CC BY
355
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ -ТРАНСПОРТУ
УДК 629.421
С. И. Губенко
Национальная металлургическая академия Украины
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕСНОЙ СТАЛИ
Изучены характеристики горячедеформируемых опытных сталей с твердостью 400HB. Целью работы было получение опытных колесных сталей с повышенными механическими характеристиками, достигаемыми без термического упрочнения сталей. В ходе исследований были получены и изучены стали разного химического состава. Отливки подвергались пластической деформации и отпуску на различных режимах. Для полученных образцов были проведены металлографические и рентгеноструктурные исследования, а также комплекс механических испытаний на базе ИЧМ НАН Украины. На основе проведенных исследований были сделаны выводы о возможности получения бейнитной структуры в колесной стали без упрочняющей термической обработки и о перспективности использования такой стали для производства железнодорожных колес.
железнодорожное колесо, бейнитные стали, параметры структуры, механические свойства, износ.
Введение
Термическая обработка железнодорожных колес является эффективным способом повышения их прочности, а значит и эксплуатационной надежности [1]. Она обеспечивает получение мелкозернистых и высокодисперсных пластинчатых продуктов распада аустенита. При этом на поверхности катания не должен образовываться мартенсит, напряжения должны быть минимальными для обеспечения высокого сопротивления хрупкому разрушению. Наиболее распространенным способом упрочнения колес является закалка обода с последующим отпуском: благодаря трехстороннему отводу тепла обеспечивается упрочнение обода и боковых граней, снижается уровень 11
11
остаточных напряжений во всех элементах колеса вследствие уменьшения температурного градиента в ободе, получается благоприятная дисперсная пластинчатая структура продуктов распада аустенита с размерами зерен 6-9 баллов. Наиболее интенсивное упрочнение при одновременном увеличении пластичности стали достигается при скоростях охлаждения стали 0,5-6 °С/с.
Проблема получения высокопрочных и надежных железнодорожных колес является актуальной во всем мире. Ее решение позволит существенно повысить конкурентную способность отечественных колес. Следует отметить сложность и многогранность этой проблемы, которая включает ряд аспектов, связанных с получением высококачественной стали, оптимизацией процессов обработки давлением на всех этапах получения колеса, разработкой новых конструкций колес, обеспечением необходимого уровня термического упрочнения. Современные условия эксплуатации железнодорожных колес требуют существенных мероприятий по обеспечению повышенного уровня твердости ободьев до 400 НВ. Такие проблемы могут быть решены в результате фундаментальных материаловедческих исследований.
Оптимальной структурой металла ободьев принято считать дисперсный перлит с небольшой долей феррита, что обеспечивает достаточно высокий комплекс показателей прочности, твердости и вязкости колесной стали [1]. Однако возможности перлитной структуры в значительной степени исчерпаны, и необходим новый нетрадиционный подход. Перспективной структурой стали, которая обеспечивает рациональное соотношение повышенных характеристик твердости, прочности и вязкости, является бейнит.
Известно, что в странах с развитой железнодорожной сетью проводятся разработки бейнитных рельсов и колес [2] - [4]. Что касается бейнитных рельсов, то известный уровень их твердости (до 400 НВ) требует получения железнодорожных колес с соответствующей твердостью. Это обеспечит соотношение твердости колесо/рельс (0,8-1,0) /1,0 [5] и необходимый уровень износостойкости и контактной прочности такой пары трения.
Большинство работ по разработке бейнитных колес были связаны с проблемой получения сталей с повышенным сопротивлением к мартенситному превращению с целью уменьшения и даже устранения вероятности образования многих поверхностных усталостных дефектов. Например, разработанная в работе [6] сталь имеет повышенное сопротивление к мартенситному превращению, но ее механические свойства близки к свойствам стандартной колесной стали ERS. Из этой стали компания «Вальдюн» (Франция) производит железнодорожные колеса.
Целью настоящей работы было получение опытных сталей с твердостью 400 НВ и повышенными механическими характеристиками по сравнению с колесной сталью, а также сопротивлением к мартенситному превращению. Была поставлена задача достижения возможности получения этих свойств без термического упрочнения.
