Разработка химического состава и технологии термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса

Современное состояние научной проблемы и постановка задачи исследования

Современные требования к свойствам рельсов и рельсовой стали

К свойствам современных рельсов и рельсовой стали предъявляют следующие требования:

• сопротивление износу;
• сопротивление смятию;
• высокая усталостная прочность;
• прочность на растяжение;
• достаточная твердость;
• стойкость к охрупчиванию;
• высокая ударная вязкость (особенно актуальна для рельсов, ис­пользуемых при отрицательных температурах);
• стойкость к растрескиванию (трещинообразованию);
• живучесть — способность сохранять необходимые рабочие каче­ства при наличии повреждений в виде усталостных трещин;
• хорошая свариваемость (особенно актуальна для бесстыкового

пути);

• высокое качество поверхности;
• точность геометрических размеров, прямолинейность.

В настоящее время определены основные научно-технические на­правления решения проблем, связанных с повышением эксплуатационной стойкости рельсов. В частности, изучено влияние химических элементов на морфологию, состав и распределение неметаллических включений в рельсах. Проанализированы и уточнены представления о процессах моди­фицирования и микролегирования стали, а также конкретизированы прин­ципы модифицирования и микролегирования рельсовой стали [1 — 15]. Изучены причины образования внутренних дефектов, приводящих к кон­тактно-усталостным разрушениям рельсов при эксплуатации [16 — 23]. Ис­следовано влияние карбидо- и нитридообразующих элементов на свойства рельсовой стали [24 — 27].

Наряду с научными изысканиями проведены технические мероприя­тия по совершенствованию технологии отечественного рельсового произ­водства. В этой связи были обнаружены новые пути и возможности повы­шения эксплуатационной надежности рельсов.

В частности, осуществлен переход технологии производства стали от мартеновского способа к кислородно-конвертерному и электросталепла­вильному; внедрено вакуумирование [28 — 31]; освоено производство рель­сов из непрерывнолитой заготовки [32 — 37]; усовершенствована техноло­гия правки рельсов и внедрены современные способы контроля прямоли­нейности рельсов по всей длине в технологическом потоке производства [38 — 42]. В результате проведенных мероприятий значительно улучшилось металлургическое качество рельсовой стали (чистота стали по сере, фос­фору, газам, неметаллическим включениям, снижение пораженности ме­талла макродефектами и поверхностными дефектами).

Повышение эксплуатационных свойств рельсов обусловлено не только улучшением их металлургического качества, но и также проведени­ем оптимизации химического состава рельсовой стали. В этом направле­нии выполнен большой объём научно-исследовательских работ и промыш­ленных экспериментов, а именно: освоено производство рельсов повы­шенной износостойкости из стали с увеличенным содержанием углерода до 0,88 % и микролегирующими добавками ванадия (0,07 + 0,08 %) и азота (0,012 -5- 0,017 %) [43, 44]. Эксплуатационные наблюдения, проведенные на перевальном участке Иркутск — Слюдянка Восточно-Сибирской железной дороги, отличающейся большим количеством кривых малого радиуса, по­казали высокую износостойкость рельсов из стали заэвтектоидного со­става. Удельный их боковой износ составил 0,078 + 0,074 мм на 1 млн.тонн.брутто. В то же время для стандартных рельсов этот показатель значительно выше и составляет 0,124 мм на 1 млн.тонн брутто. Дальней­шее повышение содержания углерода выше заэвтектоидного лимитирова­но образованием структурно-свободного цементита. Как известно, образо­вание по границам зерен перлитных колоний сетки структурно-свободного цементита приводит к резкому снижению ударной вязкости стали и дина­мической прочности рельсов [17].

Благодаря оптимизации химического состава углеродистой рельсо­вой электростали и применению технологии карбонитридного упрочнения достигнуто существенное повышение эксплуатационной стойкости до уровня мировых стандартов, обеспечившее наработку рельсов более 1 млрд. тонн брутто. [45].

Другим достижением является создание рельсов низкотемператур­ной надежности [46], обеспечившее безопасность движения при темпера­турах минус 40° С и ниже. Этот параметр достигают посредством целена­правленного формирования в металле карбонитридов ванадия, для образо­вания которых в стали должно содержаться достаточное количество вана­дия и азота [47]. В работе [26] установлено, что гарантированное получе­ние необходимой ударной вязкости рельсов низкотемпературной надежно­сти обеспечивается следующим химическим составом стали (массовая до­ля, %): 0,75 С; 0,85 — 1,05 Мп; 0,30 — 0,45 81; 0,010 — 0,020Ы; 0,005 — 0,010 А1; 0,07-0,08 V.

Увеличение скоростей движения потребовало проведения ряда раз­работок, направленных на повышение геометрического качества рельсов. Технические мероприятия по улучшению режима правки, применение ги­бочных машин и подстуживания подошвы по всей длине рельсов перед за­калкой, а также оптимизация режимов закалки и отпуска, позволили нала­дить производство рельсов для скоростного совмещенного движения [40].

Однако, несмотря на достигнутые результаты в повышении качества рельсов, в рамках существующей технологии отечественного производства затруднено изготовление рельсов, отличающихся повышенной надежно­стью и увеличенным ресурсом.

На основе многочисленных теоретических и экспериментальных ис­следований установлено, что сопротивление рельсов образованию дефек­тов термомеханического происхождения повышается с уменьшением со­держания углерода в стали, а износостойкость и контактно-усталостная прочность рельсов значительно возрастают с увеличением дисперсности перлитной структуры. В настоящее время в структуре сорбита закалки стандартных рельсов межпластиночное расстояние приближается к своему предельному значению (0,1 мкм) [45]. В связи с этим пути дальнейшего повышения эксплуатационной стойкости рельсов предполагают переход к структуре бейнита, отличающегося более дисперсным строением и высо­ким комплексом механических свойств.

