CC BY
77
[Щ] Транспорт (S L
ее «в Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 56, no.4 r
УДК 625.143 DOI: 10.26731/1813-9108.2017.4(56).197-206
С. С. Черняк 1, В. Л. Бройдо 2, Л. В. Тужилина 1
1Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Российская Федерация 2Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Российская Федерация Дата поступления: 21 ноября 2017 г.
РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ РЕЛЬСОВ ИЗ ЗАЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ
Аннотация. Осуществление технической реконструкции железнодорожного транспорта, эффективное использование новых мощных локомотивов, ускорение движение поездов в большой мере зависят от качества рельсов. Современные железнодорожные рельсы работают в очень трудных условиях. Статическая нагрузка на ось локомотива или большегрузного вагона доходит до 27 т. Скорости движения товарных поездов на отдельных участках пути превышают 100 км/ч. При этом особое значение имеет качество рельсов, необходимое не только для обеспечения высокой грузонапряженности, большой скорости и безопасности движения, но и для удлинения срока службы их в пути.
Совместно специалистами ЕВРАЗ ЗСМК и ИрГУПС были проведены отработка состава стали, технологии изготовления износостойких рельсов для железных дорог МПС РФ и промышленные испытания на сложных участках пути. Для повышения качества рельсов и износостойкости необходимо улучшать химический состав и чистоту рельсового металла, а также совершенствовать технологию нагрева заготовок, прокатки, калибровку валков, термическую обработку и т. п. В данной статье представлен анализ отработки состава и параметров технологии изготовления рельсов из заэвтектоид-ной стали и приведены результаты испытаний опытных партий рельсов.
Ключевые слова: рельсовая сталь, химический состав, механические свойства, износостойкость, выплавка, очистка стали, неметаллические включения, непрерывная разливка стали, термическая обработка.
S. S. Chernyak 1, V. L. Broido 2, L. V. Tuzhilina 1
1 Irkutsk State Transport University, Irkutsk, the Russian Federation
2 Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, the Russian Federation Received: November 21, 2017
THE DEVELOPMENT OF THE COMPOSITION AND MANUFACTURING TECHNOLOGY OF THE WEAR RESISTANT RAILS MADE OF HYPEREUTECTOID STEEL
Abstract. Technical reconstruction of railway transport, the efficient use of new powerful locomotives, and accelerating the movement of trains to a large extent depend on the quality of rails. Modern rails operate under hardship conditions. The static load on the axle or heavy locomotive car reaches 27 m. The rail quality is crucial not only for ensuring the rates offreight train traffic on certain high traffic density, high speed and traffic safety, but also for the extension of their service life on the road.
During the cooperative work, the experts of Evraz ZSMK (United West Siberian Metallurgical Combine) and Irkutsk State Transport University conducted a testing of the composition of steel, wear-resistant rails manufacturing technology for the RF Ministry of Railways Railway road and industrial tests in arduous sections of the track. To improve the quality of the rails, it is necessary to improve the wear resistance, the chemical composition and purity of the rail metal. It is also necessary to improve the heating technology for billets and the rolling, as well as the calibrating of rolls, heat treatment, etc. For R65 rails in curved sections of the track, especially with curves of a small radius (R <450 m), the guaranteed number of the transported cargo is not more than 150 million tons. The nature of the defects results in the deflection of rails from the track at different straight and curved portions of small radius. The main defects in the areas of small radius curves are crushing and abrasion of rails. This problem is solved by the production of hypereutectoid steel rails and bainitic steel rails.
This article provides an analysis of the workout of the composition and the production technology parameters for rails made of the hypereutectoid steel, and also the results of tests on the experimental batches of rails.
Keywords: rail steel, a chemical composition, mechanical properties, an abrasion resistance, smelting, steel cleaning, non-metallic inclusions, a continuous steel casting, heat treatment.
Введение
До последнего времени для рельсов Р65 криволинейных участков пути, особенно с кривыми малого радиуса (R< 450 м), гарантированное количество перевезенного груза составляло не более 150 млн т.
Характер дефектов, служащих причиной изъятия рельсов с пути, различен на участках пря-
молинейных и кривых малого радиуса. Основными дефектами на участках кривых малого радиуса являются смятие и истирание рельсов.
Можно добиться значительного повышения стойкости рельса против истирания и смятия повышением прочностных характеристик рельсовой стали. Эта задача разрешается практически путём
© С. С. Черняк, В. Л. Бройдо, Л. В. Тужилина, 2018
197
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (56) 2017
производства заэвтектоидных рельсов и рельсов из бейнитной стали.
Для ВСЖД на ЕВРАЗ ЗСМК для проведения промышленных испытаний было отгружено около 300 т рельсов опытных партий и в условиях участка пути Иркутск - Слюдянка, характеризующегося большим количеством кривых малого радиуса, проведены испытания, показавшие более высокую стойкость к боковому износу.
