МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ЮШКЕВИЧ Олег Павлович

УДК: 669.14. 018.294: 625.151/: 621.785. 36.545: 001:5

РОЗРОБКА, ВИПРОБУВАННЯ ТА

ВПРОВАДЖЕННЯ РЕЖИМІВ І ТЕХНОЛОГІЇ

ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ РАМНИХ

РЕЙОК З ІНДУКЦІЙНОГО НАГРІВУ

Спеціальність: 05.16.01 -

"Металознавство та термічна обробка металів"

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

Дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 1998

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі термічної обробки металів Державної металургійної академії України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

ДОЛЖЕНКОВ ІВАН ЄГОРОВИЧ

ДМетАУ, завідувач кафедрою

термічної обробки металів

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Воробйов Геннадій Михайлович, Приднепровська державна академія будівництва та архітектури, провідний науковий співробітник центральної лабораторії експериментальних досліджень;

кандидат технічних наук Вахрушева Віра Сергіївна, Державний науководослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості міністерства про-мис-лової по-лі-тиці України, завідуюча відділенням матеріалознавства, тех-но-логії термічної обробки, нагріву та охолодження металу.

Провідна установа:

Інститут чорної металургії НАН України, відділ проблем структуротворення та властивостей чорних металів (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “08” грудня 1998 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 у Державній металургійній академії України (320635,Україна, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДМетАУ (320635, Україна, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий “06“ листопада 1998 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор О.М. Комаров

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Незважаючи на великі успіхи в галузі підвищення стійкості рейок розробленню раціональних технологій зміцнення рамних рейок стрілочних переводів не приділялося належної уваги. В нинішній час, у зв'язку з недостатньою стійкістю рамних рейок, на найнавантаженіших ділянках внутрішньозаводських залізничних шляхів, термін служби стрілочних переводів істотно нижче регламентованого. Найбільш ефективним способом підвищення їхньої стійкості є термозміцнення з нагріву струмами високої частоти (СВЧ). Проте зараз існуюча технологія не забезпечує достатню стабільність службових властивостей, не дозволяє одержати експлуатаційні характеристики рамних рейок, що вимагаються. У зв'язку з цим необхідно проведення досліджень, пов'язаних з вивченням і розробкою технологічних параметрів, режимів та технології термічного зміцнення рамних рейок шляхом експериментальних і теоретичних досліджень, спрямованих на раціональне та економічне витрачання енергоресурсів і металу. При цьому постає потреба вивчення особливостей кінетики фазових перетворень, що відбуваються в зміцненому шарі рейок в процесі нагріву та охолоджування. Ці обставини обумовлюють актуальність досліджень, які пов'язані зі створенням нової технології і режимів термічної обробки рамних рейок з індукційного нагріву.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі результати дисертації наведені в заключних звітах науково-дослідних робіт: "Разработать и освоить усовершенствованную технологию и оборудование упрочнения с нагрева ТВЧ остряков и рамных рельсов", Дніпропетровськ, 1987; "Исследовать, разработать и внедрить усовершенствованную технологию закалки ТВЧ рельсовых деталей в цехе стрелочных переводов", Дніпропетровськ, 1989; "Разработать и испытать оборудование и технологию рационального водовоздушного охлаждения остряков и рамных рельсов", Дніпропетровськ, 1992.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягала в розробці, випробовуванні та впровадженні режимів і технології індукційного термічного зміцнення рамних рейок стрілочних переводів, що працюють в умовах промислових залізниць. Для досягнення поставленої мети вирішили наступні задачі:

-вивчили фактори, що впливають на експлуатаційну стійкість термічно зміцнених з нагріву СВЧ рамних рейок;

-визначили необхідний рівень термічного зміцнення рейок за результатами аналізу умов експлуатації;

-дослідили фізичні закономірності процесу індукційного нагріву, що суттєво впливають на формування аустенітної структури;

-дослідили кінетику фазових перетворень при безперервному нагріванні;

-вивчили зв'язок параметрів індукційного нагріву зі структурою, твердістю і глибиною термозміцненого шару;

-розробили параметри індукційного нагріву рамних рейок;

-вивчили вплив кінцевого структурного стану після нагріву СВЧ на кінетику фазових перетворень при безперервному охолоджені;

-розробили і випробували охолоджувальні прилади для термічного зміцнення рейок з нагріву СВЧ;

-дослідили, розробили та випробували режими термічного зміцнення рамних рейок з високотемпературного індукційного нагріву при їхньому переміщенні у гартівний каретці із завданою швид-кістю.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлена одна з основних причин утворення напливів бокової грані головок рамних рейок, термічно зміцнених з нагріву СВЧ за відомою технологією - утворення в перехідній (до гаряче-катаного металу) зоні структури зернистого перлиту, що має високу пластичність.

Встановлені оптимальні інтервали температур початку та кінця фазових перетворень при безперервному нагріванні і охолоджуванні рейковї сталі М76В евтектоїдного складу.

Встановлена циклічність температурного поля при індукційному нагріванні СВЧ рамних рейок і можливість використання високотемпературного циклічного індукційного нагріву для забезпечення дрібнозернистої структури рейок.

Розроблені на рівні винаходу (А.с. №1700067 и №1788043) прилади для диференційованої подачі охолоджувального чинника з регульованими теплофізичними властивостями на поверхню катання рейки.

