автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка, опробование и внедрение режимов и технологии термической обработки рамных рельсов с индукционного нагрева

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УКРАИНЫ

ОД

- : и и 1Г-0'>

! ¿п-Н

ЮШКЕВИЧ Олег Павлович

УДК:669.14.018.294:625.151/: 621.785.36.545:001:5

РАЗРАБОТКА, ОПРОБОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЖИМОВ И ТЕХНОЛОГИИ

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РАМНЫХ РЕЛЬСОВ С ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Специальность: 05.16.01 -"Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1998

Диссертация является рукописью

Работа выполнена на кафедре термической обработки металлов Государственной металлургической академии Украины (г. Днепропетровск)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор ДОЛЖЕНКОВ ИВАН ЕГОРОВИЧ ГМетАУ, заведующий кафедрой термической обработки металлов

Официальные оппоненты:

-доктор физико-математических наук, профессор Воробьев Геннадий Михайлович, Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, ведущий научный сотрудник центральной лаборатории экспериментальных исследований;

- кандидат технических наук Вахрушева Вера Сергеевна, Государственный научно-исследовательский и конструкгореко-технологичёский институт трубной промышленности министерства промышленной политики Украины, заведующая отделением материаловедения, технологии термической обрабоки, нагрева и охлаждения металлов.

Ведущее предприятие:

Институт черной металлургии HAH Украины, отдел проблем струкгуро-о.бразования и свойств черных металлов (г. Днепропетровск).

Защита состоится " 0" <■ 1998 г. в часов на заседании специали-

зированного ученого ¿бвета Д 08.084.02 в Государственной металлургической академии Украины (320635, Украина, г. Днепропетровск, пр. Гагарина, 4).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГМетАУ (320635, Украина, г. Днепропетровск, пр. Гагарина, 4).

Автореферат разослан "¿Г 1998г.

Ученый секретарь ¡циализированного доктор технических наук, профессгф_Л'^Х—-—-А у Кпмярпп

специализированного ученого совета,!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Актуальность темы. Несмотря на большие успехи в области повышения стойкости рельсов, разработке рациональных технологий упрочнения рамных рельсов стрелочных переводов не уделялось должного внимания. В настоящее время, в связи с недостаточной стойкостью рамных рельсов, на наиболее грузо-напряженных участках внутризаводских железнодорожных путей срок службы стрелочных переводов существенно ниже регламентированного. Наиболее эффективным способом повышения их стойкости является термоупрочнение с нагрева ТВЧ. Однако ныне существующая технология не обеспечивает достаточную стабильность служебных свойств, не позволяет получить требуемые эксплуатационные характеристики рамных рельсов. В связи с этим необходимо проведение изысканий, связанных с изучением и разработкой технологических параметров, режимов и технологии термического упрочнения рамных рельсов путем экспериментальных и теоретических исследований, направленных на рациональное и экономичное расходование энергоресурсов и металла. При этом возникает необходимость изучения особенностей кинетики фазовых превращений, происходящих в упрочняемом слое рельсов в процессе нагрева и охлаждения. Эти обстоятельства обуславливают актуальность исследований, связанных с созданием новой технологии и режимов термической обработки рамных рельсов с индукционного нагрева.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Отдельные результаты диссертации приведены в заключительных отчетах научно-исследовательских работ: "Разработать и освоить усовершенствованную, технологию и оборудование упрочнения с нагрева ТВЧ остряков и рамных рельсов", Днепропетровск, 1987; "Исследовать, разработать и внедрить усовершенствованную технологию закалки ТВЧ рельсовых деталей в цехе стрелочных переводов", Днепропетровск, 1989; . "Разработать и испытать оборудование и технологию рационального водо-воздушного охлаждения остряков и рамных рельсов", Днепропетровск, 1992.

Цель и задачи исследования. Цель данной работы заключалась в разработке, опробовании и внедрении режимов и технологии индукционного термического упрочнения рамных рельсов стрелочных переводов, работающих в условиях промышленных железных дорог. Для достижения поставленной цели решили следующие задачи:

-изучили факторы, влияющие на эксплуатационную стойкость термически упрочненных с нагрева ТВЧ рамных рельсов;

-определяли необходимый уровень термического упрочнения рельсов по результатам анализа условий эксплуатации;

-исследовали физические закономерности процесса индукционного нагрева, оказывающие существенные влияния на формирование аустенитной структуры;

-исследовали кинетику фазовых превращений при непрерывном нагреве; -изучили связь параметров индукционного нагрева со структурой, твердостью и глубиной термоупрочненного слоя;

-разработали параметры индукционного нагрева рамных рельсов; . -изучили влияние конечного структурного состояния после нагрева ТВЧ на кинетику фазовых превращений при непрерывном охлаждении;

-разработали и испытали охлаждающие устройства для термического упрочнения рельсов с нагрева ТВЧ;

-исследовали, разработали и опробовали режимы термического упрочнения рамных рельсов с высокотемпературного индукционного нагрева при их перемещении в закалочной каретке с заданной скоростью.

Научная новизна полученных результатов. Установлена одна из основных причин образования наплывов боковой грани головок рамных рельсов, термически упрочненных с нагрева ТВЧ по известной технологии - наличие в переходной (к исходному горячекатаному металлу) зоне структуры зернистого перлита, обладающей повышенной пластичностью.

Установлены оптимальные интервалы температур начала и конца фазовых превращений при непрерывном нагреве и охлаждении рельсовой стали М76В эвтектоидного состава.

Установлена цикличность температурного поля при индукционном нагреве ТВЧ рамных рельсов и возможность использования высокотемпературного циклического индукционного нагрева для обеспечения мелкозернистой структуры рельсов.

Разработаны на уровне изобретения (A.c. №1700067 и №1788043) устройства для дифференцированной подачи хладагента, с управляемыми тепло-физическими характеристиками,, на поверхность катания рельса.

