CC BY
39
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. №14
УДК 669.227.3
Хлестов В.М.1, Фролова З.В.2
ПРЕВРАЩЕНИЕ АУСТЕННТА ПРИ ТЕРМОУПРОЧНЕНИИ РЕЛЬСОВ
Рельсовая сталь разных плавок имеет существенно отличающуюся устойчивость аустенита и неодинаковую твердость после одной и той же обработки. Для стабилизации результатов термоупрочнения рельсов целесообразно поплавочное тестирование устойчивости аустенита и соответствующее корректирование скорости охлаждения при закалке водо-воздушными струями.
Термоупрочнение рельсов по всей длине из стандартной углеродистой стали в 1,5-2 раза повышает срок их службы [1], если при термообработке достигаются оптимальные структура и механические свойства, особенно в головке рельса. В связи с этим ГОСТ 24182-80 предъявляет жесткие требования к механическим свойствам рельсов. Так, твердость поверхности головки рельса не должна выходить за пределы интервала 341-388 НВ, а её колебание на этой поверхности не допускается более 30 НВ.
Согласно [2] конечная структура (тонкопластинчатый сорбит) и механические свойства формируются в результате распада аустенита при охлаждении рельсов, а отпуск и, особенно, самоотпуск на структуру и твердость практически не влияют. В связи с этим можно утверждать, что для получения стабильных свойств термоупрочненных рельсов, удовлетворяющих предъявляемым требованиям, необходимы детальные знания кинетики распада аустенита в условиях непрерывного охлаждения, чтобы управлять процессом структурообразования. Однако закономерности распада аустенита при термоупрочнении рельсов изучены недостаточно. Даже в монографиях [3,4] и обзоре [2], посвященных производству термоупрочненных рельсов, отсутствуют сведения о влиянии условий нагрева, а также колебаний химического состава рельсовой стали разных плавок на процесс распада аустенита и формирование структуры. В связи с этим в настоящей работе была поставлена цель экспериментально изучить роль этих факторов и на основе полученных результатов проанализировать возможности оптимизации режима охлаждения рельсов при их термоупрочнении.
Эксперименты были проведены на стандартной рельсовой стали М76 двух плавок производства МК „Азовсталь" (табл.1).
Таблица 1 - Химический состав исследованных плавок стали М76
Условное обозначение плавки Содержание элементов по массе, %
С Si Мп Cr Ti s Р
А 0,77 0,26 0,89 0,12 0,011 0,022 0,013
Б 0,79 0,29 0,75 0,09 0,010 0,020 0,009
Образцы размером 18x12x3 мм вырезали из головок рельсов. Для изучения кинетики распада аустенита их нагревали в печи по двум режимам: 1) до 850 °С и выдерживали 10 мин.; 2) до 950 °С за 70 с без последующей выдержки. Первый режим имитирует печной нагрев при термоупрочнении рельсов, а второй - соответствует их нагреву ТВЧ на МК „Азовсталь".
После аустенизации образцы охлаждали с различными скоростями (от 0,2 до 160 °С/с). Для этого их охлаждали в малых трубчатых печах и в разогретой кварцевой трубке (0,2; 0,5 и 3,5 °С/с), на спокойном воздухе и в потоке воздуха (9, 17 и 28 °С/с), а также между стальными
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
плитами с наклеенными на них асбестовыми пластинами разной толщины (35, 55, 75 и НЮ С/с). При понижении температуры образцов скорость их охлаждения понижалась. В связи с этим в
работе указывается её среднее значение в интервале 750 С - Аг\ .
Изменение температуры центральной зоны образцов записывали на диаграммной ленте быстродействующего высокочувствительного потенциометра. Наиболее важные фрагменты типичных кривых охлаждения, записанные на потенциометре, приведены на рис.1. Видно, что кривые позволяют с вполне приемлемой точностью (±5 °С) определять критические точки, а также другие важные параметры перлитного распада аустенита. Даже температура начала мартенситного превращения (Ми), сопровождающегося небольшим тепловым эффектом [5], выявляется вполне удовлетворительно (рис. 1,6).
а -охлаждение от 750 "С до А/: со средней скоростью 13 "С/с; б - охлаждение от 750 "С до Мн со средней скоростью 60 "С/с; Ат\ - температура начала эвтектоидного распада аустенита;
А Г, - температура окончания эвтектоидного распада аустенита;
/„„„ - минимальная температура распада аустенита в начальной стадии;
- максимальная температура распада аустенита; Л/ = 1пюх - /„,,„ — температурная амплитуда распада аустенита; т„р - время от начала до окончания распада аустенита; та - время наиболее активного распада аустенита; Мн - температура начала мартенситного превращения.
Рис. 1 - Участки кривых охлаждения образцов стали М76, записанных на диаграммной ленте потенциометра.
