автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка эффективных технологий и способов повышения эксплуатационных характеристик и качества железнодорожных рельсов

РГ6 од

2 2 <Г

На правах рукописи

Бердышев Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И КАЧЕСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 1998

Работа выполнена в АО "Кузнецкий металлургический комбинат".

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Г ромов В.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Муравьев В.В.; кандидат технических наук, доцент Чинокалов В.Я.

Ведущая организация: ГНЦ РФ "Уральский институт металлов"

Защита состоится "30" июня 1998 г. в_на заседании диссертационного совета Д 063.99.01 при Сибирском государственном индустриальном университете. Адрес: 654007, г.Новокузнецк, Кемеровской обл., ул. Кирова, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГИУ.

Автореферат разослан "_" - _1998 г.

Ученый секретарь диссертационного ^

Совета, к.т.н., доцент А Л- Николаев

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности производства в связи с переходом к рыночным отношениям в черной металлургии требует дальнейшего улучшения качества продукции и необходимости дальнейшего снижения затрат на ее получение. Прирост проката, в частности рельсов, возможен за счет интенсификации существующего производства, улучшения технологии, лучшего использования имеющегося оборудования и разработки новых методов и способов повышения эксплуатационных характеристик изделий с одновременным удешевлением. Эта проблема является комплексной, многогранной и должна решаться на научной основе с учетом конкретных условий и особенностей производства и эксплуатации рельсов.

Потребности железнодорожного транспорта поставили перед металлургами сложную и ответственную задачу значительного повышения качества и стойкости в эксплуатации основного элемента верхнего строения пути - рельсов. Несмотря на значительные достижения в развитии технологии термической обработки железнодорожных рельсов, общей теории прокатки - эти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения, использования нетрадиционных закалочных сред? внешних энергетических воздействий, а также многообразия факторов, свойственных прокатке в калибрах.

Особенностью 90-х годов по одиночному изъятию рельсов является преобладание износа и отслоения металла на поверхности катания головки над всеми другими видами дефектов. Увеличить эксплуатационную стойкость можно при использовании методов поверхностной термообработки с созданием в приповерхностных слоях градиентных структур. Создание, поведение и свойства градиентных структур в тяжелонагруженных условиях изучены недостаточно. Проработка металла после

прокатного передела имеет исключительно важное значение для дальнейшей поверхностной термообработки.

Цель работы. Разработка перспективных способов и технологий повышения эксплуатационных характеристик и качества рельсов. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1 .Теоретическое обоснование создания градиентных структур при нетрадиционных поверхностных упрочняющих обработках.

•2.Разработка физико-технических и металловедческих основ дифференцированной закалки и магнитоплазменной поверхностной обработки.

3.Исследование строения, механических свойств и распределения легирующих элементов по сечению головки рельсов.

4.Изучение свойств градиентных структур и эволюции структурно-фазового состояния рельсовой стали после поверхностных упрочняющих обработок.

5.Разработка перспективных способов прокатки рельсов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность разработанных методик и технологий поверхностного упрочнения рельсов дифференцированной закалкой и магнитоплазменной обработкой с получением градиентных структур по сечению головки.

2. Обобщенные экспериментальные данные по строению на макро- и микроуровне, механическим свойствам, микротвердости и распределению легирующих элементов по сечению головки рельса, полученные в результате поверхностных термических обработок.

3. Свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки.

4. Модельные представления взаимодействия колесо -рельс при воздействии нагрузки и наличия градиентной структуры в рамках теории упругости.

5. Усовершенствованные калибровки валков рельсоба-лочного стана для прокатки рельсов с повышенной износостойкостью.

Научная новизна диссертации.

1. Разработаны режимы термической обработки рельсов дифференцированной закалкой в двух средах с целью пб-вышения стойкости головки рельса. Предложена новая закалочная среда на основе водорастворимого полимера.

2. Разработана методика плазменного упрочнения поверхности катания рельса, определены оптимальные режимы обработки головки рельса при воздействии плазменной струи.

3. В результате теоретического анализа взаимодействия колесо - рельс предложена модель действия нагрузки на систему упрочненный слой - основной металл в рамках теории упругости.

4. Впервые изучено строение и свойства градиентных структур, полученных при использовании дифференцированной закалки и поверхностного плазменного упрочнения.

5. Разработана новая более рациональная система калибровки валков рельсобалочного стана, увеличивающая его производительность.

