НАГРЕВ ТВЧ ГОЛОВКИ РЕЛЬСОВ ИЗ ЗАЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ

Нагрев твч головки рельсов из заэвтектоидной стали. Обычно железнодорожные рельсы поставляются в горячекатаном состоянии или после объемного упрочнения (закалки в масле), В процессе эксплуатации рельсов изнашивается только их головка (в основном поверхность). В связи с этим для упрочнения рельсов возможно применение поверхностной закалки, в том числе прогрессивного и хорошо зарекомендовавшего себя метода закалки и нагрев ТВЧ. Этому вопросу и посвящена настоящая статья.

В УкрНИИМЕТе разработана технология комбинированной термической обработки рельсов из заэвтектоидной стали [1-3], по которой поверхностная закалка и нагрев ТВЧ головки рельсов, предварительно подвергнутых циклическому сфероидизирующему отжигу для получения структуры зернистого перлита, является окончательной технологической операцией. При этом по данным [4-5], нагрев ТВЧ головки рельса следует выбирать с учетом формы, дисперсности и распределения в матрице карбидной фазы, сформированной в процессе предварительной термической обработки.

Оптимальный нагрев ТВЧ головки рельсов из стали, содержащей 0,88% С; 0,87% Мn; 0,33% Si; 0,011 % Ti; 0,02 % V; 0,0012 % Се, при окончательной термической обработке выбирали по наличию в закаленном слое однородной макроструктуры, мелкозернистой и дисперсной микроструктуры, толщине закаленного слоя с повышенной твердостью и механическим свойствам. Определяли критические точки стали при нагреве и охлаждении, физические характеристики (ρ, Нс) , проводили металлографическое, злектронно-микроскопическое и рентгенографическое исследования и механические испытания. Результаты исследований использовали при разработке режимов, нагрев ТВЧ головки полнопрофильных рельсовых проб с их последующим применением при выпуске партий рельсов из заэвтектоидной стали в условиях металлургического комбината «Азовсталь».

Критические точки заэвтектоидной стали определяли на дилатометре ДКВ-5АМ, а также дифференциально-термическим и магнитометрическим методами на образцах диаметром 2,5 и длиной 40 мм при медленном и ускоренном нагревах до 930 °С и охлаждении со скоростью 3 °С/мин (табл. 1).

Таблица 1

  Исходная структура Ас Ас Асm
°С
Пластинчатый перлит
720/720
760/775
820/830
Зернистый перлит
725/725
770/795
835/850
Примечание. В числителе даны критические точки, определенные при νн=0,8 °С/с, в знаменателе — при νн=10 °С/с.

Установлено, что независимо от морфологии исходной карбидной фазы и скорости применяемого нагрева заэвтектоидной рельсовой стали П→А-превращение начинается при 720-725 °С, а заканчивается при различных температурах, зависящих от исходной структуры. В частности, точка Ас стали с исходной структурой зернистого перлита при медленном нагреве на 10, а при ускоренном — на 20 °С выше, чем стали со структурой пластинчатого перлита. При ускоренном нагреве температура растворения избыточного цементита (точка Асm) в стали с пластинчатым и зернистым перлитом на 10 и 15 °С выше, чем при медленном.

Кинетику фазовых и структурных превращений аустенита при медленном и ускоренном нагревах исследовали в интервале температур 750-950 °С на образцах сечением 4×4 и длиной 50 мм. Ускоренный нагрев образцов осуществляли в электропечи, перегретой до температуры 1000-1200 °С, а охлаждение — в воде.

Металлографический анализ образцов проводили на микроскопе «Неофот-2» при увеличении ×500. Исследовали структуру, образующуюся в стали при закалке от различных температур с определением балла и длины игл мартенсита по ГОСТ 8233-56 и размера зерна аустенита по ГОСТ 5639-82. Электронно-микроскопическое исследование проводили на электронном микроскопе фирмы «Tesla» с использованием метода двухступенчатых пластико-платино-углеродных реплик на шлифах, протравленных в 2 %-ном растворе азотной кислоты в спирте. Микроструктура рельсовой заэвтектоидной стали с исходной структурой пластинчатого перлита, закаленной от 750, 850 и 900 °С, показана на рис. 1, а — в. Видно, что при закалке от 750 °С в стали еще не происходит полной гомогенизации γ-твердого раствора и в структуре сохраняется пластинчатый перлит балла 2 с межпластиночным расстоянием примерно 0,25 мкм, при этом пластинки цементита частично растворились (рис. 1, а). При закалке от 850 и 900 °С протекает полное мартенситное превращение с образованием средне- и крупноигольчатого мартенсита балла 4-5 и 6-7 с длиной игл ≥8 и ≥12 мкм соответственно (рис. 1, б, в). Размер зерна аустенита стали с исходной структурой пластинчатого перлита, подвергнутой закалке от 850 и 900 °С, соответствует № 8-9. С повышением температуры размер зерна аустенита увеличивается (табл. 2).

