Разработка и промышленное использование режима нагрева ТВЧ головки рельсов из заэвтектоидной стали

Д.К. Нестеров, Н.Ф. Левченко, В.Е. Саможков, В.А. Дубров
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 11. 1991 г.

Обычно железнодорожные рельсы поставляются в горячекатаном состоянии или после объемного упрочнения (закалки в масле), В процессе эксплуатации рельсов изнашивается только их головка (в основном поверхность). В связи с этим для упрочнения рельсов возможно применение поверхностной закалки, в том числе прогрессивного и хорошо зарекомендовавшего себя метода закалки с нагревом ТВЧ. Этому вопросу и посвящена настоящая статья.

В УкрНИИМЕТе разработана технология комбинированной термической обработки рельсов из заэвтектоидной стали [1-3], по которой поверхностная закалка с нагрева ТВЧ головки рельсов, предварительно подвергнутых циклическому сфероидизирующему отжигу для получения структуры зернистого перлита, является окончательной технологической операцией. При этом по данным [4-5], режим нагрева ТВЧ головки рельса следует выбирать с учетом формы, дисперсности и распределения в матрице карбидной фазы, сформированной в процессе предварительной термической обработки.

Оптимальный режим нагрева ТВЧ головки рельсов из стали, содержащей 0,88% С; 0,87% Мn; 0,33% Si; 0,011 % Ti; 0,02 % V; 0,0012 % Се, при окончательной термической обработке выбирали по наличию в закаленном слое однородной макроструктуры, мелкозернистой и дисперсной микроструктуры, толщине закаленного слоя с повышенной твердостью и механическим свойствам. Определяли критические точки стали при нагреве и охлаждении, физические характеристики (ρ, Н_с) , проводили металлографическое, злектронно-микроскопическое и рентгенографическое исследования и механические испытания. Результаты исследований использовали при разработке режимов нагрева ТВЧ головки полнопрофильных рельсовых проб с их последующим применением при выпуске партий рельсов из заэвтектоидной стали в условиях металлургического комбината «Азовсталь».

Критические точки заэвтектоидной стали определяли на дилатометре ДКВ-5АМ, а также дифференциально-термическим и магнитометрическим методами на образцах диаметром 2,5 и длиной 40 мм при медленном и ускоренном нагревах до 930 °С и охлаждении со скоростью 3 °С/мин (табл. 1).

Таблица 1

Исходная структура	Ас1н	Ас1к	Асm
	°С
Пластинчатый перлит	720/720	760/775	820/830
Зернистый перлит	725/725	770/795	835/850
Примечание. В числителе даны критические точки, определенные при νн=0,8 °С/с, в знаменателе — при νн=10 °С/с.

Установлено, что независимо от морфологии исходной карбидной фазы и скорости применяемого нагрева заэвтектоидной рельсовой стали П→А-превращение начинается при 720-725 °С, а заканчивается при различных температурах, зависящих от исходной структуры. В частности, точка Ас_1к стали с исходной структурой зернистого перлита при медленном нагреве на 10, а при ускоренном — на 20 °С выше, чем стали со структурой пластинчатого перлита. При ускоренном нагреве температура растворения избыточного цементита (точка Ас_m) в стали с пластинчатым и зернистым перлитом на 10 и 15 °С выше, чем при медленном.

Кинетику фазовых и структурных превращений аустенита при медленном и ускоренном нагревах исследовали в интервале температур 750-950 °С на образцах сечением 4×4 и длиной 50 мм. Ускоренный нагрев образцов осуществляли в электропечи, перегретой до температуры 1000-1200 °С, а охлаждение — в воде.