Как показывает практика, современным железным дорогам требу­ются рельсы повышенной точности геометрии при достаточной прочности и твердости стали, способной выдерживать высокие контактные нагрузки [49 — 52]. Согласно ГОСТ Р 51685 — 2000 для рельсов высшей категории В отклонение от прямолинейности в вертикальной плоскости не должно пре­вышать ± 0,3 мм на длине 1,5 м, а концевая искривленность — 0,5 мм в вер­тикальной и горизонтальной плоскостях.

Жесткие допуски на геометрические характеристики рельсов необ­ходимы не только для реализации высоких скоростей движения поездов (до 330 км/ч), от уровня их прямолинейности зависит также развитие по­вреждаемости рельсов дефектами контактно-усталостного происхождения и волнообразным износом [53, 54]. Проскальзывание колеса при движении повышает износ поверхности рельсов. Поэтому при создании рельсовой стали нового поколения требования к износостойкости и контактно- усталостной прочности являются основными.

Как показано в работе [55], основным видом, служащим причиной изъятия рельсов с пути, являются контактно-усталостные дефекты. Наи­большее число единичных отказов приходится на дефект по коду 21 (попе­речная трещина в головке) [56]. Увеличение скоростей поездов неизбежно ведет к возникновению больших напряжений в месте контакта колеса и рельса, в связи с этим возрастает вероятность образования поперечных трещин в головке рельса [57]. Такие трещины, достигнув критического размера, могут привести к хрупкому разрушению рельса под поездом. В этом случае рассматривают две стадии работы рельса: первая — бездефект­ная, которая заканчивается зарождением контактно-усталостной трещины, вторая — развитие последней до критического размера, определяющая жи­вучесть или трещиностойкость рельса. Соответственно надежность рель­сов в конкретных условиях эксплуатации определяется продолжительно­стью второй стадии, которая, в свою очередь, зависит от критического размера трещины и скорости ее развития.

В работе [58] показано, что обязательным условием образования контактно-усталостных дефектов является наличие касательных напряже­ний. Их возникновение связано с проскальзыванием колеса относительно рельса из-за конического профиля колеса, а также при изменении режима движения подвижного состава (ускорение и торможение). При этом воз­никающие нормальные напряжения имеют максимальные значения на по­верхности головки рельса, в то время как касательные напряжения макси­мальны, по данным работ [59, 60], на определенной глубине (4-^-8 мм) от ее поверхности. При этом очагом зарождения контактно-усталостных тре­щин, как показывают исследования ВНИИЖТ [61], являются скопления сложных оксидных включений. Однако, повышение чистоты стали по не­металлическим включениям в результате перехода к раскислению рельсо­вой стали комплексными сплавами [62 — 64] взамен алюминия, не привело к уменьшению количества одиночных изъятий рельсов по контактно- усталостным дефектам [65]. В работе [66] высказано предположение, что процесс зарождения микроразрушений определяется соотношением проч­ности и пластичности стали, прочности и деформируемости неметалличе­ских включений, а также прочностью их сцепления с матрицей.

Другим наиболее частым дефектом контактно-усталостного проис­хождения являются вмятины и пятна, образующиеся в результате вдавли­вания колесом случайно попавших на рельс твердых тел, т. е. являются ре­зультатом механически обусловленной пластической деформации. Наряду с указанными дефектами также часто при эксплуатации рельсов возникают термомеханические повреждения, вызванные структурными превраще­ниями в стали. Вследствие проскальзывания колеса на поверхности ката­ния головки рельса в зоне контакта протекают мгновенные структурные и фазовые превращения, приводящие к образованию вторичной структуры (нетравящейся белой зоны), отличающейся высокой твердостью и хрупко­стью. По результатам рентгеноструктурного анализа [67] белая зона харак­теризуется наличием линий аустенита и сильным уширением линий а — фазы, чего не наблюдалось вне белой зоны. При электронно- микроскопическом исследовании в зоне вторичных структур обнаружены также локальные изменения структуры исходного тонкопластинчатого перлита, выражающиеся в неоднородной плотности цементитных пластин и многократном их изгибе путем двойникования, дробления карбидов и появления участков промежуточного превращения с частичным растворе­нием цементитных пластин и незавершенным формированием вторичной структуры. Локальные образования вторичной структуры, твердость кото­рых иногда втрое превышает твердость основного металла, в дальнейшем приводят к зарождению микротрещин.

Моделирование процесса ударных нагрузок на образцах из стали с разным содержанием углерода и легирующих элементов показало, что об­разование вторичных структур очень сильно зависит от содержания угле­рода и легирующих элементов. Чем меньше содержание углерода, тем меньше вероятность образования белой зоны. В отношении легирующих элементов отмечено, что такие элементы, как N1, Сг, \У, Мп, Со, V в убы­вающем порядке влияют на чувствительность стали к образованию вто­ричных структур. По мнению Л.С. Палатника, Т.В. Равицкой и Е.Л.Островской высокая чувствительность к образованию вторичных структур стали, легированной никелем, объясняется, во-первых, его свой­ством расширять у — область и снижать критическую скорость закалки, а во-вторых, действием его как некарбидообразующего элемента, ускоряю­щего диффузию углерода и способствующего гомогенизации аустенита.

Не менее важной характеристикой рельсов является их износостой­кость. Большинство исследователей считают, что интенсивность износа определяется в основном свойствами колесной и рельсовой стали. По мне­нию автора работы [68] в зависимости от соотношения твердостей сталей в месте контакта реализуется два варианта взаимодействия: в случае преоб­ладания твердости колесной стали микронеровности поверхности колеса внедряются в относительно мягкую поверхность рельса. При таком взаи­модействии склонность к проскальзыванию уменьшается, что соответству­ет уменьшению износа; в случае более высокой твердости рельса проник­новение неровностей идет в сторону колеса и сопротивление проскальзы­ванию происходит только за счет взаимодействия микронеоднородностей на плоских поверхностях колеса и рельса. Отечественный и мировой опыт эксплуатации железных дорог показал, что превышение твердости рельса над колесом на 10 + 30 % приводит к катастрофическому износу колес. Вместе с этим, почти во всех странах с развитой железнодорожной сетью наблюдается тенденция к упрочнению рельсов и, соответственно, повыше­нию твердости. Так, например, испытания, выполненные Федеральными железными дорогами Германии (DBAG) и компанией VoestAlpine Schienen (Австрия) показали, что углеродистые рельсы с термоупрочненной голов­кой имеют более высокую сопротивляемость изнашиванию, чем нетермо- упрочненные рельсы. Установлено, что после пропуска 100 млн. тонн, брутто поездной нагрузки износ рельса типа R 350 НТ в два раза меньше, чем рельса типа R260 и составил соответственно 0,25 и 0,50 мм [69]. Одна­ко, достижение высокой твердости находится в противоречии с важным требованием по обеспечению свариваемости стали. Поэтому главной це­лью исследовательских разработок является достижение твердости без увеличения содержания углерода.

