УДК 621.771.07

Скобло Т.С., д.т.н., проф., Сапожков В.Е., к.т.н.

Харьковский национальный технический университет

сельского хозяйства имени Петра Василенко, Украина

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ ГОЛОВКИ РЕЛЬСОВ С НАГРЕВА ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Изучена возможность управления процессом термообработки рельсов для обеспечения их качества и свойств. Показано, что оптимизация структуры и свойств могут быть обеспечены повышением степени гомогенизации аустенита при нагреве ТВЧ под закалку, а также применением рекомендуемого режима охлаждения головки рельса водовоздушной смесью высокой дисперсности. Для осуществления такого охлаждения предложено специальное устройство.

Термическая обработка железнодорожных рельсов является одним из основных факторов повышения комплекса их физико-механических свойств а следовательно, и эксплуатационной стойкости. Обеспечение оптимального комплекса свойств металла закаленного слоя головки рельса зависит от выбора параметров термообработки и, в частности, охлаждения. Термическая обработка рельсов требует детального изучения процессов нагрева и охлаждения и анализа протекания перлито-аустенитного и аустенито-перлитного превращений, при которых происходят сложные фазовые и структурные изменения. Изучение закономерностей теплообмена при охлаждении позволит наметить пути эффективного управления процессом.

В отличие от объемной закалки рельсов в масле с печного нагрева, как это принято на меткомбинатах в Российской Федерации, в Украине существует и иная схема термообработки рельсов, имеющая ряд особенностей технологического и физического характера.

Технологической особенностью является то, что закалке подвергается только головка рельса путем электронагрева токами высокой частоты (ТВЧ) – 2500ГЦ. Закалка головки рельсов осуществляется при непрерывно-последовательном перемещении их через рельсозакалочную машину (РЗМ) в упруго-изогнутом состоянии головой наружу (выпуклостью). Скорость перемещения рельсов, соединенных в непрерывную плеть, составляет 42-46мм/с. Нагрев головки осуществляется в двух видах индукторов до температуры 930-970⁰С со скоростью ~ 8⁰С/с. Общее время нагрева составляет ~ 130с. После нагрева головка рельса охлаждается воздушной смесью при помощи многосопловых устройств, установленных последовательно по направлению движения. Охлаждение осуществляется до температуры ~ 400⁰С с дифференцированной скоростью в пределах 6-10⁰С/с в течение ~ 90с, после чего головка подвергается кратковременному самоотпуску в течение ~ 50с, при этом температура поверхности головки повышается до 450-460⁰С. После самоотпуска головка рельса окончательно охлаждается водой.

Физической ососбенностью индукционного нагрева ТВЧ является то, что в поверхностном слое головки происходит значительная концентрация электроэнергии, что позволяет реализовать большие скорости нагрева металла до заданной температуры на глубину до 12 мм. Нагрев более глубинных слоев металла головки происходит за счет теплопроводности от поверхностных слоев, имеющих высокую температуру. При поверхностном индукционном нагреве головки возникает градиент температур по глубине в пределах 80-100⁰С.

При электронагреве ТВЧ в металле головки рельса протекают те же структурные превращения, что и при печном нагреве, а именно: образование аустенита, растворение цементита и карбидов, насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами и гомогенизация аустенита. Отличительной особенностью такой обработки является зависимость скорости и полноты гомогенизации аустенита от температуры нагрева. Важным является время пребывания металла при температуре образования аустенита, а также дисперсность исходной структуры. В силу кратковременного пребывания металла в области фазовых превращений в головке рельса не успевают пройти до конца диффузионные процессы, в результате чего при α → γ превращении имеются локальные участки с неоднородным аустенитом, особенно в местах с содержанием углерода сверх плавочного состава. Связано это с тем, что согласно требованиям стандарта на железнодорожные рельсы ДСТУ4344-2004 содержание углерода в рельсовой углеродистой стали мартеновского производства составляет 0,71-0,82% (эвтектоидный состав). Однако, в некоторых случаях имеет место наличие локальных участков с отклонением от заданного плавочного состава в сторону его увеличения на 0,06-0,12%, что приводит к зональной химической неоднородности. Особенно это проявляется в стали с содержанием углерода на верхнем пределе требований стандарта, т.е. 0,79-0,82%.

