Упрочняющая термическая обработка рельсов по всей длине

СССР занимает ведущее в мире положение по исследованиям, разработке и массовОхму про­мышленному внедрению термически упрочнен­ных рельсов. Из зарубежных стран только в Японии выпускают около 10 % зака­ленных рельсов с индукционного нагрева (твер­дость НВ 321—375). Работы по газопламенной поверхностной и объемной закалке рельсов в США не вышли еще из стадии эксперименталь­ной проверки.

36.5~.4. Структурные основы и классификация видов термического упрочнения рельсов. Технические требования к термически упрочненным рельсам

Промышленное внедрение термического упроч­нения рельсов явилось следствием глубоких научных исследований процессов структурообразования при термической обработке рельсо­вой стали. Для этого были получены данные о кинетике превращения аустенита в рельсовых сталях и об условиях охлаждения различных частей сечения рельса. Изотермическая и тер­мокинетическая диаграммы превращения аусте­нита рельсовой стали, содержащей 0,76 % С, 0,94 % Мп и 0,21 % Si, представлены на рис. 36.4. Из диаграмм следует, что для рельсовой стали стандартного химического состава харак­терна высокая критическая скорость охлажде­ния (»300°С/с). Это определяет невысокую прокаливаемость рельсовой стали.

Рис. 36.4. Изотермическая (а)и термокинетическая (б) диаграммы превращения

аустенита рельсовой стали

Чтобы проанализировать процесс структурообразования при термической обработке рельсов нужно на термокинетическую и изотер­мическую диаграммы превращения аустенита наложить кривые охлаждения различных ха­рактерных точек поперечного сечения рельса. Эти кривые охлаждения могут быть получены экспериментально при закалке рельсов или рас­считаны теоретически.

Для экспериментального изучения процесса охлаждения различных элементов профиля рельсов при разных способах закалки неодно­кратно проводили осциллографирование про­цесса и строили кривые охлаждения для харак­терных точек поперечного сечения. По ним ме­тодом графического дифференцирования опре­деляли скорость охлаждения по сечению рель­са в различных температурных интервалах. Они существенно различались для отдельных эле­ментов профиля и в области фазовых превра­щений при охлаждении в масле составляли в центральной части головки 3,5—5, в середине шейки 8—12, вблизи поверхности выкружки го­ловки 10—15 и в пере подошвы 20—30 °С/с.

При охлаждении рельса в масле наблюдали значительный градиент температуры между различными точками поперечного сечения. Так, при остывании шейки и подошвы до 300— 350 °С температура в центре головки составля­ет еще 600—650 ^СС. Такой градиент температу­ры по сечению рельсов приводит к протеканию пластической деформации в более нагретых и потому более пластичных элементах профиля, что после полного остывания рельсов определя­ет их коробление и остаточное напряженное состояние.

Наложение кривых охлаждения, полученных при разных способах закалки рельсов, на тер­мокинетическую диаграмму превращения аустенита рельсовой стали, а также изучение распре­деления структуры и свойств по сечению зака­ленных рельсов позволили выяснить процесс формирования структуры при всех методах тер­мической обработки рельсов. Это дало возмож­ность дать структурную классификацию видов термической обработки рельсов.

С точки зрения структурообразования, все способы упрочняющей термической обработки рельсов можно разделить на три большие груп­пы.

К первой группе относятся способы закалки рельсов, при которых формирование структуры в головке происходит в результате перлитного превращения (одинарной термической обработ­ки) и полностью исключается протекание мар-тенситного или промежуточного превращений даже вблизи поверхности рельса. Задача от­пуска (или самоотпуска), который проводят после одинарной термической обработки, сво­дится, в основном, к снятию остаточных напря­жений, возникших при закалке. Твердость при таком отпуске изменяется весьма незначитель­но. К этой группе способов одинарной термичес­кой обработки с последующим отпуском (или самоотпуском) относится объемная закалка уг­леродистых рельсов в масле, поверхностная за­калка головки рельса после индукционного и объемного печного нагрева с охлаждением сжа­тым воздухом или водовоздушной смесью с небольшим содержанием воды, ВГМДО.

Кривые охлаждения различных участков по­перечного сечения рельса пересекают перлит­ную область диаграмм распада аустенита при различных температурах (рис. 36.5, а, б).