Впервые построены диаграммы распада аустенита, соответствующего структурному состоянию после нагрева ТВЧ рельсовой стали М76В эвтектоидного состава применительно к закалке рамных рельсов в условиях цеха стрелочных переводов (ЦСП) КМЗ им. Войкова.

Разработаны параметры воздействия на кинетику превращения при термическом упрочнении железнодорожных рельсов Р50 и Р65, обеспечивающие частичный изотермический распад переохлажденного аустенита при непрерывно-последовательном способе охлаждения.

Практическое значение полученных результатов. На основании выполненных исследований влияния высокотемпературного индукционного циклического нагрева на формирование конечной структуры рельсовых сталей по-

еле спрейерного охлаждения автором разработана технология индукционной термической обработки рамных рельсов типа Р65 из сталей М76В, М76ВТ и Р50 из стали К74 и М74Т обеспечивающая повышение однородности структуры и твердости по всей длине и по сечению головки при повышении свойств и эксплуатационной стойкости относительно серийных рамных рельсов.

Полученные экспериментальные и теоретические данные для термического упрочнения с нагрева ТВЧ рамных рельсов могут быть использованы при индукционной термической обработке путевых железнодорожных рельсов.

Разработанная технология термического упрочнения сжатым компрессорным воздухом с нагрева ТВЧ рамных рельсов типа Р50 внедрена в ЦСП КМЗ им. Войкова (г.Керчь). Промышленные испытания стрелочных переводов с рамными рельсами, упрочненными по новой технологии, показали эксплуатационную стойкость в 1,1-1,2 раза выше чем у серийных. Годовой экономический эффект у потребителя составил 448 500 руб. в ценах 1987 г. Режимы и оборудование для термического упрочнения с индукционного нагрева водовоз-душной смесью опробованы при выпуске опытно-промышленной партии рамных рельсов типа Р65 и могут быть использованы на стрелочных предприятиях.

Личный вклад соискателя. Все результаты, которые составляют основное содержание работы, были получены автором самостоятельно, особенно те которые составляют общие выводы и научную новизну.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-практической конференции "Союз науки и практики к 100-летию Петровки", Днепропетровск, 1987; Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки", Днепропетровск, 1988; 2-м Мйжнародном симпоз1ум1 Ук-рашських шженер1в-мехаштав у Львов^ Львов, 1995; 1 1Уйжнародшй науково-техшчнш конференци "Математичне моделювання в електротехнищ", Львов, 1995; на научно-техническом семинаре кафедры термической обработки металлов в 1998г., • -

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 работах: 2 статьях, 4 сборниках тезисов научных конференций, 2 авторских свидетельствах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 45 рисунков. Список использованной литературы включает 151 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние вопроса

Рамные рельсы изготавливают из обычных путевых рельсов, при эксплуатации они подвержены такому же износу и образованию дефектов, как и обычные железнодорожные рельсы общего назначения. Однако, условия работ рельсов на промышленных железных дорогах более жесткие, чем на дорогах общего пользования.

Обобщение литературных данных показало, что наиболее благоприятные для эксплуатации в промышленных условиях свойства имеют рамные рельсы из стали содержащей 0,76-0,82%С, до 0,07%У и до 0,015или подвергнутые термическому упрочнению с индукционного нагрева водо-воздушной смесью на однородную структуру типа сорбита или троостита закалки. Ванадий позволяет реализовать эффект дисперсионного упрочнения ферритной составляющей перлита в горячекатаной стали и уменьшить склонность к росту зерна в интервале температур аустенитизации. Титан (по данным УкрНИИМета) увеличивает межпластиночное расстояние и толщину пластин цемента без изменения размера зерна аустенита и перлитных колоний. Однако, термическое упрочнение рамных рельсов из таких сталей с индукционного нагрева с использованием водо-воздушного охлаждения, изучено в настоящее время недостаточно, поэтому данная проблема остается актуальной.

Один из крупных поставщиков рельсов, - меткомбинат "Азовсталь", - выплавляет металл на базе керченских руд, содержащих фосфор, который, в значительной мере определяет степень развития дендритной ликвации' и величину зерна в межосных участках, и мышьяк, способный к ликвации в небольших объемах металла (микроликвации) до значительных величин. Эти элементы оказывают также существенное влияние на кинетику фазовых превращений при нагреве и охлаждении рельсовых сталей.

Внедрение в практику Керченского металлургического завода (КМЗ) им. Войкова (наиболее развитой современной производственной базы по изготовлению стрелочных переводов) новой закалочной каретки, увеличение производительности установки ТВЧ и использование принципиально нового нагревательного оборудования требовало изучения условий нагрева и охлаждения рельсов, анализа происходящих при этом физических и термодинамических процессов, изучения характера аустенитизации и распада переохлажденного аустенита, разработки режимов индукционного нагрева и термоупрочнения.

Материал и методика исследований

Исследование предложенных режимов и технологии термического упрочнения производили в производственных условиях на незакаленных рамных рельсах I группы, поставляемых в соответствии с требованиями ГОСТ 24182-80 типа Р65 из стали марок М76В, М76ВТ, типа Р50 из стали марки М74Т (МК

"Азовсталь"), имеющих состав обеспечивающий наилучшие для эксплуатации в промышленных условиях характеристики, а также рельсах типа Р50 из кислородно-конвертерной стали К74 производства Днепровского металлургического комбината им. Дзержинского.

Оценку качества рельсов, упрочненных по экспериментальным режимам на опытно-промышленном оборудовании, проводили в соответствии с нормами ГОСТ 24182-80, ТУ 14-2-651-85 и ТУ 14-12-412-91. Рельсы, соответствующие требованиям, нормативных документов, отправлялись на промышленные испытания и укладывались в колеи путевого хозяйства различных металлургических предприятий, где за ними устанавливалось наблюдение с последующей фиксацией' стадий износа, при эксплуатации.

