автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение новых режимов термического упрочнения железнодорожных рельсов после печного нагрева

Академия наук Украины Институт черной металлургии им. 3. И. Некрасова

_ ____На правах рукописи

Р Г 8 ОД

.ул

Изюмский Владимир Аврамович

РАЗРАБОТКА И ВКЕДРШНЕ НОВЦХ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ЯЕЛЕЗНОДОРОМНЫХ ГЕЛЬСОЗ ПОСЛЕ ПЕЧНОГО НАГРЕВА

Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск 1994 г.

- г -

Диссертация выполнена на Днепровском металлургическом комб им. Ф. Э. Дзержинского

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

Доктор технических наук, профессор Е.А. Щур

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор И. Г. Узлов

Кандидат технических наук Е Н. Разиньк

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - Мариупольский металлургический комбинат "Азовсталъ"

Защита диссертации состоится _19

в 14 часов на заседании Специализированного совета (шифр К. 141. в Институте черной металлургии по адресу: 320050, г. Днепропет пл. Стародубова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан п2Р " ап/У^ 9_ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

Левчен»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К числу важнейших проблем железнодорожного транспорта, решение которых необходимо для обеспечения безопасности движения поездов, относится повышение эксплуатационной стойкости и надежности рельсов, как основного элемента верхнего строения пути.

Рост грузонапряженности, осевых нагрузок и скорости движения на железнодорожном транспорте привел к ужесточению условий эксплуатации рельсов и увеличении их износа и выходу из строя. Это обуславливает повышение требований к качеству железнодорожных рельсов и повышение эксплуатационной стойкости и надежности их за счет уведачения контактно-усталостной прочности, износостойкости, сопротивления хрупкому разрушению, живучести и др.

Опьгг эксплуатации термоупрочненных рельсов производства Днепровского меткомбината показал, что их стойкость в пути на 20... 25Z ниже стойкости рельсов, подвергнутых объемной закалке в масле, и они не в полной мере удовлетворяют требованиям, которые предъявляет современные условия их эксплуатации. Для решения этой задачи на комбинате были проведены исследования, направленные на повышение качества и конструкционной прочности термоупрочненных рельсов, в частности, повышения однородности микроструктуры по сечению упрочненного слоя металла головки рельса и снижения уровня растягивающих остаточных напряжений по сечению профиля рельса, как факторов повышения конструкционной прочности и эксплуатационной стойкости рельсов в пути, а также на увеличение производительности рельсозакалочного оборудования.

Работы по теме диссертации выполнены в промышленных условиях Днепровского меткомбината им. Ф.Э. Дзержинского (г. Днепродзержинск) а также в лабораторных условиях Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (г. Москва), Украинского научно-исследовательского института металлов (г. Харьков) и в лабораторных условиях меткомбината.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в разработ-* ке новых режимов термического упрочнения железнодорожных рельсов применительно к действующему оборудованию Днепровского металлургического комбината им. Ф. Э. Дзержинского, обеспечивающих повышение качества термоупрочненных рельсов и их конструкционную прочность с одновремен-

ным увеличением производительности установки для термической обраб ки рельсов. Для этого необходимо решить следующие задачи:

- исследовать непосредственно в рельсозакалочном агрегате те пературно-временные параметры термической обработки;

- исследовать структурные превращения в головке рельса при те мическом упрочнении водой ее поверхности после печного нагрева;

- разработать режимы охлаждения водой поверхности катания г ловки рельсов, обеспечивающие оптимальное распределение микрострут ры и твердости по сечению термоупрочненного слоя металла;

- разработать технологические параметры охлаждения подог рельсов одновременно с термическим упрочнением водой их головки пс печного нагрева, приводящего к снижению уровня остаточных напряж по сечению профиля рельсов и повышению производительности оборуд< ния участка термической обработки рельсов;

- разработать и опробовать технические решения по измене: конструкции охлаждающих устройств как для охлаждения поверхности ловки, так и охлаждения поверхности подошвы рельса.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключаете следующем:

- разработан и предложен на уровне изобретения механизм упр ления напряженным состоянием в рельсах при термическом упрочнении верхности их головки путем одновременного ускоренного охлаждения ней поверхности подошвы, обеспечивающий не только снижение ух растягивающих остаточных напряжений по сечению головки рельсов, позволяющий формировать в головке сжимающие остаточные налряжс благоприятно влияющие на повышение конструкционной прочности ре: и их эксплуатационную стойкость в пути;

- предложен способ воздействия на кинетику превращений при мическом упрочнении железнодорожных рельсов Р50, основанный на i нении в широких пределах условий охлаждения поверхности голов! обеспечивающий получение однородной микроструктуры по глубине у ненного слоя металла на расстоянии до 15 мм от поверхности;

- разработаны на уровне изобретения параметры дифференциро ного по ширине подошвы охлаждения ее нижней поверхности, которы соотношении интенсивностей охлаждения подошвы и головки, р 0,7. ..0,8, и продолжительности охлаждения подошвы ЭО. ..20 с

обеспечивают прямолинейность выхода рельсов из закалочного агрегата

Практическая ценность работы. Разработаны и оптимизированы параметры термической обработки рельсов, позволившие повысить производительность оборудования участка термической обработки рельсов с 19,3 до 22,2 т/час за счет сокразцэния продолжительности изгиба рельсов в гибочной машине.

