Моделирование воздухоструйной закалки с печного нагрева железнодорожных рельсов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

УДК 621.785

КВ. Волков1, Е.В. Полевой1, М.В. Темлянцев2, О.П. Атконова1, А.М. Юнусов1,

А.Ю. Сюсюкин1

1ОАО ЕВРАЗ «ЗСМК»

2Сибирский государственный индустриальный университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУХОСТРУЙНОЙ ЗАКАЛКИ С ПЕЧНОГО НАГРЕВА

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Железнодорожные рельсы являются одним из наиболее важных элементов верхнего строения пути, от которого в значительной степени зависит безопасность грузовых и пассажирских перевозок. Кроме того, рельсы составляют наиболее затратную часть основных фондов инфраструктуры железных дорог. Эти факторы являются главной причиной ужесточения требований к качеству рельсов со стороны их основного потребителя - ОАО «Российские железные дороги».

Для надежной и безопасной эксплуатации современные рельсы должны обладать высоким металлургическим качеством [1], иметь соответствующий комплекс механических свойств: твердость, износостойкость, сопротивление хрупкому разрушению, смятию и возникновению контактно-усталостных дефектов, живучесть, долговечность и трещиностойкость [2]. Развитие сети высокоскоростного движения выдвигает свои, повышенные требования к прямолинейности рельсов. При этом рельсы должны иметь низкий уровень остаточных напряжений, а процесс их изготовления должен быть как можно более экологичным и ресурсосберегающим.

Используемая в отечественном производстве с конца 70-х годов прошлого века практика термического упрочнения рельсов методом объемной закалки в масле, несмотря на такие бесспорные достоинства, как стабильность процесса, высокий комплекс механических свойств и ударной вязкости, к настоящему моменту имеет также и существенные недостатки. Прежде всего с использованием этой технологии получаются низкие техникоэкономические показатели, связанные с затратами, понесенными при потреблении природного газа, необходимого для нагрева рельсов под закалку, и применение большого количества индустриального масла. В процессе объемной термической обработки рельсов происходит их коробление, что при правке приводит к наведению высокого уровня остаточных напряжений. Такая технология не позволяет про-

водить закалку длинномерных рельсов, а также рельсов из легированных марок сталей [3].

В связи с этим во избежание указанных недостатков на зарубежных предприятиях внедрены технологии дифференцированной термической обработки рельсов, при которых охлаждение головки и подошвы рельсов происходит с различными скоростями таким образом, чтобы произвести закалку головки рельсов с достижением требуемого комплекса свойств [4]. Подошва же охлаждается лишь настолько, насколько это необходимо для минимизации коробления рельсов. Для повышения экономической целесообразности и производительности наблюдаются тенденции по отказу от традиционного повторного нагрева под закалку в пользу термической обработки с использованием тепла «прокатного» нагрева [3, 5].

В мировой практике производства рельсов существуют несколько вариантов закалки, обеспечивающих различный уровень свойств по сечению рельса, среди которых можно выделить два. Примером одного из них может служить технология, применяемая на Австрийском предприятии Voest Alpiene Schienen, -закалка рельсов длиной до 120 м проводится в положении «головкой вниз» в водном растворе полимера как с прокатного, так и со специального нагрева. Указанное предприятие производит рельсы длиной до 120 м. Примером другого, принципиально иного, подхода могут являться предприятия Японской промышленности - Nippon Steel Corporation & Sumitomo Metal или Nippon Кокап, а также американское предприятие EVRAZ Pueblo. На этих предприятиях термическая обработка рельсов производится с использованием тепла прокатного нагрева, а в качестве охлаждающей среды выступает воздух, который по сравнению с полимером обладает лучшей контролируемостью и большей экологичностью. Несмотря на более высокие технико-экономические показатели, этот способ не лишен крайне важного для нашей страны недостатка. Как показали исследования, выполненные в

- 17 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

работе [6], по сравнению с отечественными объемно-закаленными, рельсы, закаленные с прокатного нагрева, имеют существенно более низкие показатели ударной вязкости, что приводит в случае возникновения трещины к ее катастрофическому распространению. С другой стороны, рельсы имеют довольно высокие показатели трещиностойкости, что свидетельствует о низкой вероятности возникновения трещины в период гарантийной наработки, заявленной на уровне 1 млрд, тонн брутто.

Таким образом, наиболее перспективной с точки зрения энергозатрат и ресурсосбережения является технология закалки рельсов воздухом с прокатного нагрева.

