Оборудование и методика экспериментальных исследований

Цикл статей:

Глава 1 — Разработка химического состава и технологии термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса
Глава 2 — Теоретические предпосылки разработки химического состава сталей бейнитного класса
Глава 3 — Оборудование и методика экспериментальных исследований
Глава 4 — Исследование влияния различных видов термической обработки на структуру и свойства сталей бейнитного класса

Глава 5 — Разработка, внедрение и освоение технологии термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса в условиях оао «нкмк»

Глава 6 — Служба железнодорожных рельсов из сталей бейнитного класса

Материал, методика и оборудование для экспериментальных
исследований

В соответствии с поставленными задачами исследования и учетом теоретических предпосылок по разработке стали бейнитного класса в каче­стве объектов исследования были выбраны низко-и среднеуглеродистые стали, легированные марганцем, кремнием, хромом и молибденом. В каче­стве микролегирующих добавок использовали ванадий, вводимый совме­стно с азотом.

Исследование сталей с целью последовательного исключения беспер­спективных составов проводили поэтапно.

На первом этапе исследовали влияние легирующих элементов на ме­ханические свойства. На основании полученных результатов осуществляли выборку составов по следующим механическим характеристикам, соответ­ствующим требованиям категории рельсов Т1 по ГОСТ Р 51685-2000: временное сопротивление разрыву стали должно быть более 1200 Н/ мм , от­носительное удлинение — более 8 %, относительное сужение — более 25 %, ударная вязкость при плюс 20 С — более 25 Дж/ см.

На следующем этапе осуществляли уточнение и корректировку вы­бранных составов на серии лабораторных плавок.

На заключительном этапе работы проверку выбранного состава осу­ществляли на промышленных плавках с исследованием механических свойств и структурного состояния на полнопрофильных рельсах.

Согласно первому этапу работы исследование проводили на металле 40 плавок. Сталь выплавляли в лабораторной индукционной печи, разли­вали на слитки весом 2,5 кг, в которых варьировали содержание одного легирующего элемента при неизменной концентрации других элементов согласно схеме, приведенной в таблице 3.1.

Слитки пластически деформировали в заготовки сечением 14x14x1000 мм, которые затем подвергали нагреву до температуры 880 — 890 °С и ох­лаждению на воздухе. Из термически обработанных заготовок изготовили разрывные и ударные образцы.

Из рассмотренных 40 плавок требуемый комплекс механических свойства обеспечивался при следующем содержании химических элемен­тов, масс. %: 0,28-0,34 С; l,00-l,4Si; 1-1,8 Мп; 0,9 — 1,10 Cr.

Корректировку и уточнение выбранных составов проводили на метал­ле 10 лабораторных плавок. При этом помимо заданных пределов ряд пла­вок провели с высоким содержанием углерода при разной концентрации легирующих элементов для изучения их совместного влияния на структу- рообразование стали. Химический состав полученных сталей приведен в таблице 3.2.

Лабораторные плавки проводили в 40 кг — индукционной печи и раз­ливали на слитки размером 120×120 мм и весом 38 кг. Слитки пластически деформировали в заготовку размером 40x70x1000 мм. Поперечное сечение заготовки было максимально приближено к сечению головки рельса. Для устранения влияния ковки пластины подвергали нагреву до температуры 880 — 890 °С и последующему охлаждению на воздухе.

Для изучения влияния ускоренного охлаждения и отпуска на меха­нические свойства стали лабораторных плавок подвергали закалке в масле и отпуску. Закалку проводили с температуры 860 °С, отпуск при темпера­турах 300-550 °С.

Для проведения окончательной корректировки химического состава провели исследования на полнопрофильных рельсах двух промышленных плавок. Химический состав стали опытных плавок приведен в таблице 3.3.

В промышленных условиях выплавку стали осуществляли в 100 — тонной дуговой электропечи ДСП — 100И7 с обработкой на агрегате ком­плексной обработки стали (АКОС). Ферромолибден присаживали в завал­ку. Феррохром марки ФХ — 100 в количестве 1600 кг присаживали в печь. Остальные легирующие: ферросилиций марки ФС65, силикомарганец, а также феррованадий (280 кг, в том числе 80 кг азотированного) присажи­вали в ковш во время выпуска плавки из печи.