Разработаны•и внедрены в производство новые технические условия ТУ 14-2-674 "Рельсы железнодорожные широкой колеи типа Р50 из кислородно-конвертерной стали с закалкой поверхности катания головки по всей длине", предусматривающие охлаждение поверхности подошвы водой одновременно с термической обработкой поверхности катания головки рельсов. Б соответствии с требованиями данных технических условий потребителям отгружено более 300 тыс. тонн термоупрочненных рельсов.

Внедрен в производство технологический процесс термического упрочнения водой поверхности катания головки рельсов после объемного печного нагрева с одновременным охлаждением поверхности подошвы по авторским свидетельствам N 1239170 и N 1399360, обеспечивающий благоприятное распределение уровня остаточных напряжений по элементам профиля рельса и однородность микроструктуры по сечению упрочненного слоя металла головки.

Апробация работы. Результаты работы доложены на двух научно-технических конференциях: Всесоюзном семинаре "Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов" - Москва (1989 г.), научном семинаре отделения металлов ВНИИЖТ - Москва (1992 г.).

Отдельные результаты диссертации приведены в заключительных отчетах научно-исследовательских работ. Темы: "Совершенствование режимов закалки рельсов с целью повышения пропускной способности участка ТОР',1989 г.; "Совершенствование технологии закалки рельсов с принудительным подстуживанием подошвы",1990 г. ; "Совершенствование технологии термоупрочнения рельсов с целью повышения их качества",1991 г.

Публикации. Основное содержание результатов исследований по те-ые диссертации опубликовано в 4 работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введе Б глав, заключения и трех приложений. Работа изложена на 165 ст цах машинописного текста и содержит 40 рисунков и 41 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование выбора темы и сформулирована работы, ее научная новизна и практическая значимость.

1. Пути повышения конструкционной прочности железнодорожных рельсов

Рассмотрены современные условия работы рельсов в пути, оснс пути повышения их конструкционной прочности и эксплуатационной кости. Из анализа литературных источников следует, -что на пов! конструкционной прочности и эксплуатационной стойкости рельсс щественно влияет повышение их металлургического качества, физи! ханических свойств и микроструктуры металла, а также уровень 1 остаточных напряжений. Существенное повышение физико-механи' свойств металла рельсов за счет изменения его микроструктуры до< ется путем термической обработки.

Дан анализ существующих способов термического упрочнения сов: объемной закалкалки в масле, термического упрочнения повер катания головки, как с нагрева ТВЧ, так и после печного нагрев рочнения рельсов с использованием тепла прокатного нагрева. При преимущества и недостатки этих способов термического упрочнения сов, особенности формирования микроструктуры по их сечению и ностньсх свойств, уровня остаточных напряжений и геометрических метров рельсов после термического упрочнения.

Приведены методы оценки конструктивной прочности и остат напряжений в термоупрочненных рельсах.

На основании изученных материалов показано, что для увели конструкционной прочности и эксплуатационной стойкости поверх« упрочненных водой рельсов после печного нагрева (применител действующему оборудованию Днепровского металлургического ко* им. Ф. Э. Дзержинского) необходимо повысить однородность микростг по сечению упрочненного слоя металла головки и снизить уровень

гивающих остаточных напряжений по элементам профиля рельса. Для решения данных задач, а также с целью повышения производительности термического оборудования, необходимо совершенствовать режимы охлаждения поверхности катания головки и исследовать влияние охлаждения поверхности подошвы на уровень остаточных напряжений и конструкционную прочность рельса вцелом.

2. Материал и методика исследований

Исследование предложенных режимов термического упрочнения производили в производственных условиях на сборных партиях рельсов Р50 из конвертерной стали К74 и К74Ц. В них входили рельсы с содержанием углерода на верхнем, нижнем и среднем пределах требований ГОСТ 24182. Для сравнения свойств термическое упрочнение рельсов также производили и по существующим режимам. При получении положительных результатов исследования проводили на рельсах отдельных плавок.

Прочностные характеристики исследуемых рельсов при испытании на растяжение и ударную вязкость определяли на продольных и поперечьыу образцах, вырезанных из упрочненных слоев металла головки и подошвы профиля рельса. Испытания на растяжения производили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497, а испытания на ударный изгиб - ГОСТ 9454.

Твердость на поверхности катания головки рельсов и по поперечному сечению элементов профиля рельса определяли по Бринеллю в соответствии с требованиями ГОСТ 9012 на приборе ТШ-2Ы. Распределение ввердости по сечению термоупрочненного слоя металла головки и подошвы определяли по Роквеллу в соответствии с требованиями ГОСТ 9013 путем вдавливания алмазного конуса на приборе ТК-2М.

Исследование микроструктуры осуществляли при помощи металлографического микроскопа "NE0PF0T-21", оптическая система которого позволяет просматривать шлифы при увеличении от 100 до 2000 и фотографировать при увеличениях от 100 до 1200, а также просвечивающего электронного микроскопа ЭЫВ-100БР с максимальным увеличением до 250 ООО раз при использовании реплик, снятых с поверхности протравленного шлифа. Травление подготовленных микрошлифов осуществляли 4% спиртовым раствором азотной кислоты. Реплики получали путем прямого напыления углерода на поверхность шлифа.

Исследование кинетики распада аустенита конвертерной рельсовой

стали К74Ц производили на дифференциальном дилатометре УкрНИИ образцах от двух плавок с содержанием углерода на верхнем и пределах ГОСТ 24182 при непрерывном охлаядении в диапазоне ско| обеспечивающих получение микроструктур от перлита до бейнита.