Наименьшую температуру перлитного прев­ращения имеют периферийные зоны рельса, ох­лаждающиеся с наибольшей скоростью. Для этих способов термической обработки рельсов с относительно мягким охлаждением и форми­рованием структуры при непосредственном об­разовании из аустенита тонкопластинчатой феррито-карбидной смеси (сорбита закалки), характерно плавное уменьшение твердости от поверхности в глубь рельса. Подобное распре­деление структуры и твердости обеспечивало существенное повышение контактно-усталост­ной прочности рельса.

Ко второй группе можно отнести те способы термической обработки рельсов, при которых поверхностные слои головки рельса проходят двойную термическую обработку, т. е. закалку на мартенсит и последующий отпуск (самоот­пуск). К этой группе относится метод поверх­ностной закалки водой с объемного печного на­грева, метод поверхностной закалки водой с нагревом токами высокой частоты и метод объемной закалки в масле рельсов из низколе­гированных сталей. При этих методах закалки скорость охлаждения поверхностных слоев рельса превышает критическую и в них обра­зуется мартенситная структура. Конечная структура после самоотпуска вблизи поверхности катания (на глубину, по крайней мере, до 3—5 мм) представляет собой сорбит отпуска.

Рис. 36.5. Схема структурообразования при различ­ных способах термической обработки

рельсов из уг­леродистой стали:

а — при объемной закалке в масле, б — при поверх­ностной индукционной закалке с охлаждением

водо­воздушной смесью, в — при поверхностной индукци­онной закалке с охлаждением водой,

г —при поверх­ностной индукционной закалке с охлаждением водо-верхность рельса;

2 —на расстоянии 2—5 мм от по­верхности; 3 — на расстоянии, большем 5—8 мм от поверхности

Весь закаленный слой этой группы рельсов можно разбить на три зоны, характерные кри­вые охлаждения для которых представлены на рис. 36.5, в, г. При охлаждении поверхностного слоя в нем происходит мартенситное превраще­ние, а при последующем разогреве за счет теп­ла, аккумулированного в лежащих ниже слоях головки рельса, — самоотпуск. Охлаждение слоя на глубине 2—5 мм происходит с мень­шей скоростью и в нем не успевает начаться мартенситное превращение за время охлажде­ния, так как температура несколько превышает температуру начала мартенситного превраще­ния. При разогреве за счет тепла самоотпуска кривая изменения температуры этого слоя пересекает изотермическую кривую превраще­ния аустенита в области промежуточного прев­ращения, что приводит к образованию здесь структуры бейнита, который затем отпускается за время продолжающегося самоотпуска. Про­цесс структурообразования при однократном и пульсирующем охлаждении принципиально одинаков.

Охлаждение третьего слоя на глубине, боль­шей 5—8 мм, происходит с еще меньшей скоро­стью, и его кривая охлаждения пересекает тер­мокинетическую диаграмму распада аустенита в области перлитного превращения. Продуктом превращения является сорбит закалки, дис­персность которого уменьшается по мере уда­ления от поверхности катания.

Кривые зависимости твердости от расстояния от поверхности катания у этой группы рельсов имеют характерные «провалы», соответствующие той глубине, на которой протекало проме­жуточное превращение. Образование подобных зональных структурных неоднородностей спо­собствует ускоренному развитию трещин кон­тактной усталости в рельсах при эксплуатации и является существенным недостатком этих способов термической обработки рельсов.

К третьей группе относятся такие способы термической обработки рельсов, при которых формирование структуры верхней половины го­ловки (на глубине не менее 12—18 мм) проис­ходит в результате мартенситного или проме­жуточного превращений, что после проведения (при необходимости) отпуска обеспечивает по­лучение во всей закаленной зоне структуры сорбита отпуска или бейнита с высокой твер­достью. В эту группу в отличие от первых двух групп, к которым относятся рельсы повышенной прочности с твердостью около НВ 350, входят так называемые высокопрочные рельсы с твер­достью порядка НВ 450.

Группа способов упрочняющей термической обработки высокопрочных рельсов может быть разделена на три подгруппы: термомеханичес­кая обработка (ВТМО и ВТМИЗО), способы получения равнопрочных по сечению рельсов (объемная, ступенчатая и изотермическая за­калка) и способы получения неравнопрочных по сечению рельсов (дифференцированный от­пуск после объемной закалки, поверхностная закалка с поверхностного нагрева, дифференцированная закалка с объемного нагрева, терми­ческая обработка биметаллических рельсов).

