CC BY
127
УДК 621.785
12 3
Е.В. Полевой , А.Б. Добужская , М.В. Темлянцев 1 АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» 2 ОАО «Уральский институт металлов» 3 Сибирский государственный индустриальный университет
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННО И ОБЪЕМНОТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ РЕЛЬСОВ
Исследованиями [1 -7] установлено, что микроструктура рельсовой стали, формирующаяся в процессе термической обработки, предопределяет уровень механических свойств и работоспособность рельсов в процессе эксплуатации, поэтому выявление особенностей изменения микроструктуры при изменении схемы термической обработки является важной научно-практической задачей в обеспечении их качества. В 2012 - 2013 гг. на АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ЗСМК) проведена коренная реконструкция рельсового производства, которая включает изменение схемы термической обработки с отказом от технологии объемной закалки рельсов в масле после печного нагрева и внедрение технологии дифференцированной термической обработки воздухом с использованием тепла прокатного нагрева [8 - 10]. В подготовительный период был выполнен большой объем экспериментальных работ на опытной установке, подробно описанной в работах [11 - 14]. Эти эксперименты направлены на выявление оптимального химического состава и определение рациональных режимов термической обработки.
В настоящей работе представлены результаты исследования микроструктуры и свойств металла проб рельсов, закаленных на указанной выше опытной установке воздухом непосредственно после прокатки, а также, в качестве сравнения, результаты исследования микроструктуры объемнозакаленных с печного нагрева рельсов промышленного производства.
Исследование проводили на образцах, вырезанных из рельсов типа Р65 из стали марки Э76Ф и Э76ХФ после объемной и дифференцированной закалки соответственно. Содержание основных химических элементов в металле опытных рельсов представлено в табл. 1. По содержанию химических элементов металл пробы 1 соответствует требованиям ГОСТ Р 51685 - 2000 для стали марки Э76Ф, металл пробы 2 соответствует требованиям ГОСТ Р 51685 - 2013 для стали марки Э76ХФ.
Металл пробы 2, предназначенный для дифференцированной термической обработки, отличается более высоким содержанием хрома, что обусловлено более низкой охлаждающей способностью закалочной среды (воздуха) относительно масла, применяемого для производства рельсов категории качества Т1.
Т а б л и ц а 1
Химический состав металла опытных рельсов
Проба Способ термоупроч- Содержание, %, химических элементов
нения С Mn Si P S & № V
Объемная закалка в
1 масле с повторного нагрева 0,76 0,88 0,32 0,014 0,011 0,08 0,07 0,12 0,04
Требования ГОСТ Р 51685 -2000 для стали марки Э76Ф 0,71 -0,82 0,75 -1,15 0,25 -0,60 <0,025 <0,025 <0,20 <0,20 <0,20 0,03 -0,15
2 Дифференцированная закалка воздухом с прокатного нагрева 0,79 0,78 0,55 0,014 0,015 0,46 0,08 0,14 0,07
Требования ГОСТ Р 51685 -2013 для марки Э76ХФ 0,71 -0,82 0,75 -1,25 0,25 -0,60 <0,020 <0,020 0,20 -0,80 <0,20 <0,20 0,03 -0,15
Рис. 1. Микроструктура в головке объемнозакаленных рельсов категории Т1 из стали марки Э76Ф (а) и дифференцированно термоупрочненных рельсов категории ДТ350 из стали марки Э76ХФ (б)
После термической обработки из верхней части головки каждой рельсовой пробы вырезали в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685 образцы для определения твердости по методу Бринелля на поверхности катания и по сечению головки, испытания на растяжения и ударный изгиб, микрошлифы для контроля микроструктуры. Испытания на твердость проводили по методу Бринелля на твердомере типа ТШ-2М шариком диам. 10 мм при нагрузке 30000 Н (в соответствии с требованиями ГОСТ 9012 - 59).
Механические свойства при растяжении определяли на разрывной испытательной машине БИ-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 и ГОСТ 1497.
Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре МК-15 в соответствии с требованиями ГОСТ 9454 на стандартных образцах размером 10x10x55 мм с и-образным надрезом радиусом 1 мм и глубиной 2 мм при температурах +20 и -60 °С.
Исследования микроструктуры проводили после химического травления в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты и электроли-
тического полирования шлифов, вырезанных из верхней части головки рельсов типа Р65 и приготовленных в поперечном направлении в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685. Микроструктуру исследовали на световом оптическом микроскопе «Olympus GX-71» при увеличениях до 1000 крат, а также методом сканирующей микроскопии на приборе QUANTA-200 Philips при увеличении до 10 000 крат.
Микроструктура металла рельсов при использовании обоих способов термического упрочнения представляет собой перлит (рис. 1, а, б). В структуре рельсов, подвергнутых объемной закалке присутствуют разрозненные участки феррита в виде сетки по границе первичного зерна (рис. 1, а).