Достоверность работы определяется корректностью поставленных задач, применением современных методов расчета и методик исследования, соответствием установленных закономерностей данным, полученным теоретическим путем. Она обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения и сопоставлением полученных результатов с известными данными других авторов.

Практическая ценность работы. Совокупность экспериментальных и теоретических данных является инструментом

для углубленного понимания природы градиентных структур рельсовой стали, возникающих при дифференцированной закалке и магнитоплазменной обработке.

Результаты исследований показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств рельсов, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

Использование предложенных способов поверхностного упрочнения в производстве создает условия без существенных изменений технологии и материально-технических затрат для получения высокопрочных рельсов, расширяющих рынок предложений и повышающих конкурентную способность рельсов АО "КМК".

Предполагаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО "КМК" заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повышения износостойкости в три раза и составляет 2.5 млрд. руб./год в ценах 1997 г.

Разработка и внедрение в производство рациональных способов прокатки позволяет увеличить производительность труда, улучшить качество выпускаемой продукции, сократить расход металла валков и обеспечить суммарный экономический эффект 20 млрд. руб. в ценах 1996 г.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на технических советах АО "Кузнецкий металлургический комбинат" в 1990 - 1997 гг., ежегодных заседаниях рельсовой комиссии (1993 -1997 гг.), IV Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1996); Межгосударственной научно-технической конференции "Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД" (Магнитогорск, 1996); Международной научно-технической конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996); Международной" научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономи-

ка, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996); V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк, 1Э97); Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в современном материаловедении" (Санкт-Петербург, 1997) и "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1997); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1997); 1-м Международном семинаре имени В.А. Лихачева "Актуальные проблемы прочности" и XXXII! семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (Пенза, 1997), XIV Уральской Школе металловедов - термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (Ижевск, 1998).

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследований, разработке технологий поверхностного упрочнения рельсов методами дифференцированной закалки с использованием нетрадиционных закалочных сред и плазменного воздействия, анализе полученных результатов, проведении лабораторных и промышленных испытаний и внедрении результатов в производство.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 36 научных публикациях.

Объем работы. Диссертация изложена на 203 страницах, содержит 13 таблиц, 67 рисунков и состоит из введения, 6 глав, списка литературы из 162 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены данные по современному состоянию исследуемой проблемы, показана актуальность работы, научная новизна и практическая" ценность полученных результатов.

В первом главе являющейся литературным обзором, проводится анализ современного состояния технологий производства рельсов и их упрочняющих обработок. Показано, что несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных работ по повышению эксплуатационных характеристик рельсов, традиционными являются: повышение качества рельсового металла при его получении (выплавке), что обеспечивает более высокие механические характеристики, а также применение различных видов термической обработки, в частности объемной закалки, что позволяет, с одной стороны, увеличить прочностные характеристики, с другой, приводит к увеличению износа из-за несоответствия твердости пары колесо - рельс. Это становится в последнее время главной причиной отказов на грузонапряженных участках, крутых подъемах и кривых с малым радиусом закругления. Из большого числа современных технологических методов поверхностной упрочняющей обработки, каждый из которых имеет свою область рационального применения, проанализированы закалки с прокатного нагрева, повторного поверхностного и объемного печного нагрева. Отмечена недостаточная изученность вопросов применения импульсных электромагнитных обработок для упрочнения рельсов. Проведен анализ работ по изучению напряженно-деформированного состояния при взаимодействии рельс - колесо и сделан вывод о необходимости использования моделей учитывающих градиентный характер свойств металла.

Показано, что существующие методы калибровки не позволяют получать рельсы с достаточной проработкой металла по сечению рельса, что приводит к образованию неоднородно-стей, способствуя тем самым быстрому выходу рельсов при эксплуатации. Кроме этого, применяемые калибровки не всегда рациональны, что повышает себестоимость продукции.

В заключении главы сформулированы конкретные задачи диссертационной работы и отмечено, что" для повышения эксплуатационных характеристик рельсов необходимо провести

комплекс материаловедческих исследований, анализ модельных представлений и разработку соответствующих методов, способов и технологий.