Микроструктура рельсовой углеродистой заэвтектоидной стали после закалки с ускоренного нагрева до различных температур

Рис.1. Микроструктура рельсовой углеродистой заэвтектоидной стали с исходным пластинчатым (а — в) и зернистым (г — е) перлитом после закалки с ускоренного нагрева νн≅10°С/с до различных температур (×6000):
а, г — 750 °С; б, д — 850 °С; в, е — 900 °С.

В стали с исходной структурой зернистого перлита только после закалки от 800 °С и выше наблюдается частичное растворение глобулей карбидов и неполное мартенситное превращение (рис. 1, г). Закалка стали от 850 °С приводит к образованию мелкоигольчатого мартенсита балла 3-4 с наличием незначительных остатков глобулей карбидов бывшего зернистого перлита (рис. 1, д). Мелкоигольчатый мартенсит балла 4 с длиной игл 6 мкм образуется после закалки от 900 °С (рис. 1, е). С дальнейшим повышением температуры нагрева до 950 и 1000 °С значительного изменения характеристик мартенсита не происходит (образуется мартенсит балла 5 и 6 с длиной игл 8 и 10 мкм соответственно). Размер зерна аустенита после закалки от 850 и 950 °С равен № 10 и 9 соответственно (табл. 2).

Таблица 2

tзак, °C Бм Вид мартенсита Номер зерна аустенита Бм Вид мартенсита Номер зерна аустенита
Исходная структура — пластинчатый перлит Исходная структура — зернистый перлит
750
800 2-3 Мелкоигольчатый 8-9 1 Скрытоигольчатый 9
850 5 Среднеигольчатый 8-9 3-4 Мелкоигольчатый 10
900 6-7 Средне- и крупно- игольчатый 8 4 Мелкоигольчатый 9-10
950 8-9 Крупноигольчатый 7-8 5 Среднеигольчатый 9-10
1000 9-10 Крупноигольчатый 6-7 6 Среднеигольчатый 8-9
Обозначения: Бм — балл мартенсита.

Процесс растворения карбидной фазы при ускоренном нагреве стали исследовали по удельному электросопротивлению ρ и размагничивающему току Iр, (пропорциональному коэрцитивной силе Hс) образцов, закаленных от различных температур. Удельное электросопротивление образцов измеряли на мостовой установке постоянного тока У303, а размагничивающий ток — на коэрцитиметре КИФМ-1 [7]. Кривые зависимостей исследуемых характеристик от температуры ускоренного нагрева под закалку имеют аналогичный характер, однако кривые изменения ρ и Iр стали с исходной структурой зернистого перлита сдвинуты вправо и располагаются выше, чем стали со структурой пластинчатого перлита (рис. 2, кривые 1 и 2).

Максимум размагничивающего тока Iр стали с исходной структурой пластинчатого перлита соответствует закалке от 820 °С, а для стали со структурой зернистого перлита — закалке от 850 °С, после чего ток стабилизируется. Максимальное удельное электросопротивление q стали с исходной структурой пластинчатого перлита достигается после закалки от 850—900 °С, а стали с зернистым перлитом — после закалки от 850—930 °С (рис. 2). Изменение ρ связано, по-видимому, с процессами образования аустенита и его гомогенизации.

Зависимость удельного электросопротивления и размагничивающего тока рельсовой углеродистой заэвтектоидной стали от температуры ускоренного нагрева под закалку

Рис.2. Зависимость удельного электросопротивления ρ и размагничивающего тока Ip рельсовой углеродистой заэвтектоидной стали от температуры ускоренного (νн≅10°С/с) нагрева под закалку:
1 — исходная структура — пластинчатый перлит (после прокатки); 2 — дисперсный зернистый перлит (после циклического сфероидизирующего отжига).

