технология то

При наличии обезуглероженного слоя больше допустимой величины его устраняют путем проведения исправительного отжига в окислительной атмосфере. Причем, он может проводиться как после прокатки, так и после нормализации. Для исправления сталей от обезуглероженного слоя их иногда подвергают реставрационному отжигу в печах с контролируемой атмосферой. Для этого к эндогазу добавляют природный газ. Науглероживающая способность атмосферы зависит от концентрации водяного пара и контролируется по точке росы, оптимальное значение которой – 40 ОС. При проведении реставрационного отжига сортового проката шарикоподшипниковых сталей, их загружают в муфель и проводят холодную продувку защитным газом в течение 3–4 часов. Затем нагревают до 650ОС, после чего включают горячую продувку защитным газом вплоть до температуры отжига. Подачу газа прекращают при охлаждении садки до 650 ОС. Реставрационный отжиг позволяет уменьшить глубину обезуглероженного слоя до

45%.

Приведенные режимы обеспечивают содержание углерода в стали ШХ15 0,93–1,45 %С по режиму (а) и 0,99–1,05 %С по режиму (б).

Рис. 9. Режимы реставрационного отжига сортового проката шарикоподшипниковой стали в колпаковой печи

4.4. Термообработка проката из конструкционных сталей

Конструкционные стали составляют наиболее обширную по маркам группу сталей, поставляемых машиностроению. В зависимости от требований потребителя конструкционные стали поставляются как в термообработанном состоянии, так и без термообработки. Согласно ГОСТу, для конструкционных сталей регламентируется уровень механических свойств, величина зерна, микроструктура, глубина обезуглероженного слоя и прокаливаемость. Как правило, конструкционные стали являются доэвтектоидными. Различие химического состава изменяет значение критических точек и устойчивость переохлажденного аустенита, что значительно влияет на режимы термообработки сортового проката. После прокатки и охлаждения на воздухе структура углеродистых конструкционных сталей пред-

Страница

21

ставляет феррит (Ф) и пластинчатый перлит (П), а легированных сталей кроме П и Ф также сорбит, троостит и мартенсит.

Различия в структуре определяют различную твердость. Причем для стали одной марки с учетом размера профиля разница в твердости может быть столь высокой, что стали не смогут обрабатываться резанием. Основная цель отжига сортового проката конструкционных сталей – это снижение твердости до уровня, предусмотренного стандартом. Поэтому сортовой прокат на металлургических заводах подвергают отжигу или высокому отпуску. Иногда для получения требуемых стандартом механических свойств их подвергают нормализации, либо нормализации и высокому отпуску. Высокий отпуск даже при большей длительности, по сравнению с отжигом, экономически более выгоден. Он позволяет получить более однородную структуру и твердость металла в садке, сформированную даже из различных профилей и марок. Более низкая температура нагрева при отпуске уменьшает обезуглероживание и окалинообразование. Поэтому высокий отпуск предпочтительнее и его следует применять для устранения неоднородности микроструктуры после прокатки.

4.5.Технология термообработки сортового проката из углеродистых

илегированных конструкционных сталей

Прокат конструкционных углеродистых сталей содержит обычно до 0,3 % углерода. После охлаждения с температуры прокатки он имеет невысокую твёрдость и не подвергается смягчающей термической обработке для повышения обрабатываемости. Значения HRC проката из легированных сталей после ТО приведены в табл. 7.

Таблица 7 Твердость сортового проката из легированных конструкционных сталей после термической обработки

Марка стали	Твердость, НВ
	не более
15Х, 20Х, 15ХМ, 20ХМ	179
35Х, 20ХГР, 20ХН, 15НМ	197
38ХА, 40Г, 50ХН, 12ХН2, 20ХГСА	207
40Х, 40Г2, 18ХГТ, 40ХГТР, 30ХГСА, 20ХГНМ, 38ХМЮА	229
35ХМ, 40ХФА, 30ХН3А, 30ХНМА, 30ХГСА	241
40ХС, 20ХН3А, 30ХГСНА, 40Х2Н2МА,
15ХГНТА, 14Х2Н3МА, 18Х2Н4МА,	255
18Х2Н4ВА, 25Х2Н4МА, 25Х2Н4ВА, 45ХН2МФА	269

Значения HRC проката из углеродистых конструкционных сталей приведены в табл. 8. Видно, что их HRC значительно ниже HRC легированных конструкционных сталей.

