, що характеризується наявністю
фериту голчастої морфології, не порушується. При
температурах ~ 500 °С досягається також додаткове
зміцнення виробів за рахунок формування мікровиді-
лення карбідів. Негативний вплив полігонізації струк-
тури голчастої a-фази і сфероїдизації цементита пер-
літу на показники в’язкості і міцності проявляється
при температурах понад 500 °С.
Системні фундаментальні дослідження протягом
декількох десятиріч у Фізико-технологічному інсти-
туті металів та сплавів Національної академії наук
України (ФТІМС НАН України) та накопичений досвід
промислового застосування показали, що технологія
мікролегування азотом і ванадієм є методом докорін-
ного підвищення всього комплексу фізико-механічних
і екплуатаційних властивостей ливарних і деформо-
ваних вуглецевих, низьколегованих і легованих ста-
лей різного функціонального призначення, в тому
числі середньо- і високовуглецевих [22]. Авторами
вперше встановлено, що необхідною умовою ефек-
тивного мікролегування азотом і ванадієм є не тільки
оптимізація процесу дисперсійного нітридного зміц-
нення, а й вплив азоту і нітридної фази на процеси
кристалізації і пов’язані з нею розвиток первинної
хімічної і структурної неоднорідності металу, розмір
зерна аустеніту, термодинамічні і кінетичні параметри
перлітного, бейнітного і мартенситного перетворень,
морфологію карбідних фаз при розпаді пересиченого
твердого розчину аустеніту та фериту, розвиток вто-
ринної хімічної і структурної неоднорідності, в тому
числі зернограничної. Найбільш важливою перева-
гою розроблених у ФТІМС НАН України сталей, мікро-
легованих азотом і ванадієм, є одночасне істотне під-
вищення їх статичної і циклічної міцності, статичної і
циклічної в’язкості руйнування, тепло- і термостійкос-
ті, зносостійкості, прокалюваності, зварюваності, зни-
ження або повне усунення схильності до природного,
деформаційного і теплового окрихчування.
Виконані дослідження показали, що такого ж ре-
зультату досягають і на високовуглецевих сталях для
виробництва рейок і коліс. Так, за рахунок диспергу-
вання аустенітного зерна, зменшення хімічної і струк-
турної неоднорідності, додаткового дисперсійного
зміцнення нанорозмірними внутрішньозеренними
частинками нітриду ванадія забезпечується істотне
підвищення міцності (на 100 МПа) сталей без змен-
шення їх пластичності і в’язкості. Цього результату
досягають при зменшенні на 0,07–0,10 %мас. вугле-
цю в сталях.
В економічно розвинених країнах вже намічений
шлях по заміні перлітових високо- і середньовугле-
88 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
з неї, які забезпечили при зниженні вмісту вуглецю
в сталі до 0,60 %мас. рівень твердості не менше
320 НВ і зменшення чутливості до утворення дефек-
тів на поверхні кочення. Ці технологічні рішення були
успішно випробувані в промислових умовах ПАТ «ІН-
ТЕРПАЙП НТЗ».
Перераховані вище варіації хімічного складу ви-
бираються і спеціально розробляються з метою
отримання сприятливого структурного стану в ста-
левих виробах, оскільки управління структурою, яка
в більшості розглянутих випадків гетерофазна, є од-
ним з найбільш ефективних засобів спрямованої змі-
ни властивостей кристалічних матеріалів. Вивчення
морфології виділень і кінетики перетворень дозволяє
передбачити характер структури, що формується, і
властивостей матеріалів. Разом з дефектами криста-
лічної будови, їх типом і характером розподілу гете-
рофазна структура визначає весь комплекс структур-
но-чутливих властивостей реальних виробів і напів-
фабрикатів з металевих матеріалів, що випускаються
промисловістю [31].
Формування властивостей металевих сплавів ви-
значається фазовими і структурними перетворення-
ми, які протікають в матеріалах при їх обробках різ-
ними методами. Саме вони об’єднуються загальним
терміном «перетворення» і розглядаються фахівця-
ми при призначенні різних режимів обробки сплавів з
метою отримання необхідних для конкретних виробів
властивостей. Фактично теорія перетворень в твер-
дому стані є основою для управління структурою і
властивостями металів і сплавів при їх обробці. Під
перетворенням в твердому стані розуміються проце-
си, що призводять до зміни структури, а отже, і влас-
тивостей твердих тіл.
Підвищення механічних і експлуатаційних власти-
востей осей шляхом впливу на мікроструктуру сталі
в процесі обробки тиском, термічної обробки і меха-
нічного зміцнення поверхні досліджено в ряді робіт
[9, 32–41].
Технічні вимоги на вагонні та локомотивні осі за
кордоном передбачають використання їх після різної
термічної обробки [9]. Так, в США вагонні осі засто-
совують в гарячекатаному і відпаленому станах, а
також після нормалізації з відпуском, а локомотивні
осі піддають нормалізації з відпуском. При виробни-
цтві осей в Англії застосовують нормалізацію, гарту-
вання у воді з відпуском, а також гартування в маслі.
В Угорщині вагонні осі використовують без термічної
обробки, а локомотивні – в покращеному стані. В
Японії вагонні та локомотивні осі застосовують після
нормалізації з відпуском, а також після гартування у
воді або маслі з відпуском.