Величина зерна дифференцированно тер-моупрочненных рельсов (рис. 1, б) оценивается номером 6-8, а объемнозакаленных рельсов - номером 10-11 шкалы ГОСТ 5639 - 82. Более мелкое зерно рельсов категории Т1 обусловлено влиянием перекристаллизационного печного нагрева под закалку.
Результаты исследования микроструктуры металла проб 1 и 2 с привлечением средств электронной микроскопии представлены в табл. 2 и на рис. 2 - 5.
Т а б л и ц а 2
Параметры микроструктуры исследованных образцов
Проба Межпластинчатое расстояние в перлите, мкм Величина колоний перлита, мкм Наличие избыточного феррита Наличие верхнего бейнита Наличие нижнего бейнита, мартенсита
1 0,12 ± 0,03 (0,09 - 0,20) —вариации 28 % 1 - 10 + + —
2 0,14 ± 0,06 (0,09 - 0,35) —вариации 40 % 1 - 10 + — —
Рис. 2. Регулярные колонии перлита в структуре пробы 1 рельса категории Т1 из стали марки Э76Ф
Микроструктура пробы 1 рельса, подвергнутого объемной закалке, представляет собой феррито-перлитную смесь, характерную для термоупрочненных рельсов из углеродистой стали. Основная доля перлита - регулярные колонии с правильным чередованием цемен-титных и ферритных пластинок (рис. 2). Встречаются участки вырожденного перлита, для которого характерно присутствие цементита разнообразных форм и феррита в форме зерен (рис. 3). Вырождение вызвано раздельным ростом феррита и цементита, в противоположность образованию регулярного феррита путем одновременного выделения двух фаз. Избыточный феррит, часто наклепанный (с повышенной плотностью дислокаций), присутствует в виде сетки и отдельных зерен. Толщина ферритной сетки в двух других образцах изменяется в пределах 1 - 2 мкм.
В образце пробы 1 выявлен участок верхнего бейнита: крупные рейки феррита с прослойками цементита по границам реек (рис. 4).
Основная микроструктура образцов пробы 2 - колонии дисперсного пластинчатого перлита со следами деформации (встречаются изогнутые и расколотые пластинки цементита) (рис. 5). Как и в объемнозакаленных рельсах, в рельсах категории ДТ350 наблюдаются участки вырожденного перлита.
Межпластинчатое расстояние в перлите образцов пробы 2 несколько больше и менее од-
Рис. 3. Вырожденный перлит в структуре пробы 1 рельса категории Т1 из стали марки Э76Ф
нородное (табл. 2). Величина перлитных колоний пробы 2 сопоставима с аналогичной величиной образцов пробы 1 (до 10 мкм).
В образце пробы 2 избыточный феррит присутствует в виде сетки и отдельных зерен, но количество его существенно меньше, чем в рельсах, подвергнутых объемнй закалке. По границам феррита отмечены прерывистые выделения цементита.
Различия в микроструктуре рельсов после различных способов термического упрочнения обуславливают различия в свойствах металла. В табл. 3 представлены результаты механических испытаний металла проб 1 и 2. Дифференцированно термоупрочненные рельсы отличаются более низкими значениями ударной вязкости и несколько более высокими значениями твердости на поверхности катания и по сечению головки, а также более низкими значениями твердости в шейке и подошве относительно аналогичных величин объемнозакален-ных рельсов.
Более низкие значения ударной вязкости рельсов категории ДТ350 обусловлены более крупным зерном, характерным для металла, термоупрочненного непосредственно после прокатки. Повышение твердости при сопоставимых значениях прочности в дифференцированно термоупрочненных рельсах достигается за счет уменьшения выделений феррита относительно объемнозакаленных рельсов.
Рис. 4. Участок верхнего бейнита в структуре пробы 1 рельса категории Т1 из стали марки Э76Ф
Рис. 5. Микроструктура пробы 2 рельса категории ДТ350 из стали марки Э76ХФ
Т а б л и ц а 3
Свойства рельсов
Механические свойства при растяжении НВ
кси, Дж/см2, при +20 ° С по сечению головки рельса, на расстоянии от поверхности катания подошва
Проба 10 мм
ст '2 Н/мм °в, 2 Н/мм % % Пкг по центру по выкружке 1 по выкружке 2 22 мкм шейка 1 2
1 930 1260 11 35 41; 34 370 375 - - 373 359 366 370
2 910 1300 13 35 19; 21 395 388 385 388 375 341 352 345
За счет применения дифференцированного по сечению охлаждения рельсов категории ДТ350 твердость в шейке и подошве значительно ниже, чем в объемнозакаленных рельсах.
Прочностные и пластические свойства исследуемых рельсов находятся на сопоставимом уровне.
