Спосіб термічної обробки рейок

Спосіб термічної обробки рейок зі сталей перлітного класу, який включає електронагрів рейки під загартування та охолодження нагрітого об'єму рейки в два етапи, який відрізняється тим, що здійснюють електронагрів всього об'єму рейки одночасно або послідовно частинами по довжині з швидкістю 10-100ºС/с до температури Ас3 + 3050°С, після чого на першому етапі охолодження виконують одночасне охолодження поверхні головки рейки з швидкістю 10-30ºС/с і її підошви з швидкістю 5-10ºС/с до досягнення температури на поверхні головки рейки 350-450°С з подальшим природним охолодженням нагрітого об'єму рейки на другому етапі охолодження, причому в процесі нагріву і охолодження до рейки прикладають розтягуючі зусилля 0,2-0,6 межі плинності при розтягу сталі. (19) (21) a200815071 (22) 26.12.2008 (24) 27.04.2009 (46) 27.04.2009, Бюл.№ 8, 2009 р. (72) ОШКАДЬОРОВ СТАНІСЛАВ ПЕТРОВИЧ, UA, ТЕЛЬОВИЧ РОМАН ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ГАРАСИМ ЮЛІАН АНДРІЙОВИЧ, UA, КОМАР ФІДЕЛЬ ЛЕОНІДОВИЧ, UA, БОНДАРЕВСЬКА НАДІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА, UA (73) ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ІМ. Г.В. КУРДЮМОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) UA, a 200810140, дата подання 06.08.2008 UA, 61059, C2, 29.12.1999 SU, 800215, A1, 30.01.1981 RU, 2003705, C1, 30.11.1993 US, 5482576, A, 09.01.1996 CA, 1256004, 20.06.1989 3 сприяє додатковій деформації рейки при термічній обробці; - термозміцненню підлягає тільки частина перерізу головки рейки. Решта площі перерізу залишається в стані, який був сформований в процесі прокатки і характеризується наявністю неоднорідності структури по довжині рейки і підвищеною схильністю до крихкого руйнування. Найбільш близьким за технічною суттю до способу, який заявляється, є спосіб термічної обробки рейок (див. патент України на винахід №61059, МПК С21D9/04, 1998), що включає з'єднання рейок в безперервну нитку, пружний вигин рейок в напрямку, протилежному деформації після термічної обробки, індукційний електронагрів струмами високої частоти під загартування головки рейки по всій довжині, первинне охолодження головки рейок, самовідпуск при безперервному послідовному переміщенні рейкової нитки крізь гартувальну машину і вторинне охолодження. Рейки вигинають по кривій з максимальною кривизною на підошву в зоні нагрівання і охолодження на величину, що забезпечує врівноваження залишкових напруг, які виникають в головці рейки при термообробці. Нагрів рейок під загартування здійснюють в два етапи: на першому етапі рейку нагрівають до 1050-1100°С, після чого виконують короткочасне проміжне природне підстуджування до температури 820-860°С протягом 10-25с, на другому етапі здійснюють нагрів до 920-980°С з її стабілізацією для вирівнювання температури по перерізу головки, після чого виконують первинне охолодження до 480-380°С з певною швідкістю: в інтервалі температур 900-800°С охолодження виконують із швидкістю 2-8°С/с, від 800 до 600°С - із швидкістю 6-14°С/с, від 600 до 380°С - із швидкістю 4-12°С/с, далі здійснюють самовідпуск в інтервалі температур 520-400°С протягом 55-90с і вторинне охолодження, яке проводять від температури самовідпуску до 50-30°С в системі верхніх і нижніх роликів, що розташовані в шаховому порядку. Спільними ознаками для відомого способу термічної обробки і способу, що заявляється, є такі: нагрів під загартування рейок здійснюють за рахунок трансформації електричної енергії в теплову всередині об'єму виробу, створення диференційованої структури в перерізі рейки, а також охолодження нагрітого об'єму рейки, яке здійснюють в два етапи. Разом з тим, способ термічної обробки за прототипом має суттєві недоліки через такі обставини: - термічній обробці піддається тільки поверхнева частина головки рейки. Решта її частин перерізу залишаються в структурному стані, сформованому в процесі гарячої пластичної деформації, який характеризується низьким рівнем механічних властивостей; - через специфічність індукційного способу нагрівання головку рейки необхідно нагрівати до високих температур (1050-1100°С), що викликає посилене утворення на поверхні головки окалини, часткове зневуглецювання і укрупнення зерна аустеніту; 86564 4 - зміна температурно-часових умов нагріву і охолодження внаслідок коливання в сталі вмісту вуглецю і легуючих елементів вимагає постійного уточнення параметрів вигинання рейок, що ускладнює проведення термічної обробки по єдиному режиму, який б стабільно забезпечував збалансування залишкових макронапружень в об'ємі рейок без порушення їх прямолінійності; - повторний нагрів на другому етапі термічної обробки, а також необхідність підстуджування в