Экспериментальное изучение температурно-временных характе] по сечению головки рёльса при ее термическом упрочнении прои; непосредственно в закалочном агрегате путем аачеканки хромель-левых термопар в отверстия диаметром 3 мм, высверленные в голо] ким образом, чтобы рабочие спаи термопар находились по оси сш профиля рельса на расстоянии 1,0. ..1,5, 5, 10 и 20 мм от пове] катания. Характер изменения температуры в данных точках во ] фиксировали при помощи многоканальных регистрирующих прибор< А682-003 с основной погрешностью 0,052.

Исследование остаточных напряжений в термоупрочненных рел] состоянии поставки (после термической обработки и холодной nj роликоправильной машине и штемпельных прессах) проводили nyrei дартной оценки уровня остаточных напряжений в технологическо1 по величине расхождения продольнйй прорези по шейке длиной -методом вырезки поперечного темплета длиной 30... 40 мм и методе резания пробных отрезков рельсов по всему сечению на продольны* ки, обладающих достаточной точностью и простотой расчетов и из1 деформаций.

Измерение деформаций на поверхности темплета после его bi осуществляли при помощи проволочных тензодатчиков сопротивленю зой 25 мм и номинальным сопротивлением 400 ом. В качестве изме] ного прибора использовали цифровой омметр модели Ц-34 с диаш измеряемых сопротивлений постоянному току от 0,001 0м до 1000 основной погрешностью измерения не более 0,0652 при из» электрического сопротивления в пределах от 100 до 1000 Ом.

Сопротивление усталостному разрушению оценивали по уровн» говечности (количеству циклов нагружения до начала разрушения), деленному при стендовых испытаниях во ВНИИЖГе полнопрофильных i вых отрезков длиной 1200 мм на циклический изгиб. Стендовые ИС1 производили на гидропульсаторе по методике ВНИИЖТ. Максимально редоточенная циклическая нагрузка, прикладываемая-к отрезку пос не пролета между опорами, составляла 45 и 50 тс/сечение при ас рии цикла нагружения R - 0,1. Испытания рельсовых отрезков на

ческий изгиб осуществляли по двум схемам нагружения: головкой в зоне

»

растяжения и подошвой в зоне растяжения.

Температуру на поверхности элементов профиля рельсов определяли при помощи радиационных пирометров Тегтэро1гЛ 80 с пределом измерения

-60____1600°С и Смотрич 4П-05 с пределом измерения 200. ,.900°С пр?

погрешности не более 1,5%.

При проведении исследований в промышленных условиях для определения зависимости параметров рельсов от технологических факторов термической обработки использовали регрессионный анализ. При этом обработке подвергали данные не менее 50 замеров. Оптимизацию технологических параметров по полученным зависимостям проводили на ПЭВМ путек использования пакета прикладных программ.

3. Расчет теплового поля и напряженного состояния рельсов при их термическом упрочнении

В случае термического упрочнения железнодорожных рельсов с печного нагрева поверхность катания головки движущегося в закалочном агрегате рельса охлаждается струями воды, истекающими через отверстия г крышках струевых аппаратов. Отверстия в крышках расположены поперечными рядами. Расстояние между отверстиями в ряду выбирается с такт расчетом, чтобы соответствующие им зоны охлаждения на поверхности головки рельса соединялись. Для таких зон ввиду малой скорости истечения воды из отверстий можно принять, что теплоотдача с участка поверхности головки соответствующего одному ряду такая же, как и пру охлаждении в спокойной воде.

Расстояние между поперечными рядами отверстий в крышке струево-го аппарата можно выбрать и таким, чтобы зоны охлаждения водой поверхности головки над соседними рядами отверстий не сливались. В это», случае участок поверхности головки рельса между струями воды будет охлаждаться на воздухе, то есть будет происходить чередование охлаждения водой и охлаждения на воздухе. Следовательно, средняя теплоотдача от поверхности головки при таком охлаждении будет иметь промежуточное значение между охлаждением водой и охлаждением на воздухе, г изменяя расстояние между поперечными рядами отверстий в крышке струе-вого аппарата, можно регулировать интенсивность охлаждения поверхности головки рельса при перемещении его в закалочном агрегате.

Гешая уравнение сохранения количества тепла, отданного

воздуху поверхностью головки рельса, получаем выражение

. >

е = айз-гЧр(аад + аьз) ~ °вд "вГ ^з ~ авд

которое характеризует зависимость необходимого расстояния меад ми отверстий в кршпке струевого аппарата от коэффициента тепл а^, обеспечивавдего заданные условия охлаждения, и коэф$и теплоотдачи воде авд и воздуху а^ в данный момент времени Условия охлаждения поверхности головки рельса, обеспеч формирование требуемой структуры в упрочненном слое, задавали мокинетической диаграмме превращения аустенита рельсовой ст) охлаждении. В этом случае для определения требуемого коэф$ теплоотдачи, обеспечивающего заданные условия охлаждения, нео решить дифференциальное уравнение теплопроводности. В настовде задачи теории теплопроводности эффективно решаются численными ми, в часности, достаточно универсальным методом конечных раг Для математического моделирования тепловых процессов, происхо рельсе при его термической обработке, а также анализа его напр го состояния, использовали решение двухмерного уравнения тепле ности по явной разностной схеме с переменными шагами по коор; •Сечение рельса рассматривали в виде семи расчетных блоков.