На основании требований ГОСТ Р 516852000 для марки стали Э85Ф и ТУ 0921-12501124328-2001 для марки стали Э83Ф была разработана технология выплавки и разливки на МНЛ заэвтектоидной рельсовой стали.
Проведены 4 рельсовых кампании выплавки, разливки и прокатки рельсов Р65К, всего за период отработки отгружено железным дорогам МПС РФ около 5 тыс. т рельсов Р65К из заэвтектоидной стали, в т. ч. на ВСЖД отгружено 2 сцепа износостойких рельсов для проведения промышленных испытаний [2-4].
Выплавку опытного рельсового металла производили согласно требованиям технологической инструкции ТИ 68-ЭС-004-2003, разработанной и утвержденной специалистами ЗСМК и согласованной с инспекцией МПС РФ по приемке рельсовой продукции.
Выплавка осуществлялась одношлаковым процессом с отсечкой шлака в стотонных дуговых печах с основной футеровкой, водоохлаждаемыми стенами и сводом, оснащенными газокислородными горелками, кислородными фурмами и манипуляторами.
Раскисление металла производилось в ковше во время выпуска присадкой силикомарганца, ферросилиция, феррованадия. Также металл в ковше обработан твердой шлакообразующей смесью, состоящей из извести 1300-1500 кг и плавикового шпата 300-400 кг, а также силикокальцием в количестве 400 кг.
После выпуска плавки производилась обязательная предварительная двухминутная продувка стали на УПСА (установка продувки стали азотом). После продувки стали в ковше перед отправкой на МНЛЗ (машина непрерывной разливки стали) температура металла составляла 1530-1545 °С [5].
Разливка металла производилась на 4 ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 330^300 мм сериями по 4-5 плавок.
Температурно-скоростной режим разливки:
менее 1475 °С - 0,60 м/мин;
1475-1485 °С - 0,55 м/мин;
более 1485 °С - до 1495 °С, 0,50 м/мин.
Порезку непрерывнолитых заготовок на мерные длины производили с учетом получения в рельсобалочном цехе из одной заготовки двух 25-м рельсов.
После порезки НЛЗ (непрерывнолитые заготовки) охлаждаются в коробах замедленного охлаждения до температуры 300-400 °С, производится их осмотр с целью отбраковки заготовок с дефектами. Отгрузка НЛЗ в прокатный цех осуществляется вагонами открытыми или вагонами-термосами (в зимнее время).
Нагрев НЛЗ под прокатку и термическую обработку рельсов производили в соответствии с действующими технологическими инструкциями.
Выход рельсов первого сорта в длине 25 м по качеству поверхности составил около 94,0 %.
Анализ химического состава рельсовых плавок двух кампаний представлен в табл. 1, третьей рельсовой кампании - в табл. 2.
В металле второй кампании среднее содержание ванадия - 0,054 %, азота - 0,0107 %.
Среднее значение содержания алюминия в металле трёх кампаний практически одинаковое и составляет 0,007-0,008 %.
Концентрация ванадия и азота, полученная в металле плавок первой кампании, находится в пределах, предусмотренных для рельсов низкотемпературной надежности по ТУ 0921-11801124328-2001 непрерывной разливки стали), температура металла составляла 1530-1545 °С.
При отработке технологии нитридного упрочнения рельсовой стали установлено, что оптимальное сочетание ванадия и азота, составляющее соответственно 0,08-0,10 % и 0,013-0,017 %, обеспечивает повышение сопротивления рельсов хрупкому разрушению за счет образования дисперсных частиц нитридов алюминия и карбонит-ридов ванадия, приводящих к значительному измельчению аустенитного зерна. Это особенно важно для рельсов из стали с заэвтектоидным содержанием углерода, характеризующихся сравнительно низким запасом вязкости [5-7].
Оценку загрязнённости металла неметаллическими включениями проводили по ГОСТ Р 516852013 на шлифах, вырезанных из шести горячекатаных рельсов, отобранных от каждой партии.
Длина строчек глобулярных включений в рельсах первой партии не превышает нормы, предусмотренной по ГОСТ Р 51685-2013 для рельсов общего назначения, в рельсах второй партии превышает допустимые пределы и составляет 0,83 и 1,29 мм.
