Железнодорожный транспорт является лидером в России по перевозке грузов, и занимает второе место после автомобильного по перевозке пассажиров: выполнение железнодорожным транспортом 40% пассажирооборота и примерно 80% грузооборота транспорта.

Пути сообщения были всегда и везде. Наземный транспорт зародился в глубокой древности. История наземного транспорта, выделившего из себя новый вид—железнодорожный, уходит вглубь веков.

У каждого из нас железная дорога ассоциируется с металлом. Без металлов не было бы железной дороги. Стали и сплавы: рельсы, крепеж, рама локомотива и вагонов; медь и сплавы: реле, датчики и т. д.

1 место – высоколегированная сталь – рельсы;

2 место – сталь Ст3 - подвижной состав на 90% из нее сделан;

3 место – чугун (много литья на вагонах - тележки, автосцепки, распределители);

4 место медь – контактная сеть и все по чему бежит ток (трансформаторы, тяговые двигатели, вспомогательная аппаратура);

5 место – электроника - золото, серебро, и пр. цветмет.

Цель проекта: Изучить расширение сферы применения сплавов металлов на железной дороге.

История железных дорог

В древних странах строили сухопутные дороги, по которым, используя животных, перевозили грузы и людей. Большое количество существующих в то время дорог были совершенно непроходимыми, а скорости движения и количество перевозимого груза зависели от силы и выносливости лошадей. Развитие путей сообщения проходило в зависимости от культурных преобразований и изменений в обществе.

Первые попытки создания более совершенных колейных дорог были предприняты в древние времена. Так, в Древнем Египте, Греции и Римской империи существовали колейные дороги, предназначенные для транспортировки тяжелых грузов. Они имели две параллельные углубленные борозды, по которым катились колеса повозок.

В средневековых рудниках появились дороги, по деревянным рельсам которых передвигались деревянные вагоны с деревянными колесами. В XV—XVI вв. в копях и рудниках Западной Европы прокладывались деревянные лежни для вагонеток.

На заводских дворах России использовались лежневые пути, по которым перемещались вагонетки, называемые «собаками» за громкий лязгающий звук, издаваемый ими при движении.

В XVI веке на рудниках использовались гладкие деревянные рельсы, зарытые в землю. Телега или вагонетка по таким рельсам, по сравнению с обычной дорогой, катилась легче, и лошадь могла везти значительно больше груза.

Однако поверхность деревянных брусьев, очень быстро изнашивающаяся, становилась неровной, поэтому люди стали применять металл для изготовления рельсов, а затем искать замену мускульной энергии машинами.

Основы теории сплавов

Железные дороги являются крупными потребителями металла.

Металлы – это химические элементы, отличительными признаками которых являются непрозрачность, специфический блеск, электро- и теплопроводность, хорошая ковкость. Все металлы делятся на две большие группы – черные и цветные.

Часто под словом «металл» понимают не только чистый химический элемент, но и сплав, состоящий из химического элемента – металла с другим металлом или неметаллом. Сплавы обладают разнообразными свойствами, которых нет у чистых металлов. Входящие в сплав химические элементы называются компонентами сплава. Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Металлокерамические сплавы получают путем спекания порошков металлов.

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Основными конструкционными материалами являются сплавы. Они обладают более ценными комплексами механических, физических и технологических свойств, чем чистые металлы.

Сплавы могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

Твердые растворы — это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Они обычно образуются элементами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решетках.

В технике используется большое разнообразие сплавов, имеющих различный химический состав, структуру и свойства. Основные из них – железо-углеродистые сплавы – стали и чугуны, а также цветные сплавы на основе алюминия, меди, олова, свинца и др.

Применение сталей на железнодорожном транспорте

Широкое применение в вагоностроении нашли низколегированные стали в виде стандартного проката, специальных гнутых профилей, а также листов для изготовления элементов рам, кузовов вагонов и котлов цистерн общего назначения. Эти стали обладают хорошей свариваемостью, достаточной высокой прочностью и большей коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества. Котлы цистерн для перевозки кислот, ядохимикатов и других агрессивных грузов изготовляют из коррозионностойких и двухслойных сталей.

Основным легирующим элементом коррозионностойких сталей является хром. От коррозии сталь предохраняет тонкая плотная пленка оксидов хрома, которая образуется на поверхности изделия. Содержание хрома должно быть не менее 13 %, иначе пленка не будет сплошной. Кроме хрома в состав коррозионностойких сталей вводится никель. Хромоникелевые стали имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые, но их стоимость высока, поэтому по возможности их стараются заменить сталями, в которых часть никеля заменена марганцем.

Высокоуглеродистые стали, микролегированные ванадием с повышенным содержанием марганца, применяются при производстве рельсов. Добавки легирующих элементов (титана, хрома, кремния) улучшают структуру и качество рельсовой стали.

Помимо рельсов, легированные стали применяются при изготовлении следующего оборудования и изделий:

цилиндрических пружин и рессор тележек вагонов и локомотивов;
литые детали тележек грузовых вагонов и автосцепных устройств;
маятниковые подвески;
центрирующие балочки и ударные розетки;
горловины фрикционных поглощающих аппаратов;
крестовины стрелочных переводов и некоторые детали электровозов производят из износостойкой стали марки;
ролики и кольца подшипников буксовых узлов вагонов и локомотивов;
шестерни тяговых зубчатых передач электровозов, тепловозов и мотор-вагонных секций, венцы тяговых зубчатых передач;
коленчатые валы компрессоров тепловозов, шатуны;
клапаны тепловозных двигателей.