В процессе обработки на АКОС в ковш для корректировки химиче­ского состава металла присаживали силикомарганец, ферросилиций и фер­рохром. Доводку содержания углерода в металле производили путем вду­вания коксовой пыли. Силикокальций для окончательного раскисления ме­талла вводили в виде порошковой проволоки. Разливку производили по схеме одиночных плавок. Температура метала в печи перед раскислением и перед выпуском составила 1700 °С, перед установкой на ППС — 1565 °С, в промежуточном ковше -1511 + 1520 °С.

Разливку металла производили на 4-х ручьевых MHJI3 с сечением кристаллизатора 330×300 мм. После порезки на мерные длины HJT3 неза­медлительно транспортировали в ямы замедленного охлаждения, где заго­товки остывали под крышками в течение 72 часов, уложенные в 3 и 4 ряда между металлом рядовых плавок.

Нагрев HJT3 под прокатку осуществляли до температуры 1200 °С. На­гретые заготовки прокатывали на рельсовый профиль типа Р65. Темпера­тура рельсового раската на выходе из чистовой клети составляла 980 + 1050 °С. После порезки рельсового раската на длину ~ 25060 мм и отбора проб рельсы охлаждали на стеллаже в положении «лежа на боку», плотно придвинув друг к другу. Охлажденные рельсы подвергали правке на роли- коправильной машине. Правленые рельсы после отбора исследовательских проб порезали на конечную длину 24995 ± 5мм.

Принятые рельсы подвергали нормализации и отпуску либо отпуску. Температура нагрева под нормализацию составила 870 + 880 °С. Нагрев рельсов под нормализацию осуществляли в нагревательной печи РБЦ,

сформировав их в пакет по 5+9 шт. При нагреве рельсов температурный режим по зонам печи соответствовал требованиям ТИ РБ — 043 — 2004 и не отличался от технологии нагрева стандартных рельсов из стали Э76Ф под закалку. После выдачи из печи рельсы охлаждали пакетом на стеллаже вы­дачи до температуры цеха. Охлажденные до температуры цеха рельсы подвергли отпуску при температуре 350 °С в течение 2,5 часов.

После термической обработки рельсы подвергали правке на РПМ по обычному режиму, предусмотренному для объёмно-закалённых рельсов из стали Э76Ф. После правки от опытных рельсов производили отбор проб. На заключительной стадии опытные рельсы аттестовывали по качеству поверхности, геометрии и прямолинейности.

На полнопрофильных бейнитных рельсах исследовали неметалличе­ские включения, макро- и микроструктуру, определяли механические свойства, твердость, копровую прочность и остаточные напряжения.

Механические свойства и твердость опытных рельсов сравнивали с механическими свойствами объёмно-закалённых рельсов из стали марки Э76Ф по ГОСТ Р 51685 — 2000, химический состав и механические свойст­ва которых приведены соответственно в таблицах 3.4 и 3.5.

Методы исследований

Металлографический метод

Неметаллические включения, величину зерна и микроструктуру ста­лей бейнитного класса определяли с помощью оптического микроскопа NEOPHOT-21 при увеличении хЮО -И ООО. Для выявления микрострукту­ры применяли 4 % спиртовой раствор азотной кислоты.

Неметаллические включения стали определяли в соответствии с тре­бованиями ГОСТ Р 51685 — 2000 и методом Ш по ГОСТ 1778 -70.

Шлифы для исследования готовили на образцах, вырезанных из верх­ней выкружки головки, из середины шейки и края пера подошвы. Процесс приготовления шлифов включал следующие операции: вырезку образцов на отрезном станке, шлифование на плоскошлифовальном станке, полиро­вание на полировальном станке.