оо оо I
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 56, no.4
Химический состав стали плавок двух кампании
Таблица 1
№ кам- Шифр Массовая цоля химических элементов , %
пании плавки С Мп Si Р 8 Сг Ni Си AI V N
Б633 0,86 0,92 0,35 0,016 0,007 0,09 0,07 0,11 0,006 0,08 0,012
Н634 0,84 0,86 0,34 0,014 0,007 0,09 0,06 0,10 0,011 0,06 0,013
Н635 0,84 0,90 0,34 0,012 0,006 0,06 0,06 0,09 0,007 0,07 0,014
Н636 0,83 0,83 0,37 0,011 0,009 0,11 0,08 0,12 0,009 0,07 0,012
Б637 0,85 0,82 0,35 0,012 0,005 0,06 0,05 0,09 0,006 0,07 0,016
Б638 0,85 0,90 0,35 0,015 0,007 0,11 0,08 0,12 0,006 0,07 0,014
Б639 0,81 0,80 0,34 0,014 0,010 0,06 0,06 0,11 0,008 0,07 0,012
Б640 0,84 0,87 0,33 0,009 0,006 0,06 0,05 0,09 0,010 0,07 0,013
I Б641 0,86 0,88 0,37 0,009 0,008 0,04 0,05 0,08 0,008 0,07 0,012
Н642 0,87 0,88 0,35 0,015 0,007 0,11 0,07 0,13 0,007 0,07 0,013
Н643 0,85 0,85 0,40 0,012 0,011 0,06 0,06 0,11 0,007 0,07 0,013
Н644 0,87 0,83 0,39 0,012 0,007 0,05 0,05 0,10 0,006 0,08 0,017
Н645 0,87 0,84 0,33 0,012 0,007 0,11 0,09 0,11 0,007 0,07 -
Б646 0,85 0,84 0,36 0,011 0,005 0,05 0,05 0,08 0,011 0,07 -
Б647 0,86 0,88 0,36 0,018 0,008 0,09 0,07 0,15 0,008 0,07 0,012
Б648 0,84 0,85 0,33 0,017 0,007 0,05 0,05 0,08 0,007 0,08 0,014
Мт 0,81 0,80 0,33 0,009 0,005 0,04 0,05 0,08 0,006 0,06 0,012
Мах 0,87 0,92 0,40 0,018 0,011 0,11 0,09 0,15 0,011 0,08 0,017
Среднее 0,849 0,859 0,354 0,0131 0,0073 0,075 0,063 0,104 0,0077 0,071 0,0134
Б1998 0,87 0,92 0,32 0,014 0,010 0,09 0,06 0,11 0,007 0,05 0,010
Н1999 0,84 0,82 0,35 0,011 0,012 0,05 0,06 0,11 0,008 0,05 0,012
Н2000 0,84 0,96 0,36 0,016 0,007 0,04 0,04 0,07 0,008 0,06 0,010
Н2001 0,84 0,90 0,37 0,011 0,006 0,06 0,05 0,10 0,008 0,05 0,012
Б2002 0,84 0,88 0,35 0,013 0,009 0,05 0,06 0,10 0,007 0,05 0,009
Н2003 0,85 0,90 0,36 0,016 0,010 0,10 0,07 0,12 0,008 0,05 0,010
Н2004 0,85 0,81 0,31 0,011 0,006 0,05 0,05 0,09 0,008 0,05 0,012
Б2005 0,83 0,81 0,33 0,011 0,007 0,06 0,06 0,11 0,007 0,05 0,009
II Н2006 0,85 0,85 0,34 0,015 0,009 0,06 0,06 0,13 0,008 0,06 0,013
Н2007 0,82 0,79 0,29 0,017 0,008 0,08 0,06 0,15 0,006 0,06 0,011
Н2008 0,85 0,77 0,30 0,016 0,007 0,09 0,06 0,11 0,006 0,05 0,011
Б2009 0,87 0,81 0,34 0,017 0,014 0,07 0,07 0,12 0,009 0,06 0,009
Б2010 0,84 0,84 0,40 0,020 0,010 0,06 0,07 0,12 0,008 0,06 0,011
Н2011 0,88 0,85 0,36 0,011 0,007 0,06 0,06 0,10 0,008 0,05 0,011
Б2012 0,85 0,89 0,33 0,016 0,006 0,05 0,05 0,09 0,008 0,05 0,010
Б2013 0,84 0,88 0,31 0,016 0,008 0,06 0,04 0,10 0,006 0,06 0,012
Мт 0,82 0,77 0,29 0,011 0,006 0,04 0,04 0,07 0,006 0,05 0,009
Мах 0,87 0,96 0,40 0,020 0,014 0,10 0,07 0,15 0,008 0,06 0,013
Среднее 0,848 0,855 0,334 0,0144 0,0085 0,064 0,057 0,10 0,0075 0,054 0,0107
Требования 0,83 0,75 0,25 <0,20 <0,15 <0,20 0,08 0,010
ГОСТ Р 51685- - - - суммарная цоля <0,04 - -
цля Э90АФ 0,95 1,25 0,60 <0,020 <0,025 не более 0,40 0,15 0,020
Требования 0,78 0,75 0,25 < 0,015 каждого 0,03
ТУ 02921- 125-2001 - - - суммарная цоля - -
для Э83Ф 0,88 1,05 0,45 <0,020 <0,015 не более 0,040 <0,020 0,15
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (56) 2017
Таблица 2
Химический состав стали плавок третьей кампании_
Номер плавки Массовая доля химических элементов, %