Совокупные экспериментальные данные, полученные при графической обработке кривых охлаждения, приведены в табл. 2. Кроме критических точек Аг , А г в ней приведены также другие параметры перлитного распада аустенита, которые на термокинетических диаграммах (ТКД) отсутствуют, или выражены неявно. В первую очередь обращает на себя внимание температурный гистерезис перлитного распада М = (см. рис.1). При ускоренном
охлаждении (17 °С/с) он достигает значительной величины - 55 °С. Представляют также интерес время перлитного распада тпр и время наиболее активного распада та. С увеличением скорости охлаждения обе эти величины резко сокращаются и при достижении скорости охлаждения образцов 35 °С/с они составляют всего несколько секунд, причем при всех скоростях охлаждения та=(0,45-0,5)ткр. Несмотря на это, как показали микроструктурные исследования, в течение та распадается примерно 70 % аустенита. Так как при скорости охлаждения >17 °С/с та <3,5 с, то выделяющаяся теплота перлитного распада аустенита не успевает поглотиться охлаждающей средой и на кривых охлаждения появляются температурные максимумы величиной до 55 °С. Это неизбежно будет влиять на дисперсность продуктов перлитного распада аустенита и на их свойства, что необходимо учитывать при анализе результатов термоупрочнения рельсов, так как они при этом охлаждаются со скоростью 10-30 °С/с [2] и, следовательно, эвтектоидный распад аустенита в этом случае вызывает наиболее значительный разогрев слоя, в котором в данный момент времени протекает перлитная реакция.
Таблица 2 - Параметры распада аустенита стали М76 (средние значения из 3-х измерений)
Среда охлаждения Скорость охлаждения, °С/с Условное обозначение плавки Режим нагрева Критические точки, °С ^ГШП? °с ^тах? °С °С Время превращения, с
Аг/ Аг/1 о ч £ н о ОТ Аг/ ДО Аг/1
Подогреваемая печь 0,2 А 1 690 685 680 690 10 95 200
2 690 685 680 690 10 98 205
Б 2 695 690 685 695 10 96 204
Выключенная печь 0,5 А 1 685 680 675 690 15 80 160
2 685 685 680 695 15 82 160
Б 2 690 690 680 695 15 80 165
Нагретая кварцевая трубка 3,5 А 1 655 670 650 680 30 19 40
2 660 675 655 680 25 20 42
Б 2 670 685 660 685 25 22 45
Спокойный воздух 9 А 1 630 655 620 665 45 7 15
2 640 660 630 675 45 8 17
Б 2 650 670 640 680 40 9 18
Воздушная струя 17 А 1 600 625 590 645 55 3,5 7
2 605 635 595 645 50 3,5 7
Б 2 620 650 610 665 55 3,8 8
Воздушная струя 28 А 1 565 580 540 595 55 2,5 5,5
2 580 600 560 610 50 3 6
Б 2 600 620 585 630 45 3,5 6,5
Плиты с асбестовыми прокладками 35 А 1 520 535 510 550 40 2 4
2 540 560 525 575 50 2 4
Б 2 570 585 550 605 55 2,5 5
То же 55 А 1 Мн=230 нет перлитного распада
2 Мн=230 нет перлитного распада
Б 2 515 525 5 0 5 54 5 40 2 4
То же 70 Б 2 Мн=240 нет перлитного распада
На рис. 2 приведена ТКД распада аустенита стали М76 после скоростного нагрева. Отметим, что она существенно отличается от ранее полученных ТКД этой же стали [4,6] и других эвтектоидных сталей [7] прежде всего по виду кривых охлаждения. На ранее построенных ТКД эти кривые в области перлитного распада аустенита имеют некоторое замедление охлаждения или же вовсе не имеют его, тогда как по нашим данным кривым охлаждения присущи не просто перегибы, а и значительные температурные максимумы, некоторые из которых выходят за границы перлитной области.
Обычно при анализе превращений аустенита на ТКД наносят вектор Ух, соответствующий заданной скорости охлаждения. В таком случае, как это видно из рис.2, может быть сделано ошибочное заключение о том, что температура завершения перлитного распада Аг 1-610 °С. В действительности же Аг «650 С. Следовательно, для получения правильной оценки на ТКД необходимо наносить действительную кривую охлаждения, а не произвольную.
Значительное изменение условий нагрева рельсовой стали несущественно влияет на перлитный распад аустенита. Из табл. 2 видно, что быстрый нагрев (режим 2) несколько снижает устойчивость аустенита, так как точки А1"1 и Аг] повышаются всего на 5-10 °С. Более значительно на кинетику перлитного распада влияет изменение химического состава стали М76. Из табл. 2 и рис. 2 видно, что сталь Б, содержащая меньше марганца на 0,14 %, чем сталь А, имеет выше и левее расположенную перлитную область. При скоростях охлаждения 15-30 °С/с, с которыми охлаждаются рельсы при термоупрочнении [2,3], эта область сдвинута вверх на 15-20 °С, что приводит к снижению твёрдости на 25-30 единиц НВ (рис. 3).