Страница

22

Таблица 8 Твердость сортового проката из углеродистых конструкционных сталей после термической обработки

Марка стали	Твердость, НВ не более
40	187
45	197
50	207
55	217
58	227
60	220

Для достижения требуемого уровня твёрдости легированные конструкционные стали часто подвергают нормализации, объединяя их в группы с близкими значениями критических точек.

Группы сталей и температуры нормализации приведены в табл. 9. Видно, что для повышения производительности и рентабельности оборудования, их необходимо объединять в группы.

Таблица 9 Температура нормализации сортового проката из легированных конструкционных сталей

Марка стали	Температура нагрева, ОС
30Х, 35Х, 30ХГТ, 30ХМА, 12ХН3А, 18ХГТ	900–910
20, 35, 20Х, 20ХГНР	910–920
10, 15, 40, 45, 40Х, 25ХГСА, 38ХА	880–900
40ХНМА, 40ХС, 20ХН3А, 20Х2Н4А	870–890
50, 55, 40ХН, 15Х, 35Г2–50Г2, 30ХН3А,	860–880
30ХГСА

4.6. Термообработка проката из рессорно-пружинных сталей

После охлаждения с температуры прокатки рессорно-пружинные стали имеют твёрдость 270–295 HB, что превышает допустимую по ГОСТ 14959–79 твердость, которая составляет следующие значения (таблица 10).

	Таблица 10
Твердость проката из рессорно-пружинных сталей по ГОСТ 14959–79
Марка стали	Твердость, НВ не более
65, 70	229
65Г, 70Г, 55С2А	241
80, 85, 60С2А, 70С3А, 50ХГ, 50ХФА, 50ХГР	269
50ХГФА, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2В2	285

Страница

23

Для получения требуемой твердости сортовой прокат из этих сталей подвергают неполному отжигу или высокому отпуску. В связи со склонностью этих сталей к обезуглероживанию и графитизации предпочтительней подвергать их высокому отпуску при 700–720 ОС. В проходных печах длительность высокого отпуска составляет 4–5 часов.

При термической обработке в проходных печах отжиг проводят по следующему режиму:

– нагрев до 740–780 ОС, то есть выше АС1 , выдержка 1ч, затем охлаждение в печи до 600 ОС, потом на воздухе.

4.7. Термообработка проката из конструкционных сталей для холодной деформации

Замена обработки резанием на холодное выдавливание, высадку, чистовую вырубку позволяет создавать малоотходные технологические процессы.

Основным требованием, предъявляемым к конструкционным сталям для холодной деформации, является высокая технологическая пластичность, которая определяется по способности стали к холодной деформации без разрушения.

Способность к холодной деформации оценивается по осадке образца на 1/2 и 3/4 его высоты.

Прокат конструкционных сталей обычно имеет феррито-перлитную структуру с пластинчатым перлитом, наличие которого снижает технологическую пластичность. Для ее повышения необходимо получить структуру зернистого перлита, что повышает изотропность, а меньшее упрочнение при деформации улучшает штампуемость стали.

Получение стали с необходимой структурой может быть обеспечено проведением неполного сфероидизирующего отжига в межкритическом интервале АС1– АС3 и замедленного охлаждения, либо быстрого охлаждения до температуры АС1 и выдержкой при этой температуре. Первый режим обеспечивается в камерных печах, второй – в печах непрерывного действия. Кроме того, возможно применение высокого отпуска.

Режимы термообработки являются достаточно длительными, но сфероидизацию можно ускорить за счет холодной деформации, проводимой перед отжигом.

Режимы сфероидизирующего отжига и получаемая твердость представлены в следующей таблице 11.

