Закалка концов рельсов

Первой стадией использования упрочняющей термической обработки для повышения срока службы рельсов была закалка головок на кон­цах рельсов. Концы рельсов, соединенные на­кладками с болтами и составляющие стыки в звеньевом пути, воспринимают наибольшую динамическую нагрузку от колес подвижного состава, вследствие чего они быстрее сминают­ся, выкрашиваются и разрушаются в результате образования дефектов 17.1, 30Г.1, 41.1 и др.

Для предотвращения преждевременного смя­тия, износа концов и образования других концевых дефектов проводят упрочнение зоны, воспринимающей удар от колеса на стыке, пу­тем термической обработки.

В 50-х годах на металлургических заводах началось массовое внедрение закалки концов рельсов. По ряду причин на разных заводах были применены различные методы: закалка с прокатного нагрева и с нагрева токами высо­кой частоты. Эти методы со временем были усовершенствованы и в таком виде применяют­ся в настоящее время для всех рельсов, не подвергающихся упрочняющей термической об­работке по всей длине.

Действующими стандартами на рельсы пре­дусматривается закалка их головок на концах на длине не более 80 мм. При этом должна быть обеспечена глубина закаленного слоя с твердостью больше НВ 300 не менее 4 мм, по­степенный переход от закаленного слоя метал­ла к незакаленному как по поперечному сече­нию рельса, так и по поверхности головки, а также отсутствие перегрева.

Закалка концов рельсов с прокатного нагре­ва применяется на КМК и ДМЗ. После раз­резки горячей полосы на концы мерных рель­сов накладывают специальные струевые аппа­раты, состоящие из коробки с отверстиями и патрубка для подвода воды. Внутренняя стен­ка аппарата, имеющая несколько рядов отвер­стий диаметром 1,5—1,8 мм, облегает профиль головки рельса, чтобы закаливать только по­верхность катания, Боковые грани головки не закаливаются, так как при быстром износе бо­ковой грани нетермообработанной части рельса на закаленном конце создается выступ, нару­шающий плавность хода поезда, особенно в кривых участках пути.

Аппарат крепится к подошве рельса специальными скобами. Чтобы предохранить от за­калки боковые грани головки в пазы аппарата набивают асбест, позволяющий осуществить полное прилегание корпуса аппарата к нижней части боковой поверхности головки рельса.

К моменту пуска воды головки рельса ох­лаждаются до температуры 800—950 °С. За­калка водой (1,0—1,5 л/с) проводится на КМК в течение 45 с для рельсов Р50 и 55 с для рельсов Р65. После прекращения подачи воды происходит самоотпуск закаленной зоны за счет тепла, аккумулированного в рельсе. Сред­няя твердость после закалки составляет НВ 330 у рельсов КМК и НВ 350 у рельсов ДМЗ.

Несмотря на некоторые преимущества мето­да закалки концов с прокатного нагрева (про­стота и дешевизна из-за отсутствия нагрева­тельных средств, необходимых для повторного нагрева), непостоянство температуры в момент начала закалки не позволяет получать стабиль­ное качество закаленного слоя. Поэтому с точ­ки зрения качества рельсов предпочтительнее проводить дополнительный нагрев закаливае­мой зоны, выдерживая более узкий постоянный температурный интервал нагрева перед закал­кой. Важно при этом, чтобы оборудование для закалки концов вписывалось в поток производ­ства рельсов, обеспечивая ту же производи­тельность, что и производительность рельсобалочных станов.

Наиболее совершенным из существующих методов принято считать метод закалки кон­цов с нагрева токами высокой частоты. Этот метод применяется на заводе «Азовсталь» и НТМК в несколько различных вариантах. В обоих случаях нагрев конца головки рельса на длине 80—90 мм проводят индукционным способом при помощи индукторов, питающихся от генераторов повышенной частоты.

Закалка концов рельсов с индукционного нагрева, применяющаяся на НТМК и заводе «Азовсталь», проводится после замедленного охлаждения, правки, фрезеровки торцов и свер­ления болтовых отверстий в рельсах. Для это­го на оба конца рельса надеваются индукторы, с помощью которых нагревают головки рельсов под закалку. На НТМК используют ток часто­той 2,5, на заводе «Азовсталь» 0,5 кГц. Темпе­ратура нагрева составляет 950 °С. После нагре­ва с помощью специального движущегося спрейера головки рельса охлаждают конденса­том на заводе «Азовсталь» и сжатым воздухом на НТМК.

Нагретую поверхность головки на заводе «Азовсталь» охлаждают при помощи аппарата, представляющего собой передвижную плоскую щелевую насадку с шириной щели 1,5 мм и длиной щели 40 мм. Это приспособление соз­дает плоскую сплошную струю, ориентирован­ную поперек головки рельса и перемещающую­ся вдоль его оси. При помощи специального эксцентрика, связанного с мотором, струя со­вершает возвратно-поступательное движение вдоль оси рельса, рассчитанное так, чтобы по­лучить равномерное охлаждение всей нагретой поверхности и плавный переход по длине от закаленного к исходному незакаленному металлу. Плавность перехода здесь особенно важна, так как эта зона находится в месте непосредст­венного динамического воздействия колес.

Охлаждающее приспособление, применяе­мое на НТМК представляет собой сопло, через которое подается струя воздуха под давлением 0,45—0,50 МПа. Сопло устанавливается под углом 40—45° к торцу над рельсом на расстоя­нии 10 мм от нагретой поверхности на длине 60 мм.

Общее время нагрева до температуры 950 °С, применяемой при закалке концов на заво­де «Азовсталь», составляет 35—40 с. На НТМК, вследствие применения более мощного генератора, — 25—30 с. Продолжительность охлаждения приспособления «Азовстали» сос­тавляет 25—30 с, НТМК— 16—20 с.

Микроструктура по глубине головки на за­каленных концах рельсов представляет собой сорбит отпуска, который затем переходит в уз­кую зону бейнита на глубине до 3—4 мм и да­лее сменяется сорбитом закалки с отдельными мелкими выделениями феррита. Такая зональ­ная структурная неоднородность по глубине, связанная со слишком интенсивным охлаждени­ем при закалке, затем способствует образова­нию выколов в стыках при работе рельсов. В структуре закаленного слоя рельсов НТМК на расстоянии 70—80 мм от торца иногда встречаются участки неотпущенного мартенси­та, что также может приводить к образованию местных выкрашиваний металла.

В целом закалка концов рельсов значитель­но увеличила (в 2—2,5 раза) стойкость рельсов в стыке к смятию и износу. Однако по мере увеличения грузонапряженности, скоростей дви­жения и осевых нагрузок выявилась недоста­точность этого мероприятия. Появились новые дефекты (смятие за закаленным слоем в виде седловин), участились наблюдавшиеся ранее концевые дефекты (выколы), связанные с неоднородностью структуры закаленного слоя и др.

По мере внедрения термического упрочне­ния рельсов по всей длине с более стабильны­ми и надежными режимами обработки значе­ние закалки концов рельсов уменьшается.

Поскольку, однако, при всех условиях экс­плуатации стыкового пути динамическое воз­действие на концы рельса остается большим, чем по всей остальной длине, необходимость какого-либо дополнительного упрочнения кон­цов рельсов в дальнейшем представляется це­лесообразной.

Дата добавления: 2015-06-27