Напряжения, возникающие при термической обработке ме можно разделить на два вида; на сопутствующие процессу тер» обработки (временные, термические) и на остающиеся в издели завершения термического воздействия (остаточные). Эти напряжет никают вследствие неодновременного изменения объемов по сечеш происходящего в результате чисто теплового сокращения при 0XJ (температурные напряжения), и вследствие неодновременного и родного изменения удельных объемов, вызванных структурными п] ниями (фазовые и структурные напряжения).

„ При решении задачи о вычислении напряжений в процессе < ния тела на каждом этапе расчета напряжений необходимо учитыв! рерывные температурные изменения модуля упругости, предела те]

коэффициента температурного расширения и других теплофизических ха ракгеристик металла, неодновременности и неоднородности структурны деформаций по сечению тела. При термической обработке необходимо учи тывать также и влияние на предел текучести металла непрерывно игменя пцегося структурного состояния исследуемого тела. Величина относи тельного свободного удлинения при превращении аустенита в перли может быть определена путем апроксимации термокинетической диаграмм рельсовой стали и кривой изменения температуры в данной точке сечени тела, или в интервале температур перлитного превращения полное сво бодное удлинение перлита рельсовой стали может быть принято равным 1 для линейного и 31 для объемного расширения.

На основании изложенного разработана программная система для рассчета на персональной ЭВМ двухмерных температурных полей напряженного состояния при термической обработке рельсов.

Прямолинейность рельса при термическом упрочнении будет обеспечена при условии равенства изгибающих моментов со стороны головки со стороны подошвы относительно главной горизонтальной оси сечени его профиля. Поэтому, для выбора оптимальной продолжительности охлаж дения поверхности подошвы, обеспечивающей отностительное равенств изгибающих моментов со стороны головки и подошвы рельса, варьировал интенсивностью охлгСждения подошвы и интервале 0,3. ..0,8 интенсивност охлаждения головки в данный момент времени.

Расчетом по разработанной методике установлено, что для обеспечения прямолинейности выхода рельса Р50 из термической установки пр равенстве продолжительностей охлаждения подошвы и головки интенсив ность охлаждения подошвы должна составлять 0,4...0,5 интенсивност охлаждения головки. При интенсивности охлаждения подошвы, равно 0,7. ..0,8 интенсивности охлаждения головки, продолжительность охлаж дения подошвы должна составлять 30. ..20 секунд. Для обеспечения фор мирования однородной микроструктуры по сечению упрочненного слоя ме тадла головки на расстоянии до 20 мм от поверхности катания расчетно расстояние между рядами отверстий в.крышках струевых аппаратов должна изменяться от 67 мм в начальный момент до 20 мм в конце охлаждения.

- 12 -

4. Экспериментальная проверка и определение оптимального режима термического упрочнения рельсов

: ■ Экспериментальную проверку полученных на основании рас< режимов термического упрочнения проводили в два этапа:

- опробование технологии поверхностной термической обр) головки рельсов с одновременным охлаждением подовты, обеспеч! прямолинейность рельса при выходе его из рельсозакалочного агр<

- совершенствование режимов охлаждения поверхности катанш ловки с целью получения однородной микроструктуры по глубине т< рочненного слоя металла головки.

Опробование технологии термического упрочнения поверхнскг ловки рельсов с одновременным охлаждением нижней поверхности 1 дошвы производили на ЗО-ти рельсах трех плавок. Охлаждение пов< ти катания головки рельсов осуществляли в соответствии с приняв Комбинате режимами термической обработки, а охлаждение подошвы водили водой, распыленной при помощи форсунок с продолжител] охлаждения 8... 10, 12... 15 и 17.. .23 секунды.

Установлено, что охлаждение водой поверхности подошвы в т< 17... 23 секунд позволяет получать рельсы с требуемой прямс ностью. 1фи продолжительности охлаждения подошвы 10... 15 секу} обеспечения прямолинейности рельса необходим его изгиб на то гибочной машине, однако продолжительность операции гибки в срг с существующей технологией сокращается с 30... 45 сек до 20 сек.

Цутем регрессионного анализа результатов исследований был] лучены зависимости изменения температуры нижней поверхности по; стрелы прогиба рельсов после их окончательного охлаждения от I жительности охлаждения подошвы водой:

Г - 778,9311 ехр (-0,01662 Ь)

при коэффициенте корреляции 0,987 и среднеквадратичной ошибке 9,467°С

Г - -554,0175 + 25,9617 Ь

при коэффициенте корреляции 0,644 и среднеквадратичной ошибке 205,51 мм

где Г - температура поверхности подошвы, °С; Г - стрела прогиба рельсов, мм; t - продолжительность охлаждения подошвы, сек. Установлено, что охлаждение водой нижней поверхности подошвы ' рельса одновременно с термическим упрочнением поверхности катания en головки приводит к снижению уровня растягивающих остаточных напряжений. Существенное снижение растягивающих напряжение наблюдается npi продолжительности охлаждения подошвы 10... 12 секунд, а увеличен» продолжительности охлаждения подошвы более 17 секунд приводит к возникновению в рельсах сжимающих остаточных напряжений. Цутем регресс» онного анализа результатов стандартного определения уровня остаточньс напряжений получена зависимость изменения ширины паза от продолжи тельности охлаждения подошвы водой:

h - 2.1938 - 0,1232 t

при коэффициенте корреляции 0,942 и среднеквадратичной ошибке 0,273 мм

где h - изменение ширины паза, мм;

t - продолжительность охлаждения подошвы, сек.