Проведенное исследование свойств структур, полученных в результате одинарной и двойной термической обработки, выявило следующие преимущества сорбита закалки по сравнению с сорбитом отпуска (при одинаковой твердости): больше разница между пределом текучести и временным сопротивлением, выше износостой­кость, относительное удлинение л сужение, (или такая же) усталостная прочность, кон­тактная выносливость, способность к упрочне­нию при наклепе, больше глубина наклепа при более постепенном понижении твердости с пере­ходом к ненаклепанному металлу.

К недостаткам сорбита закалки по сравнению с сорбитом отпуска относится меньшая удар­ная вязкость, живучесть и вязкость разруше­ния. Несмотря на это, и, учитывая приведенный выше перечень преимуществ, предпочтение отдается структуре сорбита закалки. Особенности свойств этой структуры по сравнению со свой­ствами сорбита отпуска определяются различи­ем в форме цементитных частиц, которое имеет место у этих структур при одинаковой твердо­сти. Большее временное сопротивление сорбита закалки по сравнению⁴ с сорбитом отпуска, при условии равенства пределов текучести, свиде­тельствует о большей способности к упрочне­нию в процессе пластической деформации у пластинчатых структур. Это связано с тем, что пластины цементита, являясь эффективным ис­точником дислокаций, способствуют образова­нию более развитой субструктуры феррита. Тем же обстоятельством можно объяснить и боль­шую износостойкость сорбита закалки по срав­нению с сорбитом отпуска. Более низкий пре­дел текучести у образцов с пластинчатым це­ментитом свидетельствует о том, что пластичес­кая деформация в сорбите закалки начинается при меньших значениях напряжений, что при­водит к получению большей глубины распро­странения наклепа при контактном нагружении, к меньшему градиенту изменения твердости по глубине наклепанного слоя и благоприятно ска­зывается па повышении контактно-усталостной прочности стали.

Таким образом, оптимальной структурой тер­мически обработанных рельсов повышенной прочности является тонкопластинчатый сорбит закалки.

Высокопрочные рельсы могут быть созданы на основе структур, получающихся в результа­те отпуска мартенсита и бейнита.

Проведенные исследования показали, что на­личие зональных структурных неоднородностей в головках закаленных рельсов в виде слоев со структурой сорбита отпуска, верхнего бей­нита и сорбита закалки способствует ускорен­ному развитию контактно-усталостных повреж­дений.

Чтобы устранить зональную макронеоднород­ность структуры в головках рельсов, подверг­нутых поверхностной закалке при охлаждении водой после объемного печного и индукционно­го нагрева, необходимо было уменьшить ско­рость охлаждения рельса при закалке с тем, чтобы исключить у поверхности рельса воз­можность протекания мартенситного превраще­ния. Для этого охлаждение водой при поверх­ностной закалке рельсов нужно было заменить охлаждением водовоздушными смесями или тонкораспыленной водой, а при объемной за­калке — охлаждением в масле.

Все эти методы должны обеспечивать полу­чение однородной структуры сорбита закалки. Выполнение этого основного требования к тер­мической обработке рельсов привело к сущест­венному повышению их эксплуатационной стой­кости.

Таким образом, необходимость получения в закаленных рельсах однородной структуры сор­бита закалки дает основание для выбора опти­мального уровня твердости для закаленных рельсов стандартного химического состава (НВ 363—388), а также ограничивает макси­мально допустимую скорость охлаждения при термической обработке рельсов.

Технические требования к термически упроч­ненным (путем объемной закалки в масле и Ст-пуска ) рельсам типа Р65, предусмотренные ГОСТ 18267—72, приведены ниже:

Микроструктура.... …………………Сорбит закалки

Твердость НВ....... ………………… 331—388

Колебание твердости НВ по
длине одного рельса................................ £30
Временное сопротивление, МПа ………… ³1170
Предел текучести, МП а... …………… ³750
Относительное удлинение, % ……………³6
Относительное сужение, % ……………….³20
Ударная вязкость, МДж/м² ………………..³0,25
Работа разрушения при низко­
температурных (—60 °С) коп­-
ровых испытаниях, кДж... ………… ³4,2
Остаточные напряжения (кон­-
тролируются по раскрытию па­-
за длиной 400 мм d куске дли­-
ной 600 мм), мм...... ……………………. £3,7

Одиночные местные неровно­сти,

в том числе концевые надлине 1 м, мм £0,5

Дата добавления: 2015-06-27