12
1 Материалы и методики исследований
Были получены опытные стали разного химического состава: С - 0,12... 0,45 %, Si - 0,24.0,83 %, Mn - 0,95.1,5 %, а также Mo, Cr, Ni, V, Ti, Al. Провели шесть опытных плавок с разным содержанием углерода и легирующих элеменов: пл. 1 - с добавкой никеля, пл. 2, 6 - экономно легированные, пл. 3, 4, 5 - безникелевые. Стали выплавляли в индукционной опытно-промышден-ной печи. Отливки подвергали пластической деформации ковкой по режиму: температура начала и конца деформации соответственно 1200 и 950-900 °С, степени деформации 50 и 90 % (это степени деформации соответственно обода и диска при производстве колеса), охлаждение на воздухе (скорость охлаждения 1,5-5 °С/с в зависимости от времени года). После горячей деформации часть образцов отпускали при температуре 500-525 °С для снятия напряжений.
Металлографические исследования проводили с помощью оптической и электронной микроскопии (микроскопы «Неофот-21» и ЭМ-125). Рентгеноструктурные исследования проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0. Анализ интерференций а-фазы (110) и (220) проводили в медном монохроматическом излучении. Определяли размер блоков DHKL, микронапряжения Да/а, плотность дислокаций и количество остаточного аустенита. Оценивали также склонность опытных сталей к образованию мартенсита при быстром нагреве и охлаждении в сравнении со стандартной колесной сталью торцевой закалкой по методу Джомини.
Был проведен комплекс механических испытаний на базе ИЧМ НАН Украины. Базовыми значениями для сравнения были свойства по ГОСТ 10791 для колесной стали, а также свойства колесной стали по европейскому стандарту (табл. 1).
Проводили испытания на твердость, статическое растяжение, ударный изгиб, относительные характеристики износостойкости материалов в парах трения колесо-рельс.
ТАБЛИЦА 1. Механические характеристики по требованиям для колес из стандартной стали повышенной прочности и Евростандарта рг EN 13262
Наименование стандарта о, МПа в’ °0^ МПа 65, % V, % НВ KCU, Дж/см2
Не менее
ГОСТ 10791-2011 >1020 - 9 16 > 320 18
Евростандарт рг EN 13262 900- 1050 - 12 - 245 12
13
2 Результаты исследований и их обсуждение
Исследования горячедеформированных опытных сталей показали следующие результаты. Микроструктура стали пл. 1 представляет собой бейнит с небольшим количеством мартенсита. Степень дисперсности структуры возрастает с увеличением степени деформации (рис. 1, а, б). Игольчатый бейнит является двойникованным; бейнит такого типа называют реечным ферритом. В участках бейнита присутствуют ультрадисперсные карбиды (по-видимому, это Мо2С и (Бе,Сг)3С), в мартенситных прослойках карбиды не обнаружены. Микроструктура стали пл. 2 является феррито-перлитной.
а)
в)
Рис. 1. Структура горячедеформированных сталей пл. 1 (а, б) и пл. 4 (в, г);
а, в, - х 200, б, г - х 22000
Микроструктура стали пл. 3 представляет собой бейнито-ферритную смесь с небольшим количеством мартенсита, причем бейнит реечного типа. В этой стали после горячей деформации сохранились зоны ликвации, что вызвало появление феррита в структуре.
Микроструктура стали пл. 4 представляет собой бейнит с небольшим количеством мартенсита. Увеличение степени деформации способствует дис-
б)
г)
14
пергированию структуры стали. Бейнит в изучаемой структуре - реечный, ближе по морфологии к верхнему бейниту. В бейнитных рейках видны дисперсные карбиды (Fe,Cr)3C, хотя встречаются участки бейнита и без карбидов. Гладкие участки на репликах соответствуют мартенситу (рис. 1, в, г), который является мелкоигольчатым, его наличие в бейните (в небольших количествах) обусловлено природой бейнитного превращения. Очевидно, что при образовании и росте бейнитных реек (пластин, игл) локальное перераспределение углерода и легирующих элементов изменяет кинетику и механизм распада аустенита.
Микроструктура стали пл. 5 представляет собой бейнит, степень дисперсности которого увеличивается при степени деформации от 50 до 90 %. При степени деформации 50 % рейки бейнита близки к структуре верхнего бейнита. В структуре бейнита присутствуют дисперсные карбиды УС, Мо2С.
Микроструктура стали пл. 6 представляет собой ультрадисперсный перлит с очень тонкими прослойками феррита.