Во втором главе приведены методики проведения упрочнения поверхности катания головки рельса. Представлены описания различных установок для дифференцированной закалки -ступенчатой закалки в двух средах. Приведены параметры охлаждающих сред, методы регистрации температуры при охлаждении и показана возможность упрочнения головки рельса маг-нитоплазменным воздействием. Приведено описание конструкции головки плазмотрона, позволяющей обрабатывать поверхность катания рельса по всей длине.

Описаны конструкции устройств для проведения испытаний на трещино- и износостойкость, методика измерения твердости и микротвердости по сечению упрочненной головки рельса.

Рассмотрена методика металлографического анализа градиентных структур, получаемых при различных видах упрочняющего воздействия; распределения легирующих "элементов после импульсных плазменных воздействий как сырых, так и термоупрочненных рельсов в зонах упрочненный слой - основной металл. При описании методик количественной обработки результатов оптической и электронной дифракционной микроскопии обращено внимание на определение среднего размера зерна; средних размеров структурных составляющих сталей и их объемных долей; объемной доли материала, занятого каждым типом дислокационной субструктуры; скалярной и избыточной плотности дислокаций; амплитуды кривизны - кручения кристаллической решетки; плотности субграниц; размеров, плотности распределения частиц карбидных фаз и их объемных долей.

Третий глава посвящена теоретическому обоснованию применения методов поверхностного упрочнения при взаимодействии колесо - упрочненный рельс в рамках теории упруго-

сти. При поверхностном упрочнении рельсов создается высокопрочный слой глубиной до 2 мм, который находится в контакте с менее твердой матрицей. Колесо при качении не внедряется в рельс и не сплющивается, а только прогибает упрочненный слой. Различие искусственного упрочнения и естественного наклепанного слоев состоит в возникающей неоднородности вдоль поверхности катания. Поэтому поверхностное упрочнение с помощью создания градиентных слоев можно считать прогрессивным способом повышения эксплуатационных характеристик рельсов.

Предлагается физическая модель взаимодействия колесо - рельс, в которой упрочненный рельс рассматривается как двухслойная полоса, нагруженная цилиндром. На основе этой модели составлена математическая задача теории упругости. Получено ее решение в образах Фурье в общем виде. Для частного случая нагрузки приведена зависимость нормальных напряжений в зоне контакта слой - матрица от продольной координаты. Из зависимости следует, что на некотором расстоянии от места приложения нагрузки возникают растягивающие напряжения, которые на порядок меньше предела прочности. Это обстоятельство является решающим для использования поверхностного упрочнения рельсов с целью снижения износа и контактного повреждения поверхности катания, так как упрочненный слой предотвращает смятие колеса и тем самым обеспечивает нормальное качение без проскальзывания.

Важным обстоятельством импульсного поверхностного упрочнения является тот факт, что максимум касательных напряжений достигается на глубине 8-15 мм, а глубина упрочненного слоя не превышает 2 мм.

В четвертой главе, посвященной исследованию эксплуатационных характеристик поверхностноупрочненных рельсов, изучено влияние предлагаемых термических обработок и поверхностного упрочнения на характер изменения твердости, микротвердости, трещино- и износостойкости, а также измене-

ния макро- и микроструктуры и распределения химических элементов в градиентных слоях.

Приведены данные по охлаждающим способностям применяемых сред при обычной и ступенчатой закалках, приведено сравнение с традиционной объемной закалкой в масло. Реализованы следующие виды термической обработки: закалка в масло (эталон); закалка в водный раствор натриевой соли кар-боксиметилцеллюлозы № - КМЦ концентраций 1.5 % и 3 %. Дифференцированная закалка: 10 % водный раствор МаС1 (первая среда) -1.5 % водный раствор Ыа - КМЦ (вторая среда); 10 % водный раствор №С1 - 3 % водный раствор № - КМЦ; 10 % водный раствор ЫаС1 - масло; водовоздушная смесь - масло; водовоздушная смесь - 3 % водный раствор № - КМЦ. Кривые охлаждения получали путем измерения температуры в центре головки рельса термопарой, регистрация осуществлялась графопостроителем в координатах температура - время охлаждения.

На рис. 1а показаны кривые охлаждения в водорастворимом полимере (Ыа - КМЦ) двух концентраций (1 - 1.5 %, 2 - 3 %) и для сравнения приведена кривая охлаждения в масле (3), а на рис. 16 - микроструктура головок рельсов после охлаждения в полимере (1) и масле (2).