Для автомотрис на новій дорозі Токайдо в Японії,
де починаючи з 1964 р. відкрито регулярний рух ви-
сокошвидкісних поїздів (максимальна швидкість до
210 км/год), застосовано осі, що піддано індукцій-
ному гартуванню. Для їх виготовлення застосовано
вуглецеву сталь з 0,35–0,41 %мас. С. Після кування
заготовки піддають гартуванню в маслі (з 870 °С) і
високому відпуску (при 600 °С). Поверхню термічно
обробленої осі після остаточної механічної обробки
з допуском на доводку піддають індукційному гарту-
ванню і низькотемпературному відпуску. Цей техно-
логічний процес термічної обробки забезпечує досить
високі механічні властивості внутрішньої частини осі
та плавний перехід структурних складових від мар-
тенситу в поверхневих шарах до дрібнодисперсного
перліту в центральній частині осі, а також сприятливу
схему розподілу залишкових напружень.
Раніше [32–34] розглядалося питання про можли-
вість і умови проведення термічної обробки залізнич-
них осей, а також вивчено вплив різних режимів тер-
мічної обробки на структуру і механічні властивості
металу залізничних осей по перерізу.
Необхідність термічної обробки була викликана тим,
що в осях в процесі роботи виникають втомні тріщини і
злами, в результаті чого щорічно знімається з експлуа-
тації близько 10 000 осей. При зростаючих швидкостях
руху існуючий метод зміцнення шийок і підматочинних
частин осей обкаткою стає неефективним, оскільки
при цьому не зміцнюється середня частина осі, на якій
також утворюються тріщини втоми. Обкатувати ж се-
редню частину економічно недоцільно.
Залізничні осі працюють в умовах знакозмінного
навантаження при наявності концентраторів напру-
жень в результаті пресової посадки внутрішніх кілець
підшипника, тому механічні характеристики, отримані
при статичному випробуванні, не можуть служити га-
рантією високої втомної міцності.
В роботі [33] з’ясовано вплив хімічного складу і
термічної обробки на втомну міцність залізничних
осей. Дослідження проведено на зразках шийок осей
натуральних розмірів (діаметр 135 мм) при знакозмін-
ному навантаженні. За результатами виконаних до-
сліджень зроблено два основні висновки:
1. Поліпшення (гартування і високий відпуск при
температурі 600 °С) залізничних осей і зразків ши-
йок діаметром 135 мм, виготовлених з осьової сталі
з вмістом вуглецю 0,34–0,44 %мас., не приводить до
підвищення механічних властивостей металу і його
втомної міцності.
2. Для підвищення границі витривалості заліз-
ничних осей необхідно вміст вуглецю в осьовій сталі
збільшити до 0,50–0,55 %мас. і марганцю – до 0,8–
0,9 %мас., піддаючи цю сталь термічній обробці у ви-
гляді: а) гартування у водяному спрейєрному баку з
наступним відпуском при температурах 580–600 °С
або б) гартування в маслі або без відпуску, або з по-
дальшим відпуском при температурах 250–300 °С.
Автором роботи [35] після нормалізації вже виго-
товлених осьових заготовок розроблено режим від-
пуску (температура нагріву 680 °С), який гарантує
отримання необхідного рівня механічних властивос-
тей сталі марки EA1N (EN 13261:2009).
Найпоширенішим видом недосконалості мікро-
структури деформованих і потім термічно оброблених
виробів, особливо виробів складної форми, в тому
числі і залізничних осей, є неоднорідність зеренної
структури по перерізу виробу. Ця неоднорідність за
своєю топографією, природою і причинами виникнен-
ня може бути досить різноманітною. Найчастіше ви-
глядом структурної неоднорідності є різнозернистість
89ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
структури, тобто неоднаковість розмірів зерен, яка
виходить за границі звичайного нормального розподі-
лу. Різнозернистість, як правило, негативно впливає
на властивості та часто призводить до великих еко-
номічних втрат.
Дослідження [36] показали, що причиною неодно-
рідності структури вуглецевої сталі для виготовлення
залізничних осей марки ОС (ДСТУ ГОСТ 4728:2014) є
наслідок високої температури і нерівномірного нагрі-
ву виробу при термічній обробці. Для усунення струк-
турної неоднорідності сталь марки ОС розкиснювали
алюмінієм. Це призвело до утворення дрібних вклю-
чень нітриду алюмінію AlN, які розміщені на границі
зерен аустеніту і перешкоджають їх росту. Найбільш
високу холодостійкість і найкращий комплекс меха-
нічних властивостей зразків залізничних осей отри-
мано при вмісті алюмінію 0,03–0,06 %мас.
З огляду на неоднорідність мікроструктури вугле-
цевої сталі марки ОС (ДСТУ ГОСТ 4728:2014) авто-
ром роботи [37] показано її вплив на довговічність
осей колісних пар при асиметрічному циклі наванта-
жування та розроблено метод оцінки залишкового ре-
сурсу елементів колісних пар, який відтепер викорис-
товується у відокремленому підрозділі «Локомотивне
депо Тернопіль» при визначенні міжінспекційних пе-
ріодів їх контролю.
Причиною виникнення структурної неоднорідності
здебільшого є технологія виготовлення осей колісних
пар. Існуюча технологія виробництва залізничних осей
визначається вимогами державного стандарту України
ДСТУ ГОСТ 31334:2009 (ГОСТ 31334-2007, IDT).
Декілька років тому в ІЧМ НАН України виконано
ряд науково-дослідних робіт, спрямованих на під-
вищення якості осей рухомого складу залізниць за
рахунок формування дрібнозернистої, бездефектної
мікроструктури без застосування заходів, що здоро-
жують існуючу технологію їх виготовлення: без ви-
користання легування сталі та додаткових термічних
обробок. Найбільш важливі результати даних дослі-
джень відображено в роботах [38–40].