Появление усталостных трещин и в дальнейшем развитие хрупких разрушений зависят не только от качества рельсовой стали, уровня сил взаимодействия пути и подвижного состава, напряжений в элементах пути, а также от температуры окружающей среды. По данным служб пути на до­рогах, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, зимой одиночные изъятия по дефектам в 2,0 2,5 раза больше, чем летом. Снижение температуры особенно заметно сказывается на развитии устало­стных трещин в головке рельсов бесстыкового пути. В работе [70] также отмечается, что при низких температурах наблюдается снижение пластич­ности и вязкости, в результате этого возможно хрупкое разрушение рель­са. Очевидно, что приоритетным направлением является повышение низ­котемпературной надежности рельсового металла.

При традиционной оценке работоспособности пары «колесо — рельс» принимается во внимание либо износостойкость, либо механика усталост­ного разрушения.

При рассмотрении системы «колесо — рельс» с позиции трибофатики процессы контактно-усталостного разрушения и износа изучаются во взаимосвязи, выделяя новое представление о «комплексном износоустало- стном повреждении и разрушении силовых систем». Вопросы износоуста- лостного повреждения подробно изучены в работах J1.A. Сосновского, A.B. Богдановича, H.A. Махутова [71-73]. С точки зрения трибофатики «колесо — рельс» рассматривается как система комплексного повреждения: трения качения + механическая усталость одновременно (контактная уста­лость) и / или трение скольжения + механическая усталость одновременно (фрикционно-механическая усталость). Это означает, что между элемента­ми системы имеет место силовое взаимодействие, обусловленное одновре­менным и совместным действием как контактного давления, так и цикли­ческих напряжений. В таком случае сопротивление системы комплексному износоусталостному повреждению и разрушению характеризуется сле­дующими параметрами: долговечностью системы при одновременном дей­ствии контактного давления и циклических напряжений, обусловленной долговечностью либо колеса, либо рельса, либо обоих элементов одновре­менно; интенсивностью изнашивания системы с учетом действия цикличе­ских напряжений; пределом выносливости рельса с учетом влияния кон­тактного давления; предельным контактным давлением с учетом влияния циклических напряжений. Из изложенного следует, что показатели рабо­тоспособности системы «колесо — рельс», определяемые методами трибо­фатики, достаточно полно отражают реальные условия их работы, тогда как аналогичные показатели, определяемые методами трения или механи­ки усталостного разрушения, описывают поведение изучаемой системы в идеализированных условиях.

Оптимальная долговечность с позиции трибофатики как системы, так и ее элементов в целом, может быть достигнута путем управления про­цессами комплексного износоусталостного повреждения с учетом реально­го взаимодействия необратимых повреждений, обусловленных двумя ис­точниками — контактным взаимодействием колеса и рельса и объемным повторно-переменным деформированием одного из них [74].

С точки зрения традиционных представлений для повышения тре- щиностойкости и износостойкости стали в рамках действующей на рос­сийских предприятиях технологии объёмной закалки в масле можно полу­чить необходимые прочность и твердость стали, однако, при этом практи­чески невозможно достигнуть требуемого уровня прямолинейности рель­сов. Термические напряжения, формирующиеся по сечению рельса при объёмной закалке, существенно нарушают геометрическое качество рель­сов [75]. Последующая правка не позволяет получить рельсы с удовлетво­рительной прямолинейностью и низкими остаточными напряжениями.

Наилучшим техническим решением, обеспечивающим получение прямолинейных рельсов, является применение способа легирования стали, приводящего к упрочнению стали без закалочного охлаждения.

Не менее важным требованием является удовлетворительная свари­ваемость рельсов. От качества сварного шва во многом определяется экс­плуатационная стойкость бесстыковых плетей. При сварке углеродистых рельсов возникают значительные трудности, поскольку при высоком угле­роде возрастает вероятность хрупких разрушений, особенно при отрица­тельных температурах. Повышение прочности и долговечности сварных рельсов достигается не только соблюдением технологии сварки, но и улучшением свойств металла. Требования к качеству сварных рельсов осо­бенно возрастают с ростом скоростей движения. Для повышения надежно­сти сварных стыков рельсов авторы работы [41] отмечает важность обес­печения высокой степени прямолинейности рельсов, особенно концевой кривизны. Весьма важно, чтобы металл сварного шва обладал высокими пластическими свойствами и живучестью.

Обобщение сведений по вопросу эксплуатационной стойкости рель­сов отечественного и зарубежного производства, а также анализ причин повреждения рельсов в условиях эксплуатации на отечественных желез­ных дорогах позволили выделить наиболее значимые требования к рель­сам, предназначенным для работы в современных условиях: точность гео­метрии, высокая сопротивляемость хрупким разрушениям, высокая чисто­та стали, высокая усталостная прочность, удовлетворительная сваривае­мость, низкие остаточные напряжения.

Проблема повышения прочности рельсовой стали

Вопросам повышения прочности и твердости рельсов посвящено много российских и зарубежных работ, однако, до настоящего времени данная проблема не утратила своей актуальности.

Термическое упрочнение является одним из наиболее эффективных способов повышения эксплуатационной стойкости рельсов [61]. Упрочне­ние привело к повышению твердости головки углеродистых рельсов с пер­литной структурой до 340 -ь 370 НВ, обеспечению прочности на уровне 1200 -г- 1300 Н/мм и относительного удлинения до 12 % [77, 78]. Это по­зволило повысить износостойкость и контактно-усталостную прочность рельсов.