Электронно-микроскопическое исследование Электронно-микроскопическое исследование проводили на электрон­ном микроскопе JEC-200CX, а также на растровом электронном микро­скопе-микроанализаторе LEO EVO-40. Электронно-микроскопическое исследование, проводимое с помощью микроскопа ШС- 200СХ, осуществля­ли прямым методом на фольгах, вырезанных на глубине 8 — 10 мм от по­верхности катания головки рельса.

Метод макроструктурного анализа

Макроструктуру стали и макродефекты выявляли методом глубокого травления поперечных и продольных темплетов в 50 % водном растворе соляной кислоты в соответствии ОСТ 14 -1 — 235 — 91 «Сталь. Метод кон­троля макроструктуры непрерывнолитой заготовки для производства сор­тового проката и трубных заготовок», РД 14 — 2Р — 5 — 2004 «Классифика­тор дефектов макроструктуры рельсов, прокатанных из непрерывнолитых заготовок электростали» и ГОСТ Р 51685 — 2000 «Рельсы железнодорож­ные. Общие технические условия».

Травление темплетов осуществляли в травильной ванне. Поверхность, подвергаемую глубокому травлению, предварительно строгали или шли­фовали. Темплеты перед травлением нагревали в ванне подогрева до тем­пературы 60 -5- 80 °С. Нагретые темплеты помещали в ванну с травильным раствором, нагретым до 60 — 80 °С. Длительность травления темплетов со­ставляла 25 30 мин. После травления темплеты промывали горячей водой с последующей нейтрализацией горячим содовым раствором.

Методы испытаний

Механические испытания

Для определения механических свойств проводили испытания на рас­тяжение и ударный изгиб. Испытания на растяжение осуществляли на раз­рывной машине 7-250 при комнатной температуре по ГОСТ 1497- 84 на цилиндрических образцах диаметром (1 = 6 мм с расчетной длиной 1 = 30 мм, которые вырезали вдоль направления прокатки из зоны выкружки го­ловки рельсового профиля.

Испытания образцов на ударный изгиб при комнатной температуре (20 0 С ) и минус 60 °С проводили на копровой машине МК- 15 в соответ­ствии с требованиями ГОСТ 9454 — 78. Образцы размером 10x10x55 мм с 11-образным надрезом (11= 1мм и глубина надреза 2 мм) для испытания вы­резали вдоль направления прокатки из зоны выкружки головки рельсового профиля. Результаты механических испытаний сравнивали с требованиями ГОСТ Р 51685-2000.

Измерение твердости

Измерение твердости образцов из стали лабораторных плавок и рель­сов опытно-промышленных плавок осуществляли по ГОСТ 9012 — 59 на твердомере Бринелля (ТБ) путём вдавливания стального шарика диамет­ром 10 мм при нагрузке 29430 Н.

Для измерения твердости металла лабораторных плавок и рельсов опытно-промышленных плавок соответственно подготовили образцы раз­мером 40x70x30 мм и рельсовые поперечные темплеты.

Твердость рельсовых поперечных темплетов замеряли в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685 — 2000. Замеры твёрдости на поверхности головки поперечного темплета осуществляли после предварительной зачи­стки обезуглероженного слоя на глубину 0,6 + 0,8 мм. Твёрдость в попе­речном сечении рельсовых темплетов определяли в пяти точках: в головке на расстоянии 10 и 22 мм от поверхности катания по вертикальной оси рельсового профиля, в середине шейки и на двух перьях подошвы на рас­стоянии 9 мм от их боковых граней.

Твердость по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) определяли вдавливанием ин- дентора — алмазного конуса с углом при вершине 120° и радиусом закруг­ления 1,2 мм на образцах с плоской поверхностью при стандартной на­грузке для шкалы «С» (Р0=ЮОН, Р1=1400 Н, Р= 1500Н). Измерение твердо­сти осуществляли по точкам, указанным по сечению головки (рисунок 3.1).

Копровые испытания

Копровые испытания проводили в соответствии с ГОСТ Р 51685 — 2000 на полнопрофильных пробах длиной 1300 ± 50 мм при температуре минус 60 °С и падении груза (1000 ± 3 кг) с высоты 9 м. Копровые испыта­ния осуществляли на рельсоиспытательном копре.