В настоящей работе проведена серия экспериментов по термической обработке рельсовых проб сжатым воздухом с отдельного печного нагрева, целью которых является определение перспективных режимов термической обработки и химических составов рельсовой стали в рамках подготовки к освоению технологии промышленного производства дифференцированно термически упрочненных рельсов.

Объектом исследования являются 400-мм пробы, отобранные от горячекатаных железнодорожных рельсов типа Р65 из стали марки Э76Ф текущего производства, изготовленных по ГОСТ Р 51685 - 2000, а также рельсов опытных плавок Л1 - Л4 из стали марки Э78ХСФ, дополнительно микролегированных ниобием в количестве до 0,06 %. Содержание основных элементов в металле опытных плавок представлено ниже:

Плав- Массовая доля химических элементов, %

ка С Ми Si Сг V Nb

Л1 0,79 1,09 0,43 0,57 0,04 0,035

Л2 0,79 1,12 0,43 0,58 0,04 0,042

ЛЗ 0,79 1,10 0,42 0,59 0,04 0,048

Л4 0,75 0,83 0,55 0,42 0,04 0,060

Как видно из представленных данных металл плавок Л1 - ЛЗ по содержанию основных химических элементов имеет сопоставимый химический состав и в основном отличается по содержанию ниобия. Металл плавки Л4 отличается от плавок Л1 - ЛЗ самым высоким содержанием ниобия и кремния, а также более низкими содержаниями углерода, марганца и хрома.

Дифференцированную термическую обработку проводили после нагрева проб в газовой печи до температуры 850 - 930 °С, выдержки при этой температуре в течение 20 - 30 мин, подстуживания до температуры начала закалки, которая варьировалась от 800 до 880 °С, и

охлаждения сжатым воздухом при постоянном давлении от 1000 до 2500 мм вод. ст. в течение 90 - 200 с. По окончании термической обработки рельсы остывали до комнатной температуры в условиях естественной конвекции.

Температуру в процессе проведения экспериментов фиксировали ручным инфракрасным пирометром типа Raynger MX.

Внешний вид установки для термической обработки рельсов представлен на рис. 1. Установка состоит из трех перфорированных коробов, расположенных над поверхностью головки рельса. В конструкции коробов предусмотрено крепление для манометров. К каждому коробу подведен шланг от распределительного устройства с отдельным регулирующим краном. К распределительному устройству подведен сжатый магистральный воздух с каналом большего сечения.

К перфорированной области коробов прикреплена пластина с соосными перфорации отверстиями. Система перфорации короба и отверстий в прикрепленной пластине образуют совокупность сопел.

Установка позволяет регулировать в процессе проведения эксперимента расстояние между плоскостью сопел и охлаждаемой поверхностью проб, что дает возможность добиться наиболее эффективного и равномерного охлаждения.

Регулировка давления в каждом коробе ведется индивидуальным шарнирным клапаном. Подача воздуха осуществляется общим запорным клапаном.

После проведения экспериментов от каждой пробы в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685 - 2000 были отобраны: темплет для измерения твердости на поверхности катания и по сечению головки и шейки рельса, образец для определения механических свойств при растяжении; образец для проведения испытания на ударный изгиб при температурах комнатной и -60 °С, а также образец для

Рис. 1. Опытная установка дифференцированной термической обработки рельсов типа Р65 сжатым воздухом

- 18 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

контроля микроструктуры, вырезанный в верхней части головки.

Испытание на твердость проводили методом Бринелля на твердомере типа ТШ-2М шариком диам. 10 мм при нагрузке 3000 кгс (или 3 • 104 Н) в соответствии с требованиями ГОСТ 9012 - 59.

Механические свойства при растяжении определяли на разрывной испытательной машине EU-40 с усилием в 10 т на разрывных цилиндрических образцах диам. 6 мм и начальной расчетной длиной рабочей части 30 мм, приготовленных в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685 - 2000 и ГОСТ 1497.

Испытание на ударный изгиб осуществляли на маятниковом копре МК-15 в соответствии с требованиями ГОСТ 9454 на стандартных образцах размером 10x10x55 мм с U-образным надрезом радиусом 1 мм и глубиной 2 мм.

Микроструктуру металла выявляли методом электролитического полирования поверхности микрошлифа в 5 %-ном уксусном растворе хлорной кислоты и травлением в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты.

Измерение скорости охлаждения по сечению рельсовой пробы проводили при помощи специально подготовленного полнопрофильного темплета, отобранного от рельса типа Р65, с высверленными на глубине 5, 10 и 20 мм отверстиями. После нагрева темплета и выдержки до заданной температуры (~ 900 °С) предварительно подогретый конец термопары совмещали с отверстием в пробе и проводили ускоренное охлаждение по различным режимам.