На підставі отриманих в цих роботах результатів
встановлено, що найбільший вплив на формування
мікроструктури осей в процесі виготовлення мають
особливості процесів ліквації та фазових перетво-
рень в сталі, а також температурно-деформаційні па-
раметри обробки прокату. Зокрема, значна роль тут
відводиться величині деформації центральної зони
заготовки у процесі гарячої деформації. Так, при про-
катці заготовок значного діаметру величина дефор-
мації по перерізу є нерівномірною, що і призводить
до формування нерівномірної структури вуглецевої
сталі.
Іншим фактором, що впливає на неоднорідність
структури матеріалу, є режим нормалізації та нерів-
номірне охолодження по перерізу осьових заготовок.
Нерівномірність структури зі свого боку призводить
до деякої нерівномірності механічних властивостей
матеріалу по перерізу осей колісних пар.
Тому основна ідея зазначених досліджень поляга-
ла в оптимізації деформаційно-температурних режи-
мів обробки на тих етапах виробництва, де відбува-
ється найбільший вплив на структуру осьових загото-
вок, а саме, при прокатці на блюмінгу та стані 250, а
також під час остаточної термічної обробки.
Впровадження таких заходів показало, що необ-
хідна структура і, як наслідок, механічні властивості
залізничних осей згідно з вимогами стандарту AAR
M-101-2017 можуть бути забезпечені вже після про-
ведення однієї нормалізації при використанні режи-
мів деформації, що рекомендуються, на блюмінгу,
зниженні температури нагрівання заготовок перед
прокаткою на стані 250 до 1150 °С і температури нор-
малізації до 820–840 °С.
Застосування методу радіального кування на гі-
дравлічному пресі фірми «SMS Meer» дозволило ви-
ключити операцію прокатки напівфабриката та виго-
товляти залізничні осі високої якості з вуглецевої ста-
лі марки С45 (EN 10083-2) всього за одну операцію
кування, що суттєво знижує витрати на виробництво
і, як наслідок, собівартість продукції та підвищує про-
дуктивність [41]. Отримати готові осі з бездефектною
макроструктурою стало можливо завдяки високому
формувальному потенціалу гідравлічного преса ра-
діального кування. Характерною особливістю даного
преса є передання максимального зусилля під час
проходу кування, що веде до проробки металу до са-
мого центру заготовки.
Матеріалом для дослідження послужили початко-
ва безперервнолита заготовка Ø 410 мм і викувана
здвоєна вісь з діаметром середньої частини Ø 223
мм. Аналіз макро- і мікроструктури викуваних осьових
заготовок показав хороші результати. Зона, що зазна-
ла найменшої деформації, має рівномірно розподі-
лену по радіусу заготовки гомогенну мікроструктуру.
Розподіл зерна також рівномірний по всьому перерізу
і становить номер 8,5 (ASTM E 112). Ультразвуковий
контроль показав відсутність пор розмірами більше
3 мм в макроструктурі кованих заготовок.
Висновки
Підсумовуючи вищесказане, в матеріалознавчому
аспекті для вирішення задачі підвищення якості осей
залізничних вагонів можна виділити наступні основні
способи:
– заходи, спрямовані на підвищення якості сталі
для виробництва осей в процесі її виплавки (знижен-
ня вмісту сірки, фосфору, водню і т. п.);
– легування та мікролегування сталі для виготов-
лення залізничних осей;
– поліпшення пророблюваності металу осьових
заготовок в процесі гарячої деформації;
– вибір і розробка оптимальних режимів термічної
обробки осьових заготовок.
На наш погляд, поліпшення пророблюваності ме-
талу осьових заготовок в процесі гарячої деформації
є саме тим способом підвищення якості залізничних
осей, що не потребує заходів, які суттєво здорожують
існуючу технологію їх виготовлення. Оскільки за ра-
хунок інтенсивної деформаційної дії у звичайній вуг-
лецевій сталі можна покращити якість її макрострук-
тури, сформувати сприятливий розподіл спадкоємної
90 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
хімічної неоднорідності кремнію та марганцю в її мі-
кроструктурі, який забезпечить утворення дрібнозер-
нистої і рівномірної ферито-перлітної мікроструктури.
Усе це буде сприяти підвищенню характеристик плас-
тичності, в’язкості та міцності при циклічних напру-
женнях вуглецевих сталей конструкційного призна-
чення, зокрема для виготовлення залізничних осей.
1. Школьник Л.М. Повышение прочности осей подвижного состава. М.: Транспорт, 1964. 224 с.
2. Донченко А.В. Стратегія розвитку транспортного машинобудування для залізниць України. Кременчук: ДП «Український
науково-дослідний інститут вагонобудування». 2013. Вип. 9. С. 9.
3. Чебуров С.А., Білецький О.М. Один із напрямків зниження дефіциту осей колісних пар візків ватажних вагонів із на-
вантаженням 23,5 тс. Зб. наук. праць: Рейковий рухомий склад. 2019. Вип. 18. С. 61–65.
4. Князев Д.А. Обоснование периодичности освидетельствования полых осей колесных пар высокоскоростного подвиж-
ного состава: дис. канд. техн. наук: 05.22.07. Москва: Российский университет транспорта, 2019. 138 с.
5. Обработка поверхностного слоя осей колесных пар. Железные дороги мира. 2009. № 10. С. 67–73.
6. Князев Д.А. Защита осей колесных пар высокоскоростного подвижного состава от механических повреждений их по-
верхности. Вестник ВЭлНИИ. 2011. № 2. С. 178–184.
7. Волохов Г.М., Князев Д.А. Защита осей колесных пар скоростного подвижного состава от механического повреждения
фракциями балласта пути, поднятыми воздухом. Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володи-
мира Даля. Северодонецк. 2011. № 4. С. 55–58.