Показано, что применение в качестве охлаждающей среды водорастворимого полимера концентрации 3 % приводит увеличению твердости по всему сечению рельса на 1 - 2 Н!ЗС. Аналогичные результаты получены, при дифференцированной закалке. Применение в качестве первой охлаждающей среды 10 % водного раствора №С1 приводит к увеличению твердости до 51 НИС и в середине головки 38 - 42 НЯС.

- Плазменное поверхностное упрочнение приводит к значительному увеличению твердости на поверхности катания до -9000 МПа (~4000 МПа -твердость основного металла). Обработка проведена на структурах основного металла перлит и

троостосорбит. Результаты измерения микротвердости приведены на рис. 2 для разных сечений головки рельса.

Кривые охлаждения и макроструктура темплетов рельсов

; 8оо 600 ; 4оо 200

46 32 48 64 80 ВрЕМЯ ОХЛа>^ЕНИЯ,С

л лй

! .{? 1

Рис. 1

Изменение микротвердости в зависимости от расстояния от поверхности катания и боковой поверхности

10^

8. л Г!

7- Й ПН

.6-

5 • VI

4 1

3-

V

1

3 4

'Н^ЧО'? МПа 9-1

Ю 20

30 40

ВатояниЕ огаповЕрлносши катания, мм 1 Рагапошеот боковой поВ£Рхноспи,ММ

Рис.2

В зависимости от режимов плазменной поверхностной обработки можно получить упрочненный слой 0.8 -1.2 мм.

Для определения основных закономерностей износостойкости и трещиностойкости поверхностно-упрочненных и объем-нозакаленных образцов рельсов проводили испытания на микропульсаторе (образец размерами 3x6x25) и установке на абразивный износ. Определялись как статические, так и циклические параметры трещиностойкости - (ШЫ, к|С и ктах; износостойкости - абсолютный и относительный износ. Результаты этих испытаний представлены на рис. 3.

Влияние поверхностного упрочнения на скорость роста усталостной трещины неоднозначно. В средней части уравнения Пэриса они уменьшают сопротивление распространению трещины. Однако, что очень важно, в области высоких значений Дк скорость распространения трещины в плазмен-но-упрочненных образцах, когда ее фронт распространяется одновременно по матрице и упрочненному слою, совпадает со скоростью

в объемнозакаленных рельсах. При распространении фронт трещины перпендикулярен упрочненному слою, циклические параметры и значения вязкости разрушения также совпадают.

Зависимость абсолютного износа от нагрузки

1 - плазменное упрочнение; 2 - дифференцированная закалка; 3 - объемная закалка Рис. 3

Изменение абсолютного износа при разных режимах испытаний показывает, что с увеличением нагрузки происходит изнашивание в большей степени для объемнозакаленной стали, чем для образцов после дифференцированной закалки и плазменного упрочнения, износостойкость поверхностноупроч-ненных сталей в 3.3 - 3.4 раза выше, чем у объемнозакаленных.

В пятой главе, являющейся основной и составляющей значительную часть диссертации, проведены послойные структурно-фазовые исследования рельсовой стали, подвергнутой дифференцированной закалке в потоке водовоздушной смеси и импульсной магнитоплазменной обработке.

Структура исходного состояния - феррито-цементитная. смесь, сформированная в виде перлитных колоний разной степени совершенства, соответственно рис. 4 и 5.

После дифференцированной закалки толщина модифицированного слоя (слоя, структурно-фазовый состав которого отличается от основного объема материала) составляет «1.5 мм. Фазовый состав слоя - перлит, структурносвободный феррит, зернограничный цементит. Объемные доли фаз зависят от расстояния до поверхности обработки: по мере удаления от поверхности объемная доля перлита нарастает, феррита и цементита снижается. На расстоянии 0.8 мм от поверхности обнаруживается пакетный мартенсит. Преобладающая фаза приповерхностного слоя - перлит; ферритные зерна располагаются цепочками, по-видимому вдоль границ бывших аустенитных зерен; зернограничный цементит сосредоточен в основном по границам зерен феррита в виде протяженных прослоек. Внутри зерен перлита и феррита наблюдается дислокационная субструктура (дислокационный хаос).

Сформировавшаяся в приповерхностном слое стали структура характеризуется целым рядом параметров, изменяющихся закономерным образом в зависимости от расстояния до поверхности обработки. Установлены зависимости фазового состава, концентрации углерода, скалярной плотности

дислокаций, величины дальнодействующих полей напряжений от расстояния до поверхности обработки.