Вперше побудовані діаграми розпаду аустеніту, що відповідають структурному стану після нагріву СВЧ рейкової сталі М76В евтектоїдного складу стосовно до загартування рамних рейок в умовах цеха стрілочних переводів (ЦСП) Керченського металургійного заводу (КМЗ) ім. Войкова.

Розроблені параметри впливу на кінетику перетворення при термічному зміцненні залізничних рейок Р50 і Р65, що забезпечують частковий ізотермічний розпад переохолодженого аустеніту при безперервно-послідовному способі охолоджування.

Практичне значення одержаних результатів. На основі виконаних досліджень впливу високотемпературного індукційного циклічного нагріву на формування кінцевої структури рейкових сталей після спрейерного охолоджування автором розроблена технологія індукційної термічної обробки рамних рейок типу Р65 зі сталей М76В, М76ВТ і Р50 зі сталей К74 та М74Т, що забезпечує підвищення однорідності структури і твердості по всій довжині і по перетину голівки при підвищенні рівня властивостей і експлуатаційної стійкості відносно гарячекатаних рейок.

Одержані експериментальні і теоретичні дані для термічного зміцнення з нагріву СВЧ рамних рейок можуть бути використані при індукційної термічної обробці шляхових залізничних рейок.

Розроблена технологія термічного зміцнення стислим компресійним повітрям з нагріву СВЧ рамних рейок типу Р50, яка впроваджена в ЦСП КМЗ ім. Войкова (м. Керч). Промислові випробування стрілочних переводів з рамними рейками, зміцненими по новій технології, виявили експлуатаційну стійкість в 1.1-1.2 рази вищу, ніж у серійних. Річний економічний ефект у споживача склав 448 500 крб. (в цінах 1987 р.). Режими і обладнання для термічного зміцнення з індукційного нагріву водоповітряною сумішшю випробувані під час випуску дослідно-промислової партії рамних рейок типу Р65 і можуть бути застосовані на стрілочних підприємствах.

Особистий вклад здобувача. Всі результати, що складають основний вміст роботи, були отримані автором самостійно, особливо ті, що складають загальні висновки і наукову новизну.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: науково-практичній конференції "Союз науки и практики к 100-летию Петровки", Дніпропетровськ, 1987; Всесоюзній науково-технічної конференції "Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки", Дніпропетровськ, 1988; 2-му Міжнародному симпозіумі Украiнських iнженерiв-механикiв у Львовi, Львів, 1995; 1-ій Міжнародній науково-технічній конференцii "Математичне моделювання в електротехницi", Львів, 1995; на науково-технічному семінарі кафедри термічної обробки металів у 1998 г.

Публікації. Основний вміст дисертації опублікований у 8 роботах: 2 статтях, 4 збірках тез наукових конференцій, 2 авторських свідоцтвах.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Робота викладена на 170 сторінках друкарського тексту, містить 5 таблиць, 45 малюнків. Список використаної літератури включає 151 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стан питання

Рамні рейки виробляють зі звичайних шляхових рейок, при експлуатації вони піддаються такому ж зносу і утворенню дефектів, як і звичайні залізничні рейки загального призначення. Однак, умови роботи рейок на промислових залізницях більш жорсткі, ніж на дорогах загального користування.

Узагальнення літературних даних показує, що найбільш сприятливі для експлуатації в промислових умовах властивості мають рамні рейки зі сталі, що містить 0.76-0.82%C, до 0.07%V і до 0.015%Ti або піддані термічному зміцненню з індукційного нагріву водоповітряною сумішшю на однорідну структуру типу сорбіту або трооститу загартування. Ванадій дозволяє реалізувати ефект дисперсійного зміцнення феритної складової перлиту в гарячедеформованій сталі і зменшити схильність до зростання зерна в інтервалі температур аустенітизації. Титан у рейкових сталях (за даними “УкрНИИМет”) збільшує міжпластинкову відстань і товщину пластин цементиту без зміни розміру зерна аустеніту і перлитних колоній. Однак, термічне зміцнення рамних рейок з таких сталей з індукційного нагріву з використанням водоповітряного охолоджування, вивчене в нинішній час недостатньо, тому ця проблема залишається актуальною.

Один з великих постачальників рейок, - меткомбінат "Азовсталь", - виплавляє метал на базі керченських руд, які містять фосфор, що, в значній мірі визначає ступінь розвитку дендритної ліквації і величину зерна в міжосьових ділянках, і миш'як, здатний до ліквації в невеликому об’єму металу (мікроліквації) до значних величин. Ці елементи виявляють також істотний вплив на кінетику фазових перетворень при нагріванні і охолоджуванні рейкових сталей.

Впровадження в практику Керченського металургійного заводу ім. Войкова (найбільш розвиненої сучасної виробничої бази по виготовленню стрілочних переводів) нової гартівної каретки, збільшення продуктивності пристрою СВЧ і використання принципово нового нагрівального обладнання вимагало вивчення умов нагріву і охолоджування рейок, аналізу при цьому фізичних і термодинамічних процесів ,що відбуваються, вивчення характеру аустенітизації і розпаду переохолодженого аустеніту, розробки режимів індукційного нагріву і термозміцнення.