8. Волохов Г.М., Князев Д.А. Защита осей колесных пар скоростного подвижного состава от механического повреждения
фракциями балласта призмы пути, поднимаемыми турбулентными потоками воздуха при движении высокоскорост-
ного подвижного состава. Материалы XII науч.-практ. конф. «Безопасность движения поездов». М.: МИИТ, 2011.
С. I-5-I-6.
9. Оси. Технология термического упрочнения проката. Metallicheckiy-portal.ru. Центральный металлический портал РФ.
URL: http://metallicheckiyportal.ru/articles/chermet/termo_yprochn_prokata/texnologia/26
10. Лубенская Л.М., Колодяжный П.В. Повышение эксплуатационных свойств осей колесных пар за счет упрочнения их
поверхности. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка
В. Лазаряна. 2011. Вип. 38. С. 41–46.
11. Гасик М.И., Сальников А.С., Пересаденко О.В., Лоза В.В. Разработка и промышленное освоение сквозной технологии
производства кованых черновых осей из электростали EA1N (35Г). Электрометаллургия стали и ферросплавов.
2009. № 2. С. 40–48.
12. Панченко А.И., Кийко С.Г., Гасик М.И., Левченко Г.В., Горобец А.П., Пройдак Ю.С., Климчик Ю.В. Современные техно-
логии выплавки и разливки стали EA1N для производства железнодорожных осей. Современная электрометаллур-
гия. 2019. № 2. С. 35–41. DOI: https://doi.org/10.15407/sem2019.02.06
13. Сальников А.С., Казаков С.С., Улитенко А.Н. и др. Качество конструкционной электростали. Запорожье: Палитра,
2004. 134 с.
14. Щипицин С.Я., Бабаскин Ю.З., Короленко В.П., Золотарь Н.Я. Новые рельсовые и колесные стали для железнодорож-
ного транспорта недалекого будущего. Металл и литье Украины. 2013. № 6 (241). С. 29–33.
15. Маркин В.С., Шишов А.А., Сухов А.В. и др. Освоение производства новых видов цельнокатаных колес для железнодо-
рожного транспорта. Сталь. 2007. № 9. С. 79–82.
16. Гетманова М.Е., Гриншпон А.С., Сухов А.В. и др. Влияние неоднородности структуры и неметаллических включений
на вязкость разрушения колесной стали. Сталь. 2007. № 9. С. 96–99.
17. Осташ О.П., Андрейко І.М., Кулик В.В. та ін. Втомна довговічність сталей залізничних коліс. Фізико-хімічна механіка
матеріалів. 2007. № 3. С. 93–102.
18. Арсенкин А.М., Далматов А.Ю., Демин К.Ю. и др. Микролегирование колесной стали карбидообразующими элемен-
тами. Сталь. 2007. № 9. С. 29–30.
19. Узлов И.Г., Узлов К.И., Перков О.Н. Высокопрочные железнодорожные колеса из микролегированной ванадием стали.
Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. № 1. С. 84–88.
20. Узлов К.И., Сухомлин Г.Д. Оптимизация структурного состояния высокопрочной микролегированной ванадием колес-
но-бандажной стали. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2012. № 1. С. 49–55.
21. Шапошников Н.Г., Конов А.А., Могутнов Б.М. Условия эффективного воздействия нитридных и карбонитридных фаз на
измельчение структуры конструкционных перлитных сталей. Сталь. 2004. № 7. С. 84–87.
22. Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Кирчу И.Ф. Конструкционные и специальные стали с нитридной фазой. Киев: Наукова
думка, 2005. 371 с.
ЛІТЕРАТУРА
91ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
Надійшла 16.10.2020
1. Shkolnik, L.M. (1964). Increasing the strength of rolling stock axles. Moscow: Transport, 224 p. [in Russian].
2. Donchenko, A.V. (2013). Strategy for the development of transport machinery for Ukraine. Kremenchuk: DP “Ukrainskyi
naukovo-doslidnyi instytut vagonobuduvannya”, iss. 9, p. 9 [in Ukrainian].
3. Cheburov, S.A., Biletskiy, O.M. (2019). One out of direct reduction of wheel pair axle deficiency in vantage wagons out of
23.5 tf shipments. Zb. nauk. prats: Reykovyi rukhomyi sklad, iss. 18, pp. 61–65 [in Ukrainian].
REFERENCES
23. Кассіді Ф.Д. Леговані метали можуть подовжити життя коліс. Залізничний транспорт України. 2002. № 5. С. 69–70.
24. Poshman J. Новые марки колесной стали. Железные дороги мира. 2004. № 1. С. 47–56.
25. Mancini G., Corbizi A., Lombardo F., Cervello S. Design of railway axle in compliance with the European Norms: high strength
alloyed steels compared to standard steels. “Proceedings of the World Congress on Railway Research”. Montreal. Canada.
4–8 June 2006. URL: http://www.railwayresearch.org/ WCRR-Congresses-2001-2008 (last accessed 31.08.2015).
26. Головко Л.А., Тогобицкая Д.Н., Бабаченко А.И., Козачок А.С., Кононенко А.А. Информационно-математическое обеспе-
чение оценки влияния химического состава на свойства колесной стали. Матеріали науково-технічної конференції
«Інформаційні технології в металургії та машинобудуванні». Дніпропетровськ: НМетАУ, 2014. С. 5–16.
27. Бабаченко А.И., Тогобицкая Д.Н., Козачок А.С. Концептуальные основы выбора химического состава стали для желез-
нодорожных колес. Металознавство та термічна обробка металів. 2014. № 4. С. 34–48.