С Мп 8i Р 8 AI V Сг N1 Си
Н2382 0,87 0,94 0,38 0,011 0,006 0,008 0,06 0,05 0,05 0,08
Н2383 0,85 0,95 0,33 0,018 0,009 0,006 0,05 0,13 0,11 0,12
Н2384 0,85 0,84 0,32 0,010 0,006 0,007 0,07 0,05 0,06 0,09
Н2385 0,85 0,88 0,34 0,017 0,011 0,006 '0,05 0,09 0,07 0,11
Б2386 0,87 0,85 0,34 0,013 0,009 0,008 0,05 0,10 0,06 0,12
Б2387 0,84 0,84 0,30 0,016 0,009 0,007 0,05 0,10 0,08 0,13
Б2388 0,84 0,82 0,32 0,015 0,009 0,006 0,05 0,06 0,05 0,09
Н2389 0,85 0,94 0,37 0,016 0,008 0,008 0,05 0,10 0,11 0,14
Б2390 0,83 0,82 0,33 0,011 0,008 0,008 0,05 0,08 0,07 0,10
Н2391 0,85 0,88 0,37 0,013 0,008 0,006 0,05 0,09 0,09 0,15
Н2392 0,87 0,88 0,31 0,016 0,008 0,006 0,05 0,07 0,06 0,11
Н2393 0,85 0,94 0,34 0,012 0,007 0,008 0,05 0,06 0,06 0,09
Н2394 0,86 0,90 0.38 0.014 0,009 0,010 0,05 0,07 0.06 0,11
Б2395 0,86 0,86 0,33 0,012 0,009 0,006 0,05 0,07 0,06 0,11
Н2396 0,84 0,92 0,32 0,015 0,011 0,006 0,05 0,07 0,06 0,10
Min 0,83 0,82 0,30 0,010 0,006 0,006 0,05 0,05 0,05 0,08
Мах 0,87 0,95 0,38 0,018 0,011 0,010 0,07 0,13 0,11 0,15
Среднее 0,852 0,884 0,340 0,014 0,0085 0,007 0,052 0,080 0,070 0,11
Сопоставление результатов оценки загрязненности стали неметаллическими включениями позволяет сделать вывод, что металл рельсов первой партии более чистый по сравнению со второй.
Оценку макроструктуры проводили в соответствии с ГОСТ Р 51685-2013 на пробах, отобранных от горячекатаных рельсов.
Макроструктура рельсов соответствует требованиям ГОСТ Р 51685-2013 (табл. 1). Качество макрострукруры рельсов первой партии ниже по сравнению с рельсами второй партии. В макроструктуре рельсов двух плавок первой кампании и одного рельса третьей кампании химическая и точечная неоднородность соответствует предельно допустимой. Пораженность металла остальных плавок этими дефектами находится в допустимых пределах, и даже в подавляющем большинстве проконтролированных рельсов точечная неоднородность отсутствует. При этом в рельсах, соответствующих хвостовой части непрерывнолитой заготовки, степень развития указанных дефектов была больше, чем в рельсах, соответствующих головной части заготовки.
В макроструктуре рельсов второй партии в отличие от первой точечная неоднородность пол-
ностью отсутствует. Ликвационные полоски в макроструктуре рельсов отсутствуют.
Травление поперечных темплетов, отобранных от объемно закаленных рельсов, показало структурную однородность всего поперечного сечения, что видно по одинаковой травимости всех элементов профиля рельса. Темнотравящийся ореол с поверхности катания головки, наблюдающийся иногда на обычных объемно закаленных рельсах, на заэвтектоидных рельсах отсутствует. Механические свойства Для определения механических свойств в соответствии с требованиями ГОСТ Р51685-2013 от контрольных объемнозакаленных рельсов всех плавок отобрали пробы. Дополнительно проводили испытания на ударную вязкость при минус 60 °С. Результаты испытаний представлены в табл. 3.
Из данных таблицы видно, что объемно закаленные заэвтектоидные рельсы по механическим свойствам при растяжении, ударной вязкости, твердости на поверхности катания и по сечению удовлетворяют требованиям ГОСТ Р51685-2013 для рельсов категории ОТ370ИК и требованиям ТУ 0921-125-01124328-2002 для стали Э83Ф.