Таким образом, результаты показывают, что при ускоренном нагреве (νн≅10°С/с) под закалку в используемом интервале температур рельсовой заэвтектоидной стали с исходной структурой зернистого перлита насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами (в данном случае — марганцем) протекает полнее и при более высокой температуре, чем в стали с пластинчатым перлитом. Это связано с особенностями превращения зернистого перлита в аустенит [6], а также с наличием в исходной структуре пластинчатого перлита избыточного цементита в виде грубых выделений. В зернистом перлите избыточный цементит после циклического сфероидизирующего отжига, находится не в виде сплошной сетки, а в глобулярной форме.

Определяли показатели тонкой кристаллической структуры (плотность дислокаций ρд и напряжения II-го рода Δa/a) рентгенографическим методом на дифрактометрах ДРОН-3 и ДРОН-УМ-1 в кобальтовом Kα-излучении по методике [8, 9].

Установлено, что после окончательной термической обработки с использованием ускоренного нагрева стали с исходной структурой дисперсного зернистого перлита субструктурные параметры ρд и Δa/a — выше, чем стали со структурой пластинчатого перлита и составляют: ρд=10,2·1010 и 7,1·1010 см-2; Δa/a=12,8·10-4 и 8,6·10-4 соответственно.

С учетом результатов исследований проводили опыты по отработке режима, нагрев ТВЧ со скоростью νн≅10°С/с головки полнопрофильных рельсовых проб (~500 мм) из стали аналогичного химического состава. Такие технологические параметры закалки, как частота тока, способ охлаждения и температура самоотпуска соответствовали параметрам термической обработки рельсов из стали промышленного производства. Нагрев головки рельсовых проб с исходными структурами пластинчатого и зернистого перлита проводили в интервале температур 750-1000 °С.

Исследования показали, что толщина закаленного слоя изменяется от 7-8 до 14-16 мм (по оси головки) после закалки от 750-800 °С и 850-950 °С соответственно. Твердость головки рельсовой пробы с исходной структурой зернистого перлита распределяется равномерно по сечению с наличием зоны (на глубине до 8 мм) повышенной твердости 41,5-38,5 HRCЭ со структурой троостита, в котором межпластиночное расстояние составляет 0,2 мкм. В слое толщиной ~6 мм, расположенном на расстоянии от поверхности h ≅ 8-10 мм, твердость плавно снижается. Структура этого слоя состоит из сорбита с межпластиночным расстоянием 0,6-0,8 мкм, переходящего на большей глубине в исходную структуру зернистого перлита. Для рельсовой пробы без предварительной термической обработки (с исходной структурой пластинчатого перлита) область повышенной твердости располагается на меньшей глубине, а структура закаленного слоя при аналогичной твердости состоит из троосто-сорбита с несколько большим межпластиночным расстоянием, равным 0,6 мкм.

При окончательной термической обработке рельсовых проб с исходной структурой зернистого перлита максимальные значения твердости (61-64 HRC3) и временного сопротивления разрыву (σв=1430-1440 Н/мм2) при высоком уровне пластичности и ударной вязкости (табл. 3) обеспечиваются нагрев ТВЧ в интервале температур 880-950 °С. Пробы с исходной структурой пластинчатого перлита (в состоянии прокатки) после
окончательной термической обработки с нагрев ТВЧ имеют меньшие механические свойства и твердость. При этом максимальные твердость 58-61 HRCЭ и временное сопротивление разрыву σв=1385-1400 Н/мм2 образцов достигаются после закалки, нагрев ТВЧ в интервале температур 850-900 °С. Последующее повышение температуры нагрева под закалку приводит к значительному снижению механических свойств, особенно пластичности и ударной вязкости (табл. 3).