Страница

24

Таблица 11 Режимы сфероидизирующего отжига проката из конструкционных сталей для холодного выдавливания

Марка	Температура	Изотермиче-		Отжиг с замедленным	Твердость НВ
стали	нагрева, ОС	ский отжиг		охлаждением	после отжига,
					не более
20Х	800	680	ОС, 10 ч	на воздухе	163
35Х	750	680	ОС, 10 ч	то же	170
45Х	760	670	ОС, 10 ч	то же	179
15ХФ	810	730	ОС, 7 ч	то же	163
40Г2	750	680	ОС, 7 ч	200 ОС/ч, до 670 ОС	217
30ХМА	770	680	ОС, 7–10 ч	на воздухе	217
30ХГСА	780–800	710	ОС, 5 ч	200 ОС/ч, до 700 ОС	217

4.8. Технология термообработки калиброванной стали Применение калиброванной стали в машиностроении позволяет на 10–30%

снизить расход металла. Исходной заготовкой для производства калиброванной стали служит подкат из различных сталей.

Процесс производства калиброванной стали включает следующие опера-

ции:

–термообработку подката;

–острение концов;

–травление и подготовка поверхности к волочению;

–волочение;

–термообработка;

–отделка поверхности.

Качество калиброванной стали определяется качеством подката, т.е. глубина отдельных дефектов на поверхности подката не должна превышать допуска на калибровку 0,1–0,2 мм. Наличие на поверхности дефектов прокатного производства приводит к браку калиброванного металла. При изготовлении калиброванной стали применяют различные марки конструкционных, инструментальных и коррозионностойких сталей.

Поскольку волочение проводят в холодном состоянии, то сталь должна обладать высокой пластичностью. Установлено, что сталь хорошо подвергается волочению, если твердость не превышает 207–230 НВ. Такую твердость имеют углеродистые и малолегированные стали 08, 20, 40, 15Х, 20Х, 15Г. Следовательно, эти стали подвергают волочению без предварительной термообработки. Подкат из остальных углеродистых и легированных сталей для смягчения перед калибровкой подвергают либо высокому отпуску, либо отжигу. А подкат из аустенитных коррозионностойких сталей подвергают закалке для придания необходимой пластичности.

Страница

25

Оптимальная твердость не всегда обеспечивает нужную пластичность, важно также структурное состояние стали.

Среди среднеуглеродистых сталей наилучшей деформируемостью обладают стали со структурой, полученной патентированием или сорбитизацией. Кроме необходимой пластичности, подкат перед калибровкой должен иметь чистую, свободную от окалины поверхность. Для получения чистой поверхности наиболее часто применяют травление непосредственно после прокатки.

Термообработка калиброванной стали заключается в проведении отжига для снижения твердости и для снятия наклепа. Отжиг подката проводится в защитной атмосфере, что позволяет получить чистую поверхность и уменьшить обезуглероживание.

4.8.1. Технология отжига подката

Как и сортовой прокат, подкат сортируют по маркам стали, которые могут обрабатываться по одному режиму. В зависимости от диаметра прутков их укладка при формировании садки осуществляется слоями различной толщины.

Отжиг подката углеродистых и легированных сталей проводят по режимам, аналогичным для сортового проката. Но кроме повышения пластичности при отжиге нужно стремиться к получению определенной структуры (зернистого перлита). Такой вид отжига, иногда называемый структурным, применяют для высокоуглеродистых инструментальных и конструкционных сталей, а также для подката сталей для холодного выдавливания и высадки.

Когда глубина обезуглероженного слоя превышает допустимую величину, отжиг подката проводят в контролируемой атмосфере с заданным углеродным потенциалом.

Применение проходных печей более предпочтительно за счет лучшей циркуляции атмосферы и более равномерного распределения по объему садки глубины науглероженного слоя.

Режимы отжига подката приведены на рис. 10.

Различие в режимах отжига сортового проката и подката быстрорежущих сталей связано с тем, что отжиг быстрорежущих сталей по обычному режиму, т.е. с нагревом выше АС1, не обеспечивает необходимой для волочения пластичности. Такая сталь даже при малых степенях обжатия (9–12 %) протягивается с большим трудом и дает большое количество обрывов.