сталь А ------------
сталь Б ----
Рис. 2. -Термокинетические диаграммы распада аустенита стали М76.
1 - сталь А после нагрева до 850 "С;
2 - сталь А после скоростного нагрева до 950 "С;
3 - сталь Б после скоростного нагрева до 950 "С. Рис.3 - Влияние скорости охлаждения на
твёрдость стали М76.
Различия в химическом составе стали М76 разных плавок могут быть более существенными, чем в исследованных сталях. В связи с этим в производстве это может приводить к более значительным колебаниям результатов термоупрочнения рельсов, что, очевидно, крайне нежелательно. Чтобы повысить стабильность получаемых при термоупрочнении механических свойств, необходимо корректировать скорость охлаждения рельсов с учётом устойчивости аустенита стали каждой конкретной плавки. На МК «Азовсталь» такую корректировку скорости охлаждения можно выполнить достаточно просто путём изменения количественного соотношения воды и воздуха в охлаждающих струях.
Несложно также наладить поплавочную экспресс-экспертизу устойчивости аустенита в ЦЛМК или непосредственно в термическом отделении цеха. В связи с этим на МК «Азовсталь» вполне реально проведение термоупрочнения рельсов с учетом поплавочной устойчивости аустенита, что может упростить и сделать осознанным регулировку режима охлаждения рельсов при переходе с одной плавки на другую.
Заключения, сделанные на основе анализа кинетики превращений аустенита, подтверждаются результатами, приведенными на рис. 3, при сопоставлении которых с данными табл. 2 и рис. 2 видно, что твердость стали М76 после охлаждения с одинаковой скоростью тем ниже, чем ниже устойчивость аустенита. При скоростях охлаждения 15-^35 °С/с, которые соответствуют реальным скоростям охлаждения при термоупрочнении рельсов [2,3], различие твердости сталей сравниваемых плавок составляет 20-30 единиц HB. Чтобы получить требуемую стандартом твердость (341-388 HB) сталь А при закалке после нагрева ТВЧ достаточно охлаждать со скоростью 2(R35 °С/с, тогда как для этого сталь Б необходимо охлаждать примерно в 1,5 раза быстрее. Это еще раз указывает на целесообразность корректирования скорости охлаждения рельсов перед началом термоупрочнения изделий из стали новой плавки.
Для того, чтобы установить, насколько это заключение, сделанное на основе лабораторных исследований, будет соответствовать практическим результатам термоупрочнения рельсов, необходимо провести эксперименты в производственных условиях. Только в этом случае можно получить данные, которые позволят найти количественные соотношения между устойчивостью аустенита, режимом охлаждения и механическими свойствами термоупрочненных рельсов.
Выводы
1. В рельсовой стали перлитный распад аустенита протекает с повышением температуры образца до 55 °С. Примерно 70 % эвтектоида образуется в условиях непрерывного повышения температуры, что вызывает неизбежное уменьшение дисперсности пластинчатой структуры.
2. Быстрый нагрев стали М76 по режиму ТВЧ до температуры, на 100 °С превышающей температуру печного нагрева, несущественно ускоряет эвтектоидный распад аустенита. Более сильное влияние на кинетику эвтектоидного превращения оказывает изменение содержания марганца в пределах марочного состава стали.
3. При термоупрочнении твердость стали М76 существенно зависит от устойчивости аустенита. Для повышения стабильности результатов термоупрочнения рельсов необходимо корректировать скорость их охлаждения на основе учета поплавочной устойчивости аустенита рельсовой стали.
Перечень ссылок
1. Поляков В.В. Основы технологии производства железнодорожных рельсов / В.В. Поляков, A.B. Великанов. - М.: Металлургия, 1990. - 416 с.
2. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник в 3-х т. под редакцией БернштейнаМ.Л., Рахштадта А.Г. - М.: Металлургия. 1983. - Т.З - Термическая обработка металлопродукции. - 1983.- 216с.
3. Лемпицкий В.В. Производство и термическая обработка рельсов / В.В.Лемпицкий - М.: Металлургия, 1972. - 256 с.
4. Золотарский А.Ф. Термически упрочненные рельсы / А.Ф. Золотарский, Е.А. Шур. - М.: Металлургия, 1976. - 316 с.
5. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов./ Б.Г. Лившиц. - М.: Металлургия, 1980.-320 с.
6. Качество поверхностно-закаленных рельсов из стали с повышенным содержанием марганца / Д.К. Нестеров, С.И. Дегтярев, О.В. Носоченко и др.// Сталь,- 1999,- №1. - С. 59-63.
7. Попова Л.Е. Диаграммы превращения аустенита в сталях./ Л.Е. Попова, A.A. Попов. - М.: Металлургия, 1991,- 503 с.
Статья поступила 17.03.2004