После удара груза измеряли стрелу прогиба испытываемой пробы пу­тем прикладывания линейки длиной 1 м ребром к поверхности катания го­ловки рельса.

Измерение остаточных напряжений

Измерение остаточных напряжений осуществляли методом вырезки паза в соответствии с ГОСТ Р 51685 — 2000. По этому методу пробу дли­ной 600 ± 3 мм, отрезанную на расстоянии не менее 1500 мм от торца рельса, надрезали вдоль шейки по нейтральной оси рельса на длину 400 ± 3 мм. Ширина прорезаемого паза должна быть не менее 6 ± 1 мм. Уровень остаточных напряжений определяли по расхождению паза.

Список литературы

  1. Снижение загрязненности рельсов оксидными включениями при рас¬кислении стали FeSiCa+FeSiZr / А.А. Дерябин [и др.] // Металлург.- 1981.-№2,- С.30-32.
  2. Синельников В.А. Технологические аспекты повышения качества и уровня потребительских свойств железнодорожных рельсов / В.А. Си¬нельников, Г.А. Филиппов // Металлург.- 2001.- № 10.- С.50 -52.
  3. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами./В.В. Панасюк.- Киев: Наукова думка, 1968.- 246 с.
  4. Палатник JI.C. Структура и динамическая долговечность сталей в усло¬виях тяжелого нагружения./ JI.C. Палатник, Т.М. Равицкая, Е.П. Остров¬ская.- Челябинск: Металлургия, 1988.-160с.
  5. Воротилкин A.B. Основные причины износа в системе колесо-рельс // ТРИБОФАТИКА: сб.док.- Иркутск: ИрГУПС, 2005.- Том.1. — С. 415-417.
  6. Сравнение затрат жизненного цикла обычных и термоупрочненных рельсов // Железные дороги мира.- 2006.- № 3.- с.71-74.
  7. Хрупкий излом рельса //Путь и путевое хозяйство.- 1993.- № 8.- с. 9 -10.
  8. Сосновский J1.A. Теория накопления износоусталостных повреждений. / J1.A. Сосновский, A.B. Богданович.- Гомель,- 2000.- 60 с.
  9. Сосновский JI.A. Трибофатика: износоусталостные повреждения в про¬блемах ресурса и безопасности машин ./J1.А. Сосновский, H.A. Махутов. — М. — Гомель: ФЦНТП «Безопасность», НПО «ТРИБОФАТИКА».- 2000.- 304 с.
  10. Богданович П.Н. Трение и износ в машинах./ П.Н. Богданович, В.Я. Прушак. — Минск: Вышэйшая школа, 1999.- 376с.
  11. Сосновский JI.A. Проблема колесо/рельс с позиции трибофатики / J1.A. Сосновский, В.П. Сенько // Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов: сб. науч. тр.- Екатеринбург: ГНЦ РФ ОАО «УИМ», 2006.- С. 215 — 228.
  12. Муравьев Е.А. Динамика образования внутренних напряжений и ис¬кривленности рельсов при объемной закалке их в масле /Е.А. Муравьев, М.С. Михалев // ЦНИИ МПС.- М., 1973.- Вып.491С.42-49.
  13. Технология термообработки рельсов для работы в особо тяжелых усло¬виях эксплуатации /Д.К. Нестеров [и др.] // Сталь.- 1989,- С.79-82.
  14. Золотарский А.Ф. Термически упрочненные рельсы / А.Ф.Золотарский, Я.Р. Раузин, Е.А. Шур. — М.: Транспорт. 1976,264с.
  15. Лемпицкий В.В. Производство и термическая обработка железнодорож¬ных рельсов / В.В. Лемпицкий, Д.С. Казарновский, C.B. Губерт. — М.: Металлургия, 1972. — 272 с.
  16. Недорезов И.В. Обзор промышленных процессов закалки рельсов и ос¬таточных напряжений в них // Производство проката.- 2001.- №6.- С. 13-18.