Отжиг быстрорежущей стали по приведенному на рис.10 (г) режиму повышает технологическую пластичность благодаря коагуляции карбидов и затрудняет выделение специальных карбидов при ускоренном охлаждении от 550 ОС.

Страница

26

Рис. 10. Режимы отжига подката:

а – инструментальные стали У7А, У8А; б – шарикоподшипниковые стали ШХ6; ШХ15, инструментальные углеродистые У10А–У13А, инструментальные легированные ХВГ,ХВ5,9ХС; в – конструкционные легированные стали 20ХН3А, 20Х2Н4А, 13Х2Н4ВА 40ХНВА; г – быстрорежущие стали Р6М5, Р9, Р18 (масса садки до 15 т)

4.8.2. Рекристаллизационный отжиг калиброванной стали

После подготовки поверхности подкат поступает на калибровку, т.е. подвергается волочению, в результате которого металл наклепывается.

Вслучае поставки калиброванной стали в термообработанном состоянии, а не в нагартованном, сталь подвергается рекристаллизационному отжигу, при котором снимается наклеп, восстанавливается исходная пластичность, твердость и устраняются внутренние напряжения. При этом нужно сохранить чистую светлую поверхность, характерную для холоднодефорированной стали.

Температура рекристаллизации зависит от химического состава и степени пластической деформации при калибровке. Чем больше степень деформации, тем ниже температура рекристаллизации.

Взависимости от имеющегося оборудования рекристаллизационный отжиг калиброванных прутков проводят разными способами. При отжиге в камерных печах калиброванные прутки после правки набивают в трубы диаметром 300–500

мми длиной до 6 м, в которые для предохранения поверхности от окисления и обезуглероживания засыпают чугунную стружку в смеси с древесным углем из расчета 3–4 кг на тонну стали. После набивки открытый конец трубы закрывают

Страница

27

огнеупорным кирпичом и замазывают огнеупорной глиной. Типичная схема укладки на под печи приведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема укладки труб с металлом на под печи

Основными недостатками отжига трубок является повышенный расход топлива, расход труб для укладки прутков и трудности в формировании садки. Более экономичным является отжиг открытыми садками без применения специальных защитных сред.

При таком отжиге наблюдается окисление и потери металла, достигающие 0,5 %, что приводит к уменьшению диаметра прутков. И при калибровке необходимо устанавливать припуск на окисление. Для устранения образовавшейся окалины проводят повторное травление поверхности.

Температура рекристаллизационного отжига определяется характеристиками печи и маркой стали. Скорость нагрева при этом не имеет существенного значения. Время выдержки определяется необходимостью достижения заданной температуры во всем объеме садки. Охлаждение после отжига проводят на воздухе, кроме аустенитных Cr–Ni сталей, которые для устранения межкристаллитной коррозии подвергают ускоренному охлаждению водой или водо-воздушной смесью.

При подготовке прутков калиброванной стали к отжигу, также как и сортовой прокат, их формируют в группы с одинаковым режимом отжига.

При отжиге в колпаковых муфельных печах охлаждение на воздухе проводят после снятия муфеля при 550 ОС.

Режимы светлого рекристаллизационного отжига калиброванной стали в проходных печах по температурам практически совпадают с приведенными выше. Но продолжительность отжига значительно сокращается за счет уменьшения длительности выдержки.

При изготовлении калиброванной подшипниковой стали можно совместить структурный отжиг с рекристаллизационным. Для совмещения этих отжигов подкат отжигают лишь для снижения твердости до 320 НВ, а отжиг калиброванной стали проводят по режиму сфероидизирующего отжига.

Режимы отжига приведены в табл. 12.