умовах природного охолодження між етапами нагріву обумовлює додаткові затрати і зростання собівартості продукції. В основу винаходу поставлено завдання розробити такий спосіб термічної обробки, реалізація режимів якого дозволить підвищити експлуатаційну стійкість рейок за рахунок покращення комплексу фізико-механічних властивостей, зменшення деформації рейки після термічної обробки та зниження величини залишкових макронапружень. Поставлена задача вирішується тим, що в способі термічної обробки рейок із сталей перлітного класу, який включає електронагрів рейки під загартування, охолодження нагрітого об'єму в два етапи, здійснюють нагрів всього об'єму рейки одночасно чи послідовно частинами по довжині з швидкістю 10-100°С/с до температури Ас3+3050°С, після чого виконують одночасне охолодження поверхні головки рейки з швидкістю 10-30°С/с і її підошви з швидкістю 5-10°С/с до досягнення температури на поверхні головки рейки 350-450°С з подальшим природним охолодженням нагрітого об'єму рейки, причому в процесі нагріву і охолодження до рейки прикладають розтягуючі зусилля 0,2-0,6 межі плинності при розтягу сталі. На відміну від прототипу при термічній обробці за заявленим способом під загартування нагрівають весь об'єм рейки. У випадках, коли рейки довші, ніж 25м (50, 90м), нагрівають частину рейки з подальшим послідовним переміщенням зони нагріву по всій довжині рейки. Вибір способу нагріву обумовлений довжиною рейок, які підлягають термічній обробці, а також технічними можливостями агрегату електроконтактного нагріву. Нагрівання рейки до температури Ас3 +30-50°С здійснюють з швидкістю 10-100°С/с за рахунок джоулевого тепла, яке виділяється в об'ємі рейки внаслідок пропускання через неї електричного струму. Після закінчення нагріву здійснюють одночасне охолодження головки рейки з швидкістю 10-30°С/с і її підошви з швидкістю 5-10°С/с. При досягненні температури на поверхні головки рейки 350-450°С примусове охолодження припиняють і в подальшому рейка до температури навколишнього середовища охолоджується природним способом. На даному етапі охолодження відбувається вирівнювання температури в перерізі рейки і урівноваження залишкових напружень. Операції термічної обробки здійснюють за допомогою агрегату для електротермічної обробки довгомірних виробів, в конструкції якого передбачені системи електроконтактного нагріву, охолодження та навантаження виробу розтягуючим зусиллям. Для запобігання викривлення рейки під час термічної обробки і сприяння зростанню її прямолінійності до рейки в 5 процесі нагріву і охолодження прикладають напруження, яке розтягує, величиною 0,2-0,6 межі плинності при розтягу (σ0,2) сталі. В способі термічної обробки рейок, що заявляється, нагрів здійснюють з швидкістю 10-100°С/с до температури Ас3 +30-50°С. Прискорений нагрів рейок виконують з метою формування в об'ємі нагрітої рейки структури дрібнозернистого аустеніту і уникнення утворення на поверхні рейки окалини і зневуглецювання її поверхневих шарів. Нижня межа запропонованого інтервалу швидкостей нагріву обумовлена можливостями появи неоднорідності нагріву по довжині рейки, а верхня - зниженням техніко-економічних показників роботи агрегату для електротермічної обробки. Після нагріву здійснюють одночасне охолодження поверхні головки рейки з швидкістю 1030°С/с і її підошви з швидкістю 5-10°С/с до досягнення температури на поверхні головки 350-450°С. Запропонований диференційований метод охолодження головки і підошви рейки передбачає утворення структури сорбіту в головці рейки на глибині (>20мм), яка перекриває зону дії максимальних напружень, які виникають при експлуатації і дисперсної перлітної фази в шийці і підошві. Експериментально встановлено, що охолодження головки рейки з швидкостями, меншими 10°С/с, не дозволяє сформувати на потрібній глибині сорбітну структуру без включень фериту з оптимальним рівнем механічних властивостей. При охолодженні з швидкостями, більше 30°С/с, на поверхні головки рейки можуть появитись ділянки небажаної мартенсито-бейнітної структури. Зазначений інтервал (Ас3+30-50°С)-480°С температур достатній для того, щоб при охолодженні з максимальною швидкістю 50°С/с в головці рейки встигло завершитись виключно аустеніто-сорбітне перетворення. Охолодження підошви рейки одночасно з головкою з швидкістю 5-10°С/с запобігає викривленню рейки і сприяє утворенню в шийці і підошві рейки перлітної структури з твердістю, яка задовольняє технічні вимоги та високим рівнем характеристик в'язкості. Природне охолодження призводить до розвитку процесів самовідпуску і релаксації залишкових макронапружень. Навантаження рейки розтягуючим зусиллям призначене для запобігання викривленню і додаткового вирівнювання