Матеріал та методика досліджень

Дослідження запропонованих режимів та технології термічного зміцнення виконували в виробничих умовах на незагартованих рамних рейках I групи, що поставляються у відповідності з вимогами ДГСТ 24182-80 типу P65 з сталей марок М76В, М76ВТ, типу P50 з сталі марки М74Т (МК "Азовсталь"), склад яких забезпечує найкращі для експлуатації в промислових умовах характеристики, а також рейках типу P50 з киснево-конверторної сталі К74 виробництва Дніпровського металургійного комбінату ім. Дзержинського.

Оцінку якості рейок, які зміцнені за експериментальними режимам на дослідницько-промисловому обладнані, проводили в відповідності з нормами ДГСТ 24182-80, ТУ 14-2-651-85 і ТУ 14-12-412-91. Рейки, що відповідали вимогам нормативних документів, рушали на промислові іспити і вкладалися до колії шляхового господарства різноманітних металургійних підприємств, де за ними встановлювалося спостереження з наступною фіксацією стадій зносу при експлуатації.

Експерименти щодо індукційної термообробки і відпрацювання режимів термічного зміцнення рейок виконували на установці СВЧ КМЗ ім. Войкова, застосовуючи двухкатушковий або трехкатушковий індуктори потужністю до 100 або 250 кВт і, відповідно, машинний потужністю 100 кВт або тиристорний (ТПЧ-250-24-312-2УХЛ4 потужністю 250 кВт) перетворювач частоти, при швидкостях переміщення рейок у гартівному приладі у 5-6.7 або 8.3 мм/с і потужності, що відбирається, у 100 або 130-200 кВт. Вивчення впливу характеру розподілу електромагнітного потоку по довжині індуктора на температурне поле рейок, що нагріваються, здійснювали зіставленням результатів вимірів (за допомогою флюксметра) напруженості магнітного поля індуктора і температури у головці.

Температурне поле у головці рейки при нагріванні СВЧ фіксували електричним потенціометром КСП-2 за допомогою хромель-алюмелевих (Х-А) термопар, введених у головку через отвір, виконаний як східчастий конічний канал, просвердлений з боку підошви з метою усунення ефекту локального перегріву, і закарбованих на глибині 1-17 мм від поверхні катання.

В експериментах температура поверхні визначалася безпосередньо пірометром "Промінь", температура середовища вимірювалася ртутним термометром, коефіцієнт тепловіддачі оцінювали за аналізом кривих охолоджування, записаних на глибині 1 мм і 3.3 мм від поверхні рейки, що охолоджується.

Кінетику фазових перетворень досліджували методом диференційно-термічного аналізу, доповнюючи його гартувально-мікросруктурним методом. Реєстрацію процесів фазових перетворень виконували двокоординатним самописцем ПДС-021 і електричним самописним потенціометром КСП-4. Загартовані (з різноманітними швидкостями зразки), піддавали металографічному дослідженню, вимірюванню мікротвердості на приладі ПМТ-3.

Розробку режимів термічного зміцнення з нагріву СВЧ виконували на основі аналізу матеріалів лабораторних і промислових експериментів з використанням математичної обробки отриманих даних. З рейок, які були оброблені за дослідними режимами, вирізували поперечні темплети з повним профілем рейки, які шліфували з двох сторін і вимірювали на них твердість приладом ТК-2 (Роквелл) вздовж осі і на викружках в шаховому порядку, у відповідності з вимогами ДГСТ 24182-80. Оцінювали конфігурацію і глибину зміцненого шару, досліджували мікроструктуру на “NEOPHOT-21”.

Вибірково з центральної частини темплетів вирізували зразки, що піддавали рентгеноструктурному аналізу шар за шаром або досліджували на растровому електронному мікроскопі через кожні 2 мм, починаючи від поверхні катання. Рентгенівську зйомку проводили в залізному K- випроміненні, реєстрацією інтерференційних максимумів 110 і 220. Визначали дійсне фізичне уширення, рівень мікронапруги і величини областей когерентного розсіювання.

Найбільш сприятливі по отриманим результатам режими відпрацьовували в промислових умовах на експериментальній установці СВЧ. При позитивних результатах з металу рейок вирізували зразки, що піддавали шар за шаром електронно-мікроскопічному аналізу (засіб реплік) і іспитам на розрив, в відповідності з ДГСТ 1497-84 і ДГСТ 1497-73. Зразки вирізували з послідовних темплетів таким чином, щоб відстань між повздовжніми осями циліндриків дорівнювала двом діаметрам робочої частини, що дозволило отримати розподіл характеристик міцності в поперечному перетині голівки рейки. Зразки для іспитів на ударний згин за ДГСТ 9454-78 вирізували зі зміцненої ділянки голівки рейки у повздовжньому напрямі, у відповідності з ДГСТ 18267-82 та ТУ 14-2-651-85, і з перехідної зони таким чином, щоб нижня грань минала крізь межу вихідного гарячекатаного і термообробленого металу. Поверхневу твердість вимірювали твердоміром ТШ-2М в трьох точках у напрямку повздовжньої осі поверхні катання. Зміцнення по глибині вздовж поверхні катання оцінювали вимірюванням коерцитивної сили приладом “Вега-1” з вимірювальним пристроєм для глибини 5 і 10 мм.

Вивчення факторів, що впливають на експлуатаційну

стійкість термічно оброблених рамних рейок

Досліджували режими, прийняті на всіх стрілочних підприємствах України. Щоб отримати найбільшу глибину зміцнення при постійній потужності струму в індукторі і незмінній витраті повітря, необхідно мінімізувати технічно можливу швидкість руху рейки у гартівному агрегаті, в нашому випадку - біля 5 мм/с, що декілька підвищує глибину зміцнення і твердість, значення яких не задовольняють вимогам нормативних документів, при цьому різко падає продуктивність пристрою СВЧ.