Эксперименты по индукционной термообработке и отработку режимов термического упрочнения рельсов производили на установке ТВЧ КМЗ им. Войкова, применяя двухкатушечный или трехкатушечный индукторы мощностью до 100 или 250 кВт и, соответственно, машинный мощностью 100 кВт или тиристорный (ТПЧ-250-24-312-2УХЛ4 мощностью 250 кВт) преобразователи частоты, при скоростях перемещения рельсов в закалочном устройстве 5-6,7 или 8-,3 мм/с и отбираемой мощности 100 или 130-200кВт. Изучение влияния характера распределения электромагнитного потока по длине индуктора на температурное поле нагреваемых рельсов осуществляли сопоставлением результатов измерений (при помощи флюксметра) напряженности магнитного по-дя индуктора и температуры в головке.

' Температурное поле в головке рельса при нагреве ТВЧ фиксировали электрическим потенциометром КСП-2 при помощи хромель-алюмелевых (Х-А) термопар, введенных в головку через отверстия, выполненные как ступенчатый конический канал просверленный со стороны подошвы с целью устранения эффекта локального перегрева, и зачеканенных на глубинах 1-17 мм от поверхности катания.

В экспериментах температура поверхности определялась непосредственно пирометром "Промшь", температура среды измерялась ртутным термометром, коэффициент теплоотдачи оценивали'из анализа кривых охлаждения, записанных на глубине 1 мм и 3,3 мм от охлаждаемой поверхности рельса.

Кинетику фазовых превращений исследовали методом дифференциально-термического анализа, дополняя его закалочно-микросруктурньш методом. Регистрацию процессов фазовых превращений производили двухкоординатным самописцем ПДС-021 и электрическим самопишущим потенциометром КСП-4. Закаленные (и нагревавшиеся предварительно с различными скоростями) образцы подвергали помимо металлографических исследований, измерению микротвердости на приборе ПМТ-3.

Разработку режимов термического упрочнения с нагрева ТВЧ производили на основе анализа материалов лабораторных и промышленных экспериментов с использованием математической обработки полученных данных. Из рельсов, обработанных по опытным режимам, вырезали поперечные темплеты с полным профилем рельса, которые шлифовали с двух сторон и измеряли на них твердость прибором ТК-2 (Роквелл) по оси и на выкружках в шахматном порядке, в соответствии с требованиями ГОСТ 24182-80. Оценивали конфигурацию и глубину упрочненного слоя, исследовали микроструктуру на "№ЮРНОТ-21".

Выборочно из центральной части темплетов вырезали образцы, которые подвергали послойному рентгеноструктурному анализу или исследовали на растровом электронном микроскопе через каждые 2 мм, начиная от поверхности катания. Рентгеновскую съемку проводили в железном К„- излучении, регистрируя интерференционные максимумы 110 и 220. Определяли истинное физическое уширение, уровни микронапряжений и величин областей когерентного рассеяния.

Наиболее благоприятные по полученным результатам режимы отрабатывали, в промышленных условиях на экспериментальной установке ТВЧ. При положительных результатах из металла рельсов вырезали образцы, которые подвергали послойному электронно-микроскопическому анализу (метод реплик) и испытаниям на разрыв, в соответствии с ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 1497-73. Образцы вырезали из последовательных темплетов, таким образом, чтобы расстояние между продольными осями цилиндриков равнялось двум диаметрам рабочей части, что позволило получить распределение характеристик прочности в поперечном сечении головки рельса. Образцы для испытаний на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 вырезали из упрочненного участка головки рельса в продольном направлении, в соответствии с ГОСТ 18267-82 и ТУ 14-2-651-85, и из переходной зоны так, чтобы нижняя грань проходила через границу-исходного горячекатаного и термообработанного металла.. Поверхностную твердость измеряли твердомером ТШ-2М в трех точках по продольной оси поверхности катания. Упрочнение по глубине вдоль поверхности катания оценивали измерением коэрцитивной силы прибором "Вега-1" датчиками для глубин>5и >10 мм.

Изучение факторов, влияющих на эксплуатационную стойкость термически обработанных рамных рельсов

Исследовали режимы, принятые на всех стрелочных предприятиях Украины. Чтобы получить наибольшую глубину упрочнения при постоянной мощности тока в индукторе и неизменном расходе воздуха, необходимо минимизировать технически возможную скорость движения рельса в закалочном агрегате, в нашем случае - около 5мм/с, что несколько повышает глубину упроч-

н?ния и твердость, значения которых не удовлетворяют требованиям нормативных документов, при этом резко падает производительность установки ТВЧ.

Для увеличения производительности установки ТВЧ и повышения удельной мощности при нагреве был использован трехкатушечный индуктор мощностью до 200 кВт и тиристорный преобразователь частоты тока,- это позволило увеличить скорость перемещения рельсов в закалочной каретке до 8,3 мм/с.

Исследования режимов термической обработки, принятых в ЦСП КМЗ им. Войкова в качестве рабочих для модернизированной установки ТВЧ, положительных результатовне дали.

Т.о., применяемые в настоящее время на стрелочных предприятиях Украины режимы и оборудование термического упрочнения с нагрева ТВЧ рамных рельсов не обеспечивают соответствия их свойств требованиям ТУ 14-12412-91.

На трех предприятиях Днепропетровской области были поставлены на промышленные испытания термически упрочненные с индукционного нагрева сжатым компрессорным воздухом при скорости перемещения 8,3 мм/с в условиях КМЗ им. Войкова серийные рамные рельсы типа Р50 и Р65 в комплекте стрелочных переводов. Изучение характера дефектов показало, что, в основном, все рельсы подвержены образованию наплывов боковой грани и истиранию поверхности катания. При этом истирание не столь выражено и протекает с меньшей интенсивностью, и обусловлено избыточным ферритом в поверхностном слое толщиной до 3 мм из-за сильного обезуглероживания в процессе прокатки и' последующей противофлокенновой обработки и из-за недостаточной скорости охлаждения поверхности.