Зависимость объемной доли перлита (1), феррита (3) и зернограничного цементита (2) от расстояния до поверхности

Количественные исследования структуры и фазового состава позволили провести оценки прочности стали на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки. Показано, что упрочнение приповерхностного слоя стали носит многофазный многокомпонентный характер. Прочность стали снижается при удалении от поверхности.

В результате электронно-микроскопических исследований структурно-фазового состояния рельсовой стали, подвергнутой плазменной обработке установлено, что поверхностный слой толщиной я 5 мм имеет градиентное строение, а именно: приповерхностный слой толщиной 0.4 ... 0.5 мм сформирован исключительно мартенситной фазой. Внутри кристаллов мартенсита и по их границам наблюдаются частицы цементита. Кроме этого, вдоль границ мартенситных кристаллов отмечаются прослойки остаточного аустенита. При большом удалении от по-

0

з

О

О ^000 2000 3000 4000 5000

Расстояние от поверхности , мкм Рис. 4

верхности обработки в структуре стали начинают преобладать продукты термического отпуска мартенситной фазы и, далее, перлитной фазы. При этом обнаружено формирование микроглобулярного перлита. Слои стали, расположенные на глубине 2 ... 5 мм от поверхности обработки, представляют собой фер-рито-цементитную смесь, образовавшуюся в процессе коагуляции пластин цементита бывших перлитных колоний. Дальнейшее удаление от поверхности обработки приводит к обнаружению перлитной структуры разной степени совершенства, приближающейся по своему строению к исходному состоянию.

Диаграмма фазового состава стали 70ХГСА после магнитоплазменной обработки

1 - мартенсит; 2 - микроглобулярный перлит; 3 - псевдоперлит; 4 - пластинчатый перлит

Рис. 5

Рассмотренные выше структуры обладают разной степенью дефектности - наиболее высокая плотность дислокаций отмечается в мартенситной фазе; удаление вглубь материала

сопровождается существенным снижением скалярной плотности дислокаций.

Оценки прочности стали на пределе текучести, проведенные с использованием параметров структуры показали, что прочность приповерхностного слоя в 1.4 раза выше прочности основного объема материала, при этом основной вклад в упрочнение вносят механизмы, связанные с межфазными и внут-рифазными границами и дальнодействующими полями напряжений. • . В шестой главе описаны результаты исследований и перспективные разработки по повышению качества рельсов рациональными способами прокатки. Для прокатки рельсовой заготовки на стане 1100 обжимного цеха на основе опытно-промышленных прокаток по разным схемам и исследования качества прокатных заготовок была разработана наиболее рациональная схема прокатки слитков, включающая 13 проходов и 5 кантовок. (последняя кантовка перед ножницами стана 1100).

Основное достоинстзо этой схемы заключается в том, что условия деформации в ящичных калибрах обеспечивают получение качественной поверхности головки и подошвы рельсов за счет того, что грани, идущие на деформирование этих злемен-» тов профиля при свободном уширении в ящичных калибрах прокатываются только дважды, что резко сокращает количество подрезов, переполнение граней, снижает такие дефекты как раскатанный пузырь головки и подошвы; мелкая плена уменьшается на 1 - 2 % по сравнению с действующей схемой. С целью изучения влияния различных схем прокатки на линии 900 проведены исследования на блюмах с нанесенными канавками (трещинами) на гранях, идущих на формирование головки и подошвы рельсов. О деформации металла в валках стана 900 при прокатке по различным калибровкам судили по величине выработки и форме искусственных трещин на недокатах из трапецеидального калибра. На основе полученных данных с целью

выравнивания выработки дефектов по всей поверхности граней прокатываемой заготовки была разработана новая система калибров для прокатки рельсов в черновых пропусках.

В соответствии с предлагаемым техническим решением, за счет дополнительных выпуклостей на боковых поверхностях центральных гребней, происходит дополнительное раскрытие дефектов поверхности на левой и правой половинах ширины прокатываемого раската, что позволяет увеличить выкатывае-мость поверхностных дефектов и приблизить качество этих поверхностей к качеству средней части раската. Это снижает выход II сортов рельсов на 0.5 н- 0.8 %.

