CC BY
89
УДК 669.017.3
Ф. К. ТКАЧЕНКО, С. О. КУЗЬМИН, В. Г. ЕФРЕМЕНКО, В. Г. КАЗАНКОВ (Приазовский государственный технический университет, Мариуполь)
КИНЕТИКА ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА В РЕЛЬСОВЫХ СТАЛЯХ МАРОК М74 И 75ХГСМ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ
Описано особливосп формування мшроструктури в рейкових сталях марок М74 i 75ХГСМ при безпере-рвному охолодженш з аустештного iнтервалу, наведено температурю границi областей фазових перетворень у цих сталях.
Описаны особенности формирования микроструктуры в рельсовых сталях марок М74 и 75ХГСМ при непрерывном охлаждении из аустенитного интервала, приведены температурные границы областей фазовых превращений в этих сталях.
The particularities of the shaping of microstructure of rail steels of marks М74 and 75ХГСМ under continuous cooling with different velocities from austenite interval of temperature are described; the temperature borders of the areas of phase transformations are presented.
Железнодорожные магистральные рельсы являются ответственным видом металлоизделий и обязательно подвергаются упрочняющей термической обработке с охлаждением из аустенитного интервала температур. Повышение качества железнодорожных рельсов связывают с применением сталей нового поколения, отличающихся от известных сталей, внесенных в ГОСТ 24182 и ДСТУ 4344:2004, более высоким уровнем легирования [1 - 3]. Среди них отдельный класс составляют Сг-Мп-81 стали с содержанием углерода, близким к эвтектоидно-му, микролегированные ванадием, титаном, молибденом [4, 5]. Эти стали призваны обеспечить повышение комплекса механических свойства рельсов на основе традиционной для рельсов микроструктуры - троосто-сорбита закалки. Получение данного типа микроструктуры в рельсах из легированных сталей предполагает адекватный выбор скорости охлаждения из аустенитной области, для чего необходимо знать характер структурных превращений в стали при термической обработке. Несмотря на отдельные исследования [6], кинетика распада переохлажденного аустенита в подобных сталях остается недостаточно изученной.
Целью работы являлось изучение особенностей структурообразования в опытной рельсовой стали марки 75ХГСМ (0,77 % С, 0,98 % Мп, 0,46 % 81, 0,38 % Сг, 0,064 % Мо). Для сравнения исследовали известную сталь марки М74 (0,75 % С, 0,94 % Мп, 0,28 % 81) по ДСТУ 4344:2004. Превращения переохлажденного аустенита в сталях исследовали термическим методом с построением термокинетических диаграмм (ТКД). Температура аустенизации образцов составляла 970 °С. При построении
ТКД стали марки М74 использовали скорости охлаждения (средние в интервале 800...600 °С) от 6,5 до 33,3 °С/с.
Как следует из рис. 1, сталь марки М74 относится к сталям с перлитным типом прокали-ваемости; на её ТКД отмечается наличие лишь перлитной и мартенситной областей превращения. При скоростях охлаждения (Кохл) от 6,5 до 14,3 °С/с в интервале 475.620 °С формируется структура, состоящая из эвтектоида разной степени дисперсности (рис. 2, а). При Уохл = = 16,1 °С/с превращение аустенита начинается при 525 °С образованием троостита, после чего оно приостанавливается и продолжается лишь после достижения мартенситной точки (260 °С); в результате формируется троосто-мартенситная структура, показанная на рис. 2, б.
1 10 100
Время, с
Рис. 1. ТКД распада аустенита в стали М74 (Кохл, °С/с: 1 - 33,3; 2 - 28,6; 3 - 16,1; 4 - 14,3; 5 - 11,4; 6 - 6,5)
© Ткаченко Ф. К., Кузьмин С. О., Ефременко В. Г., Казанков В. Г., 2009
При Уохл = 28,6 °С/с область образования троостита смещается к 470... 480 °С, при этом основная масса аустенита переохлаждается до мартенситного интервала (см. рис. 2, в). После охлаждения со скоростью 33,3 °С/с структура представляет собой мартенсит (см. рис. 2, г). Таким образом, скорость охлаждения, лежащая между 28,6 и 33,3 °С/с, является критической для стали марки М74 при закалке на мартенсит.
? ЯНВНК^
33
в)
Рис. 2. Микроструктура стали марки М74 после охлаждения со скоростью, х500:
а - 11,4 °С/с; б - 16,1 °С/с; в - 28,6 °С/с; г - 33,3 °С/с
При построении ТКД для стали марки 75ХГСМ были использованы такие скорости охлаждения, в °С/с: 1 - 80,0; 2 - 13,2; 3 - 9,52; 4 - 4,55; 5 - 4,20; 6 - 3,89; 7 - 3,57; 8 - 0,85; 9 -0,63; 10 - 0,20; 11 - 0,14; 12 - 0,03. По полученным кривым охлаждения была построена диаграмма, представленная на рис. 3. Из этой диаграммы следует, что при скорости охлаждения 80 °С/с превращение аустенита в стали марки 75ХГСМ протекает ниже 254 °С с формированием мартенсита (твердостью 825.836 НУ) (рис. 4, а). При ¥охл = 13,2 °С/с превращение начинается при 370.375 °С появлением 2.3 % верхнего бейнита, а завершается при температурах ниже 255 °С образованием мартенсита (804.825 НУ) (см. рис. 4, б). Дальнейшее снижение Уохл до 3,57 °С/с сопровождается повышением температуры начала бейнит-ного превращения до 450.385 °С, Мн при этом снижается до 230 °С. Параллельно возрастает количество бейнита; его микротвердость варьируется в пределах 404.596 НУ (см. рис. 4, в).