28. Бабаченко А.И. Надежность и долговечность железнодорожных колес и бандажей. Днепропетровск: Литограф, 2015.
356 с.
29. Бабаченко А.И., Филиппов А.А., Дементьева Ж.А., Кононенко А.А. Разработка новой системы микролегирования стали
для высокопрочных железнодорожных колес. Сб. науч. трудов: «Строительство, материаловедение, машиностро-
ение». Днепр: ГВУЗ «ПГАСА». 2017. Вып. 96. С. 13–17.
30. Babachenko A.I., Togobitskaya D.N., Kozachyok A.S., Kononenko A.A. et al. Optimization of chemical composition of steel for
railroad wheels providing stabilization of mechanical and increase of operational properties. Metallurgical and Mining industry.
2017. № 3. Р. 32–39.
31. Попов А.А., Жилякова М.А., Зорина М.А. Фазовые и структурные превращения в металлических сплавах: учебное по-
собие. Екатеринбург: Издательство УрФУ, 2018. 315 с.
32. Тараско Д.И. Влияние некоторых факторов на усталостную прочность вагонных осей с напрессованными роликовыми
подшипниками. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1958. № 2. С. 156–171.
33. Грдина Ю.В., Тараско Д.И., Кайгородцев В.С. Термическая обработка железнодорожных осей. Известия ВУЗов. Чер-
ная металлургия. 1961. № 4. С. 97.
34. Грдина Ю.В., Тараско Д.И., Кайгородцев В.С. Влияние термической обработки и химического состава стали на уста-
лостную прочность железнодорожных осей. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1961. № 12. С. 144–148.
35. Сальников А.С., Пересаденко О.В., Лоза В.В. Ось вопроса – вопрос оси. О качестве кованых профильных заготовок
для вагонных осей из стали 35Г, поставляемых по зарубежным стандартам. Металлургический компас. 2007. № 9.
С. 22–26.
36. Войнова Е.В., Рябичева Л.А. Анализ дефектов микроструктуры осевой стали. Материалы конференции «Матери-
аловедение XXI-го века 2016 год». Донецк: ДонНТУ, 2016. Электронный архив Донецкого национального техниче-
ского университета (г. Донецк). URL: http://www.ea.donntu.org:8080/bitstream/123456789/31049/1/АНАЛИЗ%20ДЕФЕК-
ТОВ%20МИКРОСТРУКТУРЫ%20ОСЕВОЙ%20СТАЛИ.pdf
37. Сорочак А.П. Тріщиностійкість і залишковий ресурс осей колісних пар з урахуванням структурно-механічної
неоднорідності: дис. канд. техн. наук: 01.02.04. Тернопіль: Тернопільський національний технічний університет імені
Івана Пулюя, 2015. 133 с.
38. Дьоміна К.Г., Грицай Т.В. Розробка оптимальних параметрів виробництва залізничних осей. Металознавство та об-
робка металів. 2009. № 1. С. 52–57.
39. Левченко Г.В., Грицай Т.В., Романенко В.И., Антонов Ю.Г., Мединский Г.А. Формирование микроструктуры железнодо-
рожных осей на различных этапах их производства. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2009. № 3.
С. 43–46.
40. Левченко Г.В., Грицай Т.В., Нефедьева Е.Е. и др. Влияние режимов нормализации на структуру осевой стали. Фунда-
ментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. науч. тр. Днепропетровск: ИЧМ НАНУ. 2010. Вып. 22.
С. 221–226.
41. Кнауф Ф. Структурный анализ осей железнодорожных колесных пар, изготовленных на гидравлическом прессе ради-
альной ковки типа SMX. Литье и металлургия. 2013. № 3. С. 123–128.
92 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
4. Knyazev, D.A. (2019). Rationale periodicity examination hollow axles wheelsets high rolling. Candidate’s thesis. Moscow:
Russian University of Transport, 138 p. [in Russian].
5. Treatment of the surface layer of wheelset axles (2009). Zheleznye dorogi mira, no. 10, pp. 67–73 [in Russian].
6. Knyazev, D.A. (2011). Protection of axles of wheelsets of high-speed rolling stock from mechanical damage to their surface.
Vestnik VElNII, no. 2, pp. 178–184 [in Russian].
7. Volokhov, G.M., Knyazev, D.A. (2011). Protection of axles of wheelsets of high-speed rolling stock from mechanical damage by
fractions of track ballast lifted by air. Visnyk Skhidnoukrayinskogo natsionalnogo universitetu im. Volodimira Dalya, no. 4, pp. 55–58
[in Russian].
8. Volokhov, G.M., Knyazev, D.A. (2011). Protection of the axles of wheelsets of high-speed rolling stock from mechanical
damage by fractions of ballast of the track prism, lifted by turbulent air flows during the movement of high-speed rolling stock.
Materialy XII nauch.-prakt. konf. “Bezopasnost dvizheniya poezdov”, Moscow: MIIT, pp. I-5-I-6 [in Russian].
9. Axles. Heat hardening technology for rolled products. Metallicheckiy-portal.ru.
URL: http://metallicheckiyportal.ru/articles/chermet/termo_yprochn_prokata/texnologia/26 [in Russian].
10. Lubenskaya, L.M., Kolodyazhnyiy, P.V. (2011). Improving the performance properties of wheelset axles by hardening their
surface. Visnyk Dnipropetrovskogo natsionalnogo universitetu zaliznychnogo transportu imeni akademika V. Lazaryana,
iss. 38, pp. 41–46 [in Russian].