Для качественного оформления геометрии профиля рельсов нами был разработан и внедрен новый способ расточки че-тырехвалковых комплектов в клетях "трио" при прокатке рельсов. Его сущность заключается в том, что при расточке комплекта со вторым средним валком делается предварительный сдвиг в направлении утоньшения открытых фланцев подошвы и головки не работающих с первым средним валком ручьев калибров верхней и нижней линий, соответственно. Сдвиг производится на величину износа упорных конусов верхнего или нижнего валка при их работе с первым средним валком. Это обеспечивает равноценность калибров при оформлении профиля с использованием как первого, так и второго среднего валков, позволяет сократить подстройки профиля, увеличить стойкость калибров, повысить качество проката. Производительность стана увеличивается на 1 - 2 %.

Нами было разработано 4 варианта прокатки рельсов с использованием универсальных клетей применительно к рель-собалочному стану АО "КМК" для его реконструкции. Во всех этих вариантах предусматривается обязательное использование 3-х клетьевой непрерывной группы клетей, вместо чистовой клети "дуо", две из которых универсальные. В зависимости от вариантов планируется изменение схемы прокатки на II клети линии 800. Использование новой технологии прокатки железно-

дорожных рельсов по предложенным вариантам ^позволит стабильно получать профиль с лучшими показателя качества продукции по поверхностным дефектам, механическим и пластическим характеристикам. Ожидаемое улучшение качества составляет 4-5 %.

Одним из резервов повышения эксплуатационной стойкости рельсов является совершенствование их профиля. Для снижения концентрации контактных воздействий колес на зону бокового закругления головки, а также для уменьшения интенсивности износа головки на наружных нитях кривых разработан и прокатан рельс со специальным поперечным профилем Р65У. Зона повышенных растягивающих напряжений расположена у него на расстоянии 15.5 - 24.0 мм от оси симметрии рельса, а площадь этой зоны на 37 % больше, чем у Р65. Центр кривизны бокового закругления головки расположен за пределами зоны повышенных растягивающих напряжений на расстоянии 2 мм. В рельсах Р65У происходит перераспределением напряжений в головке, что увеличивает эксплуатационную стойкость рельсов. Калибровка профиля и валков для прокатки Р65У разработана с учетом всех мероприятий, повышающих качество, геометрию и стабильность прокатки профиля. Полигонные испытания на магистральных путях рельсов широкой колеи показали лучшую работоспособность рельсов Р65У, по сравнению с рельсами Р65 за счет увеличения их конструкционной прочности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена схема взаимодействия колесо - двухслойный рельс, позволяющая избежать пластической деформации в месте контакта, разработаны методики поверхностного термического упрочнения, реализующие двухслойность рельса в форме градиентных структур.

2. Разработана полупромышленная технология дифференцированной закалки рельсов в нетрадиционных охлаждающих средах и создана установка, позволяющая повысить износо-

стойкость поверхности катания на 30 % за счет создания градиентности свойств по глубине.

3. Разработаны физико-технические основы магнитоплазмен-ной поверхностной обработки. Создана установка, реализующая получение градиентной структуры, повышающая износостойкость в три раза с сохранением основных требуемых ГОСТами механических свойств.

4. В рамках теории упругости найдена зависимость нормальных напряжений, возникающих в месте сопряжения упрочненный слой - матрица, при взаимодействии колесо - рельс под нагрузкой. Показано, что возникающие растягивающие напряжения не являются критическими для реализованных методов поверхностного упрочнения.

5. Методами современного физического материаловедения (электронная микроскопия, микрорентгеноструктурный анализ) изучены свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки. Показано, что упрочненный слой является композитом, обеспечивающим высокие эксплуатационные свойства рельсов.

6. Разработаны четыре варианта прокатки рельсов в универсальных клетях в рельсобалочном цехе АО "КМК". Усовершенствованы калибровки этих вариантов, оптимизированы режимы деформации металла при прокатке, существенно повышающие качество поверхности рельсов, их физико-механические свойства. Внедрение в производство рациональных способов прокатки позволяет увеличить производительность труда, улучшить качество выпускаемой продукции, сократить расход металла валков. Суммарный экономический эффект составляет 20 млрд. руб. /год в ценах 1996 г.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО "КМК" заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повы-

шения износостойкости в 3 раза и составляет 2.5.млрд.. руб./год

в ценах 1997 г.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Поверхностное упрочнение рельсов Р65 плазменной обработкой / Петров В.И., Кузнецова В.А., Бердышев В.А., Громов В.Е. / Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц: Сб. тез. докл. / НИИЯФ при ТПУ. - Томск, 1996. - С. 383-384.