Обобщение работ [79 — 82] по вопросу промышленных процессов за­калки позволяет выделить три типа процесса закалки рельсов: объемная закалка, поверхностная закалка с повторного нагрева, поверхностная за­калка с прокатного нагрева. Третий тип закалки является наиболее энерго­сберегающим и в последнее время становится наиболее конкурентоспо­собным. Наиболее устаревшим и имеющим ряд недостатков является пер­вый тип термического упрочнения — объемная закалка в масле. Эта техно­логия применяется в настоящее время на отечественных металлургиче­ских предприятиях — ОАО «НКМК» и ОАО «НТМК».

Оценивая уровень качества термически упрочненных рельсов отече­ственного производства, следует отметить, что по уровню твердости и прочности отечественные термоупрочненные рельсы из углеродистой ста­ли практически находятся на одном уровне с зарубежными, а по ударной вязкости даже превосходят их. Отечественные рельсы уступают зарубеж­ным только по прямолинейности и остаточным напряжениям. Указанные недостатки обусловлены способом выполнения термической обработки рельсов на отечественных предприятиях — объемным погружением несим­метричного профиля рельса в охлаждающую среду — масло. С целью уменьшения коробления и обеспечения требуемых механических характе­ристик постоянно проводится работа по совершенствованию существую­щей технологии и ведется поиск новых способов термического упрочне­ния. Специалистами научно-исследовательских и учебных институтов (ФГУП «ВНИИЖТ»; ГНЦ РФ «ОАО» УИМ; ГОУ ВПО «СибГИУ»), а так­же производителями отечественного рельсового проката (ОАО «НКМК» ОАО « НТМК») проведены многочисленные работы и исследования по экспериментальному опробованию термической обработки с применением двухстороннего охлаждения рельсов в сжатом воздухе и потоке воды [83 — 85], горячей воде [86], водополимерной среде [87]. Кроме этого опробова­на технология термомеханического упрочнения с применением после­дующего водо-воздушного охлаждения [88] и дифференцированного ох­лаждения, включающего регулируемое охлаждение водо-воздушными смесями [89 — 92]. По мнению Е.А. Шура внедрение в промышленное про­изводство новой технологии упрочнения возможно только при условии выполнения гарантированных свойств и соблюдения экологичности и безопасности процесса. В силу тех или иных причин не один из опробо­ванных способов термического упрочнения в настоящее время не внедрен в отечественное производство.

Рельсовая сталь в основном содержит 0,7 0,9 % углерода и имеет структуру перлита с разной степенью дисперсности.

Оценивая структурное состояние рельсовой стали, автор работы [93] обращает внимание на то, что микроструктура рельсов, уложенных в 1857 г., и современных рельсов практически идентичны. В обоих случаях меж­пластиночное расстояние перлита составляет не более 0,3 мкм.

Благодаря внедрению термической обработки в промышленное про­изводство стало возможно достижение высокой степени дисперсности перлита порядка 0,1 мкм. Авторы работы [94] считают, что при создании технологии термической обработки необходимо учитывать критерии пер­литной структуры : размер колоний перлита (Б), межпластиночное рас­стояние (X) и объемную долю цементита (Уо). Натурные испытания и ис­следования подтвердили зависимость сопротивляемости износу и контакт­но-усталостным трещинам рельсовой стали от параметров микрострукту­ры. Установлено, что сопротивляемость износу стали слабо улучшается с увеличением доли цементита, умеренно возрастает при уменьшении раз­мера колонии и значительно возрастает с уменьшением межпластиночного расстояния. Приблизительно такие же результаты получены при определе­нии сопротивляемости стали усталостным разрушениям. С учетом крите­риев структурного состояния фирмой №£К созданы рельсовые стали типа СР («суперперлит»). Наиболее прочной из перлитных сталей этого класса, по данным японских исследований [95], считается сталь ТНН 370, имею­щая прочность 1300 МПа, которая достигается в результате сложной тер­мической обработки стали с содержанием углерода 0,82 %, обеспечиваю­щей межпластиночное расстояние менее 0,2 мкм. Разработчики японской рельсовой стали считают, что полученный результат близок к теоретиче­скому пределу прочности перлитной рельсовой стали.

Результаты зарубежных исследователей согласуются с выводами отечественных исследователей [96 — 107]. По мнению Е.А.Шура повыше­ние эксплуатационной стойкости рельсов возможно только при получении однотипной структуры с минимальным межпластиночным расстоянием.

Зарубежные и отечественные исследователи считают, что достигну­тый на рельсовой стали перлитного класса результат близок к своему тео­ретическому пределу и что на этом практически завершаются работы по дальнейшему повышению прочности рельсовой стали перлитного класса.

Дальнейшее увеличение прочности рельсовой стали связывают с ее леги­рованием, а также сочетанием легирования и термической обработки.

Разработка низколегированных марок сталей для производства рель­сов является весьма перспективным направлением повышения прочности. Накоплен большой материал по исследованию широкого спектра химиче­ских составов рельсовых сталей, легированных кремнием, марганцем, хромом, ванадием, никелем, молибденом, алюминием и другими элемен­тами [108 — 114]. Однако, первоначально в отечественном производстве разработки не нашли внедрения в производство из-за высокой стоимости ферросплавов. Для повышения прочности в массовом производстве отече­ственных рельсов широкое распространение получила термическая обра­ботка, благодаря более низкой цене энергоносителей, в то время как за ру­бежом исследования по разработке низколегированных рельсовых марок сталей продолжали проводиться. Успешность и перспективность этого на­правления в настоящее время подтверждается созданием ряда марок стали 900А, ТШП, N11812 [115].

В последнее время в России интерес к разработке низколегирован­ных марок сталей — как одной из возможностей получения механических свойств, соизмеримых со свойствами объёмно-закалённых рельсов, и обеспечения прямолинейности, удовлетворяющей требованиям высоко­скоростного движения, возрос многократно.