Исследование распределения остаточных напряжений по поверхности элементов профиля рельса показывает, что в рельсах, термоупрочненны без охлаждения подошвы, эпюра остаточных напряжений менее благоприят на, чем у рельсов, термоупрочненных с охлаждением подошвы. Так на по верхности катания головки этих рельсов выявлены растягивающие напря жения до 90 МПа, на поверхности юейки - напряжения сжатия до 120 МПа на нижней поверхности подошвы - напряжения растяжения до 90 МПа средней части и напряжения сжатия до 80 МПа у боковой кромки.

В рельсах, термоупрочненных с охлаждением водой подошвы, эпюры распределения остаточных напряжений при продолжительности охлаждени нижней .поверхности подошвы более 10 секунд эпюры остаточных напряже ний имеют оптимальный вид: на поверхности катания головки формируете сжимающие напряжения до 90 МПа при продолжительности охлаждения 1: секунд и до 190 МГЬ при продолжительности охлаждения 23 секунда Н поверхности шейки возникают напряжения сжатия до 80 и 130 Una соот

ветственно, а на нижней поверхности подошвы, соответственно, ния растяжения до 90 и 130 Ша в средней части и напряжения сж 40 ЫПа у боковой кромки, ч. .•■•,„- -;/•

С целью совершенствования режимов охлаждения поверхности ния головки, обеспечивающих получения однородной микрострук глубине термоупрочненного слоя металла головки и для изучения тера превращения аустенита рельсовой стали при охлаждении пове; катания головки рельса водой после печного нагрева зкспериме: определяли зависимость изменения температуры металла при терм упрочненнии рельсов Р50 по существующему и предложенному ре: точках на расстоянии 1,0...1,5, 5, 10 и 20 мм от поверхности ! головки по оси симметрии профиля рельса.

Установлено, что при существующем режиме охлаждения неод - ность распределения микроструктур по глубине упрочненного слоя ла головки вызывает высокая скорость охлаждения водой ее пове катания (более 50 град./с на расстоянии 1...1,5 мм от поверх тогда как для гарантированного получения однородной микрострук глубине упрочненного слоя металла головки необходима скорость дения ее поверхности не более 40 град. /с.

Совершенствование режимов охлаждения поверхности головки тзменения шага между соплами в крышках струевых аппаратов суще повысило однородность микроструктуры по сечению упрочненного с талла, однако наличие прерывистого охлаждения поверхности г особенно в начальный период, не позволили в полной мере устран однородность распределения микроструктур.

Дальнейшее совершенствование режимов охлаждения поверхнос тания головки производили по пути применения водо-воздушной с начальный период охлаждения (в течение 8...12 секунд), кото определенном соотношении расходов воды и воздуха обеспечивает димую скорость охлаждения для получения однородной микрострук упрочненном слое металла головки, а формирование необходимой ленности факелов охлаждающей смеси практически полностью ис прерывистость охлаждения в начальный период охлаждения пове

головки. %

Установлено, что применение водо-воздушной смеси для охла поверхности головки в начальный период охлаждения позволило п однородную микроструктуру тонкодисперсного перлита с пласт

формой карбидной фазы по сечению упрочненного слоя металла головки расстоянии до 15 мм от поверхности.

5. Свойства железнодорожных рельсов, термоупрочненных по новой технологии. Результаты стендовых Испытаний

При внедрении в производство технологического процесса терм] ческого упрочнения водой поверхности катания головки при одноврем* ном охлаждении водой нижней поверхности их подошвы после печного Н1 рева изучение комплекса свойств и оценку качества рельсов, термо! рочненных по новым режимам, производили во БНИИХТе на полнопрофилы пробных отрезках, вырезанные от термообработанных в производствен: условиях и подвергнутых правке в холодном состоянии рельсов трех п вок. Термическое упрочнение поверхности катания головки рельсов о ществляли путем сочетания охлаждения поверхности головки водо-возд ной смесью в начальный период охлаждения и дальнейшим охлаждением дой при помощи существующих охлавдающих устройств. Для сравне свойств у части рельсов упрочнение поверхности головки производили существовавшим на комбинате режима«. Охлаждение поверхности подо производили водой по одному из двух режимов, различающихся пpoдoJ тельностыо охлаждения: 10... 12 и 20... 24 секунда После выхода рельсозакалочного агрегата все рельсы подвергали изгибу в гибо* машине. Холодную правку в роликоправильной машине и доправку и> штемпельных прессах проз водили по существующим на комбинате рею правки.

Твердость по сечению термоупрочненного металла гловки рельс при использовании водо-воздушной смеси в начальный период охлажд< достаточно однородна на расстоянии до 15 мм от поверхности катанИ5 находится на уровне 38...39 Ш?с. По мере дальнейшего удаления от верхности твердость постепенно снижается. Микроструктура от пов( ности катания представляет собой тонкодисперсную структуру с плас-чатой формой карбидной фазы, дисперсность которой по мере удаленю поверхности головки уменьшается и на расстоянии 25... 30 мм да! микроструктура переходит в сорбитообразный перлит и перлит, харак ный для нормализованного состояния.