Кроме того, в силу физических особенностей электронагрева ТВЧ в металле могут образоваться участки аустенита, неоднородные по углероду. Так, согласно работе [1], в неоднородном аустените имеются отдельные зерна с разным содержанием углерода, и даже целые их скопления.

Согласно требованиям стандарта ДСТУ4344-2004 (Украина) на железнодорожные рельсы, закаленные с индукционного нагрева ТВЧ, для безопасного движения поездов по ним, приняты жесткие требования по структуре и распределению твердости по глубине закаленного слоя головки. Так, микроструктура должна быть однородной и состоять из сорбита или троостита (троостосорбита) закалки. Твердость должна находиться в пределах 42,5-33,5 HRC и плавно снижаться по глубине от максимального до минимального значения. При этом глубина закаленного слоя должна составлять не менее 11 мм по оси и 13 мм на выкружках головки с твердостью не менее 33,5 HRC. Твердость по глубине оценивается через 1 мм в шахматном порядке.

Следует отметить, что ни в одном зарубежном стандарте на железнодородные рельсы нет подобных требований.

С учетом данных требований стандарта необходим особый подход к выбору оптимальных режимов нагрева ТВЧ и охлаждения.

Управление технологическим процессом охлаждения в температурных интервалах формирования требуемых структур, твердости, глубины закаленного слоя и остаточных напряжений в значительной мере зависит от выбора охладителя и конструктивных особенностей охлаждающего устройства. Они позволяют эффективно управлять процессом термообработки, обеспечивающим получение оптимального комплекса физико-механических свойств головки рельса.

Целью исследования является изучение возможности управлять процессом термообработки рельсов для получения заданных свойств.

Для дальнейшего совершенствования системы первичного охлаждения (закалки) головки рельса, поверхностно нагретой ТВЧ, проведены исследования по разработке оптимальной конструкции охлаждающего устройства и сделаны математические расчеты на ЭВМ. Разработанное охлаждающее устройство (автор Сапожков В.Е. и др.) сборно-разборное длиной 500 мм (рис.1) и работает как на водовоздушной смеси, так и на сжатом воздухе. В нижней части устройства размещены сопла в количестве 10-12 штук, обеспечивающие формирование смеси высокой дисперсности. Факел образующейся водовоздушной смеси эффективен на длине 150-180 мм от его выхода из сопла до поверхности головки рельса. Угол раскрытия факела в основании сопла ~ 30⁰, что позволяет обеспечить хорошую регулируемость расстояния подачи воздуховоздушной смеси до головки рельса. На выходе из сопла воздушная смесь имеет высокую дисперсность, однородность и хорошее наполнение факела по всей его длине и поперечному сечению. Интенсивность охлаждения регулируется расходом воды в пределах 1-5л/мин при постоянном давлении сжатого воздуха.

Для определения эффективного диапазона работы охлаждающего устройства в режиме, обеспечивающем заданный комплекс физико-механических свойств металла головки рельса, от их промышленных партий были взяты пробы длиной 1000 мм и в лабораторных условиях подвергнуты закалке с нагрева ТВЧ воздушной смесью. Закалке подвергли рельсовые пробы из углеродистой стали стандартного состава (сталь 1), хромистой (сталь 2) и низколегированной Cr-Si-Mn композиции (сталь 3).