11. Gasik, M.I., Salnikov, A.S., Peresadenko, O.V., Loza, V.V. (2009). Development and commercialization of a through technology
for the production of forged rough axles from EA1N electric steel (35G). Elektrometallurgiya stali i ferrosplavov, no. 2,
pp. 40–48 [in Russian].
12. Panchenko, A.I., Kiyko, S.G., Gasik, M.I., Levchenko, G.V., Gorobets, A.P., Proydak, Yu.S., Klimchik, Yu.V. (2019). Modern
technologies for smelting and casting EA1N steel for the production of railway axles. Sovremennaya elektrometallurgiya, no. 2,
pp. 35–41, doi: https://doi.org/10.15407/sem2019.02.06 [in Russian].
13. Salnikov, A.S., Kazakov, S.S., Ulitenko, A.N. et al. (2004). Quality structural electrosteel. Zaporizhzhia: Palitra, 134 p.
[in Russian].
14. Shipitsin, S.Ya., Babaskin, Yu.Z., Korolenko, V.P., Zolotar, N.Ya. (2013). New rail and wheel types of steel for the rail transport
system of the near future. Metal and Casting of Ukraine, no. 6, pp. 29–33 [in Russian].
15. Markin, V.S., Shishov, A.A., Suhov, A.V. et al. (2007). Mastering the production of new types of solid-rolled wheels for railway
transport. Stal, no. 9, pp. 79–82 [in Russian].
16. Getmanova, M.E., Grinshpon, A.S., Sukhov, A.V. et al. (2007). Influence of the inhomogeneity structure of non-metallic
inclusions and fracture toughness steel wheel. Stal, no. 9, pp. 96–99 [in Russian].
17. Ostash, O.P., Andreiko, I.M., Kulik, V.V. et al. (2007). Fatigue durability of steels of railway wheels. Fiziko-khimichna mekhanika
materialiv, no. 3, pp. 93–102 [in Ukrainian].
18. Arsenkin, A.M., Dalmatov, A.Yu., Demin, K.Yu. et al. (2007). Microalloying of wheel steel with carbide-forming elements. Stal,
no. 9, pp. 29–30 [in Russian].
19. Uzlov, I.G., Uzlov, K.I., Perkov, O.N. (2004). High railway wheels of microalloy steel with vanadium. Metallurgicheskaya i
gornorudnaya promyshlennost, no. 1, pp. 84–88 [in Russian].
20. Uzlov, K.I., Sukhomlin, G.D. (2012). Optimization of the structural state of high-strength microalloying with vanadium of
wheeltire steel. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost, no.1, pp. 49–55 [in Russian].
21. Shaposhnikov, N.G., Konov, A.A., Mogutnov, B.M. (2004). Conditions for the effective action of nitride and carbonitride phases
on the refinement of the structure of structural pearlitic steels. Stal, no. 7, pp. 84–87 [in Russian].
22. Babaskin, Yu.Z., Shipitsyn, S.Ya., Kirchu, I.F. (2005). Structural and special steels with a nitride phase. Kyiv: Naukova dumka,
371 p. [in Russian].
23. Cassidi, F.D. (2002). Alloy metals can extend the life of wheels. Zaliznichnyi transport Ukrainy, no. 5, pp. 69–70 [in Ukrainian].
24. Poshman, J. (2004). New grades of wheel steel. Zheleznye dorogi mira, no. 1, pp. 47–56 [in Russian].
25. Mancini, G., Corbizi, A., Lombardo, F., Cervello, S. (4–8 June 2006). Design of railway axle in compliance with the European
Norms: high strength alloyed steels compared to standard steels. “Proceedings of the World Congress on Railway Research”.
Montreal. Canada. 4–8 June 2006. URL: http://www.railwayresearch.org/ WCRR-Congresses-2001-2008 (last accessed
31.08.2015).
26. Golovko, L.A., Togobitskaya, D.N., Babachenko, A.I., Kozachok, A.S., Kononenko, A.A. (2014). Information and mathematical
support for assessing the effect of chemical composition on the properties of wheel steel. Materialy naukovo-tehnichnoi
konferentsii “Informatsiyni tekhnologii v metalurgii ta mashinobuduvanni”. Dnipropetrovsk: NMetAU, pp. 5–16 [in Russian].
27. Babachenko, A.I., Togobitskaya, D.N., Kozachok, A.S. (2014). Conceptual basis for the selection of the chemical composition
of steel for railway wheels. Metaloznavstvo ta termichna obrobka metaliv, no. 4, pp. 34–48 [in Russian].
28. Babachenko, A.I. (2015). Reliability and durability of railway wheels and tires. Dnipropetrovsk: Litograf, 356 p. [in Russian].
29. Babachenko, A.I., Filippov, A.A., Dementieva, Zh.A., Kononenko, A.A. (2017). Development of a new steel microalloying
system for high-strength railway wheels. Sb. nauch. trudov: “Stroitelstvo, materialovedenie, mashinostroenie”, no. 96,
pp. 13–17 [in Russian].
30. Babachenko, А.I., Togobitskaya, D.N., Kozachyok, A.S., Kononenko, A.A. et al. (2017). Optimization of chemical composition
of steel for railroad wheels providing stabilization of mechanical and increase of operational properties. Metallurgical and
Mining industry, no. 3, pp. 32–39.
93ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
Summary
The article presents an analysis of existing publications, which highlight the issues of increasing the strength and reliability of
the axles of wheelsets. Increasing the strength and service life of axles can only be achieved in a comprehensive manner: by
improving the design, by rational choice of material, methods of processing and strengthening them. An important role in this
is played by the improvement of the operating conditions of the rolling stock and its maintenance.