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 56, no.4
Таблица 3
Механические свойства рельсов
№ партии № плавки Твердость рельса, НВ от ов §5 - KCU при температуре
Головка Подошва
ПКГ 10 мм 22 мм шейка 1 2 МПа % +20 °С 60 °С
Дж/см2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
I Б633 375 375 352 363 375 363 990 960 1360 1360 10 10 44 44 34 31 18 20
Н634 401 375 352 363 375 375 940 900 1360 1320 15 11 43 41 41 42 22 20
Н635 375 375 352 375 375 375 101 990 1370 1340 11 11 40 41 38 25 13 23
Н636 388 388 363 363 375 375 101 103 п 1390 1400 10 12 40 40 33 33 22 16
Б637 388 388 375 352 363 363 106 106 1422 1420 11 11 39 40 30 33 26 25
Б638 388 388 363 388 375 388 990 103 1380 1420 12 10 41 40 37 37 18 21
Б639 363 363 341 352 363 363 990 103 1340 1380 11 11 44 41 28 30 19 41
Б640 363 375 352 363 363 363 990 103 1380 13 11 11 41 40 38 29 20 22
Б641 388 388 363 388 375 375 1040 103 1420 1400 11 10 40 40 32 32 20 21
Н642 388 375 352 388 388 388 990 1010 1400 1420 12 11 39 42 39 33 20 19
Н643 375 375 352 363 375 375 960 990 1340 1380 12 10 41 36 27 29 10 31
Н644 401 388 363 363 388 388 1010 1010 1410 1390 10 13 36 41 36 34 25 26
Н645 401 388 363 375 375 375 950 990 1410 1420 14 12 43 35 35 33 24 16
Н646 388 388 363 363 363 375 970 940 1360 1360 12 11 43 41 35 36 20 24
Б647 388 388 352 363 375 388 1010 960 1380 1370 11 13 42 41 34 37 14 22
Б648 388 388 363 375 375 375 990 990 1360 1380 12 13 39 39 26 37 14 22
Min 363 363 341 363 363 363 90 132 10 35 25 10
Max 401 388 363 388 388 388 106 142 15 44 42 41
Среднее 384,9 388,2 357,6 368,6 373,6 375,3 99,5 138,2 11,4 40,5 33,8 26
Б1998 388 388 363 375 388 375 . 102 98 143 140 12 11 36 38 27 37 16 10
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (56) 2017
Б1999 401 388 363 375 375 375 950 990 1380 1400 10 10 33 36 39 38 09 10
II Н2000 375 375 363 363 375 375 990 990 1380 1380 11 8 28 23 36 31 2.0 21
Н2001 388 388 363 388 375 375 990 1010 1410 1390 1 1 11 37 38 36 31 26 . 20
Б2002 401 388 363 363 388 388 980 960 1400 1380 10 9 40 40 38 30 14 14
Н2003 401 388 363 375 388 388 1020 990 1430 1410 10 10 39 39 27 40 10 15
Н2004 388 375 352 363 375 375 1040 1040 1400 1400 10 10 36 36 38 29 16 21
Н2005 388 388 363 352 375 375 990 1050 1380 1430 11 11 39 35 38 35 17 18
Н2006 388 388 363 375 375 363 940 990 1360 1390 10 10 31 27 30 33 24 21
Н2007 388 375 352 375 375 375 980 990 1360 1380 10 8 32 25 35 20 20 17
Н2008 388 388 363 363 388 388 990 990 1380 1410 10 11 35 36 33 40 21 16
Б2009 401 388 363 388 375 388 990 990 1410 1410 11 10 39 40 33 33 17 11
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 14
Б2010 401 401 375 375 388 375 1060 1010 1450 1390 9 9 40 40 31 36 27 22
Б2011 415 388 363 363 388 388 990 990 1400 1380 9 9 36 31 34 37 28 18
Б2012 401 401 375 375 388 388 970 990 1410 1430 11 11 36 37 36 37 19 20
Б2013 401 388 375 363 375 375 980 990 1360 1380 10 10 40 39 32 41 14 11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Мт 363 375 352 363 375 375 940 1360 8 23 27 9
Мах 415 401 375 388 388 388 1150 1450 12 40 40 28
Среднее 394,6 387,2 363,9 363,9 380,7 379,1 996 1396 10,1 35,5 34 17
Н2382 388 401 375 388 388 388 990 1410 10 29 38 32
Н2383 388 388 375 375 388 388 40 36
Н2385 401 401 375 375 388 388 30 31
Б2386 388 388 375 375 388 388 36 36
Б2387 388 388 363 375 388 388 31 37
Б2388 388 388 363 375 388 388 37 38
Н2389 401 401 375 363 388 388 28 35
Б2390 388 388 363 363 388 388 30 40
Н2391 388 401 375 375 388 388 41 38
Н2392 388 388 363 375 388 388 35 27
Н2393 388 388 363 375 375 375 31 41
Транспорт (S L 1
оо оо Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 56, no.4 r
Н2394 388 388 363 375 388 388 38 32
Б2395 388 388 363 388 388 388 25 30
Н2396 401 388 363 388 388 388 2.6 2.7
Min 388 388 363 363 375 375 2,5
Max 401 401 375 388 388 388 4,1
Среднее 390,6 391,5 368,6 376,0 388,0 388,0 3,36
Требования ГОСТ >363 >352 >870 > 1280 >8,0 >20 > 15 -
Р 51685-2013 370-40 не более 388
для рельсов 9
категории -
ОТ370ИК
Требования Не менее
ТУ 0921-125-
01124328-2001 для Э83Ф >363 >352 >341 не более 401 90 130 7 26 2,0 1,5
Результаты механических испытаний показывают, что рельсы из заэвтектоидной стали имеют существенное преимущество перед рельсами из стали Э76Ф. Заэвтектоидные рельсы обладают значительно более высоким уровнем твердости (ср. НВ > 390,0) и прочности (ср. от = 995,5, ср. ов = 1389 МПа), хорошей пластичностью (ср. 5 = 10,8, ср. — = 38 %) и удовлетворительной ударной вязкостью при комнатной температуре (ср. КСи = 34 Дж/см2) и минус 60 °С (ср. КСИ-60 =с = 21,5 Дж/см2).