Страница

28

Таблица 12 Режимы рекристаллизационного отжига калиброванной стали в садочных печах

Группа стали			Температура	Время выдержки,
			нагрева, ОС	ч
Подшипниковая ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ			710–740	3–14
Инструментальная углеродистая У7–У13			700–740	3–14
Инструментальная легированная ХВГ, ХВ5,			710–740	3–14
9ХС, 5ХНМ, 5ХНТ
Рессорно-пружинная 55С2,		60С2А, 65Г,	700–720	3–14
50ХГА			660–720	3–10
Углеродистая качественная		конструкцион-
ная и легированная конструкционная 10, 50,
15Х, 50Х, 18Х2Н4ВА, 40ХНМА			740–770	6–10
Быстрорежущая Р18, Р9, Р6М5,			820–900	8–15
коррозионностойкая	и	жаропрочная
12Х18Н10Т, 20Х13Н4Г9

Наиболее прогрессивным видом рекристаллизационного отжига калиброванной стали является отжиг с индукционным нагревом (ТВЧ). При высокой скорости нагрева повышается скорость зарождения и общее количество рекристаллизационных зерен, т.к. температурный интервал рекристаллизации смещается в область более высоких температур. Поэтому индукционный нагрев проводят до более высоких температур, чем обычно.

Основными достоинствами индукционного нагрева является отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности. При этом достигается высокая производительность и возможность термообработки в поточных линиях с полной автоматизацией и механизацией процесса. При этом устраняется коробление прутков и улучшаются условия труда. Рекристаллизационный отжиг калиброванной стали с нагревом ТВЧ проводят на специальных установках.

Рис. 12. Установка для рекристаллизационного отжига с индукционным нагревом

Страница

29

Отжиг проводят следующим образом. Прутки после правки пакетами массой 2–5 т укладывают на загрузочную решетку с цепным транспортером 1. По наклонным направляющим прутки с помощью перепускного механизма 2 поштучно передаются на магнитные ролики загрузочного рольганга 3. По рольгангу прутки проходят через индуктор 4, а между индукторами устанавливаются прижимные ролики. После выхода прутка из последнего индуктора нагретый пруток по наклонным направляющим 6 скатывается в карман-накопитель 5, где и охлаждается. Контроль температуры осуществляют пирометром на выходе последнего индуктора.

Для отжига используют индукторы, питаемые от машинного генератора с частотой 2500 Гц. Скорость движения прутка в установке 50–250 мм/с. Количество индукторов 4–8 шт. Увеличение количества индукторов позволяет повысить скорость нагрева, а следовательно, и производительность установки. Скорость движения прутка выбирают из расчета достижения сквозного прогрева прутка. Общее время нагрева зависит от температуры и диаметра прутка и составляет 15– 25 с.

В тех случаях, когда степень обжатия при калибровке меньше 15–17 %, индукционный нагрев не обеспечивает полной рекристаллизации, поэтому для таких прутков следует применять печной нагрев.

4.9. Контроль качества термообработки сортового проката

Сортовой прокат поставляют партиями из стали одной плавки, одного размера и одного режима термообработки. В зависимости от группы сталей и требований стандарта контролируются следующие параметры: твердость, качество излома, макро– и микроструктуру, глубина обезуглероженного слоя, механические свойства. Контроль этих параметров проводят на пробах, отобранных из плавки, партии или садки. В случае термообработки в камерных печах пробы отбирают из разных мест садки. Объем выборки определяется требованиями стандарта.

Последнее время применяются неразрушающие методы контроля, которые позволяют автоматизировать процесс контроля и сделать его 100 %.

Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС

Условия эксплуатации колес грузовых и пассажирских вагонов различны, поскольку нагрузка на ось локомотива и грузовых вагонов может достигать более 25 т, что приводит к повышению контактных напряжений и интенсивному износу обода, его поверхности катания. При больших нагрузках и высоких скоростях возможен нагрев поверхности обода до температур выше критических точек и при последующем охлаждении образование мартенсита, что приводит к растрескиванию поверхностных слоев.

Страница

30

Рис. 13. Элементы цельнокатаного железнодорожного колеса: 1 – ступица; 2 – обод; 3 – поверхность катания; 4 – гребень; 5 – диск; 6 – торцы ступицы; 7 – боковые поверхности обода

В процессе эксплуатации железнодорожных колес возникают значительные напряжения в месте контакта колеса с рельсом, которые бывают как нормальными (при давлении на ось), так и касательными (при скольжении колеса при разгоне или торможении). Кроме того, возникают динамические напряжения при качении колеса по стыкам. Удельное давление в месте стыка может достигать более

500 МПа.