При Уохл = 0,85 °С/с распад аустенита начинается в перлитной области при 585 °С, а заканчивается в бейнитном интервале - при 385 °С.
14
Л
\\ \
\ \\\
№
1 - 1
К
1000 10000 Время, с
Рис. 3. Термокинетическая диаграмма распада аустенита в стали марки 75ХГСМ
Рис. 4. Микроструктура стали марки 75ХГСМ после охлаждения со скоростью, х500:
а - 80,0 оС/с; б - 9,52 оС/с; в- 4,44 оС/с; г - 0,20 оС/с; д - 0,03 оС/с
12
9
100
Снижение скорости охлаждения до 0,63 °С/с и менее повышает температуру перлитного превращения в стали марки 75ХГСМ до 620.670 °С. В этом случае формируется эв-тектоидная структура различной дисперсности (см. рис. 4, г). Так, при ¥охл = 0,63 °С/с образуется дисперсная троосто-сорбитная структура с твердостью 370.391 НУ, а при ¥охл = = 0,14.0,20 °С/с - более грубая сорбито-перлитная структура с твердостью 326.364 НУ. Количество крупнопластинчатого перлита достигает максимума при охлаждении со скоростью 0,03 °С/с; твердость при этом снижается до 304.321 НУ (см. рис. 4, д). Данные об изменении твердости микроструктурных составляющих, образующихся в стали марки 75ХГСМ в результате распада аустенита, сведены на рис. 5, из которого видно, что твердость мартенсита, бейнита и эвтектоида монотонно снижается по мере снижения скорости охлаждения.
900
> 800 £ 700
о о
2 600
а)
т
о 500
400 300
ИИ
и
0,01 0,1 1 10 Скорость охл-я, оС/с
100
Рис. 5. Твердость микроструктурных составляющих в стали марки 75ХГСМ в зависимости от скорости охлаждения:
М, Б, Э - мартенсит, бейнит, эвтектоид, соответственно
Анализ ТКД и результатов микроструктурного анализа показывает, что сталь марки 75ХГСМ относится к сталям с бейнитным типом прокаливаемости. Скорость охлаждения, равную 13,2 °С/с, можно считать критической для данной стали при закалке на мартенситную структуру, поскольку при этой скорости количество немартенситной составляющей в структуре не превышает 5 %.
Сопоставление полученных данных показывает наличие существенных различий в кинетике и механизме структурообразования в исследованных рельсовых сталях. Легирование стали марки 75ХГСМ комплексом Сг-Мп-81-Мо, с одной стороны, существенно увеличило прокаливаемость относительно стали марки М74, о чем свидетельствует более чем двукрат-
ное снижение критической скорости закалки на мартенсит. С другой стороны, оно обеспечило резкое повышение устойчивости аустенита в перлитном интервале превращения. В результате произошло обособление бейнитного интервала в пределах «С»-образной диаграммы распада переохлажденного аустенита. Таким образом, в данной стали возможно формирование бейнитной структуры при непрерывном охлаждении из аустенитной области. Необходимо отметить, что образующийся при этом бейнит и по морфологическим признакам, и по температурному интервалу превращения относится к верхнему бейниту. Он имеет характерное «перистое» строение с резкой дифференциацией фазовых составляющих (см. рис. 4, в). Присутствие в стали такой структурной составляющей является нежелательным ввиду ее охрупчи-вающего влияния.
Особенности кинетики распада аустенита в стали марки 75ХГСМ заставляют с особой ответственностью подходить к выбору технологии и режима термической обработки рельсов из этой стали. На рис. 6 представлена ТКД распада аустенита в стали марки 75ХГС, на которую нанесены кривые охлаждения слоев головки рельса Р65 на глубине 2.3 и 5.6 мм. Данные кривые (получены УкрНИИМет) соответствуют промышленному режиму закалки рельсов из стали марки М74 водо-воздушной смесью с нагревом головки ТВЧ. Как следует из рис. 6, формирование структуры в разных слоях головки по принятому режиму будет начинаться в бейнитной, а заканчиваться в мар-тенситной областях превращения. В то же время, в соответствии с ГОСТ 24182 и ДСТУ 4344:2004, структура закаленного слоя головки рельсов должна представлять собой троостит, троосто-сорбит или сорбит закалки; на концах рельсов на расстоянии не более 0,2 м от торцов возможно наличие отдельных участков бейни-та. Присутствие в рельсах мартенсита не допускается ввиду его способности ускорять появление и развитие дефектов, возникающих на поверхности катания головки при эксплуатации рельсов. Таким образом, применение охлаждающей среды и режимов охлаждения, отработанных для стали марки М74, является недопустимым в отношении рельсов из более легированной стали в связи с опасностью брака по микроструктуре. Для получения требуемой троосто-сорбитной структуры охлаждение головки рельсов из стали марки 75ХГСМ при термообработке должно протекать со скоростью 0,5.1,0 °С/с. При более высоких скоростях в
М
Б
структуре появляются участки бейнита, при менее интенсивном охлаждении - грубопла-стинчатый эвтектоид с соответствующим снижением твердости стали.