Более высокие значения твердости и прочности заэвтектоидной стали обусловлены высоким содержанием углерода, который, как известно, уменьшает скорость перлитного превращения, что приводит при закалке к образованию более дисперсной структуры [7, 9].
Рельсы двух партий, показавшие практически одинаковый уровень прочности и твердости, различаются между собой по уровню ударной вязкости и пластичности.
Рельсы первой партии имеют более высокую ударную вязкость при минус 60 =С (ср. КСИ-60 »с = 26 Дж/см2). Частотное распределение их ударной вязкости показало максимальное число наблюдений в интервале значений 17-20 и 21-24 Дж/см2. При этом интервалу 9-12 Дж/см2 соответствует наименьшее число наблюдений в отличие от рельсов второй партии.
При испытании рельсов второй партии мак-
симальное число ударных образцов показали ударную вязкость при минус 60 =С в пределах 13-20 Дж/см2. При этом количество выпадов по этой характеристике (при норме КСИ-60 »С> 15 Дж/см2) было в два раза больше, чем на рельсах первой партии.
Характеристики пластичности (5, —) рельсов первой партии также несколько выше, чем рельсов второй партии. Относительное удлинение рельсов первой партии колеблется в пределах от 10 до 15 %, а рельсов второй партии - 8-12 %. Относительное сужение рельсов первой партии составило 35-44 % против 23-40 % рельсов второй партии.
Более высокий уровень ударной вязкости и пластичности рельсов первой партии по сравнению с рельсами второй партии при практически одинаковой их прочности и твердости обусловлен большим количеством ванадия и азота в стали рельсов первой партии, которые при введении в раскисленную алюминием рельсовую сталь обеспечивают измельчение аустенитного зерна за счет образования дисперсных карбонитридов и нитридов ванадия.
Степенью измельчения аустенитного зерна и определяется сопротивление металла хрупкому разрушению.
Испытания на копровую прочность и остаточные напряжения Копровые испытания проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685-2013
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (56) 2017
при температуре минус 60 °С и высоте подъема груза 4,2 м на пробах, отобранных от всех контрольных объемно закаленных рельсов.
Остаточные напряжения определяли на одном рельсе от каждой партии методом разрезки шейки рельсовой пробы в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685-2013.
Результат копровых испытаний показали, что все контрольные рельсы первой партии выдержали испытания без разрушения. Стрела прогиба их составила 8,5-10 мм.
Рельсы четырех плавок второй партии первичные испытания не выдержали. Повторные испытания эти рельсы выдержали без разрушения. Стрела прогиба проб второй партии имеет более узкий интервал по сравнению с первой партией и составляет 8,5-9 мм.
Анализ результатов копровых испытаний показывает, что первая партия рельсов по сравнению со второй имеет более высокое сопротивление металла при разрушении.
Результаты замеров показали, что величины расхождения паза на пробах опытных партий рельсов составляют соответственно 1,1 и 1,7 мм и находятся в пределах допускаемого значения 2,5 мм по ГОСТ Р 51685 для рельсов категории ОТ370ИК.
Малая величина расхождения паза пробы рельсов первой партии свидетельствует о сравнительно низком уровне остаточных напряжений, что связано, возможно, с закалкой этих рельсов по оптимально выбранному режиму (температура 800 - 810 °С).
Микроструктура
Металлографическое исследование проводили на шлифах, вырезанных из головки, шейки и подошвы контрольных нетермообработанных и объемноза-каленных рельсов всех плавок двух партий.
Конечную полировку шлифов производили электролитически в хлорно-уксусном растворе (95 % уксусной кислоты и 5 % хлорной кислоты), травление - в спиртовом (4 %) растворе азотной кислоты.
Результаты металлографического исследования показали, что рельсы после термической обработки имеют по всему сечению практически однородную структуру - сорбит закалки.