Рис.1 Поперечное сечение охлаждающего устройства:

1-камера приема воды; 2-камера приема сжатого воздуха; 3-верхний внутренний элемент устройства, содержащий боковые отверстия прохода сжатого воздуха и центральное отверстие прохода воды в камеру смешивания воды и сжатого воздуха; 4-нижний элемент устройства, содержащий боковые каналы и конусообразную камеру; 5-камера первичного распыления воды сжатым воздухом; 6-боковые каналы прохода сжатого воздуха в камеру; 7-камера вторичного (окончательного) распыления воды сжатым воздухом; 8-патрубок подвода воды

Таблица1 Химический состав исследуемых сталей рельсовых проб

Условный номер стали	Химический состав, %
	C	Mn	Si	Cr	V	P	S
1	0,76	0,98	0,35	-	0,04	0,028	0,032
2	0,78	0,96	0,32	0,58	0,05	0,031	0,034
3	0,76	1,20	0,48	0,52	0,055	0,03	0,03

Охлаждающую способность водовоздушной смеси, образующейся в устройстве данной конструкции (см. рис.1), оценивали по кривым охлаждения, записанным на глубине 2 и 12 мм от поверхности катания головки рельса, по структуре, распределению и величине твердости металла закаленного слоя в зависимости от расхода воды в водовоздушной смеси изменяющейся в пределах от 1 до 5 л/мин.

Средние скорости охлаждения рельсовой пробы водовоздушной смесью с различным расходом воды, записанные на глубине 2 мм от поверхности катания головки, приведены в табл.2.

Таблица 2 Средние скорости охлаждения головки рельсовой пробы водовоздушной смесью в зависимости от расхода воды

Расход воды в воздушной смеси л/мин	Скорость охлаждения, ^0С/с при давлении сжатого воздуха, МПа
	0,2		0,25
	Интервал температур охлаждения, ^0С
	900-700	700-500	900-700	700-500
1	4,8	4,2	5,4	4,5
2	6,9	6,2	7,8	6,7
3	11,2	9,2	14,3	9,5
4	18,2	14,5	19,8	15,6
5	24	18,8	26,8	19,8

Из приведенных данных видно, что при охлаждении головки рельсовой пробы, поверхностно нагретой ТВЧ водовоздушной смесью, скорость охлаждения зависит от расхода воды при одном и том же давлении сжатого воздуха. Так, при давлении сжатого воздуха 0,2МПа (2 атм) скорость охлаждения в интервале температур перлитного превращения (700-500⁰С) увеличивается от 4,2⁰С/с при расходе воды 1л/мин до 18,8⁰С/с при – 5л/мин. При аналогичном расходе воды, но с увеличением давления сжатого воздуха до 0,25МПа, скорость охлаждения в перлитной области превращения несколько увеличивается от 4,5⁰С/с при расходе воды 1л/мин и до 19,8⁰С/с при – 5л/мин.

Исследованием установлено, что величина твердости и структура металла закаленного слоя головки рельсовых полнопрофильных проб из сталей составов 1,2 и 3 (см. табл.1), отвечающих требованиям технических условий, обеспечиваются при скоростях охлаждения в пределах 6,2-9,2⁰С/с, что соответствует расходу воды в воздуховоздушной смеси от 2 до 3 л/мин при давлении сжатого воздуха 0,2МПа. С увеличением давления сжатого воздуха до 0,25МПа скорость охлаждения практически остается аналогичной, что и для давления 0,2МПа (см. табл.2).

На рис.2 представлено распределение твердости (HRC) по глубине закаленного слоя головки рельсовых проб, закаленных водовоздушной смесью с нагрева ТВЧ. Из приведенных данных видно, что для рельсовой углеродистой стали твердость металла закаленного слоя по оси головки изменяется плавно от максимального значения – 38,5 HRC на глубине 1 мм до минимального – 33,5 HRC на глубине 13 мм, а на выкружках головки она изменяется от 38 HRC на глубине 1 мм до 33,5 HRC на глубине 14 мм (см. рис.2,а,б,в, кривая 1).

Следует отметить, что согласно требованиям технических условий, нижний уровень твердости на глубине не менее 11 мм от поверхности катания головки должен быть ≥ 33,5 HRC.