Твердость у поверхности катания головки рельсов, термоупр< ненных по существовавшим режимам, достигает 40 Ш?о, на рассто

5...8 мм твердость снижается до 37 Шс. В более глубоких слоях ненной головки твердость вновь возростает до 38... 39 Н(?с и зат тепенно снижается по мере удаления от поверхности. Конечная ы руктура упрочненного слоя металла головки вблизи поверхности и на расстоянии до 4... 6 мм от поверхности предстасляет собой -сорбит или сорбит отпуска. На расстоянии 4... 8 мм микрост представлена структурой отпущенного бейнита. При дальнейшем у от поверхности катания микроструктура представлена мелкодис перлитом с тонкопластинчатой формой карбидной фазы,дисперсност тин которой постепенно уменьшается по мере удаления от поверхн

Сопоставление распределения твердости по глубине термоупр ного слоя металла подошвы показывает, что в зависимости от пр тельности охлаждения и содержания углерода в стали твердост верхности достигает 31. ..34 Н1?с (при продолжительности охл 20... 24 с) или 29 Шс (при продолжительности охлаждения 10.. которая по мере удаления от поверхности постепенно снижается продолжительности охлаждения подошвы 20... 24 с наблюдается " твердости на расстоянии 4... 8 мм, а глубина упрочненного слоя достигает 14... 16 мм. При продолжительности охлаждения 10...20 с понижения твердости не наблюдается и глубина проник термического влияния достигает 10... 12 мм.

Микроструктура упрочненного слоя металла подошвы состс участков сорбита отпуска и мелкодисперсной структуры перлита ( закалки), количественное соотношение которых на данной точке подошвы зависит от продолжительности охлаждения подошвы и рас от нижней поверхности подошвы до этой точки. При продолжите охлаждения подошвы 20... 24 с микроструктура на расстоянии до поверхности представляет сорбит отпуска и мелкодисперсный пер расстоянии от 4 до 6 мм, который при дальнейшем удалении от ности постепенно переходит в перлитную структуру нормализо состояния. При продолжительности охлаждения 10... 12 с микрост в основном представлена мелкодисперсной структурой перлита с ными участками сорбита отпуска, которая по мере удаления от -ности постепенно переходит в перлитную структуру нормализо состояния.

Сопротивление усталостному разрушению оценивали по уровне говечности при циклическом изгибе, определенному при стендовы

таниях полнопрофильных рельсовых отрезков на гидропульсаторе. При испытаниях на циклический изгиб рельсовых отрезков головкой в зоне растяжения на уровень долговечности основное влияние оказывает содержание углерода в стали и уровень внутренних остаточных напряжений. Большая продолжительность охлаждения подошвы обеспечивает получение более высоких значений долговечности при циклическом изгибе как при нагрузке 50 тс/сечение, так и 45 тс/сечение.

При испытании исследуемых рельсов подошвой в зоне растяжения на результаты усталостных испытаний оказывали влияние содержание углерода в стали и особенности структуры упрочненного слоя металла подошвы, в котором при данной схеме нагружения возникал очаг усталостного разрушения и росла усталостная трещина. Однако значимого влияния продолжительности охлаждения подошвы на значения долговечности при такой схеме циклического нагружения не установлено.

При определении уровня остаточного напряженного состояния исследуемых рельсов по стандартной методике было установлено, что ширина продольной прорези по шейке рельсового отрезка уменьшалась в зависимости от продолжительности термического воздействия на подошву. При продолжительности охлаждении подошвы ДО...12 с - уменьшение прорези во всех исследуемых рельсах составило 0,1 мм, а при продолжительности охлаждения 20... 24 с - уменьшение прорези равнялось 0,55 мм.

Распределение остаточных напряжений по поверхности элементов профиля рельса также показало, на положительное влияние технологической операции охлаждения подошвы водой. Независимо от способа охлаждения поверхности катания головки при термическом упрочнении в ней формируются сжимающее остаточные напряжения. С увеличением продолжительности охлаждения подошвы с 10...12 с до 20... 24 с сжимающие остаточные напряжения на поверхности катания головки возрастают с 85... 95 до 110... 115 МПа, а сжимающие остаточные напряжения в шейке при этом возрастают с 95...100 до 125... 135 ЫПа. В средней части подошвы исследуемых рельсов возникают растягивающие остаточные напряжения, величина которых при увеличении продолжительности охлаждения подошвы возрастает с 90... 100 до 110... 115 ЫПа. На боковых кромках подошвы наблюдаются сжимающие остаточные напряжения небольшой величины.

Исследование распределения остаточных напряжений по сечению профиля рельса в состоянии поставки при термическом упрочнении с применением водовоздушной смеси в начальный период охлаждения, произве-

денное путем разрезки на продольные бруски, показывает, что зн и знак напряжений в приповерхностных брусках довольно точно сов с напряжениями на поверхности. Так у поверхности катания головк боковых граней после холодной правки возникают сжимающие оста напряжения порядка 90... 120 МПа. По мере удаления от поверхн направлении« к центру головки сжимающие напряжения уменьша трансформируются в растягивающие, максимальное значение которы людаетея в месте между центром головки и зоной перехода гол шейке. В шейке наблюдаются сжимающие напряжения, максимальное ние которых в большинстве случаев приходится на ее среднюю ча высоте, или несколько смешано к подошве. В зоне перехода шейки дошве сжимающие напряжения переходят в растягивающие, максим, значение которых наблюдается в средней части ширины подошвы.

Следовательно, применение технологической операции охлаж, водой нижней поверхности подошвы при термическом упрочнении ш ности головки рельса приводит к тому, что в головке рельсов в с< нии поставки создаются благоприятные сжимающие остаточные напряг

Сопоставляя сосновные войства термоупрочненных рельсов щ водства Днепровского меткомбината после внедрения новых режимов мического упрочнения и свойства рельсов, термообработанных д[ способами, можно сделать вывод, что рельсы производства ДМК по с ным по казателям не уступают рельсам производства других предпр1

Так средние значения твердости на поверхности катания гoJ рельсов, термообработанных различными способами, близки между с однако имеют место существенные различия в распределении твердое микроструктуры по сечению упрочненного слоя металла. Для объемне ленных в масле рельсов характерно плавное снижение твердости и персности перлита от поверхности к центру головки, причем на рас нии до 15.. .20 мм от поверхности катания значения твердости при одинаковы. Для термоупрочненных рельсов с нагрева ТВЧ одинаковые чения твердости и однородная микроструктура распространяются на бину до 11...13 миллиметров, а для упрочненных рельсов после пе нагрева с применением водо-воздушной смеси в начальный период о дения - до 15 мм.