Выводы. При сопоставимом уровне прочностных и пластических свойств дифференцированно термоупрочненные рельсы характеризуются более однородной структурой с существенно меньшим количеством избыточного феррита, что при эксплуатации обеспечит их более высокую стойкость к возникновению контактно-усталостных дефектов и, соответственно, более длительный срок их службы. Дифференцированное охлаждение по сечению рельсов обеспечивает низкую твердость в шейке и подошве рельсов. При этом после правки таких рельсов формируется благоприятная эпюра остаточных напряжений, которые, как известно, имеют большое влияние на возникновение и развитие трещин в металле при знакопеременных нагрузках. Вместе с тем объемнозакален-ные рельсы отличаются меньшей величиной зерна и, в связи с этим, более высокой ударной вязкостью, что дает им неоспоримое преимущество в районах с холодным климатом относительно рельсов, дифференцированно термо-упрочненных с прокатного нагрева. Перспективным направлением для измельчения зерна в железнодорожных рельсах, термоупрочнен-ных с прокатного нагрева, является внедрение способов контролируемой прокатки и разработка новых схем легирования и модифицирования, позволяющих сдержать рост зерна при нагреве под прокатку или непосредственно в процессе прокатки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ш у р Е.А. Влияние структуры на эксплуатационную стойкость рельсов. - В кн.: Сб. научн. тр. Влияние свойств металлической
матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов. - Екатеринбург: ГНЦ РФ ОАО «УИМ», 2006. С. 37 - 64.
2. Ш у р Е.А. Повреждения рельсов. - М.: Интекст, 2012. - 192 с.
3. Д о б у ж с к а я А.Б., Г а л и ц ы н Г.А., С ы р е й щ и к о в а В. И. Исследование структуры рельсов с разной стойкостью к образованию контактно-усталостных дефектов. - В кн.: Сб. научн. тр. Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов. - Екатеринбург: ГНЦ РФ ОАО «УИМ», 2006. С. 64 - 81.
4. П а в л о в В.В., Т е м л я н ц е в М.В., К о р н е в а Л.В., С ю с ю к и н А.Ю. Перспективные технологии тепловой и термической обработки в производстве рельсов. - М.: Теплотехник, 2007. - 280 с.
5. Б о р ц А.И., З а г р а н и ч е к К.Л., Д о л -г и х Л.В. Результаты сравнительных испытаний рельсов отечественных и зарубежных производителей на контактно-усталостную выносливость. - В кн.: Сб. научн. тр. Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. - Екатеринбург: ОАО «УИМ», 2013. С. 113 - 128.
6. П а в л о в ВВ., К о р н е в а Л.В., П о л ев о й Е.В. Роль металлической матрицы в образовании контактно-усталостных дефектов в рельсах. - В кн.: Сб. научн. тр. Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений. -Екатеринбург: ОАО «УИМ», 2012. С. 81 -91.
7. Р е й х а р т В.А. Анализ дефектов рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 4. С. 22 - 25.
8. Г о л о в а т е н к о А.В. Работа ЕВРАЗ ЗСМК по инновационному развитию рельсовой продукции за счет технического перевооружения и освоения новых техноло-
гий. - В кн.: Сб. научн. докладов. - СПб: ОАО «УИМ» , 2015. С. 43 - 47.
9. П о л е в о й Е.В., В о л к о в К.В., Г о л о- в а т е н к о А.В., А т к о н о в а О.П., Ю н ус о в А.М. Совершенствование технологии производства рельсов на ОАО «ЕВРАЗ объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. № 4. С. 26 - 28.
10. П о л е в о й Е.В., В о л к о в КВ., К у з -н е ц о в Е.П., Г о л о в а т е н к о А.В., А т к о н о в а О.П., Ю н у с о в А.М. Разработка технологии производства дифференцированно термоупрочненных рельсов на ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». - В кн.: Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений: Сб. научн. докладов. - Екатеринбург: ОАО «УИМ», 2014. С. 93 - 101.
11. В о л к о в КВ., П о л е в о й Е.В., Т е м -л я н ц е в М.В., А т к о н о в а О.П., Ю н ус о в А.М., С ю с ю к и н А.Ю. Моделирование воздухоструйной закалки с печного нагрева железнодорожных рельсов // Вестник СибГИУ. 2014. № 3 (9). С. 17 - 23.
12. П о л е в о й Е.В., Т е м л я н ц е в М.В., Ю н у с о в А.М., А т к о н о в а О.П.
Опыт воздухоструйной термической обработки головки железнодорожных рельсов типа Р65 стали марки Э76Ф с использованием тепла прокатного нагрева // Вестник СибГИУ. 2015. № 1 (11). С. 5 - 11.
13. П о л е в о й Е.В., Т е м л я н ц е в М.В. Определение рационального химического состава и режимов термической обработки железнодорожных рельсов стали марки Э76ХФ с использованием тепла прокатного нагрева. - В кн.: Сб. научн. докладов. «Металлургия: технологии, инновации, качество». - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2015. С. 114 - 155.
14. П о л е в о й Е.В., Т е м л я н ц е в М.В. Совершенствование химического состава и режимов термической обработки рельсов с использованием тепла прокатного нагрева. - В кн.: Сб. научн. докладов. «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». -Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2015. С. 68 -74.
© 2016 г. Е.В. Полевой, А.Д. Добужская, М.В. Темлянцев Поступила 03 июня 2016 г.