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 2. Изменение средних скоростей охлаждения опытного металла на различном расстоянии от поверхности катания в зависимости от давления сжатого воздуха при охлаждении в интервале температур 770 - 670 °С

охлаждении в интервале температур 770 -670 °С. Видно, что средняя скорость охлаждения в интервале перлитного превращения составляет порядка 4-8 °С/с на поверхности катания, 2,0 - 2,5 °С/с - на глубине 10 мм и 1,0 -1,6 °С/с - на глубине 20 мм.

Температура конца охлаждения в зависимости от температуры нагрева и продолжительности охлаждения составила от 450 до 680 °С.

По завершении охлаждения в течение примерно 60 - 95 с происходит разогрев поверхности проб за счет теплоотдачи внутренних слоев. После выравнивания температуры скорость охлаждения внутренних и поверхностных слоев одинаковая и находится на уровне примерно 0,13 - 0,5 °С/с (рис. 3).

Определение скоростей охлаждения по сечению головки рельса

Термическая обработка рельсовых проб из стали марки Э78ХСФ

На рис. 2 представлено изменение средних скоростей охлаждения опытного металла на различном расстоянии от поверхности катания в зависимости от давления сжатого воздуха при

Для проведения опытов по закалке на опытной установке отобрали пробы длиной 400 мм от рельсов типа Р65 из стали марки Э78ХСФ

Продолжительность охлаждения, ч:мин:с

Рис. 3. Температура рельсов на поверхности (□) и на глубине 20 мм (6) при охлаждении в течение 210 с при давлении сжатого воздуха 1000 мм вод. ст.

- 19 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

четырех плавок, микролегированных ниобием, условно замаркированных как Л1 - Л4.

Закалку рельсовых проб длиной до 400 мм проводили после нагрева до температуры около 900 °С, выдержки при этой температуре в течение 30 мин, подстуживания до температуры начала охлаждения 770 - 870 °С. Охлаждение проводили при давлении 1000, 1500 и 2200 мм вод. ст. в течение 90 - 280 с. Режимы термической обработки и результаты механических испытаний представлены в табл. 1, откуда видно, что при охлаждении с давлением 1000 мм вод. ст. при температурах начала закалки менее 825 °С и продолжительности охлаждения менее 150 с опытный металл не удовлетворяет требованиям нового рельсового стандарта для рельсов категории ДТ350 в основном из-за низких прочностных свойств и твердости. Температура самоотпуска для металла, показавшего удовлетворительные значения свойств, не превышала 580 °С.

Микроструктура рельсового металла плавок Л1 - ЛЗ при указанных условиях охлаждения с поверхности на глубину до 2 и до 5 мм с поверхности выкружки имеет недопустимые участки бейнитной структуры. Далее по глубине микроструктура опытного металла состоит из тонкопластинчатого перлита, степень дисперсности которого уменьшается по мере удаления от поверхности. В микроструктуре металла плавки Л4 бейнит не выявлен.

С повышением давления до 1500 - 2000 мм вод. ст. значительно увеличиваются прочностные свойства и твердость опытного металла. Необходимый уровень свойств достигается при охлаждении в течение 110 с. При этом существенно увеличивается глубина бейнитного слоя с поверхности рельсовых проб, отобранных от рельсов с более высоким содержанием марганца и хрома. В микроструктуре металла плавки Л4 при указанном давлении бейнит не обнаружен.

Таким образом, по соотношению уровня механических свойств, твердости, ударной вязкости и микроструктуре оптимальным комплексом свойств обладает металл плавки Л4.

Закалка проб рельсов текущего производства категории Т1 из стали марки Э76Ф

В качестве сравнения с опытным металлом подвергли закалке четыре пробы, отобранные от рельсов из стали марки Э76Ф текущего производства категории Т1. Температура начала охлаждения составила 845 °С, продолжительность 130 - 180 с, давление воздуха 1500 и 2100 мм вод. ст.

Из представленных в табл. 2 данных видно, что металл текущего производства категории Т1 из стали Э76Ф удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 51685 - 2013 для рельсов категории ДТ350 по уровню пластических свойств при растяжении и ударной вязкости, но имеет достаточно нестабильный уровень твердости на поверхности катания и по сечению, а также достаточно низкие значения временного сопротивления разрыву.

По сравнению с опытным металлом рельсы текущего производства имеют несколько пониженный уровень механических свойств и твердости, что обусловлено более низким содержанием в них элементов, повышающих устойчивость переохлажденного аустенита, и несколько более высокий уровень ударной вязкости, что может быть обусловлено влиянием ниобия.