Все способы термического упрочнения обеспечивают примерно наковые прочностные характеристики рельсов при испытании на рас ние. При испытании на ударный изгиб наибольшие значения ударной

- la -

кости присущи термоупрочненному слою металла у рельсов, подвергнутых поверхностному упрочнению как с нагрева ТВЧ, так и после печного нагрева.

Каждый способ термической обработки рельсов оказывает характерное влияние на распределение остаточных напряжений по сечению профиля рельса. Так в объемнозакаленных в масле рельсах в состоянии поставки у поверхности катания головки наблюдаются растягивающие остаточные напряжения до 100 ЫПа, которые достигают наибольшего значения (около 150 ЫПа) в чентральной части головки. В шейке преобладают сжимающие напряжения до 150 ЫПа, а в зоне перехода от шейки к подошве сжимающие остаточные напряжения трансформируются в растягивающие, максимальное значение которых (до 250 ЫПа) приходится на среднюю часть подошвы. На кромках подошвы преобладают сжимающие напряжения до 60 МПа.

При поверхностной термической обработке рельсов, как с печного нагрева (применение водо-воздушной смеси в начальный период охлалде ния поверхности головки), так и с нагрева ТВЧ в головке и шейке профиля рельса в основном преобладают сжимающие остаточные напряжения до 150 ЫПа, однако в зоне перехода от шейки к подошве и средней части подошвы возникают растягивающие остаточные напряжения до 130 ЫПа.

Получение в головке рельсов сжимающих остаточных напряжений приводит к повышению предела выносливости, увеличению числа циь.-пв нагружения до зарождения усталостных трещин, а также до полного изло ма рельса, увеличению критического размера усталостной трепаны и повышению живучести термоупрочненных рельсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На Днепровском металлургическом комбинате на основании теоретических расчетов и экспериментальных исследований разработаны и внедрены в производство новые режимы термического упрочнения поверхности катания головки рельсов по всей длине с одновременным охлаждением нижней поверхности их подошвы, обеспечившие повышение качественных характеристик термоупрочненных рельсов и их конструкционной прочности.

2. Разработан и предложен механизм управления напряженным состоянием в рельсах при термическом упрочнении поверхности их головки с

одновременным ускоренным охлаждением нижней поверхности подо| тановлено, что на знак и величину изгибающего момента от в: напряжений по сечению профиля рельса, а также на прямол] рельса при его выходе из термической установки влияюгг интенс! продолжительность охлаждения поверхности подошвы. Показано, лаждение поверхности подошвы при соотношении интенсивностей ния подошвы и головки равном 0,7. ..0,8 в течение 17. ..23 секз воляет получать рельсы с требуемой прямолинейностью бее их гибочной машине. При продолжительности охлаждения по дошвы секунд изгиб рельса в гибочной машине обязателен, однако г тельность операции гибки в сравнении с существующей технолог сокращается с 30... 45 до 20 секунд. Это позволило повысить производительность участка термической обработки рельсов рель ного цеха Днепровского меткомбината с 19,3 до 22,2 т/час.

3. Установлено, что применение технологической операции дения нижней поверхности подошвы одновременно с термическим нием поверхности головки приводит к тому, что в упрочненных р состоянии поставки снижается уровень растягивающих остаточны жений. Так при продолжительности охлаждения нижней поверхност вы более 10 секунд эпюры остаточных напряжений имеют оптималь на поверхности катания головки формируются сжимающие напряжен МПа при продолжительности охлаждения 12 секунд и до 190 ЫПа должительности охлаждения 23 секунды. На поверхности шейки в напряжения сжатия до 80 и 130 Мпа соответственно, а на нижней ности подошвы, соответственно, напряжения растяжения до 90 и в средней части и напряжения сжатия до 40 ЫПа у боковой кромм

4. Показано, что продолжительность охлаждения нижней пов< ти подошвы существенно влияет на формирование микроструктуры При продолжительности охлаждения подошвы до 10... 12 секунд > руктура от поверхности образцов без существенных изменений и тавляет собой перлитную структуру с пластинчатой формой карби; зы. Увеличение продолжительности охлаждения подошвы до 14...15 приводит к формированию у нижней поверхности подошвы рельса I упрочненного слоя металла глубиной до 8 мм, микроструктура ^ представляет собой сорбигообразный перлит, переходящий по мере ния от поверхности в перлит. При продолжительности охлаждения 16... 23 секунды глубина боны упрочнения в подошве увеличи

10... 12 мм и характеризуется формированием микроструктуры сорбита отпуска на расстоянии до 4 мм от поверхности и сорбита закалки с пластинчатой формой карбидной фазы, переходящего в перлит нормализованного состояния.