Электронно-микроскопические исследования бейнита в опытных сталях показали, что и верхний, и нижний бейнит имеют благоприятную реечную структуру, для которой характерна ячеистая дислокационная субструктура с повышенной плотностью дислокаций 1011.. ,1012 см-2, близкая к субструктуре деформированного металла (см. рис. 1, б, г). Это дает возможность допустить, что бейнит в определенной степени наследует субструктуру деформации. На степень дисперсности как бейнитной структуры, так и ячеистой субструктуры, благоприятно влияет степень горячей деформации. Доля мартенсита в структуре сталей пл. 1, 3, 4, 5 около 5 %. Анализ тонкой структуры мартенситных участков показал, что в мартенсите прошел самоотпуск при температуре бей-нитного превращения, поэтому он не будет вызывать хрупкость стали.
Система легирования сталей влияет на положение критических точек, смещая их по температурной шкале, и таким образом влияет на морфологию a-фазы и карбидов в бейнитной структуре. В бейните верхнем (безкарбидном) значительная часть углерода, который не успел продиффундировать в окружающий аустенит во время роста реек бейнита, поступает к дислокациям и образует на них атмосферы Коттрелла (это может быть до 0,05 % С). Остаток углерода расходуется на образование карбидов и мартенсита. Верхний бейнит не требует отпуска, поэтому он является благоприятной структурой с точки зрения соотношения характеристик прочности, пластичности и вязкости стали. Это очень важно, поскольку в литературе часто более благоприятной структурой считают нижний бейнит.
Рентгеноструктурные исследования позволили получить параметры тонкой структуры бейнита в опытных сталях после горячей деформации (табл. 2). Уровень микронапряжений у сталей всех плавок после отпуска уменьшается. Значения плотности дислокаций подтверждают результаты электронно-микроскопических исследований; после отпуска этот параметр
15
ТАБЛИЦА 2. Параметры тонкой структуры бейнита сталей опытных плавок 1, 3, 4 после горячей деформации (DHKL - размер блоков, А а/а - микронапряжения,
рх - плотность дислокаций)
Режим обработки Плавка 1 Плавка 3 Плавка 4
о 4" о О 7 О аЗ "cS < О d о 4 " о О 7 О оЗ < (N 1 S о ч О- о т~ о н-1 к Q сч 1 О оЗ "сЗ < (N 1 S о ч О-
Горячая деформация (8 = 50 %) 4,4 2,32 7 1012 3,9 - 4,510й 3,0 0,45 2,61012
Горячая деформация (8 = 50 %) + отпуск 4,5 2,24 6,5-10" 4,8 - 6,9 1010 2,7 0,21 5,010"
уменьшается на порядок, что благоприятно для свойств сталей. Что касается количества остаточного аустенита, то после горячей деформации он находится на уровне 5-10,7 %.
Таким образом, по результатам изучения микроструктуры сталей можно сделать следующие выводы. Горячая деформация сталей с последующим охлаждением на воздухе позволила получить в опытных сталях плавок 1, 3-5 бейнитную структуру более дисперсную, чем в исходном литом состоянии. Чем больше степень деформации, тем выше дисперсность бейнита. Это свидетельствует о стабильности процессов структурообразования в изучаемых сталях при охлаждении в момент распада аустенита, а также о возможности диспергирования их структуры путем интенсификации деформации. В сталях плавок 2 и 6 не была получена бейнитная структура в горячедеформированном состоянии, что связано с недостаточным количеством в них легирующих элементов.