Таблица 3

tзак, °C σв σ0,2 δ5 ψ a1, Дж/см2
Н/мм2 %
750 1085 755 9,2 16,8 21,5
1020 660 13,8 28,0 34,0
800 1260 905 10,4 26 28
1235 890 14,1 30 37,5
850 1385 1180 11,0 28 31,0
1390 1160 14,8 36 39,5
880 1410 1100 10,2 25,5 32,5
1430 1110 14,4 38,5 36,4
900 1400 1200 8,2 26,5 30,5
1435 1190 16,0 41,0 40,6
950 1360 1190 5,9 23,2 24
1440 1170 12,0 32,8 34,6
1000 1320 1160 5,7 13,7 21,2
1390 1155 9,9 27,4 27,5
По ТУ-14-2-499-82 ≥1275 ≥8 ≥8 ≥25 ≥19,6
Примечание. В числителе даны свойства образцов с исходной структурой пластинчатого перлита, в знаменателе — зернистого перлита; требования по ТУ приведены для исходной структуры зернистого перлита.

Установлено, что форма и дисперсность карбидной фазы оказывают влияние на кинетику П→А-превращения и конечные показатели структуры, субструктуры и механические свойства стали. При этом в стали с исходной структурой зернистого перлита П→А-превращение проходит несколько медленнее и при большей температуре, а насыщение γ-твердого раствора углеродом и легирующими элементами — более полное, чем в стали с исходным пластинчатым перлитом. Это способствует в конечном итоге повышению механических свойств стали после закалки с ускоренного нагрева [6]. Оптимальная температура закалки с ускоренного нагрева (νн≅10°С/с) рельсовой заэвтектоидной стали с исходной структурой пластинчатого перлита соответствует 850-900 °С, а с зернистым перлитом — 880-950 °С. При этом после закалки с ускоренного нагрева до оптимального интервала температур стали с дисперсным зернистым перлитом, полученным после циклического сфероидизирующего отжига, в закаленном слое формируется мелкозернистая (размер зерна № 9-10) высокодисперсная структура троостита закалки с межпласти-ночным расстоянием 0,2 мкм и высокой плотностью дислокаций ρд = 10,2·1010 см2. Формирование такой структуры обеспечивает получение в закаленном слое высокого комплекса свойств: σв = 1430..1440 Н/мм2, δ5 = 12,0..14,4 %; ψ = 32,8..38,5 %; а1 = 34,6..36,4 Дж/см2. Значительно меньший комплекс свойств после закалки с ускоренного нагрева достигается в стали с исходной структурой пластинчатого перлита (горячекатаное состояние), где структура закаленного слоя состоит из троосто-сорбита с межпластиночным расстоянием 0,6 мкм, плотностью дислокаций ρд = 7,1·1010 см-2 и бóльшим размером зерна аустенита (№ 8-9). При этом σв = 1385..1400 Н/мм2; δ5 = 8,2..11,0 %; ψ = 26,5..28,0 %; а1 = 30,5..31,0 Дж/см2.

Таким образом, изменяя морфологию исходной структуры рельсовой заэвтектоидной стали и применяя оптимальную температуру ускоренного нагрева, можно обеспечить в закаленном слое высокий комплекс свойств с наличием мелкозернистой, высокодисперсной структуры и субструктуры. Такая обработка способствует значительному повышению контактно-усталостной выносливости и износостойкости при эксплуатации в особо тяжелых условиях и при низких температурах.

По разработанным режимам ускоренного нагрева головки рельсов в условиях металлургического комбината «Азовсталь» изготовлены партии рельсов из углеродистой заэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,88; 0,92 и 0,95 %, предварительно подвергнутых циклическому сфероидизирующему отжигу на дисперсный зернистый перлит. Рельсы характеризуются высоким комплексом свойств; σв = 1450..1370 Н/мм2; σ0,2 = 1050..945 Н/мм2; δ5 = 12,5..9,6 %; ψ = 37..34 %; а1 = 41..32 Дж/см2.
Партии рельсов массой 350 т проходят эксплуатационные испытания в особо тяжелых условиях Крайнего Севера.

Список литературы:

1. Комбинированная термическая обработка рельсов из углеродистой заэвтектоидной стали / Д. К. Нестеров, Н. Ф. Левченко, В. Е. Сапожков и др. // Черная металлургия. 1988. № 9. С. 44—47.
2. Сталь для рельсов повышенной прочности / Д. К. Несте

Д.К. Нестеров, Н.Ф. Левченко, В.Е. Саможков, В.А. Дубров
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 11. 1991 г.
Данная статьи была взята из этого ресурса.

Заказать звонок
+
Жду звонка!