Металлографический анализ образцов проводили на микроскопе «Неофот-2» при увеличении ×500. Исследовали структуру, образующуюся в стали при закалке от различных температур с определением балла и длины игл мартенсита по ГОСТ 8233-56 и размера зерна аустенита по ГОСТ 5639-82. Электронно-микроскопическое исследование проводили на электронном микроскопе фирмы «Tesla» с использованием метода двухступенчатых пластико-платино-углеродных реплик на шлифах, протравленных в 2 %-ном растворе азотной кислоты в спирте. Микроструктура рельсовой заэвтектоидной стали с исходной структурой пластинчатого перлита, закаленной от 750, 850 и 900 °С, показана на рис. 1, а — в. Видно, что при закалке от 750 °С в стали еще не происходит полной гомогенизации γ-твердого раствора и в структуре сохраняется пластинчатый перлит балла 2 с межпластиночным расстоянием примерно 0,25 мкм, при этом пластинки цементита частично растворились (рис. 1, а). При закалке от 850 и 900 °С протекает полное мартенситное превращение с образованием средне- и крупноигольчатого мартенсита балла 4-5 и 6-7 с длиной игл ≥8 и ≥12 мкм соответственно (рис. 1, б, в). Размер зерна аустенита стали с исходной структурой пластинчатого перлита, подвергнутой закалке от 850 и 900 °С, соответствует № 8-9. С повышением температуры размер зерна аустенита увеличивается (табл. 2).

Рис.1. Микроструктура рельсовой углеродистой заэвтектоидной стали с исходным пластинчатым (а — в) и зернистым (г — е) перлитом после закалки с ускоренного нагрева ν_н≅10°С/с до различных температур (×6000):
а, г — 750 °С; б, д — 850 °С; в, е — 900 °С.

В стали с исходной структурой зернистого перлита только после закалки от 800 °С и выше наблюдается частичное растворение глобулей карбидов и неполное мартенситное превращение (рис. 1, г). Закалка стали от 850 °С приводит к образованию мелкоигольчатого мартенсита балла 3-4 с наличием незначительных остатков глобулей карбидов бывшего зернистого перлита (рис. 1, д). Мелкоигольчатый мартенсит балла 4 с длиной игл 6 мкм образуется после закалки от 900 °С (рис. 1, е). С дальнейшим повышением температуры нагрева до 950 и 1000 °С значительного изменения характеристик мартенсита не происходит (образуется мартенсит балла 5 и 6 с длиной игл 8 и 10 мкм соответственно). Размер зерна аустенита после закалки от 850 и 950 °С равен № 10 и 9 соответственно (табл. 2).

Таблица 2

tзак, °C	Бм	Вид мартенсита	Номер зерна аустенита	Бм	Вид мартенсита	Номер зерна аустенита
Исходная структура — пластинчатый перлит				Исходная структура — зернистый перлит
750	—	—	—	—	—	—
800	2-3	Мелкоигольчатый	8-9	1	Скрытоигольчатый	9
850	5	Среднеигольчатый	8-9	3-4	Мелкоигольчатый	10
900	6-7	Средне- и крупно- игольчатый	8	4	Мелкоигольчатый	9-10
950	8-9	Крупноигольчатый	7-8	5	Среднеигольчатый	9-10
1000	9-10	Крупноигольчатый	6-7	6	Среднеигольчатый	8-9
Обозначения: Бм — балл мартенсита.

Процесс растворения карбидной фазы при ускоренном нагреве стали исследовали по удельному электросопротивлению ρ и размагничивающему току I_р, (пропорциональному коэрцитивной силе H_с) образцов, закаленных от различных температур. Удельное электросопротивление образцов измеряли на мостовой установке постоянного тока У303, а размагничивающий ток — на коэрцитиметре КИФМ-1 [7]. Кривые зависимостей исследуемых характеристик от температуры ускоренного нагрева под закалку имеют аналогичный характер, однако кривые изменения ρ и I_р стали с исходной структурой зернистого перлита сдвинуты вправо и располагаются выше, чем стали со структурой пластинчатого перлита (рис. 2, кривые 1 и 2).

Максимум размагничивающего тока I_р стали с исходной структурой пластинчатого перлита соответствует закалке от 820 °С, а для стали со структурой зернистого перлита — закалке от 850 °С, после чего ток стабилизируется. Максимальное удельное электросопротивление q стали с исходной структурой пластинчатого перлита достигается после закалки от 850—900 °С, а стали с зернистым перлитом — после закалки от 850—930 °С (рис. 2). Изменение ρ связано, по-видимому, с процессами образования аустенита и его гомогенизации.

Рис.2. Зависимость удельного электросопротивления ρ и размагничивающего тока I_p рельсовой углеродистой заэвтектоидной стали от температуры ускоренного (ν_н≅10°С/с) нагрева под закалку:
1 — исходная структура — пластинчатый перлит (после прокатки); 2 — дисперсный зернистый перлит (после циклического сфероидизирующего отжига).