Рис.2 Распределение твердости по глубине закаленного слоя головки рельсовой пробы после охлаждения водовоздушной смесью с использованием разработанного устройства: а-по оси головки; б -левая выкружка головки; в -правая

Что касается рельсов из хромистой и хромокремнемарганцовистой сталей, то твердость и глубина закаленного слоя у них несколько большая, чем углеродистой стали и составляет по оси головки 40-41÷33,5 HRC на глубину 14-15 мм и 39-42÷33,5 HRC на выкружках головки на глубине более 16 мм (см. рис.2,а,б,в, кривые 2 и 3 соответственно). Такое увеличение твердости и глубины закаленного слоя головки связано с увеличением прокаливаемости этих сталей за счет легирующих элементов.

Микроструктура металла закаленного слоя во всех случаях соответствовала требованиям технических условий и состояла из троостосорбита (сталь 1) и троостита (стали 2 и 3) закалки на глубину до 8-10мм с плавным переходом на большей глубине к структуре металла исходного (горячекатанного) состояния.

Таким образом, разработанное охлаждающее устройство обеспечивает получение твердости и глубины закаленного слоя, а также структуры металла головки рельса, соответствующих требованиям технических условий стандарта ДСТУ4344-2004.

Для разработки оптимальных режимов термообработки головки рельсов с индукционного нагрева ТВЧ были определены критические точки исследуемых сталей при нагреве (Ас₁ и Ас₃) до температуры 900⁰С и при непрерывном охлаждении (Аr₁ и Аr₃) со скоростью 3⁰С/мин.

Установлено, что в рельсовой углеродистой стали критические точки составляют: Ас₁=725⁰С; Ас₃=785⁰С; Аr₃=695⁰С; Аr₁=645⁰С; начало мартенситного превращения М_н=225⁰С.

В хромистой стали критические точки равны: Ас₁=723⁰С; Ас₃=780⁰С; Аr₃=690⁰С; Аr₁=650⁰С; М_н=235⁰С.

В хромокремнемарганцовистой стали они соответствуют: Ас₁=720⁰С; Ас₃=775⁰С; Аr₃=685⁰С; Аr₁=645⁰С; М_н=240⁰С.

Проведены также исследования по определению областей аустенитного превращения при охлаждении путем построения термокинетических диаграмм. Установлено, что при охлаждении превращение аустенита в перлит происходит в области температур 700-480⁰С. Перлитная структура различной дисперсности образуется при охлаждении со скоростями 1-9⁰С/с. С дальнейшим увеличением скорости охлаждения структурное превращение смещается к более низким температурам. Так, при охлаждении со скоростью 14,5⁰С/с образуется неявно выраженная область бейнитного превращения со смешанной структурой, состоящей из перлита и участков структуры бейнитного превращения. С дальнейшим увеличением скорости охлаждения структурообразование смещается к более низким температурам и при 28⁰С/с образуется мартенситная структура. Что касается хромистой стали, то область перлитного превращения несколько сужается и протекает в интервале температур 700-510⁰С. Бейнитная область превращения аустенита проявляется более четко, чем в углеродистой стали. В хромокремнемарганцовистой стали перлитное превращение протекает в еще более суженном интервале температур 700-535⁰С. Бейнитное превращение явно протекает в области температур 450-350⁰С.

Данные исследования позволяют более четко определять области превращения аустенита при непрерывном охлаждении с определенными скоростями. Это дает возможность назначать оптимальные режимы термообработки головки рельсов.

С учетом состава мартеновской рельсовой стали, технологических и физических особенностей индукционного нагрева ТВЧ, имеет место локальная неоднородность по углероду и особый механизм превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Так, при непрерывном охлаждении головки рельса, поверхностно нагретой ТВЧ, водовоздушной смесью со скоростью 6-9⁰С/с, как это принято в промышленных условиях, перлитное превращение протекает в области температур 700-480⁰С с образованием сорбита или троостита (троостосорбита) закалки (рис.3,а).