Ранние исследования рельсов типа Р65 из низколегированной стали марок М70ХГСФ, М70ХГСБ и М70ХГСМ в горячекатаном состоянии по­казали повышенные характеристики механических свойств и твердости, соизмеримые со свойствами термически упрочненных рельсов [116].

В период 1996-2001 гг. на ОАО «НТМК» изготовлены опытные партии рельсов из стали марок 76ХГВ, 76ХГСАФ, 72Х2ГСАФ. Исследова­ния показали, что прочностные свойства рельсов из стали марок 76ХГВ, 76ХГСАФ приближаются к свойствам термоупрочненных рельсов из угле­родистых сталей, а прочностные свойства и твердость рельсов из стали марки 72Х2ГСАФ с большим содержанием марганца, кремния, хрома и ванадия практически находятся на уровне термоупрочненных рельсов стандартного производства, за исключением ударной вязкости [117]. По результатам металлографических исследований структура рельсов из низ­колегированных сталей представляет собой пластинчатый перлит с выде­лениями карбонитридов ванадия и карбидов хрома в ферритных пластин­ках. Требуемая прямолинейность нетермоупрочненных рельсов из стали марки 72Х2ГСАФ достигалась путем применения дополнительного отпус­ка и последующей правки в роликоправильной машине.

Промышленное освоение рельсов из низколегированной стали марки Э76ХГФ (таблица 1.1) на ОАО «НКМК» показало не только возможность достижения удовлетворительных механических свойств (таблица 1.2), но и позволило обеспечить на рельсах требуемые прямолинейность и низкие остаточные напряжения без применения дополнительного отпуска [118].

Удовлетворительное качество и свойства также показали рельсы из низколегированной стали марки М 70ХГСФ (таблица 1.1), изготовленные на ОАО «МК Азовсталь» [119]. Механические свойства опытных рельсов в горячекатаном состоянии близки к свойствам термически упрочненных рельсов из углеродистой стали (таблица 1.2) по ГОСТ 24182.

Производство рельсов из низколегированных рельсовых сталей явля­ется эффективным не только за счет повышения механических свойств, но и благодаря хорошим экономическим показателям. Затраты на производ­ство низколегированных нетермоупрочненных рельсов примерно на 20 30 % ниже, чем углеродистых объёмно-закалённых рельсов.

Дальнейшее развитие низколегированных рельсовых сталей на осно­ве перлитной структуры также практически исчерпало свои возможности. Как показывают исследования, возможности повышения механических свойств низколегированных углеродистых сталей ограничены предельны­ми значениями твердости (352 НВ). Для достижения более высоких пока­зателей требуется дополнительное легирование, либо термическая обра­ботка для перехода на другую структуру. Как указывается в работе [120], новое поколение рельсовых сталей, по мнению японских исследователей, предпочтительно создавать на основе бейнитной структуры. Автор моно­графии [121] на основании обширных исследований сделал вывод, что наиболее перспективной является рельсовая сталь с пониженным содержа­нием углерода с минимальным межпластиночным расстоянием, а в пре­дельном случае — со структурой бескарбидного бейнита.

Разработками бейнитных рельсовых сталей зарубежные исследовате­ли занимаются достаточно давно, начиная с 90 г. XX века [122 -124], тогда как в России подобные работы находятся только на начальной стадии раз­вития. Интерес к бейнитным сталям обусловлен их оптимальным сочета­нием прочности, твердости и пластичности.

В обзорной работе [48] приведены химические составы рельсовых сталей с разным содержанием углерода и легирующих элементов. Выбо­рочно химический состав бейнитных сталей приведен в таблице 1.3, их ме­ханические свойства — в таблице 1.4.

Представленные стали обеспечивают широкий спектр микрострук­тур в зависимости от химического состава и условий охлаждения, а имен­но: сталь № 1 в состоянии после прокатки имеет структуру реечного фер­рита с остаточным аустенитом по границам реек. Присутствует также вы­сокодисперсный реечный мартенсит. В состоянии после закалки в воду структура состоит из реечного феррита без остаточного аустенита, с не­большим количеством игольчатого мартенсита.

Сталь № 2 обеспечивает при охлаждении на воздухе с прокатного нагрева образование мелкоигольчатого бейнита, причем твердость стали составляет около 400 НУ. Указанная структура образуется по всему сече­нию рельса.

Сталь № 3 имеет бейнитную структуру реечного феррита с остаточ­ным аустенитом по границе реек. Несмотря на относительно высокое со­держание углерода, сталь не имеет в структуре карбидов из-за повышенно­го содержания кремния, который предотвращает их выпадение.

Сталь № 4 с прокатного нагрева охлаждается в потоке водяными струями с последующим самоотпуском. После такой термической обра­ботки сталь имеет структуру отпущенного реечного мартенсита.

Сталь № 5 обеспечивает стабильность бейнитной структуры в широ­ком диапазоне скоростей охлаждения, что необходимо при термической обработке сложного профиля рельса.

Стали № 6 -М5 обеспечивают получение бейнитной структуры при охлаждении в струе воздуха с прокатного нагрева. Твердость их колеблет­ся в пределах НВ = 331-5- 425.

Структура бейнита и отпущенного мартенсита получена в отечествен­ных рельсах из среднеуглеродистых сталей марок 40ХГСМ и 40ХГСН [125]. Рельсы из этих сталей после прокатки отличались высокой прочностью и ударной вязкостью при удовлетворительной пластичности (таблица 1.5).

Отпуск при 500 °С несколько улучшил пластические характеристики, но ухудшил вязкость. Полученный первый опыт, однако, оказался неудач­ным, из-за высокой прочности рельсы в горячекатаном состоянии на суще­ствующем оборудовании практически не поддавались правке.