Для збільшення продуктивності пристрою СВЧ і підвищення питомої потужності при нагріванні був використаний трехкатушковий індуктор потужністю до 200 кВт і тиристорний перетворювач частоти струму, - це дозволило збільшити швидкість переміщення рейок в гартівний каретці до 8.3 мм/с.

Дослідження режимів термічної обробки, прийнятих в ЦСП КМЗ ім. Войкова як робочих для модернізованого установки СВЧ, позитивних результатів не дали.

Таким чином, застосовуємі в наш час на стрілочних підприємствах України режими і обладнання термічного зміцнення рамних рейок, з нагріву СВЧ не забезпечують відповідності їхніх властивостей вимогам ТУ 14-12-412-91.

На трьох підприємствах Дніпропетровської області були поставлені на промислові іспити термічно зміцнені з індукційного нагріву стислим компресорним повітрям при швидкості переміщення 8.3 мм/с в умовах КМЗ ім. Войкова серійні рамні рейки типу Р50 і Р65 в комплекті стрілочних переводів. Вивчення характеру дефектів показало, що, у основному, всі рейки піддаються утворенню напливів бокової грані і стиранню поверхні катання. При цьому стирання протікає з меншою інтенсивністю, і воно зумовлено надлишковим феритом в поверхневому шарі товщиною до 3 мм через сильну втрату вуглецю в процесі прокатки і наступної протифлокенної обробки і через недостатню швидкість охолоджування поверхні.

Характер розташування ліній рівної твердості дозволяє дійти висновку, що пластична деформація термозміцненого з нагріву СВЧ металу рейок протікає найбільш інтенсивно в шарах з твердістю від HRC 29 до HRC 20, тобто в зоні переходу від термозміцненого до вихідного металу. Глибина розташування сходинки напливу відповідає глибині виходу перехідної зони на бокову грань головки. Після зміцнення перехідна зона на межі з вихідним гарячекатаним металом має максимальну кількість зернистого перлиту, найбільшу пластичність в перетині рейки і складається зі суміші дрібно пластинчатого і зернистого перлитів, твердість її HRC 30-23. При недостатньому зміцненні вона є на ранній стадії експлуатації осередком пластичної деформації бокової грані і може стати достатнім фактором для зародження і виникнення контактно-втомлювального дефекту. Тому утворення структур зернистого перлиту при охолоджуванні стислим повітрям неприпустимо на відстанях від поверхні катання, що є меншими за глибину розташування максимуму контактної дотичної напруження.

Таким чином, необхідно було досліджувати параметри термічної обробки, які можуть впливати на зміцнення металу поверхні катання, перехідної зони голівки і на кінетику утворення та формування даних структур в поверхневих і перехідних шарах, з'ясовувати причини, через які відбувається утворення структур зернистого перлиту у головці рамних рейок.

Вивчення, розробка і впровадження параметрів

нагріву СВЧ рамних рейок

Методом диференційно-термічного аналізу було встановлено, що значення критичних точок Ac1 і Aс3 дослідної сталі М76В (0.8%) при середній швидкості нагріву 0.12 °C/с складають, відповідно, 728 і 780°C. Виявлена наявність досить значного температурного інтервалу між точками Ac1 і Aс3 , не властивого для сталей з вмістом 0.8%С.

Повне розчинення включень евтектоїдного цементиту закінчувалося при більш високій температурі - 820°C, що пов'язане з нерівномірністю розвитку процесу аустенітизації в мікрооб’ємах металу, внаслідок різко вираженої дендритної ліквації. При температурах, що лежать дещо вище рівня рівноважної A1, утворенню аустеніту передує сфероідизація перлитного цементиту і рекристалізаційні процеси у фериті. В цей момент в мікроструктурі металу відбуваються процеси, що призводять до зниження рівня вільної енергії, після чого утворюються перші порції низьковуглецевого аустеніту, тобто утворення аустеніту починається при невеликому перевищенні температури евтектоїдної рівноваги A1 після тривалого інкубаційного періоду і протікає вкрай мляво; кінцевий ферито-аустенітний стан досягається за рахунок розчинення у фериті частково або повністю сфероідизованих часток цементиту і дифузії вуглецю до фронту Ф - A - перетворення. При цьому направлений градієнт концентрації вуглецю при малій швидкості аустенітизації, від поверхні Ф - Ц до поверхні Ф - A прискорює поділ цементитних пластин. Значення цього процесу істотно зростає при підвищенні температури. При температурах, що значно перевищують рівноважну A1, процеси сфероідизації, утворення аустеніту, дроблення зерен фериту на певному етапі сполучаються, внаслідок чого можливо перетворення фериту в низьковуглецевий аустеніт з наступним насиченням його вуглецем за рахунок розчинення в аустеніті цементитних включень. Зерна аустеніту, що утворяться, неоднорідні за вмістом вуглецю і легуючих елементів. Тому рівноважне співвідношення Ф+А з абсолютним мінімумом вільної енергії досягається через ряд метастабільних станів, яким відповідає відносне зниження рівня вільної енергії. Внаслідок цього закінчення утворення аустеніту зміщується в область більш високих температур. Після утворення аустеніту в ньому відбувається дифузійне вирівнювання вуглецю, причому швидкість цього процесу залежить від температури нагріву, часу перебування при даній температурі і дисперсності вихідних ферито-цементитних часток.