Характер расположения линий равной твердости позволяет заключить, что пластическая деформация термоупрочненного с нагрева ТВЧ металла рельсов протекает наиболее интенсивно в слоях с твердостью от НПС 29 до Н11С 20, то есть в зоне перехода от термоупрочненного к исходному металлу. Глубина расположения ступеньки наплыва соответствует глубине выхода переходной зоны на боковую грань головки. После упрочнения переходная зона на границе с исходным горячекатаным металлом имеет максимальное количество зернистого перлита, наибольшую пластичность в сечении рельса и состоит из смеси мелкопластинчатого и зернистого перлита, твердость ее НИ С 30-23. При недостаточном упрочнении она является на ранней стадии эксплуатации очагом пластической деформации боковой грани и может стать достаточным фактором для зарождения и возникновения контактно-усталостного дефекта. Поэтому образование структур зернистого перлита при охлаждении сжатым воздухом недопустимо на расстояниях от поверхности катания меньших глубины расположения максимума контактных касательных напряжений.

Таким образом, необходимо было исследовать параметры термической обработки, влияющие на упрочнение металла поверхности катания, переходной зоны головки и на кинетику образования и формирования данных структур в поверхностных и переходных слоях, выяснить причины, по которым происходит. образование структур зернистого перлита в головке рамных рельсов.

Изучение, разработка и внедрение параметров нагрева ТВЧ рамных рельсов

Методом дифференциально-термического анализа было установлено, что значения критических точек Асг и Ас3 исследуемой стали М76В (0,8%С) при средней скорости нагрева 0,12°С/с составляют, соответственно, 728 и 780°С. Выявленное наличие довольно значительного температурного интервала между точками Ас! и Ас3 не свойственно для сталей с содержанием 0,8%С.

Полное растворение включений эвтектоидного цементита заканчивалось при более высокой температуре - 820°С, что связано с неравномерностью развития процесса аустенитизации в микрообъемах металла, вследствие резко выраженной дендритной ликвации. При температурах, лежащих несколько выше уровня равновесной А^ образованию аустенита предшествует сфероиди-зация перлитного цементита и рекристаллизационные процессы в феррите. В этот момент в микроструктуре металла происходят процессы, которые приводят к снижению уровня свободной энергии, затем образуются первые порции низкоуглеродистого аустенита, т.е. образование аустенита начинается при небольшом превышении температуры эвтектоидного равновесия А) после продолжительного инкубационного периода и протекает крайне вяло; конечное феррито-аустенитное состояние достигается за счет растворения в феррите частично или полностью сфероидизированных частиц цементита и диффузии углерода к фронту Ф - А- превращения. При этом направленный градиент концентрации углерода при малой скорости аустенитизации, от поверхности Ф - Ц к поверхности Ф - А ускоряет деление цементитных пластин. Роль этого процесса существенно возрастает при повышении температуры. При температурах, значительно превышающих равновесную Аь процессы сфероидизации, образования аустенита, дробления зерен феррита на определенном этапе совмещаются, вследствие чего возможно превращение феррита в низкоуглеродистый ау-стенит с последующим насыщением его углеродом за счет растворения в ау-стените цементитных включений. Образующиеся зерна аустенита неоднородны по содержанию углерода и легирующих элементов. Поэтому равновесное соотношение Ф + А с абсолютным минимумом свободной энергии достигается через ряд метастабильных состояний, которым соответствует относительное снижение уровня свободной энергии. Вследствие этого окончание образования аустенита смещается в область более высоких температур. После образования аустенита в нем происходит диффузионное выравнивание углерода, причем ско-

рость этого процесса зависит от температуры нагрева, времени пребывания при данной температуре и дисперсности исходных феррито-цементитных частиц.

Исследование кинетики фазовых превращений при непрерывном скоростном нагреве осуществляли методом дифференциально-термического анализа. Результаты обобщали в виде термокинетической диаграммы нагрева, состоящей из линий начала и конца образования аустенита, и линии конца растворения карбидо-цементитных частиц. В процессе ускоренного нагрева стали М76В повышение точки Асз происходит обратно пропорционально повышению средней скорости нагрева: при повышении средней скорости нагрева до 8,6°С/с и до 78,2°С/с температура точки Ас3 повышалась, соответственно до 940°С и до 850°С. Существенное повышение значений температуры Ас1 начинается при увеличении скорости нагрева >12°С/с. При скорости нагрева 90°С/с Ас1=830°С.

Установлено, .что при замедленном (0,014-0,24°С/с) и ускоренном (1-50°С/с) непрерывном нагревах рельсовой стали М76В эвтектоидного состава (0,81 %С) существует широкий межкритический интервал температур (АсрАсз), в котором при нагреве идут процессы дробления и сфероидизации цементитных пластин. Резкое расширение зоны частичной аустенитизации и увеличение глубины её расположения в сечении головки рельса происходит при повышении мощности тока индуктора с 170 кВт до 180 кВт.

Разработано физическое приближение для оценки конечных температур нагрева поверхности катания рельсов с нагрева ТВЧ анализ, которого показал, что управление нагревом может быть сведено к варьированию мощности или напряженности магнитного поля.

Установлено, что напряженность магнитного поля трехкатушечного индуктора, подключенного в одну цепь с тиристорным преобразователем частоты, изменяется вдоль его продольной оси над поверхностью катания по гармоническому закону. Теоретически показано, что вследствие этого температура нагрева во времени имеет циклический характер. В результате головка подвергается индукционному термоциклированию в области аустенитного состояния металла. Экспериментальная проверка процесса нагрева ТВЧ головки рельса Р50 на глубине 4 мм в области активного выделения электромагнитной энергии (при 180 кВт до глубины 9 мм) подтвердила данное заключение. Колебания температуры могут достигать 200°С. В результате фактическое время пребывания металла при максимальных температурах нагрева сокращается, соответственно, скорость роста размера аустенитного зерна убывает. При этом диффузионные процессы в аустените вследствие повышения температуры ускоряются, и гомогенизация происходит намного быстрей.