5. Установлено, что неоднородность распределения микроструктур по глубине термоупрочненного слоя металла головки рельсов вызывает высокая скорость охлаждения водой поверхности катания головки рельса, которая превышает 40 град. /с. Предложен способ управления кинетикой превращений при термическом упрочнении железнодорожных рельсов Р50, основанный на изменении в широких пределах условий охлаждения поверхности головки и обеспечивающий получение однородной микроструктуры по глубине упрочненного слоя металла на расстоянии до 15 мм от поверхности. Совершенствование условий охлаждения поверхности головки рельса было проведено путем изменения конструкции охлаждающих устройств по двум направлениям: выбор оптимального расстояния между поперечными рядами сопел (отверстий) в крышках существующих струевых аппаратов, V путем сочетания охлаждения поверхности головки рельса водо-воздушно)' смесью продолжительностью 8...12 секунд в начальный период охлаждения с дальнейшим охлаждением водой при помощи существующих охлаждающи> устройств.

6. Новые режимы охлаждения поверхности головки с оптимальным расстоянием между рядами сопел в крышках струевых аппаратов существенно повысили однородность микроструктуры по сечению упрочненного слоя металла на расстоянии до 15 мм от поверхности катания головки. Однако наличие прерывистого охлаждения поверхности головки (с относительно продолжительной паузой), особенно в начальный период, не позволяет в полной мере устранить неоднородность распределения микрост руктуры. Микроструктура у поверхности катания головки и на расстояни! до 5... 8 мм от поверхности представляет собой тонкодисперсную перлит ную структуру с пластинчатой формой карбидной фазы с локальным участками структур отпуска, плотность которых по мере удаления от по верхности уменьшается. При дальнейшем удалении от поверхности катани головки микроструктура полностью представляет собой тонкодисперсны перлит, переходящий по мере удаления в сорбитообразный перлит и пер лит с пластинчатой формой карбидной фазы, характерного для нормализо ванного состояния.

7. Режимы охлаждения поверхности головки рельсов с применением

в начальный период охлаждения водо-воздушной смеси обеспечили фо| рование однородной микроструктуры по сечению упрочненного слоя ме' ла головки. Так в приповерхностных слоях металла головки и на глу< до 15 мм микроструктура представлена тонкодисперсной структурой 1 лита с пластинчатой формой карбидной фазы (троостит и сорбит за! ки), дисперсность пластин которой по мере дальнейшего удаления от верхности уменьшается. На расстоянии 25...30 мм от поверхности к ния данная микроструктура переходит в перлитную структуру нормал ванного состояния.

8. Установлено, что на уровень долговечности при испытаниях циклический иагиб полнопрофильных рельсовых отрезков головкой в растяжения основное влияние оказало содержание углерода в стал уровень внутренних остаточных напряжений. Увеличение продолжитель ти охлаждения подошвы обеспечивает получение более высоких знач долговечности как при нагрузке 50 тс/сечение, так и 45 тс/сечени именно с 231,7 и 350 тыс. циклов до 253 и 485,4 тыс. циклов сооте твенно. При испытании рельсов подошвой в зоне растяжения на резул ты усталостных испытаний оказали влияние содержание углерода в ст Существенного влияния продолжительности охлаждения поверхности по вы на долговечность при данной схеме нагружения не выявлено.

9. По результатам проведенных исследований и опробования тех логического процесса термическго упрочнения водой поверхности кат головки рельсов после печного нагрева с одновременным охлажде нижней поверхности подошвы были разработаны и внедрены в произвол новые технические условия ТУ 14-2-674 "Рельсы железнодорожные шир колеи типа Р50 из кислородно-конвертерной стали с закалкой поверх ти катания головки по всей длине", по которым потребителям отгру более 300 тыс. тонн термоупрочненных рельсов.

10. Разработанный способ термической обработки поверхности ловки рельсов с одновременным охлаждением его подошвы применим и термической обработке рельсов с использованием тепла прокатного рева. Это свойство в настоящее время чрезвычайного дефицита энерг сителей, и в первую очередь природного газа, имеет немаловажное чение. В этом случае необходимо проведение исследований для опред ния свойств термоупрочненных рельсов, так как на них будет оказь влияние колебание температуры перед термической обработкой и хара структурного состояния металла рельсов после прокатки.

Основное содержание диссертации отражено в следующих райотах:

1. Исследование и внедрение новой технологии поверхностной закалки рельсов с подстуживанием подошвы на Днепровском металлургическом комбинате им. Дзержинского / Ермолаев В. а , Мильман Е. А., Изюыс-кий Е А., Летко Т. И. // Повышение качества железнодорожных рельсов и колес: Отраслевой сборник научных трудов - Харьков: Изд. УкрНИИМэта, 1987. -с. 33-34.

2. Новый технологический процесс термического упрочнения поверхности катания головки железнодорожных рельсов с подстуживанием подошвы / Изюмский Е А. // Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов: Материалы семинара - Москва: Московский Дом научно-технической пропаганды им. Ф. Э. Дзержинского, 1989.- с. 44-49.

3. А. с. N 1239170 СССР, МКИ С2Ю/04. Способ термической обработки рельсов / Ермолаев Е Н. .Чернов Е. И. .Левченко Е Ф. .Мильман Е. А. , Изюмский ЕА. и др.; УкрНИИМэт .(СССР). - N 3807465/22-02, Заявл. 29.10.84.

4. А. с. N 1399360 СССР. ЫКИ С2Ю/04. Способ термообработки рельсов / Мильман Е. А., Гончаренко С. Г. , Изюмский Е А.; Днепровский металлургический комбинат им. Дзержинского (СССР). - N 4159881/23-02, Заявл. 30.05.88.

Подписано к печати . . 1994 г. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0. Тира* . Заказ N