Из двух рассматриваемых в работе [100] вариантов структурного со­стояния (мартенсит или бейнит) в отношении рельсов предпочтение отда­ется бейнитной структуре. Меньшая износостойкость бейнитной структу­ры позволит, по мнению Е.А. Шура, реализовать большую контактно- усталостную долговечность рельсов за счет приближения к оптимальному соотношению между удалением (износом) поверхностных слоев металла и реализованной контактно-усталостной прочностью. Кроме этого указыва­ется, что бейнитные структуры за счет пониженного содержания углерода могут противостоять термомеханическим повреждениям.

По данным работы [125], для рельсов из сталей бейнитного класса наиболее благоприятной в отношении вязкости разрушения считается смешанная структура, состоящая из нижнего бейнита и реечного мартен­сита. В другой обзорной работе [48] отмечается, что высокую вязкость разрушения имеет структура верхнего бейнита, содержащая островки вы­сокоуглеродистого мартенсита.

Несмотря на противоречивость взглядов, обобщение литературных данных по этому вопросу показало, что стали бейнитного класса, благода­ря хорошему сочетанию прочности и вязкости, могут конкурировать со сталями перлитного класса. Бейнитные рельсовые стали перекрывают весь диапазон прочности современных углеродистых перлитных рельсовых сталей. Вязкость у бейнитных сталей выше, чем у перлитных. Это свиде­тельствует о том, что, например, при прочности 950 МПа в бейнитных ста­лях допустимая глубина трещины перед возникновением опасности хруп­кого излома на 40 % больше, чем в перлитных [126].

При оценке бейнитных рельсов с позиции эксплуатационной стойко­сти также имеются противоречивые мнения. Одни исследователи [127] ут­верждают, что скорость износа рельсовых сталей, имеющих структуру бейнита, при контактном напряжении возрастает медленнее, чем скорость износа перлитных сталей.

Эксплуатационные испытания бейнитных рельсов, проведенные на Офотской железной дороге в Норвегии, являющейся самым грузонапря- женным участком (22 млн.тонн), показали высокую износостойкость бей­нитных рельсов. По сравнению с рельсами из стали 900, срок службы бей- нитных рельсов повысился в восемь раз. Вместе с тем, конкретной оценки их по контактной усталостной прочности пока не получено. Характеризуя бейнитные рельсы как высокоизносостойкие, их рекомендуют использо­вать при перевозке тяжелых грузов с высокими нагрузками на ось.

По мнению других исследователей [128] бейнитные рельсы не вы­держивают конкуренции с перлитными рельсами по износу и лучше всего проявили себя при эксплуатации на контактную усталость. Исследования показали, что при эксплуатации вагонов на типовых тележках износостой­кость углеродистых рельсов возрастает с увеличением твердости. На этом же участке испытывали рельсы из бейнитной стали с твердостью 420 НВ. Результаты испытаний показали, что при обращении вагонов на типовых тележках рельсы из бейнитной стали изнашиваются быстрее на 50%, чем из углеродистой стали повышенного качества. При этом дефектов по кон­тактной усталости на бейнитных рельсах не выявлено. В то же время су­ществует еще одно мнение, что бейнитные рельсы имеют не только изно­состойкость, но высокое сопротивление усталостному разрушению [129].

Несомненно, что эти факты имеют важное значение для проведения дальнейшей поисковой работы по определению оптимального состава и структуры для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств рельсов.

Создание нового поколения бейнитных рельсов требует исследова­ний по установлению и определению параметров структуры, непосредст­венно влияющих на эксплуатационные характеристики рельсов.

Согласно фундаментальной теории, бейнит представляет собой смесь а — фазы (феррита) и карбида [130]. В отличие от перлита, в котором кристаллы обеих фаз, образующих эвтектоид, имеют пластинчатую форму, в бейните карбиды выделяются в другой форме, которая сильно зависит от температур. Поэтому в соответствии с кинетикой процесса бейнит подраз­деляют на верхний и нижний. В обзорной работе [48] бейнит подразделяют по морфологическим признакам как сферический, столбчатый, верхний, нижний, обратный. Согласно работе [131], структуру бейнита предлагают различать по трем типам: В1 — реечный (игольчатый) феррит с карбидами внутри реек; В2 — реечный (игольчатый) феррит с карбидами или остаточ­ным аустенитом по границам реек; ВЗ — реечный (игольчатый) феррит с дискретными островками остаточного аустенита и /или мартенсита (ника­ких карбидов) по границам реек. По этой классификации нижний бейнит соответствует типу В1, верхний — типу В2, а гранулярный бейнит — типу ВЗ. Бейнитным комитетом Японского института стали предложены сле­дующие модификации бейнита: полигональный, квази-полигональный, видманштеттовый, зернистый, бейнитный феррит и кубический мартенсит.

Сложный механизм бейнитного превращения соответственно за­трудняет классификацию бейнитной структуры. Бейнит в общем случае состоит из различных структурных составляющих: а — фазы, карбидов, ос­таточного аустенита, имеющих разный химический состав, морфологию и дисперсность. Поэтому описание бейнита представляет собой наиболее сложную задачу.

Вопрос о влиянии легирующих элементов на структуру и механиче­ские свойства стали бейнитного класса в горячекатаном состоянии приме­нительно к рельсам практически не изучен. В работе [127] указывается, что на структуру, образующуюся при бейнитном превращении без применения упрочняющей термической обработки, существенно влияет содержание углерода в стали. Стали, легированные хромом, никелем, молибденом, с содержанием углерода ниже ОД 0 % склонны к образованию гранулярного бейнита. Однако, эти стали могут иметь игольчатую структуру с мелко­дисперсными выделениями карбидов, если основным легирующим эле­ментом является марганец. Стали с содержанием углерода выше 0,25 % могут иметь игольчатую структуру нижнего или верхнего бейнита с выде­лением карбидов, иногда в них встречается перлит.

Как известно, структурным состоянием стали определяются ее меха­нические свойства. Прочность бейнитной стали зависит от ширины фер- ритных реек и объемной доли цементита, а также участков остаточного ау- стенита и /или мартенсита. В обоих случаях, чем ниже температура пре­вращения, тем тоньше структура и тем выше прочность стали.