При высокотемпературном индукционном циклическом нагреве до максимально допустимой температуры поверхности в 1180°С достигнуты и наибольшие значения глубины полной и частичной аустенитизации 9 и 17 мм.

При этом в данных областях размер аустенитного зерна не более №8, а на глубине 4 мм аустенит измельчается до №12. Измельчение аустенитных зерен и уменьшение областей когерентного рассеяния в процессе индукционного тер-моциклирования выше температуры Асз контролируется высокой плотностью дислокационных структур в аустените и возникающими большими искажениями кристаллической решетки Да/а.

Повышение плотности электромагнитной энергии, вводимой в рельс при высокотемпературном индукционном циклическом нагреве, приводит при рав-ньк условиях охлаждения к повышению степени дисперсности перлита, величин твердости на поверхности катания, в зонах полной и частичной аустенити-зации,глубины упрочнения.

Оптимальное сочетание размера аустенитного зерна, параметров тонкой структуры и твердости при мощности 180 кВт и рациональном зазоре получены на глубине 4 мм, где контактные сдвиговые напряжения в процессе эксплуатации рельсов могут достигать максимального значения. При таком режиме нагрева рельсов колебания углерода в пределах марочного химического состава сказываются незначительно на колебания твердости и глубины упрочнения. Данный режим внедрен в практику КМЗ им. Войкова, и обеспечил повышение стойкости при охлаждении сжатым компрессорным воздухом серийных рамных рельсов типа Р50 в 1,1-1,2 раза. Режим опробован при выпуске опытно-промышленной партии рельсов типа Р65, закаленных водо-воздушной смесью с индукционного нагрева.

Разработка и промышленное опробование оборудования и режимов непрерывно-последовательной закалки рамных рельсов с индукционного нагрева Изучили влияние структурного состояния после нагрева ТВЧ головки рельса на кинетику распада переохлажденного аустенита. Аустенитизацию образцов проводили в лабораторных условиях при температурах, соответствующих температурам нагрева первой и второй температурных зон головки рельса. Для первой температурной зоны температура аустенитизации была принята 830°С, выдержка 10 мин. Выбранный режим обеспечивал образование аустенитного зерна №7-8 по шкале 1 ГОСТ 5639-81, что соответствовало его размеру в структурных зонах головки (закаленного водо-воздушной смесью рельса): у поверхности катания, на глубинах 0-1,5 мм и на глубине 8-12 мм - границе первой и второй температурных зон, т.е. в областях с регламентируемым уровнем твердости, в соответствии с требованиями ТУ 14-2-651-85 и ТУ 14-12-421-91.

Результаты исследований кинетики превращений аустенита обобщены в виде термокинетической диаграммы. При построении диаграммы отсчет времени производили с момента достижения образцом точки Ась Установлено; что в рельсовой стали М76В эвтектоидного состава (0,81 %С) переохлажденный при

скоростях охлаждения >26°С/с до температур <500°С аустенит испытывает промежуточный распад, а перлитному превращению предшествует выделение избыточного феррита в интервале скоростей охлаждения 0,22-69°С/с, критическая скорость закалки при этом составляет 195°С/с, температура начала мартенситного превращения Мн равна 230°С.

От известных ТКД рельсовых сталей сходного химического состава данную диаграмму отличают наличие области выделения структурно-свободного феррита, более высокий интервал температур начала феррито-перлитного превращения, а также меньшая устойчивость аустенита в области промежуточного превращения.

Для второй температурной зоны аустенитизацию проводили при температуре 755°С в течение 5 мин. Такой режим нагрева позволил получить разно-зернистый аустенит, аналогичный получаемому во второй структурной зоне в процессе нагрева ТВЧ головки рельса. Интервал скоростей охлаждения составлял 0,12-238°С/с.

Из сравнения диаграмм, построенных для двух режимов аустенитизации, следует, что они имеют сходные структурные области: образования феррита, перлита, промежуточных структур и мартенсита. Однако, аустенит, полученный по второму режиму, обладает меньшей устойчивостью - область феррито-перлитного распада смещена влево по временной шкале. Это связано с тем, что в межкритической области температур аустенит неоднороден по углероду, что приводит также к увеличению скорости перлитного превращения. Отличительной особенностью диаграммы является наличие области образования зернистого перлита в интервале температур 730-580°С. При охлаждении рельсовой эвте'ктоидной стали из межкритического интервала температур нагрева сразу после выделения избыточного феррита в интервале скоростей охлаждения 45-0Д2°С/с происходит распад аустенита на зернистый перлит. Это связано с частичной фазовой перекристаллизацией в процессе нагрева до температур, несколько превышающих Ас]. Карбидные частицы при межкритической температуре растворились не полностью и при относительно медленном охлаждении образцов (со скоростью 25-0,12°С/с) служили центрами распада по абнормаль-ному механизму окружающего их аустенита, что приводило к образованию зернистого перлита. Аустенит удаленный от карбидных частиц, превращается в перлит пластинчатый.

Результаты исследования фазовых превращений позволили принять решение о создании принципиально нового охлаждающего устройства для дифференцированной подачи хладагента по длине спрейера. Устройство испытано в промышленных условиях (для скорости перемещения рельсов 8,3 мм/с), защищено авторским свидетельством (А.с.№1700067) и внедрено в практику ДСП КМЗ им. П.Л. Войкова. В спрейер введен перфорированный патрубок с регуля-

торами давления и расхода воздуха. Это позволяет путем перераспределения воздушного потока под перфорированной пластиной пропорционально снижать давление на входе и выходе спрейера, смещать минимум расхода воздуха в ту или иную сторону, одновременно изменяя скорость охлаждения по длине рамного рельса в ходе закалки. При этом форма кривой "температура- время" сохраняется неизменной, а условия распада аустенита близки к изотермическим,-это позволяет получать стабильную троосто-сорбитную структуру и твердость в упрочненном слое головки. В результате достигается равномерность закалки на поверхности катания, колебания твердости не превышают HB 15.