Таким образом, результаты показывают, что при ускоренном нагреве (ν_н≅10°С/с) под закалку в используемом интервале температур рельсовой заэвтектоидной стали с исходной структурой зернистого перлита насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами (в данном случае — марганцем) протекает полнее и при более высокой температуре, чем в стали с пластинчатым перлитом. Это связано с особенностями превращения зернистого перлита в аустенит [6], а также с наличием в исходной структуре пластинчатого перлита избыточного цементита в виде грубых выделений. В зернистом перлите избыточный цементит после циклического сфероидизирующего отжига, находится не в виде сплошной сетки, а в глобулярной форме.

Определяли показатели тонкой кристаллической структуры (плотность дислокаций ρ_д и напряжения II-го рода Δa/a) рентгенографическим методом на дифрактометрах ДРОН-3 и ДРОН-УМ-1 в кобальтовом K_α-излучении по методике [8, 9].

Установлено, что после окончательной термической обработки с использованием ускоренного нагрева стали с исходной структурой дисперсного зернистого перлита субструктурные параметры ρ_д и Δa/a — выше, чем стали со структурой пластинчатого перлита и составляют: ρ_д=10,2·10¹⁰ и 7,1·10¹⁰ см^-2; Δa/a=12,8·10^-4 и 8,6·10^-4 соответственно.

С учетом результатов исследований проводили опыты по отработке режимов нагрева ТВЧ со скоростью ν_н≅10°С/с головки полнопрофильных рельсовых проб (~500 мм) из стали аналогичного химического состава. Такие технологические параметры закалки, как частота тока, способ охлаждения и температура самоотпуска соответствовали параметрам термической обработки рельсов из стали промышленного производства. Нагрев головки рельсовых проб с исходными структурами пластинчатого и зернистого перлита проводили в интервале температур 750-1000 °С.

Исследования показали, что толщина закаленного слоя изменяется от 7-8 до 14-16 мм (по оси головки) после закалки от 750-800 °С и 850-950 °С соответственно. Твердость головки рельсовой пробы с исходной структурой зернистого перлита распределяется равномерно по сечению с наличием зоны (на глубине до 8 мм) повышенной твердости 41,5-38,5 HRC_Э со структурой троостита, в котором межпластиночное расстояние составляет 0,2 мкм. В слое толщиной ~6 мм, расположенном на расстоянии от поверхности h ≅ 8-10 мм, твердость плавно снижается. Структура этого слоя состоит из сорбита с межпластиночным расстоянием 0,6-0,8 мкм, переходящего на большей глубине в исходную структуру зернистого перлита. Для рельсовой пробы без предварительной термической обработки (с исходной структурой пластинчатого перлита) область повышенной твердости располагается на меньшей глубине, а структура закаленного слоя при аналогичной твердости состоит из троосто-сорбита с несколько большим межпластиночным расстоянием, равным 0,6 мкм.

При окончательной термической обработке рельсовых проб с исходной структурой зернистого перлита максимальные значения твердости (61-64 HRC₃) и временного сопротивления разрыву (σ_в=1430-1440 Н/мм²) при высоком уровне пластичности и ударной вязкости (табл. 3) обеспечиваются при нагреве ТВЧ в интервале температур 880-950 °С. Пробы с исходной структурой пластинчатого перлита (в состоянии прокатки) после
окончательной термической обработки с нагревом ТВЧ имеют меньшие механические свойства и твердость. При этом максимальные твердость 58-61 HRC_Э и временное сопротивление разрыву σ_в=1385-1400 Н/мм² образцов достигаются после закалки с нагрева ТВЧ в интервале температур 850-900 °С. Последующее повышение температуры нагрева под закалку приводит к значительному снижению механических свойств, особенно пластичности и ударной вязкости (табл. 3).