Однако в отдельных рельсах как первой, так и второй партии в структуре шейки в зоне обратной ликвации имеются участки ферритной сетки (рис. 1). Избыточная цементитная фаза наблюдается в зоне прямой ликвации углерода в шейке рельсов (рис. 2). Структурно-свободный цементит оценивали при увеличении х500 по шкале N 4 ГОСТ 801-78. В рельсах четырех плавок первой партии и шести плавок второй партии цементитная сетка оценивается баллом 3 (рис. 2).
При исследовании не установлено зависимости количества цементитной фазы от содержания углерода в стали. Образование цементита в шейке связано с ликвационными процессами.
Изучение микроструктуры показало, что структурно-свободный цементит имеет неодинаковое распределение по границе аустенитного зерна и определяется в основном его величиной. Точечные выделения цементита наблюдаются в мелкозернистой структуре (рис. 3).
Величину природного зерна рельсов опытных партий определяли методом окисления при температуре 850 °С и выдержке 3 часа и оценивали по ГОСТ 5639-82.
В металле рельсов первой партии аустенит-ное зерно более мелкое (балл 9-8, рис. 4), чем в рельсах второй партии (балл 8, рис. 5).
ш
ш
тлтж
Ъ).
§ * 1000 Рис. 1. Микроструктура шейки рельса
1С £ЪО
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 56, no.4
Рис. 2. Избыточная фаза цементита в шейке рельса
^гштт
Рис. 3. Точечные выделения цементита
Щзн
-ш
Рис.4. Аустенит, балл зерна 9-8 1-й партии
Ш1^
Механические свойства и твердость рельсов двух партий, несмотря на одинаковые условия закалки, несколько различаются, что связано с разной величиной зерна аустенита. За счет более крупного зерна в структуре рельсов второй партии образуется более дисперсная структура, о чем свидетельствует более высокий уровень их прочности и твердости. Мелкозернистая структура металла обеспечила на рельсах первой партии более высокий уровень ударной вязкости и пластичности.
Заключение
1. Две опытные партии заэвтектоидных рельсов Р65К, изготовленные из электростали, отлитой на МНЛЗ, по химическому составу соответствуют стали Э85Ф по ГОСТ Р 51685-2013 и Э83Ф по ТУ 0921-125-01124328-2001. В металле рельсов первой партии содержание ванадия и азота выше, чем в рельсах второй партии.
2. Металлургическое качество рельсов первой партии выше, чем рельсов второй партии. Металл рельсов первой партии чище по строчечным хрупкоразрушенным сложным оксидам.
3. Выход рельсов I сорта по качеству поверхности первой и второй партии соответственно составил 94,3 и 94,6 %.
4. Макроструктура заэвтектоидных рельсов удовлетворительная и соответствует требованиям ГОСТ Р 51685-2013.
5. Объемно закаленные заэвтектоидные рельсы по механическим свойствам при растяжении, ударной вязкости, твердости на поверхности: катания и по сечению удовлетворяют требованиям ГОСТ Р51685-2013 для рельсов категории ОТ370ИК и требованиям ТУ 0921-125-011243282002 для стали Э83Ф.
6. Опытные рельсы из заэвтектоидной стали имеют существенное преимущество перед рельсами из стали Э76Ф. Они обладают значительно более высоким уровнем твердости (ср. НВ > 390,0) и прочности.
Рис.5. Аустенит, балл зерна 8 2-й партии
иркутским государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (56) 2017
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Безопасность России. Безопасность железнодорожного транспорта в условиях Сибири и Севера / В.А. Акимов, В.А. Алек-сеенко и др. М. : Знание, 2014. 856 с.
2. Железнодорожные рельсы для Сибири / В.П. Деменьтьев, Л.В. Корнева и др. Иркутск, Изд-во ИрГУПС, 2010. 320 с.
3. Черняк С.С. Железнодорожный путь Восточной Сибири. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2003. 424 с.
4. Козырев H.A., Дементьев В.П. Производство железнодорожных рельсов из электростали Новокузнецк, 2000. 123 с.
5. Производство рельсов из электростали / Л.А. Годик и др. // Электрометаллургия. 2000. N 7. С. 47.
6. Качество железнодорожных рельсов из непрерывнолитой стали, выплавленной в электропечи / В.В. Могильный и др. // Сталь. 1997. N 8. С. 53-55.
7. Козырев Н.А., Яковлев П.Ю., Козырева О.А. Прогнозирование твердости и механических свойств рельсовой стали Э76В // Изв. вузов. Черная Металлургия. 1999. N 8. С. 37-39.
8. Пат. 2291218 Рос. Федерация, МПК С22С 38/24. Рельсовая сталь / Корнева Л.Е., Черняк С. С. и др.; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщ. N 2005117855/02; заявл. 09.06.05, опубл. 10.01.07, Бюл. N1. 8 с.
9. Пат. 2224044 Российская Федерация, МПК7 С22 С38/46. Сталь / Ворожищев В.И., Черняк С.С. и др. ; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. N ; заявл. 25.01.02, опубл. 20.02.04, Бюл. N5. 6 с.