Дослідження кінетики фазових перетворень при безперервному швидкісному нагріванні здійснювали методом диференційно-термічного аналізу. Результати узагальнювали у вигляді термокінетичної діаграми нагріву, що складається з ліній початку та кінця утворення аустеніту, і лінії кінця розчинення карбидо-цементитних частинок. В процесі прискореного нагріву сталі М76В підвищення точки Ac3 відбувається зворотно пропорційно підвищенню середньої швидкості нагріву: при підвищенні середньої швидкості нагріву до 8.6°C/с і до 78.2°C/с температура точки Ac3 підвищувалася, відповідно, до 940°C і до 850°C. Істотне підвищення значень температури Ac1 починається при збільшенні швидкості нагріву 12°C/с. При швидкості нагріву 90°C/с Aс1=830°C.

Встановлено, що при уповільненому (0.014-0.24°C/с) і прискореному (1-50°C/с) безперервному нагрівах рейкової сталі М76В евтектоїдного складу (0.81% С) існує широкий межкритичний інтервал температур (Ac1-Aс3), в якому при нагріванні йдуть процеси дробіння і сфероідизації цементитних пластин. Різке розширення зони часткової аустенітизації і збільшення глибини її розташування в перетині голівки рейки відбувається при підвищенні потужності струму індуктора з 170 кВт до 180 кВт.

Розроблене фізичне наближення для оцінки кінцевих температур нагріву поверхні катання рейок з нагріву СВЧ, аналіз якого показав, що управління нагріванням може бути зведене до варіювання потужності або напруженості магнітного поля.

Встановлене, що напруженість магнітного поля трехкотушкового індуктора, підключеного в один ланцюг з тиристорним перетворювачем частоти, змінюється вздовж його повздовжньої осі над поверхнею катання за гармонійним законом. Теоретично доведено, що за рахунок цього температура нагріву в часу має циклічний характер. В результаті головка піддається індукційному термоциклуванню в області аустенітного стану металу. Експериментальна перевірка процесу нагріву СВЧ голівки рейки P50 на глибині 4 мм в області активного виділення електромагнітної енергії (при 180 кВт до глибини 9 мм) підтвердила даний висновок. Коливання температури може досягати 200°C. В результаті фактичний час перебування металу при максимальних температурах нагріву скорочується, відповідно, швидкість росту розміру аустенітного зерна убуває. При цьому дифузійні процеси в аустеніті внаслідок підвищення температури прискорюються, і гомогенізація відбувається набагато швидше.

При високотемпературному індукційному циклічному нагріванні до максимально можливої температури поверхні в 1180°C досягнуті і найбільші значення глибини повної і часткової аустенітизації у 9 і 17 мм. При цьому в даних областях розмір аустенітного зерна не більш №8, а на глибині 4 мм зерно здрібнюється до №12. Подрібнення аустенітних зерен і зменшення областей когерентного розсіювання в процесі індукційного термоциклування вище температури Aс3 контролюється високою щільністю дислокаційних структур в аустеніті і утворюваними великими викривленнями кристалічної решітки а/а.

Підвищення щільності електромагнітної енергії, що вводиться у рейки при високотемпературному індукційному циклічному нагріванні, приводить при рівних умовах охолоджування до підвищення ступеня дисперсності перлиту, величини твердості на поверхні катання, в зонах повної і часткової аустенітизації, глибини зміцнення.

Оптимальне поєднання розміру аустенітного зерна, параметрів тонкої структури і твердості при потужності 180 кВт і раціональному зазорі отримані на глибині 4 мм, де контактні зсувні напруги в процесі експлуатації рейок можуть досягати максимального значення. При такому режимі нагріву рейок коливання вуглецю в межах марочного хімічного складу впливають незначно на коливання твердості і глибини зміцнення. Даний режим впроваджений в практику КМЗ ім. Войкова,- він забезпечив підвищення стійкості при охолоджуванні стислим компресійним повітрям серійних рамних рейок типу Р50 в 1.1-1.2 рази. Режим пройшов випробування при виготовленні дослідно-промислової партії рейок типу Р65, загартованих водоповітряною сумішшю з індукційного нагріву.

Розробка і промислове випробовування обладнання і

режимів безперервно-послідовного загартування рамних

рейок з індукційного нагріву

Вивчили вплив структурного стану після нагріву СВЧ голівки рейки на кінетику розпаду переохолодженого аустеніту. Аустенітизацію зразків проводили в лабораторних умовах при температурах, відповідних температурам нагріву першої і другої температурних зон голівки рейки. Для першої температурної зони температура аустенітизації була прийнята 830°C, витримка 10 хв. Вибраний режим забезпечував утворення аустенітного зерна №7-8 по шкалі 1 ДГСТ 5639-81, що відповідало його розміру в структурних зонах голівки (загартованої водоповітряною сумішшю рейки): у поверхні катання, на глибині 0-1.5 мм і на глибині 8-12 мм - межі першої і другій температурних зон, тобто в областях з рівнем твердості, що регламентується у відповідності з вимогами ТУ 14-2-651-85 і ТУ 14-12-421-91.