Микроструктура металла рельсов текущего производства, закаленных на опытной установке, представляет собой тонкопластинчатый перлит без выделений зернограничного феррита.

Выводы. Оптимальный уровень свойств для рельсов типа Р65 категории ДТ350, соответствующий требованиям ГОСТ Р 51685 - 2013 из стали марки Э78ХСФ, достигается закалкой с отдельного нагрева от температур свыше 825 °С в течение не менее 150 с; при давлении 1500 - 2200 мм вод. ст. - в течение не менее 110 с. Повышение содержания элементов, увеличивающих устойчивость аустенита (хрома, марганца свыше 0,45 и 0,83 % соответственно), нецелесообразно, так как это приводит к появлению в микроструктуре нежелательной бейнитной структуры и повышенному уровню твердости на поверхности катания и по сечению. Рельсы текущего производства, закаленные на опытной установке с прокатного нагрева, показали удовлетворительные значения механических свойств и низкие показатели твердости, что обусловлено недостаточной охлаждающей способностью воздуха по сравнению с закалкой в масле для этой марки стали.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дефекты и качество рельсовой стали / В.В. Павлов, М.В. Темлянцев, Л.В. Корнева, Т.Н. Осколкова, В.В. Гаврилов. - М.: Теплотехник, 2006. - 218 с.

2. Шур Е.А. Повреждения рельсов. - М.: Интекст, 2012. - 192 с.

3. Перспективные технологии тепловой и термической обработки в производстве рельсов / В.В. Павлов, М.В. Темлянцев,

-20 -

-и-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Таблица 1

Режимы термической обработки и свойства образцов рельсов типа Р65 опытного металла

Плавка Проба Температура, °С Р, мм вод. ст. т, с От, кгс/мм2 кгс/мм2 5, % У|/, % KCU 20/-60 Дж/см2 нвпкг нв10 НВ22 НВБЫКр ю нвш НВПОдОП1ва

т 1 н.о. т 1 к.о т 1 п.в

Л1 1 820 680 690 1000 90 56 103 19,5 58 66/- 297 295 286 288 300 278 280 277

2 860 600 615 1000 150 77 125 14,5 37 32/14 398 385 356 368 388 335 347 339

3 845 430 505 1000 210 87 132 14,0 48 17/11 401 388 359 385 383 339 333 326

4 780 365 460 1500 150 72 117 20,0 56 43/13 356 345 321 337 333 302 290 292

5 825 400 485 2100 150 100 136 11,0 50 20/3,7 398 380 345 368 368 333 323 321

Л2 1 815 560 660 1000 90 55 103 18,0 56 66/12 315 306 292 300 311 278 272 275

2 845 н/д 580 1000 150 80 128 13,0 45 35/25 375 370 354 363 370 321 315 319

3 800 385 466 1000 150 71 115 15,5 58 5515 350 345 326 335 333 306 298 293

4 830 410 495 2200 150 65 114 17,0 48 27/11 401 388 354 375 375 337 335 329

5 845 430 540 1500 150 103 142 16,5 55 30/11 444 385 370 415 415 359 368 368

ЛЗ 1 845 430 545 1000 150 85 130 12,0 48 35/8,5 393 380 356 378 378 333 329 331

2 825 440 510 1000 180 86 128 13,0 48 31/11 398 383 352 380 380 325 326 323

3 780 375 460 2100 150 75 116 15,0 55 52/8,6 345 341 323 339 337 298 288 300

4 845 420 525 1500 160 99 137 15,0 52 23/9 432 395 378 398 395 345 352 354

5 845 300 386 1500 280 95 133 14,0 51 25/8,6 451 390 383 429 415 343 356 356

Л4 1 815 600 1000 150 62 112 15,5 47 43/- 341 341 325 335 331 300 302 302

2 845 490 530 1000 180 85 126 15,5 51 25/7,2 366 366 354 368 368 315 323 321

3 840 400 520 2100 150 87 130 17,5 52 17/11 378 380 352 383 380 329 337 335

4 830 446 600 1500 110 89 128 16,5 51 26/8,4 378 383 361 385 388 341 343 343

5 830 425 535 2100 135 88 130 16,0 51 16/9,7 380 380 356 388 385 341 350 345

Требования ГОСТ Р 51685 - 2013 для рельсов кате-тории ДТ350 Не менее 352-401 Не менее Не более

82 126 9,0 25,0 15 341 321 341 341 363

Примечание. Здесь и в табл. 2 Тно, Тко и Тпв - температуры начала, конца охлаждения и после выравнивания; Р - давление сжатого воздуха; т - продолжительность охлаждения; KCU 20/-60 - испытание на ударный изгиб при температурах 20 и -60 °С.