Время, с
Рис. 6. ТКД распада аустенита в стали марки 75ХГСМ с кривыми охлаждения головки рельса
на глубине 2.3 мм и 5.6 мм от поверхности катания
Повышенная прокаливаемость стали марки 75ХГСМ позволяет (при соответствующем прогреве головки и оптимальном охлаждении) увеличить глубину упрочнения и улучшить конфигурацию закаленного слоя по сечению головки, что дает возможность перейти к производству рельсов по высшей категории стандарта ДСТУ 4344:2004. Повышение глубины закалки обеспечит существенный рост эксплуатационной долговечности рельсов, поскольку в этом случае слой упрочненного металла будет перекрывать зону зарождения микротрещин, ответственных за формирование дефектов на поверхности катания головки.
Известно, что на всех предприятиях-производителях железнодорожных рельсов в СНГ отходы рельсового металла утилизируются при получении катаных мелющих шаров [7]. Проведенные исследования показывают перспективность использования стали марки 75ХГСМ в производстве шаров. Эксплуатационная долговечность мелющих шаров находится в прямой зависимости от их объемной твердости, которая, в свою очередь, зависит от глубины закалки изделий. Предварительный анализ показывает, что прокаливаемость стали марки 75ХГСМ является достаточной для обеспечения сквозной закалки в шарах всего выпускаемого ряда (диаметром от 40 до 120 мм). Исследование особенностей фазовых и структурных превращений в шарах из стали марки 75ХГСМ в процессе их термообработки является на-
правлением дальнейших исследований в области изучения кинетики структурообразования в рельсовых сталях.
Выводы
1. С использованием термического и металлографического методов анализа показано, что рельсовая сталь марки М74 относится к сталям с перлитным типом прокаливаемости; её критическая скорость закалки на мартенсит лежит между 28,6 и 33,3 °С/с. Рельсовая сталь марки 75ХГСМ обладает более высокой (по сравнению со сталью марки М74) прокаливаемостью и характеризуется бейнитным типом прокали-ваемости с критической скоростью закалки на мартенсит, равной 13,20 °С/с. Бейнитная структура формируется в этой стали при охлаждении со скоростью в интервале 0,85.13,20 °С/с.
2. Для получения регламентируемой стандартом ДСТУ 4344:2004 троосто-сорбитной структуры в закаленной зоне головки рельсов из стали марки 75ХГСМ скорость охлаждения из аустенитного интервала при термической обработке должна составлять 0,5.1,0 °С/с.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рельсы высокой прочности с бейнитной структурой, полученной с прокатного нагрева [Текст] / Х. Де Боер и др. // Черные металлы. - 1995. -Июль. - С. 29-36.
2. Медовар, Л. Б. Бейнитные стали для рельсов [Текст] / Л. Б. Медовар, К. А. Цыкуленко, А. К. Цыкуленко // Проблемы СЭМ. - 1998. -№ 3. - С. 10-20.
3. Разработка технологии производства рельсов из бейнитной стали [Текст] / В. И. Ворожищев и др. // Сталь. - 2005. - № 2. - С. 71-74.
4. Качество рельсов из легированной хромом и ванадием стали [Текст] / А. А. Дерябин и др. // Сталь. - 2004. - № 1. - С. 75-78.
5. Свойства и структура стали, микролегированной никелем и хромом [Текст] / А. Л. Никулина и др. // Изв. ВУЗов. Черн. металлургия. -2001. - № 6. - С. 39-38.
6. Госсман, А. А. Кинетика распада аустенита опытной легированной рельсовой стали [Текст] / А. А. Госсман, Л. А. Бондарь, В. А. Кузнецов // Изв. ВУЗов. Черн. металлургия. - 1983. -№ 8. - С. 57-58.
7. Управление качеством продукции шаропрокат-ного производства и расширение её сортамента на ОАО МК «Азовсталь» [Текст] / И. В. Гано-шенко и др. // Металл и литьё Украины. -2003. - №7-8. - С. 50-55.
Поступила в редколлегию 21.05.2009.
Принята к печати 29.05.2009.
800
¡я 700
600
500
400
300
200
10
100
1000