При перлитном превращении ведущей фазой кристаллизации является цементит. В промежуточной области температур ~ 450-250(300)⁰С диффузионные процессы значительно ослабевают и происходит переход γ→α превращения от диффузионного перлитного к бездиффузионному - мартенситному с образованием смешанных структур (см. рис.3). Этот переход происходит в два этапа, где на первом имеет место подавление возможности

Рис.3 Микроструктура металла закаленного слоя головки рельса:

а,б -троостосорбит закалки; в -верхний бейнит, ВБ; г –верхний бейнит, ВБ и отпущенный мартенсит, ОМ; д –игольчатый бейнит, НБ; е –отпущенный мартенсит, ОМ и игольчатый бейнит, НБ; ж –феррит, Ф и остаточный аустенит, ОА; з - феррит, Ф и высокоотпущенный мартенсит

образования цементита, а на втором – подавление образования феррита. Продуктом первого этапа превращения является верхний бейнит, состоящий из смеси игольчатого феррита и аустенита обогащенного углеродом, который распадается на структуру соответствующую температуре, при которой происходит превращение или же соответствует скорости охлаждения в данном интервале температур, где ведущей фазой кристаллизации является игольчатый феррит. Наличие в структуре закаленного слоя головки игольчатого феррита приводит к снижению твердости и механических свойств. На втором этапе продуктом превращения аустенита в интервале температур 350-250⁰С является игольчатый бейнит (нижний бейнит) (рис.3,д), состоящий из смеси малоуглеродистого мартенсита и аустенита, который в дальнейшем распадается на высокоуглеродистую феррито-цементитную смесь. Эта структура аналогична отпущенному мартенситу (рис.3,е), но более тонкого строения с повышенной твердостью.

Следует отметить, что в промышленных условиях поверхностной закалки головки рельсов с индукционного нагрева ТВЧ применяется охлаждение водовоздушной смесью, прерванное при температуре 420⁰С, в связи с чем превращение аустенита протекает в перлитной области. Однако даже при такой схеме охлаждения, в силу уже отмеченных причин, в тех участках аустенита, где имеется неоднородность по углероду, т.е. превышение его содержания, согласно плавочного на 0,06-0,12%, принятая скорость охлаждения (6-9⁰С/с) перлитного превращения для них будет экстремальной. В этом случае участки будут переохлаждаться и превращение произойдет не по перлитному диффузионному механизму, а по смешанному – с образованием в основной дисперсной перлитной структуры (сорбит, троостит) и микроучастков бейнита различной ориентации или мартенсита. Кроме того, на образование такой структуры может повлиять технологический фактор, а именно, кратковременный сбой в системе первичного охлаждения головки рельса водовоздушной смесью, при которой имеет место изменение расхода воды или давления сжатого воздуха. Это приведет к изменению дисперсности и однородности водовоздушной смеси, а, следовательно, и скорости охлаждения.

В процессе кратковременного самоотпуска, следующего за первичным охлаждением, верхний слой металла головки рельса разогревается до температуры ~ 480⁰С, при которой имеющиеся локальные участки мартенсита отпускаются с образованием высокоотпущенного мартенсита.

В связи с изложенным механизмом структурообразования при поверхностной закалке головки рельса с нагрева ТВЧ, следует отметить, что образование смешанной структуры в поверхностных слоях металла головки имеет место лишь в единичных случаях. Рельсы с такой структурой подвергаются среднему отпуску и повторной закалке с нагрева ТВЧ. Рельсы, закаленные с нагрева ТВЧ, по микроструктуре полностью отвечают требованиям технических условий стандарта ДСТУ4344-2004.