Результати досліджень кінетики перетворень аустеніту узагальнені у вигляді термокінетичної діаграми. При побудові діаграми відлік часу виконували з моменту досягнення зразком точки Aс1. Встановлено, що в рейковій сталі М76В евтектоїдного складу (0.81%С), яку переохолоджували при швидкостях охолоджування 26°C/с до температур 500°C, аустеніт зазнає проміжного розпаду, а перлитному перетворенню передує виділення надлишкового фериту в інтервалі швидкостей охолоджування 0.22-69°C/с, критична швидкість гартування при цьому складає 195°C/с, температура початку мартенситного перетворення Мн дорівнює 230°C.

Від відомих ТКД рейкових сталей подібного хімічного складу дану діаграму відрізняють наявність області виділення структурно-вільного фериту, більш високий інтервал температур початку ферито-перлитного перетворення, а також менша стійкість аустеніту в області проміжного перетворення.

Для другої температурної зони аустенітизацію проводили при температурі 755°C на протязі 5 хв. Такий режим нагріву дозволив отримати різнозернистий аустеніт, аналогічний одержуваному у другій структурній зоні в процесі нагріву СВЧ голівки рейки. Інтервал швидкостей охолоджування складав 0.12-238°C/с.

З порівняння діаграм, побудованих для двох режимів аустенітизації, витікає, що вони мають схожі структурні області: утворення фериту, перлиту, проміжних структур і мартенситу. Однак, аустеніт, отриманий по другому режиму, має менш тривалий - область ферито-перлитного розпаду зміщена ліворуч по тимчасовій шкалі. Це пов'язане з тим, що в межкритичній області температур аустеніт неоднорідний по вуглецю, що призводить також до збільшення швидкості перлитного перетворення. Відмінною особливістю діаграми є наявність області утворення зернистого перлиту в інтервалі температур 730-580°C. При охолоджуванні рейкової евтектоїдної сталі з межкритичного інтервалу температур нагріву відразу після виділення надлишкового фериту в інтервалі швидкостей охолоджування 45-0.12°C/с відбувається розпад аустеніту на зернистий перлит. Це пов’язане з частковою фазовою перекристализацією в процесі нагріву до температур, що декілька перевищують Aс1. Карбидні частки при межкритичній температурі розчинювалися не повністю і при відносно повільному охолоджуванні зразків (зі швидкістю 25-0.12°C/с) вони служили центрами розпаду по абнормальному механізму аустеніту, який їх оточує, що викликало утворення зернистого перлиту. Аустеніт, віддалений від карбідних часток, перетворюється в перлит пластинчатий.

Результати дослідження фазових перетворень дозволили прийняти рішення про створення принципово нового охолоджувального приладу для диференційованої подачі хладагента по довжині спрейера. Пристрій випробувано в промислових умовах (для швидкості переміщення рейок у 8.3 мм/с), захищений авторським свідоцтвом (А.с. №1700067) і впроваджений в практику ЦСП КМЗ ім. П.Л.Войкова. В спрейер введений перфорований патрубок з регуляторами тиску і витрати повітря. Це дозволяє шляхом перерозподілу повітряного потоку під перфорованою пластиною пропорційно знижувати тиск на вході і виході спрейера, зміщувати мінімум витрат повітря в ту або іншу сторону, водночас змінюючи швидкість охолоджування по довжині рамної рейки в ході гартування. При цьому форма кривої "температура - час" зберігається незмінною, а умови розпаду аустеніту близькі до ізотермічних, - це дозволяє одержувати стабільну троосто-сорбітну структуру і твердість у зміцненому шарі голівки. В результаті досягається рівномірність гартування на поверхні катання, коливання твердості не перевищують НВ 15.

При використанні даної конструкції спрейера шумовий ефект знижений на 15-10%. Термічне зміцнення рейок Р50 зі сталі К74 з високотемпературного індукційного циклічного нагріву за допомогою даного обладнання дозволило в 1.1-1.2 рази підвищити їхню експлуатаційну стійкість.

Застосування розробленого охолоджувального обладнання при обробці рейок Р65 зі сталей М76В, М76ВТ і М76Т показало низький рівень зміцнення, не відповідний вимогам ТУ 14-12-412-91.

Технічне рішення, скероване на реалізацію більш жорстких режимів охолоджування рейок типу Р65 реалізували в спеціальній конструкції Г-образного патрубка. Розроблений спрейер з керованим зміненням коефіцієнтів тепловіддачі при диференційованій подачі водоповітряної суміші по його довжині випробуваний в промислових умовах ЦСП КМЗ ім. П. Л. Войкова і захищений авторським свідоцтвом (А.с. №1788043). Він забезпечує охолоджування поверхні рейки, що рухається при швидкості 8.3 мм/с в діапазоні швидкостей охолоджування 1-170°C/с і дозволяє керувати процесом розпаду переохолодженого аустеніту на різній глибині, створювати найбільш вигідну криву охолоджування, здійснювати розпад аустеніту в умовах близьких до ізотермічних або при безперервному охолоджуванні, може бути використаний для гартування всіх типів рейок з різноманітним хімічним складом металу. Так, для обробки рамних рейок Р50 можуть бути використані режими повітряного зміцнення, розроблені вище, а для зміцнення рейок типу Р65 належить застосовувати водоповітряний режим роботи спрейера.