Наличие в структуре сталей плавок 1, 3-5 небольшого количества мартенсита связано с природой бейнитного превращения и локальным перераспределением углерода и легирующих элементов при зарождении и росте бей-нитных реек. Очевидно, что структуры стали, содержащей 100 % бейнита, не бывает. Кроме бейнита и мартенсита, присутствуют дисперсные карбиды молибдена, ванадия, легированного хромом цементита. Характер бейнита в сталях разных плавок отличается как по морфологии, так и по степени дисперсности. Тем не менее очень важно, что бейнитная структура в изучаемых горячедеформированных сталях была получена без специальной термической обработки, поэтому необходимо оценить уровень механических свойств этих сталей. 16
16
Непосредственно после деформации измеряли твердость опытных сталей (табл. 3). Ее величина зависит от состава и структуры стали. Сталь плавки 2 с феррито-перлитной структурой имеет низкую твердость (190-264 НВ), сталь пл. 6 с перлитной структурой имеет более высокую твердость, однако ее значения значительно ниже 400 НВ. Что касается сталей пл. 1 и 3-5, то после горячей деформации их твердость достигает 400 НВ и даже выше, это объясняется наличием бейнитной структуры со специальными дисперсными 17
ТАБЛИЦА 3. Твердость и механические свойства сталей опытных плавок после
горячей деформации и отпуска*
Номер плавки Состояние стали Свойства
Твердость, НВ о , МПа о, МПа S5, % ¥, % KCU, Дж/см2
1 г/д, 8 = 50 % 405 - - - - -
г/д, 8 = 90 % 420 - - - - -
г/д, 8 = 50 %, отпуск 432 1591 1318 13,2 25,3 28,92
г/д, 8 = 90 %, отпуск 455 - - - - -
3 г/д, 8 = 50 % 408 - - - - -
г/д, 8 = 90 % 410 - - - - -
г/д, 8 = 50 %, отпуск 402 1309 1082 8,3 19,8 15,61
г/д, 8 = 90 %, отпуск 409 - - - - -
4 г/д, 8 = 50 % 420 - - - - -
г/д, 8 = 90 % 424 - - - - -
г/д, 8 = 50 %, отпуск 437 1457 1044 9,5 14,0 25,91
г/д, 8 = 90 %, отпуск 451 1542 1124 11,9 28,5 41,8
5 г/д, 8 = 50 % 400 - - - - -
г/д, 8 = 90 % 401 - - - - -
г/д, 8 = 50 %, отпуск 409 1610 1164 7,8 8,2 25,79
г/д, 8 = 90 %, отпуск 432 - - - - -
г/д, 8 = 90 %, отпуск 434 - - - - -
17
карбидами. То есть можно предположить, что требуемый уровень твердости ободьев колес может быть получен после горячей деформации колеса без последующей термоупрочняющей обработки (закалки). Практически у всех сталей с увеличением степени деформации увеличивается твердость, что связано с диспергированием структуры и, по-видимому, с увеличением плотности дислокаций.
Для уменьшения внутренних напряжений горячедеформированные образцы подвергали отпуску (500-525 °С, 1 ч), после чего измеряли их твердость и проводили механические испытания на статическое растяжение и ударный изгиб. Результаты испытаний приведены в таблице 3, их следует сравнивать с механическими характеристиками колесной стали по ГОСТ 10791 и Евростандарту (см. табл. 1).
Очевидно, что после горячей деформации получены механические свойства опытных сталей, их по уровню прочности, пластичности, твердости и вязкости превышают требования отечественных стандартов, европейского, UIC. Это в первую очередь касается сталей плавок 1 и 4, у которых все свойства находятся на очень высоком уровне. Сталь пл. 3 имеет значение ударной вязкости чуть ниже, что связано с наличием феррита в ее структуре. По-видимому, появления феррита можно избежать при стабильном процессе деформации и охлаждения. Провалы пластичности у стали плавки 5 обусловлены ее химической и структурной неоднородностью, унаследованной от литого состояния. Сравнение механических характеристик для стали плавки 4 после степеней деформации 50 и 90 % показывает, что и для диска получены высокие свойства.
Механические испытания проведены в ИЧМ НАН Украины. Проведены испытания образцов из бейнитных сталей на износ после горячей деформации на степень 50 % и отпуска. Результаты испытаний образцов опытных сталей представлены в таблице 4. Горячедеформированные стали показали 18
ТАБЛИЦА 4. Результаты испытаний образцов из бейнитных сталей на износ*
Характери- стика образца Потеря массы образца, г Потеря массы контртела, г Суммар- ная потеря массы, г Момент трения, кГсхсм Сила трения, кГс Коэффи- циент трения
Пл. 1 г/деф.+отпуск 0,73 0,129 0,859 67,3 33,65 0,48
Пл. 4. г/деф.+отпуск 0,983 0,151 1,134 72,0 36,0 0,51
Примечание. *Испытания проведены в ИЧМ НАН Украины.
18
высокие значения износостойкости. Интересно отметить высокую износостойкость контртела, что очень важно как показатель воздействия бейнитного колеса на рельс (контртело, как аналог рельса, истирается в минимальной степени). С учетом высокого комплекса механических свойств это позволяет рекомендовать получение бейнитных колес без термоупрочняющей обработки.
Представляет интерес наглядно продемонстрировать повышение износостойкости бейнитных сталей по сравнению с обычной колесной сталью, сопоставив потери массы последней на разных расстояниях от поверхности катания с потерями массы образцов с бейнитной структурой. Степень износа образцов бейнитных сталей составляет 54,4-81,2 % по сравнению с износом серийной колесной стали. В процессе испытаний на износ образцов бейнитных сталей определены характеристики: момент трения, сила трения и коэффициент трения (см. табл. 4).