If earlier there was a tendency to ensure the reliability of the axle operation mainly by increasing the section, now this way has
actually exhausted itself and is giving way to methods of increasing the fatigue strength. The opportunities in this area are wide
enough. They are the main focus of this article.
To solve the problem of improving the quality of axles of railway cars, the following main methods can be distinguished: meas-
ures aimed at improving the quality of steel for the production of axles in the process of its smelting (reducing the content of
sulfur, phosphorus, hydrogen, etc.); alloying and microalloying of steel for the manufacture of railway axles; improving the
processing of the metal of axial blanks in the process of hot deformation; selection and development of optimal modes of heat
treatment of axial workpieces.
In our opinion, improving the processing of the metal of axle blanks in the process of hot deformation is precisely the way to
improve the quality of railway axles, which does not require measures that significantly increase the cost of the existing tech-
nology for their manufacture. Since, due to the intense deformation action in ordinary carbon steel, it is possible to improve
O.I. Babachenko, Dr. Sci. (Engin.), Senior Research Scientist, Director,
e-mail: a_babachenko@i.ua, https://orcid.org/0000-0003-4710-0343
K.G. Domina, PhD (Engin.), Senior Researcher, e-mail: katya20@ua.fm,
https://orcid.org/0000-0001-9668-8169
G.A. Kononenko, PhD (Engin.), Scientific Secretary, e-mail: perlit@ua.fm,
https://orcid.org/0000-0001-7446-4105
O.A. Safronova, student, 1-category engineer,
e-mail: safronovaaa77@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-4032-4275
Iron and Steel Institute of Z.I. Nekrasov of the NAS of Ukraine (Dnipro, Ukraine)
Analysis of existing methods of improving the quality of railway metal products
31. Popov, A.A., Zhilyakova, M.A., Zorina, M.A. (2018). Phase and structural transformations in metal alloys: a tutorial. Ekaterinburg:
Izdatelstvo UrFU, 315 p. [in Russian].
32. Tarasko, D.I. (1958). Influence of some factors on the fatigue strength of carriage axles with pressedon roller bearings.
Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya, no. 2, pp. 156–171 [in Russian].
33. Grdina, Yu.V., Tarasko, D.I., Kaigorodtsev, V.S. (1961). Heat treatment of railway axles. Izvestiya VUZov. Chernaya
metallurgiya, no. 4, p. 97 [in Russian].
34. Grdina, Yu.V., Tarasko, D.I., Kaigorodtsev, V.S. (1961). Influence of heat treatment and chemical composition of steel on the
fatigue strength of railway axles. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya, no. 12, pp. 144–148 [in Russian].
35. Salnikov. A.S., Peresadenko, O.V., Loza, V.V. (2007). The axis of the question is the question of the axis. On the quality of 35G
steel forged sections for carriage axles supplied according to foreign standards. Metallurgicheskiy kompas, no. 9, pp. 22–26
[in Russian].
36. Voinova, E.V., Ryabicheva, L.A. (2016). Analysis of microstructure defects in axial steel. Materialy konferentsii “Materialovedenie
XXI-go veka 2016 god”. Donetsk: DonNTU. URL: http://www.ea.donntu.org:8080/bitstream/123456789/31049/1/АНАЛИЗ%20
ДЕФЕКТОВ%20МИКРОСТРУКТУРЫ%20ОСЕВОЙ%20СТАЛИ.pdf [in Russian].
37. Sorochak, A.P. (2015). Crack resistance and residual life of axles of wheel pairs taking into account structural and mechanical
inhomogeneity. Candidate’s thesis. Ternopil: Ternopilskiy natsionalniy tehnichniy universitet imeni Ivana Pulyuya, 133 p.
[in Ukrainian].
38. Dyomina, K.G., Gritsay, T.V. (2009). Development of optimal parameters for the production of railway axles. Metaloznavstvo
ta obrobka metaliv, no. 1, pp. 52–57 [in Ukrainian].
39. Levchenko, G.V., Gritsay, T.V., Romanenko, V.I., Antonov, Yu.G., Medinsky, G.A. (2009). Formation of the microstructure
of railway axles at various stages of their production. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost, no. 3, pp. 43–46
[in Russian].
40. Levchenko, G.V., Gritsay, T.V., Nefedieva, E.E. et al. (2010). Influence of normalization modes on the structure of axial steel.
Fundamentalnye i prikladnye problemy chernoy metallurgii: Sb. nauch. tr., no. 22, pp. 221–226 [in Russian].
41. Knauf, F. (2013). Structural analysis of the axles of railway wheelsets manufactured on a radial forging hydraulic press of the
SMX type. Lit’e i metallurgiya, no. 3, pp. 123–128 [in Russian].
Received 16.10.2020
94 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ
the quality of its macrostructure, to form a favorable distribution of the hereditary chemical heterogeneity of silicon and man-
ganese in its microstructure, which will ensure the formation of a fine-grained and uniform ferrite-pearlite microstructure. All
this will contribute to an increase in the characteristics of plasticity, toughness and strength under cyclic loads of carbon steel
for structural purposes, in particular for the manufacture of railway axles.
Railway axle, steel, alloying and microalloying, deformability, heat treatment, microstructure.