При использовании данной конструкции спрейера шумовой эффект снижен на 15-10%. Термическое упрочнение рельсов Р50 из стали К74 с высокотемпературного индукционного циклического нагрева при помощи данного устройства позволило в 1,1-1,2 раза повысить их эксплуатационную стойкость.

Применение разработанного охлаждающего устройства при обработке рельсов Р65 из сталей М76В, М76ВТ и М76Т показало низкий уровень упрочнения', не соответствующий требованиям ТУ 14-12-412-91.

Техническое решение направленное на реализацию более жестких режимов охлаждения рельсов типа Р65 реализовали в специальной конструкции Г-образного патрубка. Разработанный спрейер с управляемым изменением коэффициентов теплоотдачи при дифференцированной подаче водо-воздушной смеси по его длине испытан в промышленных условиях ЦСП КМЗ им. П.Л. Войкова и защищен авторским свидетельством (A.c. №1788043). Он обеспечивает охлаждение поверхности движущегося рельса при скорости 8,3 мм/с в диапазоне скоростей охлаждения 1-170°С/с и позволяет управлять процессом распада переохлажденного аустенита на различной глубине, создавать наиболее выгодную кривую охлаждения, осуществлять распад аустенита в условиях близких к изотермическим или при непрерывном охлаждении, может быть использован для закалки всех типов рельсов с различным химическим составом металла. Так, для обработки рамных рельсов Р50 могут быть использованы режимы воздушного упрочнения, разработанные выше, а для упрочнения рельсов типа Р65 следует применять водо-воздушный режим работы спрейера.

Исследованием разработанного режима охлаждения, после высокотемпературного индукционного циклического нагрева, рельсов из стали М76ВТ, содержащей углерод на верхнем и нижнем пределах марочного состава, установлено, что наиболее высокий уровень твердости (при однородной структуре троостита и сорбита закалки), соответствующий требованиям ТУ 14-2-651-85, е сечении головки рельса достигнут в пределах границ зоны полной аустенитиза-ции на глубине от 0 до 8,5 мм. Зона межкритических температур нагрева Ас,-Ас3 расположена на глубине 9-17 мм, что перекрывает требования ТУ 14-2651-85 и ТУ 14- 12-412-91 к микроструктуре рамных рельсов. Однако, от глу-

бины 9 мм до 11,5 мм по оси сечения головки в структуре металла количество зернистого перлита не превышает 5-15%, что практически, не оказывает влияния па повышение пластичности. На глубине более 11,5 мм количество зернистого перлита 20%, на глубине 17 мм оно возрастает до 50%, что ведёт в данной области к росту ударной вязкости. В образцах, вырезанных для испытаний на ударный изгиб так, что одна из граней совпадала с границей между переходной и неупрочненной зоной, т.е. захватывающих переходной слой,- КС11 составляло 0,59 МДж/м2. А в образцах, одна из граней которых прилегала к поверхности головки, КСи составляло 0,523 МДж/м2, ударная вязкость исходного горячекатаного металла - 0,230 МДж/м2. Таким образом, упрочнение рельсов по разработанному режиму повышает ударную вязкость в 2 раза по сравнению с исходной, а требования ТУ 14-2-651 -85 превышает в 1,5 раза. При этом концевая твердость рельсов не превышала требований, установленных ТУ 14-2-65185, а твердость по длине соответствовала им. Переходная зона существенно упрочняется до глубины 12,0 мм на твердость не ниже НВ 300, здесь практически отсутствует выделение зернистого перлита. Значения твердости на выкружках находятся в пределах допустимых требованиями нормативных документов.

Электронно-микроскопическое исследование показало, что при увеличении интенсивности непрерывного охлаждения водо-воздушной смесью относительно нового режима в головке рельса по всей глубине образуются, в основном, перлитные структуры, морфология которых изменяется с расстоянием от поверхности. Максимальные значения пределов прочности (сг„=1176 МПа) и текучести (с,т=794 МПа) находятся на глубине 6,5 мм. Этой же глубине соответствует минимум пластичности, 65=6%, »(/=55-58% и максимум твердости, а также минимальный размер аустенитного зерна №12 по шкале ГОСТ 5639-82. Более низкие значения твердости и прочностных характеристик (ав=Т010 МПа и стт=710 МПа) на глубине 1-3 мм связаны с наличием в структуре отдельных ферритных игл, повышающих пластичность до 85=7%, \у=60%. При переходе от упрочненного слоя к переходному твердость и прочностные свойства снижаются, одновременно происходит повышение пластичности. Такие изменения свойств вызваны увеличением доли зернистого перлита в структуре переходного слоя. Вследствие этого на глубине 14,5 мм наблюдается максимальная пластичность - 65=8,5%, *у=68%, а на глубине 17,5 мм, - на границе переходного слоя и неупрочненного металла, - величины предела прочности и текучести резко снижаются и достигают минимальных значений: ств=600 МПа, от=300 МПа, которые меньше значений неупрочненного металла ст„=720 МПа и о, =-400 МПа при 85=5%, ц)=45%.

В процессе опытно-промышленного опробования новой технологии и разработанных режимов охлаждения с высокотемпературного индукционного

нагрева была выпущена опытная партия рамных рельсов Р65 и установлено, что процесс термического упрочнения при отрегулированных технологических параметрах идет стабильно (колебания мощность тока в индукторе не превышали 1 кВт). После термообработки твердость поверхности рельсов поднимается с уровня НВ 248-293 до НВ 343-388 в центре и до НВ 363-415 на концах. Увеличение твердости на концах рельсов в таких пределах благоприятно сказывается на их эксплуатационной стойкости, колебания твердости по длине рельсов в основном не превышало НВ 30. Изменение глубины упрочненного слоя в различных рельсах составляло 11-14 мм. Разница в твёрдости между левой и правой выкружками не превышала НЯС 3,5.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Применяемые в настоящее время традиционные режимы и технология термической обработки рамных рельсов с использованием индукционного нагрева не обеспечивают в полной мере требования нормативных документов.