2. Повышение эксплуатационных свойств рельсов Р65 // Петров В.И., Кузнецова В. А., Бердышев В. А., Г ромов В.Е. // Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД // Тез. докл. Межгосуд. научно-техн. конф. - Магнитогорск: МГМА, 1996. - С. 63.

3. Механические свойства при изотермической обработке рельсовой стали / Петров В.И., Кузнецова В.А., Бердышев В.А., Громов В.Е. // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений / Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Тамбов: ТГУ, 1996. - С. 195 - 196.

4. Изменение механических свойств в зависимости от закалочной среды и способов термической обработки стали М76 / Петров В.И., Кузнецова В.А., Бердышев В.А., Громов В.Е. // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений / Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. -Тамбов: ТГУ, 1996. - С. 194-195.

5. Повышение износостойкости и трещиностойкости рельсов Р65 поверхностной обработкой / Петров В.И., Кузнецова В.А., Бердышев В.А., Громов В.Е..//Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Новокузнецк: Сиб-ГГМА, 1996. - С.

6. Сарычев В.Д., Петров В.И., Бердышев В.А. Математическая модель воздействия нагрузки на упрочненный рельс в рамках теории упругости // Математические и экономические модели в оперативном управлении Производством: Сб. научн. тр. - М.: Электрика, 1997. Вып. 3. - С. 65 - 67.

7. Роль дифференцированной закалки в формировании структуры и механических свойств стали 70ХГСА / Бердышев В.А., Попова H.A., Петров В.И. и др. // Актуальные проблемы материаловедения в металлургии // Тез. докл. Междунар. науч-но-техн. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. - С. 5.

8. Эволюция перлитной структуры стали 70ХГСА в процессе плазменной обработки / Бердышев В.А.. Попова H.A., Петров В.И. и др. // Актуальные проблемы материаловедения в металлургии // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. - С. 30.

9. Разработка и усовершенствование технологии прокатки железнодорожных рельсов / Бердышев В.А., Дорофеев В.В. Шарапов H.A., Громов В.Е. // Актуальные проблемы материаловедения в металлургии // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. - С. 42.

10. Сарычев В.Д., Бердышев В.А., Петров В.И. Расчет воздействия нагрузки на упрочненный рельс // Актуальные проблемы материаловедения в металлургии // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. -С .61.

11. Пути повышения эксплуатационных свойств рельсов Р65 / Бердышев В.А., Петров В.И., Кузнецова В.А. и др. //Актуальные проблемы материаловедения в металлургии // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997.-С.96.

12. Петров В.И., Бердышев В А, Кузнецов В.А. Новые закалочные среды для доэвтектоидных сталей // Актуальные проблемы материаловедения в металлургии // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. - С. 175.

13. Усовершенствование технологии прокатки железнодорожных рельсов I Дорофеев В.В., Бердышев В.А., Шарапов И.А., Громов В.Е. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1997. - № 4. - С. 39-42.

14. Рациональная система калибров для прокатки рельсов в черновых пропусках / Шарапов И.А., Дорофеев В.В., Берды-

шев В.А., Громов В.Е. // Изв. вузов. Черная металлургия..-1997. - №6. - С. 61 -62.

15. Изменение скорости звука при малоцикловых испытаниях рельсовой стали / Бердышев В.А., Петров В.И., Соснин О.В., Громов В.Е* // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий. - Обнинск, 1997. - С. 45.

16. Бердышев В.А., Петров В.И., Громов В.Е. Свойства рельсов после нетрадиционных термических обработок II Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. Высокие технологии в современном материаловедении. - С.-Пб: С-ПГТУ, 1997. -С.35.

17. Определение работоспособности станин прокатных, станов / Журавлев Б.К., Лоскутов Д.Р., Бердышев В.А., Громов В.Е. II Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. Высокие технологии в современном материаловедении. - С.-Пб: С-ПГТУ, 1997.-С.182.

18. Бердышев В.А. Плазменное упрочнение поверхности катания рельсов Р65 II Математические и экономические модели в оперативном управлении производством: Сб. научн. тр. - М.: Электрика, 1997. Вып. 4. - С. 98 - 105.