10. Хоменко А.П., С.С. Черняк, Бройдо В.Л. Разработка технологии электропечной выплавки легированной ванадием рельсовой стали и качество рельсов // Изв. Транссиба. 2016. N 3 (27). С. 66-76.
REEERENCES
1. Akimov V.A., Alekseenko V.A. et al. Bezopasnost' Rossii. Bezopasnost' zheleznodorozhnogo transporta v usloviyakh Sibiri i Severa [Security of Russia. Safety of railway transport in the conditions of Siberia and the North]. Moscow: Znanie Publ., 2014, 856 p.
2. Demen't'ev V.P., Korneva L.V. et al. Zheleznodorozhnye rel'sy dlya Sibiri [Railway rails for Siberia]. Irkutsk: ISTU Publ., 2010,320 p.
3. Chernyak S.S. Zheleznodorozhnyi put' Vostochnoi Sibiri [The railway of Eastern Siberia]. Irkutsk: ISTU Publ., 2003,424 p.
4. Kozyrev N.A., Dement'ev V.P. Proizvodstvo zheleznodorozhnykh rel'sov iz elektrostali [Production of railway rails from electric steel]. Novokuznetsk, 2000, 123 p.
5. Godik L.A. et al. Proizvodstvo rel'sov iz elektrostali [Production of rails from electric steel]. Elektrometallurgiya [Electrical Metallurgy], 2000, No. 7, pp. 47.
6. Mogil'nyi V.V. et al. Kachestvo zheleznodorozhnykh rel'sov iz nepreryvnolitoi stali, vyplavlennoi v elektropechi [Quality of railway rails from continuous steel smelted in electric furnaces]. Stal' [Steel], 1997, No. 8, pp. 53-55.
7. Kozyrev N.A., Yakovlev P.Yu., Kozyreva O.A. Prognozirovanie tverdosti i mekhanicheskikh svoistv rel'sovoi stali E76V [Prediction of Hardness and Mechanical Properties of E76B Rail Steel]. Izv. vuzov. Chernaya Metallurgiya [Izvestiya - Ferrous Metallurgy], 1999, No. 8, pp. 37-39.
8. Korneva L.E., Chernyak S. S. et al. Rel'sovaya stal' [Rail steel]. Patent RF 2291218, MPK S22S 38/24. Patent applicant and holder is Irkutsk State Transport University. No. 2005117855/02; applied Jun 09 2005, publ. Jan. 10 2007, Bull. No.1, 8 p.
9. Vorozhishchev V.I., Chernyak S.S. et al. Stal' [Steel]. Patent RF 2224044, MPK7 S22 S38/46. Patent applicant and holder is Irkutsk State Transport University. No. ; applied Jan 25,2002, publ. Feb 20, 2004, Bull. No.5, 6 p.
10. Khomenko A.P., S.S. Chernyak, Broido V.L. Razrabotka tekhnologii elektropechnoi vyplavki legirovannoi vanadiem rel'sovoi stali i kachestvo rel'sov [Development of technology for electric furnace melting of vanadium-alloyed rail steel and the quality of rails]. Izv. Transsiba [Journal of Transsib Railway Studies], 2016, No. 3 (27), pp. 66-76.
Информация об авторах
Черняк Саул Самуилович - д. т. н., профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск
Бройдо Владимир Львович - к. т. н., доцент кафедры «Машиностроительные технологии и материалы», Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, e-mail: [email protected]
Тужилина Лариса Викторовна - к. т. н., доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: [email protected]
Для цитирования
Черняк С. С. Разработка состава и технологии изготовления износостойких рельсов из заэвтектоидной стали / С. С. Черняк, В. Л. Бройдо, Л. В. Тужилина // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2017. — Т. 56, N 4. — С. 197-206. — DOI: 10.26731/1813-9108.2017.4(56). 197-206.
Authors
Saul Samuilovich Chernyak - Doctor of Engineering Science, Prof., the Subdepartment of Automation of Production Processes, Irkutsk State Transport University, Irkutsk
Vladimir L 'vovich Broido - Ph.D. in Engineering Science, Assoc. Prof., the Subdepartment of Machine-Building Technologies and Materials, Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, e-mail: [email protected],
Larisa Viktorovna Tuzhilina - Ph.D. in Engineering Science, Assoc. Prof., the Subdepartment of Railway Track and Facilities, Irkutsk State Transport University, Irkutsk, e-mail: [email protected]
Eor citation
Chernyak S. S., Broido V. L., Tuzhilina L. V. Razrabotka sostava i tekhnologii izgotovleniya iznosostoikikh rel'sov iz zaevtektoidnoi stali [The development of the composition and manufacturing technology of the wear resistant rails made of hypereutectoid steel]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2017. Vol. 56, No. 4, pp. 197-206. DOI: 10.26731/1813-9108.2017.4(56).197-206.