Дослідженням розробленого режиму охолоджування, після високотемпературного індукційного циклічного нагріву рейок зі сталі М76ВТ, що містить вуглець на верхньому і нижньому межах марочного складу, встановлено, що найбільш високий рівень твердості (при однорідній структурі троостита і сорбіту гартування), відповідаючий вимогам ТУ 14-2-651-85 в перетині голівки рейки досягнуто в межах границі зони повної аустенітизації на глибині від 0 до 8.5 мм. Зона межкритичних температур нагріву Aс1-Aс3 розміщена на глибині 9-17 мм, що перекриває вимоги ТУ 14-2-651-85 і ТУ 14-12-412-91 до мікроструктури рамних рейок. Проте, від глибини 9 мм до 11.5 мм по осі перетину голівки в структурі металу кількість зернистого перлиту не перевищує 5-15%, що практично не виявляє впливу на підвищення пластичності. На глибині більш 11.5 мм кількість зернистого перлиту 20%, на глибині 17 мм воно зростає до 50%, що веде в даній області до зростання ударної в'язкості. В зразках, що вирізались для іспитів на ударний згин так, що одна з граней співпадала з межею поміж перехідною і незміцненою зоною, тобто захоплюючих перехідний шар, KCU складало 0.59 МДж/м2. А в зразках, одна з граней яких прилягала до поверхні голівки, KCU складало 0.523 МДж/м2, ударна в'язкість вихідного гарячекатаного металу складала 0.230 МДж/м2. Таким чином, зміцнення рейок по розробленому режиму підвищує ударну в'язкість у 2 рази в порівнянні з вихідним, що перевищує вимоги ТУ 14-2-651-85 в 1.5 рази. При цьому кінцева твердість рейок не перевищувала вимоги, встановлені ТУ 14-2-651-85, а твердість по довжині відповідала ім. Перехідна зона істотно зміцнювалась до глибини 12.0 мм на твердість не нижче НВ 300, тут практично відсутнє виділення зернистого перлиту. Значення твердості на викружках знаходяться в межах, які відповідають допустимим вимогам нормативних документів.

Електронно-мікроскопічне дослідження показало, що при збільшенні інтенсивності безперервного охолоджування водоповітряною сумішшю відносно нового режиму у головці рейки по всій глибині утворюються, в основному, перлитні структури, морфологія яких змінюється з відстанню від поверхні. Максимальні значення меж тимчасового опору (в= 1176 МПа) і текучості (т=794 МПа) знаходяться на глибині 6.5 мм. Цій же глибині відповідає мінімум пластичності, 5=6%, =55-58% і максимум твердості, а також мінімальний розмір аустенітного зерна №12 по шкалі ДГСТ 5639-82. Більш низькі значення твердості і характеристик міцності (в=1010 МПа і т=710 МПа) на глибині 1-3 мм зв'язані з наявністю в структурі окремих феритних голок, що підвищують пластичність до 5=7%, = 60%. При переході від зміцненого шару до перехідного твердість і міцності властивості знижуються, водночас відбувається підвищення пластичності. Такі модифікації властивостей викликані збільшенням частки зернистого перлиту в структурі перехідного шару. Внаслідок цього на глибині 14.5 мм спостерігається максимальна пластичність - 5= 8,5%, =68%, а на глибині 17.5 мм,- на межі перехідного шару і незміцненого металу, - величина межі міцності і текучість різко знижуються і досягають мінімальних значень: в= 600 МПа, т= 300 МПа, що менше значень незміцненого металу з значеннями в=720 МПа і т= 400 МПа при 5=5%, =45%.

В процесі дослідно-промислового випробовування нової технології і розроблених режимів охолоджування з високотемпературного індукційного нагріву була випущена дослідна партія рамних рейок Р65 і встановлено, що процес термічного зміцнення при відрегульованих технологічних параметрах іде стабільно (коливання потужності струму в індукторі не перевищувало 1 кВт). Після термообробки твердість поверхні рейок піднімається з рівня НВ 248-293 до НВ 343-388 у центрі і до HB 363-415 на кінцях. Збільшення твердості на кінцях рейок в таких межах сприятливо відбивається на їхній експлуатаційній стійкості, коливання твердості по довжині рейок в основному не перевищувало НВ 30. Змінювання глибини зміцненого шару в різноманітних рейках складало 11-14 мм. Різниця в твердості між лівою та правою викружками не перевищувало HRC 3.5.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Застосовувані в наш час традиційні режими і технологія термічної обробки рамних рейок з використанням індукційного нагріву не забезпечують в повній мірі вимоги нормативних документів.

2. Встановлено, що недостатнє зміцнення поверхневого шару рамних рейок умовлене наявністю надлишкового фериту, що сприяє стиранню поверхні катання, а перехідна зона у головці є ініціатором пластичної деформації бокової грані, що веде до утворення напливів. Утворення структур зернистого перлиту неприпустиме на відстанях, менших глибини максимуму контактної дотичної напруги.

3. Розроблені нові фізична і математична моделі нагріву СВЧ рейок. Вперше показано, що підвищення температури в процесі індукційного нагріву має циклічний характер, воно прямо пропорційно підвищенню потужності, зниженню коефіцієнту розсіювання і швидкості переміщення в індукторі. Циклічність і змінна швидкість індукційного нагріву дають можливість застосовувати при термічній обробці рейок температури до 1200°C.