Как уже отмечалось, на процесс образования однородной структуры металла закаленного слоя головки рельса оказывает влияние технологический фактор, а именно, оптимальное соотношение расхода воды и давления сжатого воздуха. Не обеспечение этих условий при охлаждении отрицательно сказываются на дисперсности водовоздушной смеси, а следовательно, и на однородности структуры. В связи с отмеченным, рассмотрим два основных варианта образования водовоздушной смеси и ее влияние на структуру. Первый вариант, когда при определенном расходе воды водовоздушная смесь подается на поверхность головки рельса, нагретой ТВЧ до высокой температуры (~ 950⁰С – рабочая температура нагрева головки) под давлением сжатого воздуха, превышающим его оптимальное значение. В этом случае образуется воздушножидкостная смесь, в которой мелкие фракции воды при соприкосновении с горячей поверхностью головки рельса не полностью испаряются и часть их как бы «отскакивает» от поверхности головки, в результате чего уменьшается продолжительность контакта этих фракций с охлаждаемой поверхностью, следовательно, снижается способность обеспечивать технологический процесс. Согласно второму варианту, когда при аналогичном расходе воды давление сжатого воздуха ниже оптимального значения. В этом случае происходит недостаточно хорошее распыление воды сжатым воздухом с образованием водных фракций отличающейся дисперсности, которые попадая на горячую поверхность головки рельса, осуществляют отбор тепла с различной скоростью. При этом, более крупные фракции воды не полностью испаряются и тем самым не в полной мере освобождают охлаждаемую поверхность головки для новых порций воздушножидкостной смеси. В результате чего эти фракции воды сливаются, образуя мелкие «островки» сплошной воды, вызывают переохлаждение поверхностных микроучастков головки рельса и приводят к образованию неоднородной структуры с наличием зон бейнитного и даже мартенситного превращения, а также приводят к неравномерному распределению твердости, как по длине рельса, так и по сечению (глубине) закаленного слоя металла головки.

Отмеченное подтверждается проведенным исследованием, в результате которого было установлено, что с повышением давления сжатого воздуха в водовоздушной смеси с 0,18 до 0,22МПа (1,8-2,2атм) уровень твердости повышается на ~ 2,5 HRC. Дальнейшее повышение давления сжатого воздуха в водовоздушной смеси до 0,25-0,28МПа привело в одних местах головки к снижению твердости, а в других – к резкому ее повышению.

В промышленных условиях закалки рельсов с нагрева ТВЧ для образования водовоздушной смеси давление сжатого воздуха на входе в охлаждающее устройство составляет 0,18МПа, а расход воды 3л/мин.

Так как способ производства и качество рельсовой стали совместно с термообработкой оказывают влияние на получение оптимальных и высоких физико-механических свойств металла закаленного слоя головки рельса, за рубежом также уделяют внимание обеспечению их качества. Так, в США, Франции, ФРГ, Японии и Канаде для получения качественной стали, лишенной химической неоднородности, используют высокоэффективные способы ее изготовления. Применяют кислородно-конвекторные стали, осуществляют вакуумную дегазацию и непрерывную разливку. Так, например, в ФРГ [2] рельсы изготавливают из кислородно-конвекторной стали (фирма «Тиссен Шталь»). Жидкую сталь вакуумируют циркуляционным методом. Высокая степень чистоты по оксидным включениям обеспечивается вакуумным раскислением углеродом. Кроме того, достигается равномерность химического состава стали за счет тонкой его корректировки, а также равномерного распределения температуры в ковше перед разливкой. Осуществляется также электромагнитное перемешивание жидкого металла.

Следует отметить, что в этих же странах при закалке рельсов с нагрева ТВЧ применяют небольшие скорости их перемещения через закалочное устройство от 4мм/с (Япония) до 17мм/с (ФРГ), в то время как на отечественных РЗМ - 42÷46мм/с, а в качестве охладителя используют сжатый воздух.

Ранее упомянутая немецкая фирма «Тиссен Шталь» головку рельса, нагретую ТВЧ, охлаждает сжатым воздухом давлением 6 бар до температуры ~300⁰С. При этом используют рельсовую сталь, содержащую, %: 0,7-0,72С; 1,1Mn; 0,6-1,0Si; 0,9Cr и 0,1-0,15V.