Для большинства низколегированных сталей температуру начала бейнитного превращения определяют по эмпирической формуле:

Из формулы (1.1) следует, что наиболее сильное влияние на температуру бейнитного превращения оказывает углерод. Затем следует марганец, мо­либден, хром, никель.

В работе [132] указывается, что марганец, в первую очередь, задер­живает перлитное превращение и снижает кривую бейнитного превраще­ния. Молибден повышает бейнитную прокаливаемость. Хром более эф­фективен в повышении бейнитной прокаливаемости и при содержании его около 2 % обеспечивается бейнитная структура при наименьшей скорости охлаждения. Наилучшее сочетание свойств можно достичь при легирова­нии стали одновременно хромом, марганцем и кремнием (в пределах 1 1,5 %). Углерод также эффективен в понижении температуры превращения и увеличении бейнитной прокаливаемости. Для понижения температуры превращения и получения структуры, обеспечивающей удовлетворитель­ное сопротивление хрупкому разрушению, содержание легирующих эле­ментов должно составлять около 3,5 %. При этом для повышения ударной вязкости и хладостойкое™ предпочтение отдается хрому по сравнению с марганцем и никелем. Для более точного регулирования температуры пре­вращения целесообразнее легировать хромом и марганцем. Такое легиро­вание стали особенно при низком содержании углерода обеспечивает хо­рошие вязкость и пластичность, малую склонность к отпускной хрупкости и хрупкому разрушению.

При изучении низкоуглеродистых сталей немаловажная роль отво­дится микролегирующим добавкам ванадия, ниобия, алюминия, обеспечи­вающим получение мелкозернистой стали и повышения ее хладостойко- сти. При комплексном легировании стали, особенно при сочетании карби- дообразующих и некарбидообразующих элементов, достигается весьма высокие прочность и вязкость бейнитной стали.

В настоящее время вся рельсовая сталь, производимая на отечест­венных металлургических предприятиях, подвергается микролегированию ванадием (0,04 0,08%). Наряду с исследованием влияния ванадия, прово­дились работы по изучению влияния азота на свойства рельсовой стали. Показано, что введение в сталь азота (до 0,014 %) способствует выделению более дисперсных карбонитридов ванадия, измельчению аустенитного зерна [113].

В обзорной работе [133] особенно указывается на положительное влияние ванадия как элемента, реализующего два механизма: измельчения зерна и дисперсионное упрочнение. Значение этого элемента особенно возрастает при применении электродугового способа выплавки, при кото­ром в стали отмечается повышенное содержание азота, приводящего во многих случаях к старению и охрупчиванию стали. При введении ванадия в сталь нейтрализуется вредное влияние азота, делая сталь не подвержен­ной старению и используя азот в качестве экономически эффективного ле­гирующего элемента для оптимизации выделения дисперсных фаз.

В зависимости от химического состава и температуры превращения бейнитные стали могут иметь прочность в широком диапазоне значений. Ирвин и Пиккеринг, исследовавшие низкоуглеродистые бейнитные стали, установили, что механические свойства сталей бейнитного класса опреде­ляются дисперсностью пластинок феррита и карбидов. Многочисленные исследования показывают, что наилучшее сочетание свойств — прочности, пластичности и вязкости имеет структура нижнего бейнита. Для получе­ния нижнего бейнита необходимо существенно задержать процесс образо­вания полигонального феррита, сдвинув начало превращения вправо, и расширить область бейнитного превращения. Но как показывает практика, при непрерывном охлаждении получить структуру нижнего бейнита дос­таточно сложно.

Как видно, применение стали бейнитного класса для производства рельсов необходимо рассматривать как наиболее перспективный и эффек­тивный способ повышения механических свойств, но требующий допол­нительных исследований для достижения оптимальной структуры и меха­нических свойств с целью обеспечения требуемых эксплуатационных свойств рельсов.

Для создания рельсов из стали бейнитного класса необходим сис­темный подход и комплексные металлофизические исследования. Систем­ный подход заключается в упорядочении состава стали по прочностным и пластическим свойствам. На основе металлофизических исследований требуется установить параметры структуры с целью доведения ее экс­плуатационных свойств до требований потребителя. При таком подходе задачу достижения сбалансированного комплекса механических характе­ристик бейнитных рельсов можно решить без ухудшения других очень важных характеристик таких, как свариваемость и прямолинейность.

Анализом литературных данных установлено, что несмотря на дос­тигнутое повышение качества железнодорожных рельсов, оно является не­достаточным для обеспечения высокого жизненного цикла рельсов в со­временных условиях увеличения скоростей и нагрузок. Для обеспечения безопасности и высокой надежности движения поездов необходимо, что­бы рельсы имели высокий уровень прямолинейности; повышенное сопро­тивление хрупким разрушениям, высокую усталостную прочность, удовле­творительную свариваемость и низкие остаточные напряжения.

Существующая на отечественных металлургических комбинатах объ­ёмная закалка в масле не обеспечивает требуемое качество рельсов в полном объеме. Замена устаревшей технологии термической обработки на легирова­ние стали позволяет исключить коробление, возникающее при закалке под влиянием остаточных термических и структурных напряжений, и обеспечить на рельсах требуемые механические свойства и прямолинейность.

Низколегированные стали перлитного класса марок 76ХГВ, 76ХГСАФ, 72Х2ГСАФ, 76ХГФ, не подвергаемые термическому упрочне­нию, показали ограниченные возможности в достижении требуемых для рельсов прочности, твердости и относительного удлинения. Другой отри­цательной стороной рельсов из низколегированной перлитной стали явля­ется их низкая хладостойкость.

Применение сталей бейнитного класса является одним из перспек­тивных направлений в достижении высоких показателей прочности, твер­дости, пластичности и ударной вязкости рельсов. В то же время имеется противоречивость в результатах исследования эксплуатационных свойств бейнитных рельсов, в связи с этим четко не определена область их приме­нения. Также отсутствует единая точка зрения о необходимом комплексе механических свойств бейнитных рельсов и допустимом структурном со­стоянии рельсов из стали бейнитного класса, что затрудняет выбор их оп­тимальных составов.