4. Встановлено, що рейкова вуглецева сталь М76В має широкий межкритичний інтервал температур, не властивий для сталей евтектоїдного класу. Вперше показано, що в результаті прискореного безперервного нагріву сталі М76В при швидкості у 0.1-90°C/с спостерігається нерівномірне зміщення критичних точок Ac1 і Ac3. В межкритичому інтервалі температур відбувається неповне перетворення перлиту в аустеніт, що веде при наступному охолоджуванні до утворення структур зернистого перлиту в перехідній зоні, ширина якої не залежить від режимів охолоджування, а визначається величиною потужності струму індуктора.

5. Виявлені нові особливості процесу аустенітизації металу голівки рейок при високотемпературному індукційному циклічному нагріванні (при температурі 1180°C), в наслідок чого іде формування не крупно зернистого, а дрібнозернистого аустеніту (зерно №8-12 по шкалі ДГСТ 5639-82), що обумовлено високою щільністю дислокацій і великими мікровикривленнями кристалічної решітки; має місце зменшення розміру областей когерентного розсіювання в кристалах фериту після зміцнення і розширення перехідної зони часткової аустенітизації. Раціональне поєднання даних структурних і субструктурних параметрів з розподілом твердості по глибині вперше отримане на відстані 4 мм від поверхні катання, де найбільш вірогідно розташування максимуму контактної зсувної напруги.

6. Встановлено, що підвищення щільності електромагнітної енергії, що вводиться у рейку і, внаслідок цього, швидкості і температури нагріву при її циклічності в часу призводить після охолоджування до підвищення дисперсності перлита, поверхневої та максимальної твердості і глибини зміцнення на величину твердості, не менше HRC 32.5.

7. Оптимальними параметрами нагріву СВЧ рамних рейок, при яких коливання вуглецю в межах марочного хімічного складу впливають не значно, що забезпечують підвищення показників якості металу голівки, є: нагрівання при потужності струму в індукторі для рейок типу Р65 - 180 кВт, для Р50 - 170-175 кВт.

8. Вперше побудовані ТКД рейкової сталі М76В при нагріванні до температур в області повної і часткової аустенітизації. Виявлені раніше невідомі для даної марки сталі області виділення надлишкового фериту, проміжного перетворення і утворення зернистого перлиту в результаті розпаду переохолодженого аустеніту, що утворився в області межкритичних температур нагріву. Побудовані для рейкової сталі ТКД можуть бути використані для розробки промислових режимів термічної обробки рейок.

9. Розроблене і випробуване в промислових умовах нове обладнання для подачі на головку рейки водоповітряної суміші з регульованими по його довжині коефіцієнтами тепловіддачі захищене авторським свідоцтвом (А.с. №1788043). Вперше в промислових умовах досліджені особливості структурних перетворень і розподіл твердості в головці рамних рейок при охолоджуванні спокійним, стислим компресорним, зволоженим стислим компресорним повітрям та водоповітряною сумішшю, і на основі цього рекомендований новий оптимальний режим охолоджування.

10. Найбільш високе зміцнення рейок досягнуто при використанні нової технології високотемпературного індукційного циклічного нагріву з наступним частковим ізотермічним (при безперервному охолоджуванні) розпадом аустеніту в перлитній області, при якому у головці формуються високодисперсна перлитна мікроструктура і розподіл механічних властивостей і твердості близький до оптимального для умов експлуатації на промислових залізницях.

11. Розроблене, випробуване і впроваджене нове охолоджувальне обладнання для диференційованої подачі стислого компресорного повітря на поверхню катання головки рейки, яке захищене авторським свідоцтвом (А.с. №1700067). Застосування даного обладнання для гартування рамних рейок Р50 з нагріву СВЧ підвищило їхню експлуатаційну стійкість в 1.2 рази. Річний економічний ефект від впровадження нових режимів і технології термічного зміцнення рамних рейок склав 448 тис. карбованців (в грошовому еквіваленті відносно 1987 р.). Скорочена витрата металу при виробництві і трати на ремонт стрілочних переводів.

12. Розроблені, випробувані і прийняті до впровадження в ЦСП ім. Войкова нові режими, обладнання і технологія термічного зміцнення з нагріву СВЧ водоповітряною сумішшю рамних рейок типу Р65, що забезпечують вимоги нормативних документів щодо кінцевої, поверхневої твердості і механічних властивостей, з одночасним підвищенням ударної в'язкості зміцненого шару в 1.5 рази.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. К вопросу упрочнения рамных рельсов стрелочных переводов / И.Е. Долженков, А.Н. Лещенко, А.П. Клименко, Ю.Г. Руфанов, О.П. Юшкевич // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 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 металлургического производства: Республиканский межведомственный научно-технический сборник.- Киев: Технiка, 1993.- Вып. 110.- С. 35-42.

3. А.C. №1700067 СССР, МКИ С 21 D 9/04. Устройство для закалки остряков стрелочных переводов / Ю.Г. Руфанов, А.Ф. Тимченко, А.Г. Ткалич, А.А. Кибалов, А.П. Серпенев, О.П. Юшкевич, В.Н. Калганов (СССР).- №4625422/02; Заявлено 26.12.88; Опубл. 23.12.91, Бюл. №47.- C. 105.

4. А.C. №1788043 А1 СССР С 21 D 9/04. Устройство для закалки рельсов / Ю.Г. Руфанов, А.Ф. Тимченко, А.Г. Ткалич, О.П. Юшкевич, М.И. Ильяшенко, В.Г. Васильев, Н.Н.