В Японии фирма «Ниппон Кокан» после печного газопламенного нагрева головку рельса подвергает охлаждению сжатым воздухом. Для термообработки используют рельсы из стали, содержащей, %: 0,72-0,82С; 0,4-0,6Si; 0,8-1,1Mn; 0,4-0,6Cr и 0,04-0,07V [3].

В Великобритании фирма «Бритиш Стейл Продуктс» после нагрева ТВЧ головку рельса охлаждает сжатым воздухом [4].

В бывшем СССР еще в 70-е годы прошлого столетия на Новосибирском стрелочном заводе была изготовлена опытная партия рельсов типа Р50 длиной 12,5м, закаленных сжатым воздухом с нагрева ТВЧ на твердость 331-352НВ. Рельсы прошли испытания на магистральной железной дороге и показали хорошие эксплуатационные качества [5].

В отношении применения сжатого воздуха при поверхностном нагреве ТВЧ, следует отметить, что он, несмотря на слабую охлаждающую способность, по сравнению с жидкостными охладителями и водовоздушной смесью, имеет ряд существенных преимуществ. К ним, прежде всего, следует отнести отсутствие закалочных трещин при охлаждении изделий из низко- и высоколегированных сталей как с эвтектоидным, так и заэвтектоидным содержанием углерода. При этом обеспечивается однородность структуры и равномерность распределения твердости по длине изделия и глубине закаленного слоя. Такие рельсы отличаются наличием невысоких остаточных сжимающих напряжений.

Наличие в закаленных рельсах, охлажденных сжатых воздухом, отмеченных и положительных показателей позволяет обеспечить надежность их работы в пути и высокую эксплуатационную стойкость. Однако имеются и недостатки такого охладителя. Это требование по использованию компрессорных установок и зашумленность в зоне закалки.

В промышленных условиях были проведены опыты по поверхностной закалке головки рельсов сжатым воздухом с нагрева ТВЧ [6]. Закалке подвергали рельсы стандартного состава (0,76%С; 0,92%Mn; 0,28%Si) и рельсы из хромистой стали (0,78%С; 0,88%Mn; 0,30%Si; 0,62%Cr).

На одном из ручьев опытно-промышленного закалочного агрегата в зоне охлаждения были установлены устройства для охлаждения сжатым воздухом. Скорость перемещения рельсов в закалочном агрегате составила 24,5мм/с; температура нагрева поверхности головки рельса равнялась 930⁰С; давление сжатого воздуха, подаваемого к охлаждающему устройству – 0,3МПа.

Исследованием установлено, что твердость по поверхности катания головки рельса находилась в пределах 330-340НВ для углеродистой стали и 340-350НВ для хромистой. Твердость металла по сечению закаленного слоя головки равномерно распределялась и плавно снижалась до глубины 12-13мм с наличием площадки одинаковой твердости на глубине 8мм для углеродистой стали и 10мм – для хромистой.

Макро- и микроструктура металла закаленного слоя была однородной, при этом структура состояла из сорбита и троостосорбита закалки.

На поверхности головки рельса выявили остаточные сжимающие напряжения небольшой величины (~100Н/мм²) с наличием оптимальной эпюры распределения их по профилю рельса.

Механические свойства составили: для углеродистой стали – σ_в=1190-1210Н/мм²; σ_0,2=810-825Н/мм²; δ₅=11%; ψ=32%; КСU=30,5ДЖ/см²; для хромистой стали - σ_в=1225-1235Н/мм²; σ_0,2=825-835Н/мм²; δ₅=12,4%; ψ=37%; КСU=34,5ДЖ/см².

Положительной стороной охлаждения головки рельса сжатым воздухом является улучшение комплекса физико-механических свойств, однородность макро- и микроструктуры и равномерное распределение твердости по глубине закаленного слоя, а также выход годных закаленных рельсов по поверхностным дефектам, образующихся в ряде случаев в процессе закалки воздушной смесью с наличием скрытых поверхностных дефектов металлургического происхождения (волосовины, закаты и др.). Происходит это в результате того, что верхние слои металла головки не переохлаждаются во всем диапазоне температур закалки и уменьшаются структурные напряжения. Это, в свою очередь, снижает степень зарождения микротрещин и развитие их от уже имеющихся дефектов металлургического происхождения.