2.Установлено, что недостаточное упрочнение поверхностного слоя рамных рельсов обусловлено наличием избыточного феррита, который способствует истиранию поверхности катания, а переходная зона в головке является инициатором пластической деформации боковой грани, что ведет к образованию наплывов. Образование структур зернистого перлита недопустимо на расстояниях меньших, глубины максимума контактных касательных напряжений.

3 .Разработаны новые физическая и математическая модели нагрева ТВЧ рельсов. Впервые показано, что повышение температуры в процессе индукционного нагрева имеет циклический характер и прямо пропорционально повышению мощности, снижению коэффициента рассеяния и скорости перемещения в индукторе. Цикличность и переменная скорость индукционного нагрева дают возможность применять при термической обработке рельсов температуры до 1200'С.

4.Установлено, что рельсовая углеродистая сталь М76В имеет широкий межкритический интервал температур, не свойственный для сталей эвтекгоид-ного класса. Впервые показано, что в результате ускоренного непрерывного нагрева стали М76В при скорости нагрева 0,1-90°С/с наблюдается неравномерное смещение критических точек Ас1 и Ас3. В межкритическом интервале температур происходит неполное превращение перлита в аустенит, что ведет при последующем охлаждении к образованию структур зернистого перлита в переходной зоне, ширина которой не зависит от режимов охлаждения, а определяется величиной мощности тока индуктора.

5.Выявлены новые особенности процесса аустенитизации металла головки рельсов при высокотемпературном индукционном циклическом нагреве (при температуре 1180°С), выражающиеся в формировании не крупнозернистого, а мелкозернистого аустенита (зерно №8-12 по шкале ГОСТ 5639-82), что обу-

словлено высокой плотностью дислокаций и большими микроискажениями кристаллической решетки; уменьшение размера областей когерентного рассеяния в кристаллах феррита после упрочнения и расширение переходной зоны частичной аустенитизации. Рациональное сочетание данных структурных и субструктурных параметров с распределением твердости по глубине впервые получено на расстоянии 4 мм от поверхности катания, где наиболее вероятно расположение максимума контактных сдвиговых напряжений.

6.Установлено, что повышение плотности электромагнитной энергии, вводимой в рельс и, вследствие этого, скорости и температуры нагрева при ее цикличности во времени приводит после охлаждения к повышению дисперсности перлита, поверхностной и максимальной твердости и глубины упрочнения на величину твердости не менее HRC 32,5.

7.Оптимальными параметрами нагрева ТВЧ рамных рельсов, при которых колебания углерода в пределах марочного химического состава сказываются незначительно, обеспечивающие повышение показателей качества металла головки, являются: нагрев при мощности тока в индукторе для рельсов типа Р65 - 180 кВт, для Р50- 170-175 кВт.

8.Впервые построены ТКД рельсовой стали М76В при нагреве в области полной и частичной аустенитизации. Выявлены ранее неизвестные для данной марки стали области выделения избыточного феррита, промежуточного превращения и образования зернистого перлита в результате распада переохлажденного аустенита, образовавшегося в области межкритических температур нагрева. Построенные для рельсовой стали ТКД могут быть использованы для разработки промышленных режимов термической обработки рельсов.

9.Разработано и испытано в промышленных условиях новое устройство для подачи на головку рельса водо-воздушной смеси с регулируемыми по его длине коэффициентами теплоотдачи, защищенное авторским свидетельством (A.c. №1788043). Впервые в промышленных условиях исследованы особенности структурных превращений и распределение твердости в головке рамных рельсов при охлаждении спокойным, сжатым компрессорным, увлажненным сжатым компрессорным воздухом и водо-воздушной смесью, и на основании этого рекомендован новый оптимальный режим охлаждения.

10.Наиболее высокое упрочнение рельсов достигнуто при использовании новой технологии высокотемпературного индукционного циклического нагрева с последующим частичным изотермическим (при непрерывном охлаждении) распадом ауст енита в перлитной области, при котором в головке формируются высокодисперсная перлитная микроструктура и распределение механических свойств и твердости близкое к оптимальному для условий эксплуатации на промышленных железных дорогах.

11 .Разработано, испытано и внедрено новое охлаждающее устройство для дифференцированной подачи сжатого компрессорного воздуха на поверхность катания головки . рельса, защищенное авторским свидетельством (A.c. №1700067). Применение данного устройства для закаЛки рамных рельсов Р50 с нагрева ТВЧ повысило их эксплуатационную стойкость в 1,2 раза. Годовой экономический эффект от внедрения новых режимов и технологии термического упрочнения рамных рельсов составил 448 тыс. руб. (в денежном эквиваленте относительно 1987 г.). Сокращен расход металла при производстве и затраты на ремонт стрелочных переводов.

12.Разработаны, опробованы и приняты к внедрению в ДСП им. Войкова новые режимы, оборудование и технология термического упрочнения с нагрева ТВЧ водо-воздушной смесью рамных рельсов типа Р65, обеспечивающие требуемые нормативными документами концевую, поверхностную твердость и механические свойства с одновременным повышением ударной вязкости упрочненного слоя в 1,5 раза.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.К вопросу упрочнения рамных рельсов стрелочных переводов/ И.Е. Долженков, А.Н. Лещенко, А.П. Клименко, Ю.Г. Руфанов, О.П. Юшкевич // МГП,-1991,-№1.'-С. 36-37.

2:Термическое упрочнение рамных рельсов с индукционного нагрева/ И.Е. Долженков, О.П. Юшкевич, А.П. Клименко, Ю.Г. Руфанов// Проблемы металлургии,-Киев: Техшка, 1995,- Вып. 104.

3.Устройство для закалки остряков стрелочных переводов: A.C. №1700067, С21Д 9/04// Ю.Г. Руфанов, А.Ф. Тимченко, А.Г. Ткалич, А.А: Киба-лов, А.П. Серпенев, О.П. Юшкевич, В.Н. Калганов// Бюллетень изобретений и открытий. -1991.-№47.