Кроме механических характеристик - прочностных, пластических, вязких, которые связаны с накоплением тепловой и механической усталости, износом поверхности катания и гребня, пластическими сдвигами в тонком поверхностном слое, а также с возникновением дефектов (ползунов, трещин, раковин), необходимо исследовать склонность опытных сталей к мартенситному превращению в условиях резкого нагрева и охлаждения. Многие поверхностные дефекты появляются в условиях резкого торможения, когда тонкий слой поверхности катания в результате трения от резкого действия тормозной колодки разогревается до температуры аустенитной области (выше 800 °С). Тогда происходит деформация тонкого слоя металла в аустенитном (пластичном) состоянии, что не может выдержать большую эксплуатационную нагрузку, при отключении тормозов поверхность катания резко охлаждается, это приводит к формированию при ускоренном охлаждении так называемого «белого слоя». Известно, что «белый слой» представляет собой ультрадисперсный мартенсит (гарденит), который имеет повышенную хрупкость, особенно при ударах колеса о стыки рельсов (т. е. при динамической нагрузке). Кроме того, он способствует формированию в зонах теплового воздействия различных дефектов, вследствие чего при переточке в процессе восстановления профиля поверхности катания приходится снимать повышенное количество металла.
Для сравнения по методу торцевой закалки (метод Джомини) при нагреве до состояния аустенита подвергали образцы стандартной колесной стали, а также опытных сталей плавок 1, 3, 4, 5, 6. Результаты измерения микротвердости на концах образцов, а также вдоль их длины представлены в таблице 5.
Стандартная колесная сталь и опытная сталь пл. 6 показали склонность к мартенситному превращению. Стали плавок 1, 3, 4, 5 имели стабильные значения микротвердости, уровень которой отвечает наличию бейнитной структуры, что подтверждено также металлографическими исследованиями этих образцов. Безусловно, полностью исключить возможность образования 19
19
ТАБЛИЦА 5. Микротвердость (HV) по длине образцов опытных сталей
Сталь, плавка Место измерения от края образца, мм
0 2 4 6 8 10 12
Колесная сталь 640 640 625 500 320 250 250
1 400 400 400 400 390 380 380
3 420 445 430 420 420 370 380
4 450 460 470 440 460 430 430
5 460 470 450 440 450 435 430
6 600 600 590 590 580 575 570
ползунов и связанных с ними динамических нагрузок в колесах из бейнитной стали невозможно, однако очевидны ее преимущества в этом плане в сравнении с колесами из стандартной стали.
Заключение
Анализ горячедеформированных сталей, подвергнутых деформации по режимам, имитирующим режимы получения обода и диска при производстве колес, показал возможность получения бейнитной структуры без упрочняющей термической обработки. Опытные стали проявили себя как самозакаливающиеся на бейнит. Интересно отметить, что склонность к самозакаливанию проявилась и у никельсодержащей стали (пл. 1), и у безникелевых сталей (пл. 3-5).
При проведении данных исследований возникла новая перспективная задача получения бейнитной структуры железнодорожных колес без использования термоупрочнения, а возможно - с прокатного нагрева. Это может позволить получить высокопрочные бейнитные колеса, исключив стадию термического упрочнения из цикла производства, хотя, безусловно, проведение отпуска для снятия внутренних напряжений необходимо. Исследования показали, что бей-нитные стали весьма перспективны для производства железнодорожных колес, однако необходимо использование и рельсов с бейнитной структурой.
Библиографический список
1. Колесная сталь / И. Г. Узлов, М. И. Гасик, А. Т. Есаулов и др. - Киев : Техника, 1985. - 168 с.
20
2. Бейнитные стали для рельсов / Л. Б. Медовар, К. А. Цыкуленко, А. К. Цыкулен-ко // Проблемы спецэлектрометаллургии. - 1998. - № 3. - С. 10-20.
3. Bhadeshia, H. K. D. H. (1992). Bainite in Steels, London, 468 p.
4. Колеса повышенной твердости / А. В. Сухов // Вагоны и вагонное хозяйство. -2006. - № 3. - С. 25-27.
5. Особенности производства цельнокатаных колес, бандажей и осей. Соответствие их уровня и качества условиям эксплуатации / И. Г. Узлов, Л. А. Моисеева // Залiзничний транспорт Укра'ши. - 1997. - № 2-3. - С. 20-21.
6. Cassidy, P. D. (2001). A new wheel material for the new century. XIII International Wheelset Congress, Rome, Sept. 17-21.
© Губенко С. И., 2014
21