Таблица 3

tзак, °C	σв	σ0,2	δ5	ψ	a1, Дж/см2
	Н/мм2		%
750	1085	755	9,2	16,8	21,5
	1020	660	13,8	28,0	34,0
800	1260	905	10,4	26	28
	1235	890	14,1	30	37,5
850	1385	1180	11,0	28	31,0
	1390	1160	14,8	36	39,5
880	1410	1100	10,2	25,5	32,5
	1430	1110	14,4	38,5	36,4
900	1400	1200	8,2	26,5	30,5
	1435	1190	16,0	41,0	40,6
950	1360	1190	5,9	23,2	24
	1440	1170	12,0	32,8	34,6
1000	1320	1160	5,7	13,7	21,2
	1390	1155	9,9	27,4	27,5
По ТУ-14-2-499-82	≥1275	≥8	≥8	≥25	≥19,6
Примечание. В числителе даны свойства образцов с исходной структурой пластинчатого перлита, в знаменателе — зернистого перлита; требования по ТУ приведены для исходной структуры зернистого перлита.

Установлено, что форма и дисперсность карбидной фазы оказывают влияние на кинетику П→А-превращения и конечные показатели структуры, субструктуры и механические свойства стали. При этом в стали с исходной структурой зернистого перлита П→А-превращение проходит несколько медленнее и при большей температуре, а насыщение γ-твердого раствора углеродом и легирующими элементами — более полное, чем в стали с исходным пластинчатым перлитом. Это способствует в конечном итоге повышению механических свойств стали после закалки с ускоренного нагрева [6]. Оптимальная температура закалки с ускоренного нагрева (ν_н≅10°С/с) рельсовой заэвтектоидной стали с исходной структурой пластинчатого перлита соответствует 850-900 °С, а с зернистым перлитом — 880-950 °С. При этом после закалки с ускоренного нагрева до оптимального интервала температур стали с дисперсным зернистым перлитом, полученным после циклического сфероидизирующего отжига, в закаленном слое формируется мелкозернистая (размер зерна № 9-10) высокодисперсная структура троостита закалки с межпласти-ночным расстоянием 0,2 мкм и высокой плотностью дислокаций ρ_д = 10,2·10¹⁰ см². Формирование такой структуры обеспечивает получение в закаленном слое высокого комплекса свойств: σ_в = 1430..1440 Н/мм², δ₅ = 12,0..14,4 %; ψ = 32,8..38,5 %; а₁ = 34,6..36,4 Дж/см². Значительно меньший комплекс свойств после закалки с ускоренного нагрева достигается в стали с исходной структурой пластинчатого перлита (горячекатаное состояние), где структура закаленного слоя состоит из троосто-сорбита с межпластиночным расстоянием 0,6 мкм, плотностью дислокаций ρ_д = 7,1·10¹⁰ см^-2 и бóльшим размером зерна аустенита (№ 8-9). При этом σ_в = 1385..1400 Н/мм²; δ₅ = 8,2..11,0 %; ψ = 26,5..28,0 %; а₁ = 30,5..31,0 Дж/см².

Таким образом, изменяя морфологию исходной структуры рельсовой заэвтектоидной стали и применяя оптимальную температуру ускоренного нагрева, можно обеспечить в закаленном слое высокий комплекс свойств с наличием мелкозернистой, высокодисперсной структуры и субструктуры. Такая обработка способствует значительному повышению контактно-усталостной выносливости и износостойкости при эксплуатации в особо тяжелых условиях и при низких температурах.

По разработанным режимам ускоренного нагрева головки рельсов в условиях металлургического комбината «Азовсталь» изготовлены партии рельсов из углеродистой заэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,88; 0,92 и 0,95 %, предварительно подвергнутых циклическому сфероидизирующему отжигу на дисперсный зернистый перлит. Рельсы характеризуются высоким комплексом свойств; σ_в = 1450..1370 Н/мм²; σ_0,2 = 1050..945 Н/мм²; δ₅ = 12,5..9,6 %; ψ = 37..34 %; а₁ = 41..32 Дж/см².
Партии рельсов массой 350 т проходят эксплуатационные испытания в особо тяжелых условиях Крайнего Севера.

Список литературы:

1. Комбинированная термическая обработка рельсов из углеродистой заэвтектоидной стали / Д. К. Нестеров, Н. Ф. Левченко, В. Е. Сапожков и др. // Черная металлургия. 1988. № 9. С. 44—47.
2. Сталь для рельсов повышенной прочности / Д. К. Несте