рейки впродовж нагріву і охолодження як за рахунок дії пружних напружень, так і ефекту надпластичності при розвитку α→γ→α - перетворень. Величина розтягуючих напружень вибрана на підставі результатів дослідження характеристик міцності рейкових сталей при зміні температури і дозволяє уникнути в процесі запропонованої термічної обробки викривлення рейки без виникнення в ній значних залишкових макронапружень. Бажаним результатом винаходу є підвищення експлуатаційної стійкості залізничних рейок внаслідок збільшення в 1,5-2 рази в головці рейки товщини шару високодисперсної феритоцементитної структури, оптимального розподілу твердості і залишкових напружень по висоті рейки та високої прямолінійності. Спосіб реалізується наступним чином. 86564 6 Рейки із сталі перлітного класу після закінчення вальцювання швидко охолоджуються стисненим повітрям, або повітряно-водяною сумішшю до кімнатної температури в потоці прокатного стану чи поза ним і поступають на агрегат для швидкісної електротермічної обробки. За допомогою агрегату за рахунок джоулевого тепла, яке виділяється внаслідок пропускання через них струму промислової частоти, вони прискорено нагріваються (VH = 10-100°С/с) у всьому об'ємі до температури Ас3 +50°С. Після незначної (до 1хв) витримки, необхідної для вирівнювання температури в об'ємі рейки, одночасно здійснюється диференційоване охолодження поверхні її головки зі швидкістю 1030°С/с і підошви зі швидкістю 5-10°С/с до досягнення в головці рейки температури 350-450°С. В подальшому весь об'єм рейки природно охолоджується до кімнатної температури зі швидкістю 0,5-1°С/с. Висока прямолінійність термооброблених рейок і оптимальний розподіл залишкових макронапружень в об'ємі досягаються тим, що в процесі нагріву і охолодження до рейки прикладається розтягуюче зусилля величиною 0,20,6 межі плинності σ0,2 сталі. Запропонований спосіб термічної обробки був реалізований в напіввиробничих умовах на повнопрофільних заготовках довжиною 1600мм рейки типу Р65, виготовленої з мартенівської вуглецевої сталі марки М76Т. Термічна обробка заготовок здійснювалась з допомогою установки для електроконтактного нагріву штанг, додатково оснащеної спреєрними пристроями. Закріплена в контактахзатискувачах головкою вниз заготовка нагрівалась шляхом пропускання через неї струму промислової частоти. Під час нагріву і охолодження до заготовки прикладалось розтягуюче зусилля величиною 5⋅104Н. Роздільне охолодження головки і підошви заготовки після закінчення нагріву здійснювалось повітряно-водяною сумішшю за допомогою двох спреєрних пристроїв, один із яких був розташований знизу на певній відстані від головки, а другий - зверху над підошвою рейки. Необхідна швидкість примусового охолодження головки і підошви рейки досягалась шляхом підбору співвідношення витрат води і стисненого повітря. Температура на поверхні рейки контролювалась за допомогою електронного пірометра з точністю ±10°С. Режими термічної обробки заготовки: Температура нагріву – 830-860°С. Швидкість нагріву – 10-12°С/с. Кінцева температура примусового охолодження головки рейки - 400°С. Швидкість охолодження головки рейки в інтервалі 830–400°С – 12-15°С/с Швидкість охолодження підошви рейки в інтервалі 830-400°С – 5-6°С/с Швидкість природного охолодження рейки на заключному етапі обробки - 0,5-1,0°С/с. Після термічної обробки проводили металографічні дослідження структурного стану і механічних властивостей сталі в термозміцнених головці і підошві рейки. Результати досліджень наведені в таблиці. 7 86564 8 Таблиця Частина рейки Мікроструктура термозміцненого шару Головка Сорбіт Підошва Перліт Глибина термозміцненого шару, мм 25-30 Meханічні властивості σ0,2 σ0,2 δ% ψ МПа МПа % 980 1340 12 37 580 1014 9,5 24,6 де σ0,2 - межа плинності, σ0,2 - тимчасовий опір розтягуванню, δ - відносне видовження, ψ - відносне звуження, KCU - ударна в'язкість при +20°С. Величина прогину заготовки рейки довжиною 1м, поставленої на підошву, -1,5мм. Таким чином, запропонований спосіб термічної обробки рейок дозволив збільшити глибину термозміцненого шару, підвищити комплекс механічних властивостей в головці рейки вище нормативного, знизити деформацію форми рейки до мінімуму, що Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко KCU +20, Дж/см2 Твердість, НВ 30 35 385 311 відповідно суттєво підвищує експлуатаційну стійкість рейок. Технологія, що пропонується в якості винаходу, є більш продуктивною, тобто не потребує повторного нагріву на другому етапі термічної обробки, а також необхідності підстуджування в умовах природного охолодження між етапами нагріву, що обумовлює значне зниження собівартості продукції. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601