Чугун на железной дороге

"По рельсам чугунные стуки

Отбивают стальные копыта."

М. Светлов

А вы когда-нибудь задумывались над тем, почему железную дорогу иногда называют «чугункой»? Особенно часто такое слово можно услышать в старых художественных кинофильмах или в рассказах писателей. Ответ кроется в самом названии, думаю, уже догадались какой.

Правильно, название это произошло от того, что рельсы делали из чугуна.

Нет, конечно же, сейчас днем с огнем не сыскать чугунные рельсы. А вот был период в 18-19 веке, когда их можно было встретить повсеместно. И не могло быть иначе. Самый распространенный металл в то время был чугун. Век чугунных рельсов закончился в 1880 годах. Тогда им на смену пришли более мощные и надежные стальные.

Чугун – черный металл, представляющий собой сплаву железа с углеродом (более 2 %) и некоторым количеством марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Основная доля получаемого в доменных печах чугуна предназначается для передела в сталь и такой чугун называют передельным. Кроме того, выплавляется литейный чугун и ферросплавы — специальные чугуны с увеличенным содержанием кремния, алюминия, хрома, ванадия, никеля, титана. Ферросплавы применяются для раскисления и легирования сталей.

Тормозные колодки, они же накладки, представляют собой важнейший элемент тормозной системы поезда. От их качества зависит скорость и эффективность торможения.

На сегодняшний день все тормозные колодки для поездов принято разделять на две большие группы: чугунные и композиционные. Чугунные колодки широко применяются в пассажирских вагонах, которые развивают скорость не более 120 километров в час. Главными преимуществами подобных колодок являются хорошее отведение тепла при торможении и высокую устойчивость к воздействию влаги. Если говорить о недостатках, то тут, в первую очередь, следует отметить нестабильный коэффициент трения.

Литейные сплавы нашли широкое применение на железнодорожном транспорте. Серый чугун марок СЧ20 и СЧ25 используется при изготовлении блоков цилиндров, головок цилиндров и картеров дизельного оборудования рефрижераторных вагонов секций ЦВ-5, БМЗ-5 и АРВ. Серый чугун обладает лучшими литейными свойствами. У него высокая жидкотекучесть и малая усадка (0,9— 1,3 %). Однако он хрупкий и не применяется для получения литых деталей, работающих под ударными нагрузками.

Коленчатые валы дизелей тепловозов отливают из высокопрочного чугуна. Чугунное литье идет на изготовление крышек и блоков цилиндров, составных поршней дизелей тепловозов.

Для производства арматуры контактной сети электрифицированных железных дорог используют литье из ковкого и серого чугунов.

Цветные металлы на железной дороге

Цветные металлы — особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Сюда входят олово, медь, цинк, никель, серебро, золото. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. Они отличаются прочностью и долговечностью, поскольку формируют на своей поверхности защитную оксидную пленку и проявляют устойчивость к негативным факторам внешней среды.

Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже черных, и, когда это возможно, их заменяют черными металлами, пластмассами и другими более дешевыми материалами. Однако цветные металлы имеют свойства, которые делают их применение в технике незаменимым. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью.

Для крепления и стыковки контактных проводов и тросов во всех узлах, предназначенных для прохождения тока, применяют детали из цветного литья:

латунного, бронзового и медного — для медных, сталемедных, бронзовых проводов и тросов;
алюминиевого — для алюминиевых и сталеалюминевых проводов.

Алюминиевые сплавы используют для отливки поршней блоков и картеров двигателей, крышек и картеров коробок передач и редукторов, гарнитуры (ручки, полочки, крючки и т.п.) пассажирских вагонов и т.п.

Дюралюминий на железнодорожном транспорте его использование ограничивается экспериментальным вагоностроением.

Медь и ее сплавы применяется для обмоток электрических устройств и для разного вида теплообменников (радиаторы, калориферы и т.п.).

Из латуней изготавливают подшипники, водо- и паропроводную арматуру, листовая латунь идет на изготовление радиаторов, теплообменников и используется в электроаппаратуре в качестве электропроводящих элементов.

Бронзы применяют для изготовления втулок и вкладышей подшипников, сепараторов подшипников качения.

Добавки алюминия, никеля и железа повышают жаропрочность бронз, такие бронзы применяют для клапанов компрессоров, направляющих втулок, клапанов турбин и т.п. Бронзы типа ОЦСН применяют для втулок верхней головки шатуна дизеля тепловоза и втулок распределительного вала.

Баббиты являются мягкими антифрикционными сплавами, которыми заливают подшипники скольжения механизмов.

Заключение

Рельсовые пути сыграли немаловажную роль в развитии человеческой цивилизации. За несколько столетий железнодорожная сеть разрослась по всему миру в невероятных масштабах, а скоростной режим увеличился в десятки раз.

Прорыв в значимости железной дороги возник в начале 19 века, когда на рельсы встал первый паровоз. С этого момента перемещение из одной точки в другую значительно увеличилось в скорости, а строительство железнодорожных путей стало основной задачей того времени.

Россия блеснула своими первыми рельсами в 1837 году. Они были проложены от С-Петербурга до Павловска через Царское Село. Дорога была доступна для общего пользования.

Металл остается материальной основой железных дорог. На железной дороге используется большое разнообразие сплавов, имеющих различный химический состав, структуру и свойства. Основные из них – железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, а также цветные сплавы на основе алюминия, меди, олова, свинца и др.