В условиях отечественного производства закаленных рельсов из мартеновской стали эффективными способами увеличения однородности макро- и микроструктуры металла закаленного слоя головки рельсов и улучшения механических свойств являются: применение эффективных современных способов обработки жидкого металла в ковше; повышение степени гомогенизации аустенита за счет увеличения времени пребывания металла рельсов в области фазовых превращений (α → γ) путем увеличения зоны нагрева ТВЧ или же уменьшения на ~20-25% скорости движения рельсов в закалочной машине по сравнению с существующей (42-46мм/с); применение оптимального режима охлаждения головки рельса водовоздушной смесью высокой дисперсности, образуемой охлаждающими устройствами оптимальной конструкции или сжатого воздуха.

Выводы

1. Закалка железнодорожных рельсов с нагрева ТВЧ имеет ряд технологических и физических особенностей, отличающихся от печного объемного нагрева, заключающихся в том, что согласно технологии закалке подвергается только головка при непрерывно-последовательном их перемещении через закалочную машину в упруго-изогнутом состоянии головкой наружу (выпуклостью). Физической особенностью процесса является тот фактор, что выделение тепла происходит непосредственно в самой нагреваемой части металла головки со значительной концентрацией электроэнергии в поверхностных слоях. Это позволяет реализовать большие скорости нагрева.

2. В силу физических особенностей скоростного нагрева металла ТВЧ и технологических факторов могут формироваться участки аустенита, неоднородные по углероду, что в отдельных случаях при закалке приводит к образованию в структуре сорбита или троостита с участками от бейнита до высокоотпущенного мартенсита.

3. В условиях отечественного производства рельсов, закаленных с нагрева ТВЧ и изготовленных из мартеновской стали эффективными способами увеличения однородности макро- и микроструктуры, а также механических свойств являются: применение эффективных современных способов обработки жидкого металла в ковше; повышение степени гомогенизации аустенита за счет увеличения времени пребывания металла рельсов в области фазовых превращений (α→γ) путем увеличения зоны нагрева ТВЧ или же уменьшения на ~20-25% скорости движения рельсов в закалочной машине по сравнению с существующей (42-46мм/с); применение оптимального режима охлаждения головки рельса водовоздушной смесью высокой дисперсности, образуемой специальными охлаждающими устройствами оптимальной конструкции или сжатого воздуха.

Литература:

1. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов М.: Металлургия, 1969. – 227С.

2. Улучшение эксплуатационных свойств железнодорожных рельсов с закаленной головкой /Х. Боер, Г. Бинцайслер, Б. Мюсген и др.//Черные металлы, 1993, №10. С.41-49.

3. Veda M., Fukuda K., Wada T. Development of NKK-Los alloy Head Hardened Rails//Nippon Kokan Technical Report Overscas, 1987. №48.-р.49-58.

4. Рельсы «ХАИ-ЛАЙФ». Проспект фирмы British Steel Track Products, Великобритания, 1984, 18с.

5. Линев С.А. Результаты эксплуатационных испытаний опытных рельсов /Рельсы повышенной эксплуатационной стойкости. Сб. М.: Транспорт, 1966, Труды ВНИИ ЖТ, вып.314, с.20-90.

6. Исследования по отработке режима охлаждения при поверхностной закалке рельсов с нагрева ТВЧ /А.П.Бабич, В.Е.Сапожков, А.Н.Заннес и др. //Производство железнодорожных рельсов и колес. Отрасл. сб. научн. тр. Харьков: УкрНИИМет, 1979, с.51-56.

Ил.3, табл.2. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: рельсы, нагрев ТВЧ, фазовые и структурные превращения, микроструктура, водовоздушная смесь, сжатый воздух, физико-механические свойства.