19. Магнитоплазменная закалка тяжелонагруженных изделий / Сарычев В.Д., Петров В.И., Бердышев В.А. и др. II Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий". - Волгоград: ВГТУ, 1997. - С. 32.

20. Методы повышения эксплуатационных свойств рельсовой стали / Бердышев В.А., Петров В.И., Кузнецова В.А., Громов В.Е. II Изв. вузов. Черная металлургия. -1997.-№ 10. С.70-72.

21. Нетрадиционная упрочняющая обработка рельсовой стали / Бердышев В.А., Петров В.И., Сарычев В.Д., Громов В.Е. // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы прочности". - Новгород: НГУ. Т.2.4.2. - С.273-274.

22. Исследование влияния схем прокатки слитков на заготовки для железнодорожных рельсов Р50, Р65 на стане 1100 АО "КМК" / Дорофеев В.В., Шарапов И А, Бердышев В.А., Громов В.Е. // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. "Совре-

менные проблемы и пути развития металлургии". - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. - С. 63.

23. Структурно-фазовое состояние рельсовой стали после плазменной обработки / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., РСоз-лов Э.В. и др. II Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. "Современные проблемы и пути развития металлургии". -Новокузнецк: СибГГМА, 1997. - С. 74.

24. Эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали при плазменной обработке / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. и др. // Тез. докл. каучно-техн. конф. "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении". - Пенза, 1997. - С. 42.

25. Бердышев В.А., Петров В.И., Сарычев В.Д. Возможности -повышения эксплуатационных свойств железнодорожных рельсов // Тез. докл. научно-техн. конф. "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири". - Новосибирск: СГУПС, 1997. - С. 184.

26. Бердышев В.А., Петров В.И., Кузнецов В.А. Влияние упрочнения на трещиностойкость и .износостойкость стали М76 // Тез. докл. научно-техн. конф. "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири". - Новосибирск: СГУПС, 1997. - С. 184-185.

27. Повышение эксплуатационных свойств рельсовой стали М76 / Бердышев В.А., Петров В.И., Кузнецов В.А. и др. // Тез. докл. научно-техн. конф. "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири". - Новосибирск: СГУПС, 1997. - С. 185-186.

28. Теоретическая модель воздействия нагрузки на упрочненный рельс / Бердышев В.А., Петров В.И., Лобова И.С., Сарычев В.Д. // Тез. докл. научно-техн. конф. "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири". - Новосибирск: СГУПС, 1997. - С. 186.

29. Влияние поверхностных упрочняющих обработок на трещиностойкость и износостойкость стали М76 / Бердышев .В.А., Петров В.И., Кузнецова В.А., Громов В.Е. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1997. - № 12. - С. 37-39.

30. Дифференцированная закалка и свойства рельсов из стали М76 / Иванов A.B., Бердышев В.А., Кузнецова В.А. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1998. - № 2. - С.

31. Градиентные структурно-фазовые состояния, возникшие в стали 70ХГСА, подвергнутой магнитоплазменной обработке / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Попова H.A. и др. // Изв. вузов Черная металлургия. - 1998. - № 2. - С.

32. Послойный структурно-фазовый анализ рельсовой стали М76, прошедшей дифференцированную закалку I Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Петров В.И. и др. // Изв. вузов Черная металлургия. -1998. - № 4. - С.

33. Сарычев В.Д., Петров В.И., Бердышев В.А. Теоретическая модель воздействия нагрузки на упрочненный рельс II Изв. вузов Черная металлургия. -1998. - № 4. - С.

34. Бердышев В.А. Плазменное упрочнение поверхности катания рельсов Р65 II Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов - термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов". - Ижевск - Екатеринбург. 1998. - С. 253 - 254.

35. Повышение эксплуатационных свойств рельсовой стали Р65 / Бердышев В.А., Сарычев В.Д., Петров В.И., Кузнецов В.А. // Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов - термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов". - Ижевск - Екатеринбург. 1998. - С. 254-255.

36. Структурно-фазовый анализ рельсовой стали после дифференцированной закалки / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В., Громов В.Е. // Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов - термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов". -Ижевск - Екатеринбург. 1998. - С. 256.

В.А. Бердышев

Разработка эффективных технологий и способов повышения эксплуатационных характеристик и качества железнодорожных рельсов

Автореферат

Подписано в печать 1998 г. Формат бумаги 60x84 1/16 Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 32>9

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42 Издательский центр СибГИУ