Разогрев поверхности катания происходит за счет микропластической деформации контактной поверхности. В результате выделения тепла происходит разогрев поверхностного слоя, и образующийся в результате мартенситный слой в процессе эксплуатации будет растрескиваться и отслаиваться. Также будут наблюдаться разрушения усталостного характера. Таким образом, к металлу для производства железнодорожных колес предъявляются следующие требования:

–высокая прочность;

–усталостная прочность;

–хладостойкость.

Стали, применяемые для производства цельнокатаных колес по ГОСТ 10791–81

Ст 1	0,44–0,52 %С	0,8–1,2 % Mn	0,4–0,6 %Si	0,08–0,15%V	не более
					0,035 %Р
Ст 2	0,55–0,65 %С	0,5–0,9 %Mn	0,2–0,42 %Si	–	не более
					0,04 %S

Допускается отклонение по содержанию углерода до 0,02%, никеля хрома и меди

– не более 0,25% каждого.

При выборе химического состава следует учесть, что повышение содержания углерода увеличивает износостойкость и контактную выносливость, но снижает термостойкость. Есть примеры использования для производства колес стали 65Ф, а также стали 45ГСФ для производства колес скоростных поездов. Традиционное производство железнодорожных колес – это выплавка в мартеновских пе-

Страница

31

чах с сифонной разливкой. Колеса изготавливают путем горячей штамповки и прокатки.

5.1. Предварительная термообработка железнодорожных колес

По своему составу колесная сталь является флокеночувствительной. Причем технология изготовления такова, что флокены сосредотачиваются в районе ступицы. Противофлокенная обработка заключается в изотермической выдержке при субкритических температурах с последующим замедленным охлаждением.

Для этого заготовки после изготовления переохлаждают до температур, обеспечивающих распад аустенита на ФКС. Растворимость водорода при этом значительно уменьшается, и он выделяется при 450–500 ОС. Для ускорения выде-

ления водорода проводят изотермическую выдержку при температурах чуть ниже А1 (650–670 ОС).

Рис. 14. Схема противофлокенной термической обработки железнодорожных колес (tК – температура конца горячей деформации)

Продолжительность выдержки составляет до 4,5 ч. Термообработка обычно проводится в туннельных печах длиной до 125 м.

5.2. Технология окончательной термообработки железнодорожных колес

Применяют 3 основных режима термической обработки:

1)нормализация и отпуск;

2)закалка поверхности катания и отпуск;

3)объемная закалка, при которой происходит упрочнение всех элементов колеса с последующим отпуском.

Страница

32

Рис. 15. Закалка колеса путем спрейерного охлаждения

Выбор режима обработки определяется условиями эксплуатации. Чаще всего закалку обода проводят путем спрейерного охлаждения одновременно всей поверхности обода (рис.15). Более перспективен метод прерывистого охлаждения обода, однако он требует применения специального оборудования (рис.16).

Рис. 16. Схема вертикального упрочнения обода:

1 – приводной ролик; 2 – колесо;

3 – вода

С целью снижения остаточных напряжений после закалки от температур 800–850 ОС, колеса подвергают отпуску в интервале температур 400–600 ОС. Оптимальной температурой отпуска является 480–520 ОС с последующим охлаждением на воздухе.

Механические свойства должны соответствовать следующим нормам:

–для Ст1: В=90–100 МПа при относительном удлинении =12 % и поперечном сужении более 21 %, твердость на глубине 30 мм должна составлять 248 НВ;

–для Ст2: В=93–113 МПа при =8 % и = 14 %, твердость на глубине 30 мм должна быть более 255 НВ.

Страница

33

Причем разница в значениях твердости по ободу не должна превышать 20 НВ. Ударная вязкость должна быть не менее 0,3 МДж/м2 для Ст1 и 0,2 МДж/м2 для Ст2. Загрязнение неметаллическими включениями не должно превышать 4 балла, а оксидными строчечными включениями – не более 1 балла.