Таким образом, для определения химического состава рельсовой стали бейнитного класса, позволяющего заменить упрочняющую термиче­скую обработку и получить на рельсах сбалансированный комплекс меха­нических свойств, необходимо проведение комплексного исследования, направленного на выявление взаимосвязи структурного состояния металла с его механическими свойствами.

Выводы и постановка задач исследования

Рельсы являются главным элементом железнодорожного полотна от содержания, качества, стойкости которого в значительной степени зависит безопасность движения поездов, сохранность людей и грузов.
В настоящее время в России и за рубежом достигнуты значительные успехи в области повышения металлургического качества и эксплуатаци-онных свойств рельсов из сталей перлитного класса. При этом одним из наиболее перспективных направлений развития рельсовых сталей является разработка сталей бейнитного класса. Проблема создания сталей бейнит- ного класса для производства рельсов является малоизученной и бурно развивающейся областью научных исследований как в России, так и за ру-бежом. Переход от традиционных технологий производства рельсов из вы-сокоуглеродистых сталей перлитного класса на низколегированные из ста-лей бейнитного класса является весьма заманчивым и перспективным как для производителей, так и для потребителей рельсового металла. Рельсы из сталей бейнитного класса обладают повышенным комплексом механиче¬ских и эксплуатационных свойств, более технологичны, при экономном легировании охарактеризованы пониженной себестоимостью, позволяют отказаться от экологически вредных технологий объемной закалки в масле.
В рамках настоящего диссертационного исследования выделены сле-дующие задачи исследования:

1. Исследовать особенности влияния легирующих элементов: угле¬рода, марганца, кремния и хрома на механические свойства и структурооб- разование сталей бейнитного класса.
2. Исследовать влияние различных видов термической обработки на свойства и структуру сталей бейнитного класса.
3. Разработать химический состав и технологию термической обра-ботки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса.
4. Внедрить и освоить технологию производства железнодорожных рельсов из сталей бейнитного класса в условиях ОАО «НКМК».
5. Провести полигонные испытания и установить особенности эво-люции структуры и механических свойств стали марки Э30ХГ2САФМ при эксплуатации рельсов в пути.

Список литературы

1. Раскисление и модифицирование рельсовой стали /В.А. Поляничка [и др.] //Металлург. — 1990. — № 1. — С.28.
2. Рельсы из микролегированной азотом стали /Г.Я. Левченко [и др.] //Сталь.- 1994.- № 1.- С. 26 — 28.
3. Поляничка В.А. Ресурсосберегающая технология легирования рельсо¬вой стали ванадием /В.А. Поляничка, A.B. Пан, Д.К. Нестеров //Сталь. — 1993.-№5.- С. 26-28.
4. Дерябин A.A. Совершенствование технологии раскисления рельсовой стали цирконийсодержащими сплавами /A.A. Дерябин, В.Е. Семенков, Б.И. Топычканов //Сталь.-1990.- №5.- С. 18 — 22.
5. Шур Е.А. Влияние неметалличеких включений на разрушение рельсов и рельсовой стали /Е.А. Шур, С.М. Трушевский //Неметаллические вклю¬чения в рельсовой стали : сб. науч. тр.- Екатеринбург: ГНЦ РФ ОАО «УИМ», 2005.- С. 87-94.
6. Улучшение качества рельсов из стали, раскисленной алюминием / A.A. Дерябин [и др.] // Сталь.-1997.- № 7.- С. 50 — 55.
7. Влияние технологии выплавки и температуры на микростроение и структурно — чувствительные свойства жидкой рельсовой стали /A.A. Дерябин [и др.] // Сталь.-2004.- № 3.- С. 20 — 22.
8. Разработка технологии производства рельсовой стали на установке печь — ковш / В.В. Павлов [и др.] // Сталь.-2004.- № 5.- С. 50 — 52.
9. Могильный В.В. Качество рельсовой электростали повышенной чисто¬ты / В.В. Могильный, H.A. Козырев, A.JI. Никулина // Сталь,-1999. -№ 3.- С. 53-56.
10. Дерябин A.A. Влияние модифицирования рельсовой стали барием и кальцием на свойства рельсов /A.A. Дерябин [и др.] // Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов: сб. науч. тр. Екатеринбург: ГНЦ РФ ОАО «УИМ», 2006.- 235с.
11. Дерябин A.A. Исследование эффективности процессов раскисления, мо¬дифицирования и микролегирования рельсовой стали / A.A. Дерябин, А.Б. // Сталь.- 2000.- №11.- С. 38-43.
12. Повышение качества рельсов раскислением комплексными сплавами, содержащими кальций и титан /A.A. Дерябин [и др.] // Сталь. -1983.- № 12.- С.59-63.
13. Снижение загрязненности рельсов оксидными включениями при рас¬кислении стали FeSiCa+FeSiZr /A.A. Дерябин [и др.] // Металлург.- 1981.-№ 2,- С.30-32.
14. Г.А. Галицын, В.И. Сырейщикова // Влияние свойств металличе¬ской матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов: сб.науч. тр. — Екатеринбург: ГНЦ РФ ОАО «УИМ», 2006.- С. 64 — 80.
15. Новые технологические процессы производства для Сибири и Севера /
16. П. Дементьев [и др.] // Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: межвузовский сб. нучн. тр.- М.: РГОТУПС, 1999.-С 156-157.
17. Снитко Ю.П. Расчет растворимости карбонитридов в рельсовой стали. / Ю.П. Снитко, A.B. Введенский, Н.В. Королев //Материалы юбилейной рельсовой комиссии: сборник докладов. — Новокузнецк, 2002.- С. 97 — 105.
18. Медовар Л.Б. Бейнитные стали для рельсов // Проблемы СЭМ.- 1998.- №3.- С. 16-20.
19. Пути повышения надежности рельсов // Железные дороги мира. — 1999.- №8.- С.64-68.
20. Стали для рельсов высокоскоростных линий // Железные дороги мира. — 2000. — № 8. — С.67-70.