-22-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Таблица 2

Режимы воздухоструйной термической обработки и свойства образцов рельсов типа Р65 из металла текущего химического состава стали

марки Э76Ф

Проба Температура Р, мм вод. ст. X, с От, кгс/мм2 кгс/мм2 5, % У|/, % KCU20/-60 Дж/см2 нвпкг нв10 НВ22 НВБЫКр ю нвш НВПОдОП1ва

т 1 н.о. т 1 К.О т 1 п.в

1 845 395 480 2100 150 85 119 15 47 31/31 347 343 325 341 341 302 307 307

2 845 400 580 1500 130 82 124 16,5 46 36/23 359 356 341 356 356 307 321 319

3 845 380 540 1500 150 84 120 15,5 46 36/24 343 349 337 343 343 302 313 311

4 845 350 460 1500 180 84 124 15,5 45 34/12 359 359 350 359 359 319 331 333

Требования ГОСТ Р 51685 - 2013 для рельсов категории ДТ350 Не менее 352 -401 Не менее Не более

82 126 9,0 25,0 15 341 321 341 341 363

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 3 (9), 2014

Л.В. Корнева, А.Ю. Сюсюкин. - М.: Теплотехник, 2007. - 280 с.

4. Федин В.М. Объемно-поверхностная закалка деталей подвижного состава и верхнего строения пути. - М.: Интекст, 2002. -208 с.

5. Масару Уэда, Кацуя Иван о, Такэси Ямамото. Характеристики термоупрочненных рельсов и новейшие разработки Nippon Steel // Инженерные решения. 2012. Январь. С. 9 - 11.

6. Корнева Л.В., Ю н и н Г.Н., Козырев Н.А., Атконова О.П., Полевой Е.В. Сравнительный анализ показателей качества рельсов ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» и зарубежных производителей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 12. С. 38 - 42.

© 2014 г. КВ. Волков, Е.В. Полевой, М.В. Темлянцев, О.П. Атконова, А.М. Юнусов, А.Ю. Сюсюкин Поступила 28 августа 2014 г.

УДК 62-419.5:620.172.224:519.876.5

Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, А.А. Голик, И.А. Пономарева, В.Н. Арисова

Волгоградский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНТАКТНОГО УПРОЧНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОСЛОЙКИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ МАГНИЕВО-АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ*

При сварке плавлением магния с алюминием образуются хрупкие интерметаллиды, резко снижающие работоспособность конструкций, поэтому обычно используются сваренные взрывом магниево-алюминиевые переходники [1] различных конструкций. Наиболее часто используют два типа соединений: 1) композиция МА2-1-АД1-АМг6, применяемая для эксплуатации при температурах от -196 до +100 °С, не допускающая при дуговой сварке перегрева границы АД1-МА2-1; 2) четырехслойная композиция МА2-1-ВТ1-0-АД1-АМгб, рассчитанная на эксплуатацию в диапазоне температур от -196 до +500 °С. Прочность таких соединений в направлении, нормальном границе раздела слоев, определяется свойствами наиболее слабого из составляющих материалов, которым обычно является прослойка алюминия, играющим роль буфера пластичности и диффузионного барьера. С уменьшением толщины прослойки (ее обычно характеризуют относительной толщиной % = hid, где h - толщина прослойки, d - диаметр испытываемого образца) начинает проявляться

*

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект №14-1900418).

эффект контактного упрочнения. Для расчета прочности композитов с мягкими прослойками ранее разработан графоаналитический метод [1, 2], обеспечивающий приемлемые для практики результаты. После разработки метода конечных элементов и создания на его основе пакетов компьютерных программ, например SIMULIA/ABAQUS, появилась возможность более точного моделирования поведения различных процессов - от гидродинамических потоков расплавов металлов [3] и температурных полей в нагреваемых слябах под прокатку [4] до деформации композиционных материалов с резко различающимися по прочностным характеристикам слоями.

Целью настоящей работы являлась верификация моделирования с использованием пакета компьютерных программ SIMULIA/ABAQUS поведения при растяжении магниевоалюминиевых композитов с мягкой прослойкой при нормальной и повышенных температурах.

Для верификации результатов моделирования был изготовлен сваркой взрывом слоистый композит МА2-1-АД1-АМг6, в котором толщина алюминиевого подслоя изменялась в диапазоне 0,1 - 1,5 мм, а толщины магниевого

-23 -