5.3. Контроль качества

Каждое колесо подвергают внешнему осмотру и проверке размеров. Колеса поставляют партиями одного назначения, изготовленными из стали одной плавки. От каждой партии, принятой по внешнему осмотру, отбирают по одному колесу для проверки макроструктуры и механических свойств. Места отбора проб приведены на следующей схеме (рис.17).

Рис. 17. Места отбора проб для изготовления образцов и определения твердости

Причем твердость контролируют только на колесах, которые прошли испытания на механические свойства. Кроме определения стандартных механических свойств, производят определение величины прогиба колеса при испытании на удар падающим копровым грузом массой 1 т с высоты 6 м. Стрела прогиба не должна превышать 25 мм.

Страница

34

Глава 6. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Рельсы являются верхним элементом железнодорожного пути, которые воспринимают воздействие подвижного состава. Работоспособность железнодорожного транспорта определяется, в основном, качеством рельсов. При прохождении состава рельсы испытывают периодические вертикальные нагрузки, а также горизонтальные нагрузки при ускорении и замедлении состава. На кривых участках пути происходит проскальзывание колес, поэтому головка рельсов истирается и сминается в вертикальном направлении.

Наличие стыков приводит к появлению ударных нагрузок. Скольжение, пластическая деформация поверхности, прохождение электрического тока от колеса к рельсу – все это приводит к нагреву поверхности катания рельса выше критических точек и закалке поверхностного слоя глубиной до 30–50 мкм из-за быстрого отвода тепла вглубь металла с образованием мартенситно-карбидного слоя.

Высокая твердость и хрупкость этого слоя вызывает его отслаивание, приводит к увеличению износа рельсов. Кроме того, рельсы подвергаются коррозионному износу из-за попадания пыли и песка. Помимо перечисленных причин может наблюдаться износ рельсов, связанный с технологией их изготовления.

Исходя из условий эксплуатации рельсов, видов их износа и разрушения, сталь, применяемая для их изготовления, помимо высокой износостойкости и контактно-усталостной прочности, должна обладать определенной живучестью, которая заключается в сопротивлении росту поперечных усталостных трещин. Работоспособность рельсов определяется их массой.

6.1.Стали для изготовления рельсов

Внастоящее время изготавливают рельсы марок Р50, Р65 и Р75. Цифра указывает массу одного метра рельса в кг. Химический состав сталей, применяемых для изготовления рельсов, приведен в таблице 13.

					Таблица 13
Химический состав рельсовых сталей М76 и М74 по ГОСТ 24182–80
Сталь	С, %	Мn, %	Si, %	P, %	S, %
М76	0,71–0,82	0,75–1,0	0,18–0,4	0,035	0,045
М74	0,69–0,8	0,75–1,0	0,18–0,4	0,035	0,045 и меньше
					0,15 % As

Стандартная длина рельсов 25 м. В марках стали указано содержание углерода в структурах в горячекатаном состоянии тонкопластинчатого перлита, иногда с наличием структурно свободного феррита.

Высокое содержание углерода и повышенное содержание марганца в этих сталях обеспечивают получение высокой прочности и сопротивления износу и

Страница

35

смятию, но контактно-усталостная прочность термически неупрочненных рельсов недостаточна, поэтому повышение эксплуатационной стойкости рельсов достигается проведением термообработки.

Установлено, что наилучшая стойкость достигается при получении структуры тонкопластинчатого сорбита (продукт закалки) и получением в головке рельса твердости 363–383 НВ.

6.2. Технологический процесс производства железнодорожных рельсов

Технология производства рельсов включает нагрев слитков в колодцах, обычно с применением горячего посада. При этом снижается угар, обезуглероживание и исключается опасность перегрева. Слитки в течение 3 часов нагревают до температуры 1200–1290 ОС и прокатывают на блюминге. Температура конца прокатки не ниже 1100 ОС. Полученные блюмы затем нагревают в проходных или камерных печах для прокатки на рельсо-балочном стане до температур 1200–1250 ОС. Температура на выходе не должна быть менее 1050 ОС. Полученный раскат режут пилами горячей резки на мерные длины, затем проводят противофлокенную обработку, холодную правку, после чего следует механическая обработка, включающая фрезерование торцов и сверление болтовых отверстий.