Keywords
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-137 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:09Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/d8/dfc454d97ac9ac230cf58ed9a79892d8.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-1372026-07-22T13:37:39Z Analysis of existing methods of improving the quality of railway metal products Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення Бабаченко, О.І. Дьоміна, К.Г. Кононенко, Г.А. Сафронова, О.А. railway axle steel alloying and microalloying deformability heat treatment microstructure залізнична вісь сталь легування та мікролегування пророблюваність термічна обробка мікроструктура The article presents an analysis of existing publications, which highlight the issues of increasing the strength and reliability of the axles of wheelsets. Increasing the strength and service life of axles can only be achieved in a comprehensive manner: by improving the design, by rational choice of material, methods of processing and strengthening them. An important role in this is played by the improvement of the operating conditions of the rolling stock and its maintenance. If earlier there was a tendency to ensure the reliability of the axle operation mainly by increasing the section, now this way has actually exhausted itself and is giving way to methods of increasing the fatigue strength. The opportunities in this area are wide enough. They are the main focus of this article. To solve the problem of improving the quality of axles of railway cars, the following main methods can be distinguished: measures aimed at improving the quality of steel for the production of axles in the process of its smelting (reducing the content of sulfur, phosphorus, hydrogen, etc.); alloying and microalloying of steel for the manufacture of railway axles; improving the processing of the metal of axial blanks in the process of hot deformation; selection and development of optimal modes of heat treatment of axial workpieces. In our opinion, improving the processing of the metal of axle blanks in the process of hot deformation is precisely the way to improve the quality of railway axles, which does not require measures that significantly increase the cost of the existing technology for their manufacture. Since, due to the intense deformation action in ordinary carbon steel, it is possible to improve the quality of its macrostructure, to form a favorable distribution of the hereditary chemical heterogeneity of silicon and manganese in its microstructure, which will ensure the formation of a fine-grained and uniform ferrite-pearlite microstructure. All this will contribute to an increase in the characteristics of plasticity, toughness and strength under cyclic loads of carbon steel for structural purposes, in particular for the manufacture of railway axles. В статті представлено аналіз існуючих публікацій, в яких висвітлені питання підвищення міцності та надійності осей колісних пар. Підвищення міцності та терміну служби осей може бути досягнуто тільки комплексно: поліпшенням конструкції, раціональним вибором матеріалу, методів його обробки та зміцнення. Важливу роль при цьому відіграє поліпшення умов експлуатації рухомого складу і догляд за ним. Якщо раніше спостерігалася тенденція забезпечити надійність роботи осі переважно за рахунок збільшення перерізу, то в даний час цей шлях фактично вичерпав себе і поступається місцем прийомам збільшення втомної міцності. Можливості в цій області є досить широкими. Їм і приділено основну увагу в цій статті. Для вирішення задачі підвищення якості осей залізничних вагонів можна виділити наступні основні способи: заходи, спрямовані на підвищення якості сталі для виробництва осей в процесі її виплавки (зниження вмісту сірки, фосфору, водню і т. п.); легування та мікролегування сталі для виготовлення залізничних осей; поліпшення пророблюваності металу осьових заготовок в процесі гарячої деформації; вибір і розробка оптимальних режимів термічної обробки осьових заготовок. На наш погляд, поліпшення пророблюваності металу осьових заготовок в процесі гарячої деформації є саме тим способом підвищення якості залізничних осей, що не потребує заходів, які суттєво здорожують існуючу технологію їх виготовлення. Оскільки за рахунок інтенсивної деформаційної дії у звичайній вуглецевій сталі можна покращити якість її макроструктури, сформувати сприятливий розподіл спадкоємної хімічної неоднорідності кремнію та марганцю в її мікроструктурі, який забезпечить утворення дрібнозернистої і рівномірної ферито-перлітної мікроструктури. Усе це буде сприяти підвищенню характеристик пластичності, в’язкості та міцності при циклічних напруженнях вуглецевих сталей конструкційного призначення, зокрема для виготовлення залізничних осей. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2020-12-15 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/137 10.15407/steelcast2020.04.084 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 28 No. 4 (2020): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 28 № 4 (2020): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/137/329 Авторське право (c) 2023 О.І. Бабаченко, К.Г. Дьоміна, Г.А. Кононенко, О.А. Сафронова https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | залізнична вісь сталь легування та мікролегування пророблюваність термічна обробка мікроструктура Бабаченко, О.І. Дьоміна, К.Г. Кононенко, Г.А. Сафронова, О.А. Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| title | Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| title_alt | Analysis of existing methods of improving the quality of railway metal products |
| title_full | Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| title_fullStr | Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| title_full_unstemmed | Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| title_short | Аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| title_sort | аналіз існуючих способів підвищення якості металопродукції залізничного призначення |
| topic | залізнична вісь сталь легування та мікролегування пророблюваність термічна обробка мікроструктура |
| topic_facet | railway axle steel alloying and microalloying deformability heat treatment microstructure залізнична вісь сталь легування та мікролегування пророблюваність термічна обробка мікроструктура |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/137 |
| work_keys_str_mv | AT babačenkooí analysisofexistingmethodsofimprovingthequalityofrailwaymetalproducts AT dʹomínakg analysisofexistingmethodsofimprovingthequalityofrailwaymetalproducts AT kononenkoga analysisofexistingmethodsofimprovingthequalityofrailwaymetalproducts AT safronovaoa analysisofexistingmethodsofimprovingthequalityofrailwaymetalproducts AT babačenkooí analízísnuûčihsposobívpídviŝennââkostímetaloprodukcíízalízničnogopriznačennâ AT dʹomínakg analízísnuûčihsposobívpídviŝennââkostímetaloprodukcíízalízničnogopriznačennâ AT kononenkoga analízísnuûčihsposobívpídviŝennââkostímetaloprodukcíízalízničnogopriznačennâ AT safronovaoa analízísnuûčihsposobívpídviŝennââkostímetaloprodukcíízalízničnogopriznačennâ |