4.Устройство для закалки рельсов: A.C. №1788043 AI С21Д 9/ 04// Ю.Г. Руфанов, А.Ф. Тимченко, А.Г. Ткалич, О.П. Юшкевич, М.И. Ильяшенко, В.Г. Васильев, H.H. Переверзев//Бюллетень изобретений и открытий - 1993,-№2.

5.Руфанов Ю.Г., Юшкевич О.П., Бабенко Т.А. Повышение срока службы ответственных элементов пути внутризаводского железнодорожного транспорта//'Союз науки и практики к 100-летию Петровки: Тезисы докладов и сообщений. - Днепропетровск: МЧМ СССР, 1987,- май.

6.Исследование влияния аустенитизации в межкритическом интервале температур на формирование структуры зернистого перлита в среднеуглероди-стой стали/С.А. Федорова, О.П. Юшкевич, А.П. Клименко, М.А. Алуева. Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки. Тезисы докладов на ВТНК.-Днепропетровск: МЧМ СССР,1988.-15 с.

7.Юшкевич О.П., Михальов O.I. Експертна система автоматизованого ви-бору режимт шдуцшного нагртання: Тези доповщей 2-го мгжнародного сим-

псшума Украшських щженер1в-механиюв у Львов!.- Льв1в: Державний угаверситет "Льв^вська псштехшка", 1995,- 4-6 травня- С. 108.

8.Михальов О.1., Юшкевич О.П. Математичне забезпечення гжспертггсм системи вибору режимш щдуцшного eлeктpoнaгpiвaния//Maтeмaтичнe моделю-вання в електротехнищ: Тези доповщей 1-1 Мжнародно! науково-техшчнсл кон-ференцц.- Лыив: Державний ушверситет "Льв!вська полпехшка", 1995.- 19-22 вересня -С. 163-164.

• Юшкевич О.П. Розробка, випробування та впровадження режимт та технологи тер\нчно1 обробки рамних рейок з шдукцшного нагршу.- Рукопис,

Диссртатя на здобутгя паукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.16.01 - металознавство та терм]'чна обробка металт,- Державна металургшна академ1я У крайни, Дшпропетровськ, 1997.

Дисертащйна робота лпсчить теоретичш та експеримснталып результата дослвджень щодо створення режим!в та технолог!! тершчно! обробки рамних рейок з шдукцшного нагреву. Встановлено, що рейкова вуглецева сталь М76В мае широкий .».пжкритичний штернал температур, не властивий сталям евтекто1-дного класу. В результат! прискореного безперервного нагр1ву стал1 М76В при швидкосп нагр1ву 0,1-90°С/с спостернасться нер1вном1рне змнцення критичних точок Ас! та Ас3. У м1жкритичному штерваш температур вщбуваеться неповне перетворення перлиту в аустешт, що призводить при послщуючому охоло-дженш до створення структур зернистого перляу в перехщшй зош. Найбшып високе змщнення рейок досягнуто при використанн1 високотемпературного шдукцшного циюпчного названия з послщуючим частковим 130терм1чним (при безперервному охолодженш) розпадом аустешту у перлтпй обласп.

Ключов1 слова: рамш рейки, шдукщне нагревания, евтекто!дш стал!, терм1чна обробка, перлггна мкроструктура.

Юшкевич О.П. Разработка, опробование и внедрение режимов и технологии термической обработки рамных рельсов с индукционного нагрева,- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов.-Государственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1997.

Диссертационная работа содержит теоретические и экспериментальные результаты исследований по созданию режимов и технологии термической обработки рамных рельсов с индукционного нагрева. Установлено, что рельсовая углеродистая сталь М76В эвтектоидного состава имеет широкий межкритический интервал температур не свойственный для сталей эвтектоидного класса. В результате ускоренного непрерывного нагрева стали М76В при скорости нагре-

ва 0,1 -90°С/с наблюдается неравномерное смещение критических точек Aci i Ас3, в межкритическом интервале температур происходит неполное превраще ноие перлита в аустенит, что ведет при последующем охлаждении к образова шло структур зернистого перлита в переходной зоне. Наиболее высокое упроч нёние рельсов достигнуто при использовании высокотемпературного индукци онного циклического нагрева с последующим частичным изотермическим (пр] непрерывном охлаждении) распадом аустенита в перлитной области.

Ключевые слова: рамные рельсы, индукционный нагрев, эвтектоидньг стали, термическая обработка, перлитная микроструктура.

■ Ushkewych О.Р. Elaboration, testing and introduction of new behaviors am technologies of heat treatment frame rail by inducting heating.- Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 05.16.01.- Physical metallurgy an< heat treatment of metalls.- State Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk 1997. .

Science work consists of the theoretical and experimental researches to creat behaviors and technologies of heat treatment for frame rail by inducting heating. A: eutectoid steel - M76V used for rail has a large temperature ranges of stag transformation. Accelerated heating process of rail steel - M76V at the heat rates о around 0.1 to 90°C/sec. has increased irregular start and finish austenitizei temperatures. A width of the rail head transition zone depends on the inducting hea level, and after any cooling consists of nodular pearlite structure. The commercia head process both of high temperature inducting cyclical heating and accelerate! cooling including almost isothermally pearlite transformation lead to higher hardening higher resistance to wear and fatigue of the running surface, thet is produced by th best pearlite interlamellar as possible, and unique properties of rail.

Key words: frame rail, induction heating, eutectoid steel, heat treatmenl pearlite structure.

/ -

r,.

Соискатель /, / Юшкевич О.П.

Подписано к печати ¿6-10- 96 формат 60x84/16 Бумага типогр.№2. Печать ризяраф. Vu -и-yi п

Зак. №.

V6

Тираж

■/00

ГНПП "Системные технологии" 320635, Днепропетровск, пр.Гагарина. 4