После контроля качества и приемки, их подвергают термическому упрочнению по всей длине, т.к. рельсовая сталь является флокеночувствительной. Проводят противофлокенную обработку по следующим режимам (табл.14).

Таблица 14 Термическая обработка рельсов, которая исключает образование флокенов

Минимальная температура рельсов трех нижних рядов перед за-		ОС
грузкой в колодцы	530
Минимальная температура остальных рельсов	500	ОС
Продолжительность загрузки одного пакета	3–4 мин
Минимальная температура воздуха в колодцах после закрытия	350 ОС
крышек
Продолжительность выдержки при закрытых крышках	7 ч.
Минимальная температура воздуха в колодцах перед открытием	150 ОС
крышек
Продолжительность выдержки в колодцах после открытия крышек	1,5–2,0
(ч)

Замедленное охлаждение после прокатки осуществляют в колодцах замедленного охлаждения. Недостатком этого способа является неравномерность охлаждения в различных рядах, а также большая продолжительность процесса и необходимость больших производственных площадей.

Страница

36

Длительность предварительного переохлаждения выбирается с учетом производительности рельсопрокатного стана. Температура изотермической выдержки, т.е. 600–620 ОС, ограничивается необходимостью предотвращения разупрочнения рельсов. Введение в технологическую цепочку термического упрочнения рельсов по всей длине позволяет упростить технологический процесс.

После термообработки производят контроль на наличие флокенов металлографическим методом на поперечных темплетах и УЗК. Для повышения стойкости рельсов в стыках используют обязательную упрочняющую термообработку концов рельсов.

Применяют два способа:

1)поверхностная закалка с прокатного нагрева;

2)поверхностная закалка с индукционного нагрева.

Рельсы не подвергаемые термическому упрочнению должны быть закалены на концах на длине не более 80 мм, а глубина закаленного слоя с твердостью более 380 НВ должна быть не менее 4 мм. При этом нужно обеспечить плавный переход от закаленного слоя к незакаленному, как по глубине, так и по поверхности головки. Закаленный слой должен иметь следующую конфигурацию.

Рис. 18. Схема конфигурации закаленного слоя на концах рельсов: 1 – правильная; 2 – неправильная

6.3. Закалка рельсов с прокатного нагрева

Закалка производится путем накладывания на концы рельса спрейерного устройства. При этом необходимо предохранить от закалки боковые грани головки рельса. Разрезанные на пилах горячей резки рельсы подают на стеллаж. Измеряют с помощью пирометра температуру головки, и когда она достигает 800–930 ОС, накладывают спрейерное устройство. Продолжительность охлаждения зависит от температуры и размера рельса и составляет 45–55 с. За счет аккумулированного тепла после прекращения подачи воды происходит разогрев закаленной зоны и твердость после закалки находится в пределах 330–400 НВ.

Преимущество закалки с прокатного нагрева – ее низкая стоимость и малые производственные площади. Недостатком является нестабильность качества слоя.

Страница

37

Более высокое качество обеспечивает закалка с индукционного нагрева. Ее проводят после противофлокенной обработки, правки, фрезеровки, сверления отверстий. Концы рельсов нагревают в индукторе с частотой 1500–2500 Гц до температуры 950 ОС. Продолжительность нагрева составляет 25–40 с. Охлаждение производят водо-воздушной смесью или сжатым воздухом, одновременно обоих концов рельсов.

Микроструктура на концах рельсов после закалки от температур прокатного нагрева неоднородна и состоит из сорбита отпуска, переходящего в бейнит и сорбит закалки. После закалки с индукционного нагрева микроструктура более однородна и состоит из сорбита закалки. Применение закалки концов рельсов повышает стойкость стыков в 2–2,5 раза.

Контроль качества термообработки проводят путем измерения твердости закаленных концов на трех рельсах из партии на расстоянии 20 мм от торца. Она не должна превышать 300–400 НВ. Кроме того, проверяют микроструктуру, правильность конфигурации закаленного слоя и отсутствие закалочных трещин, а также твердость по глубине слоя.

6.4. Термическая обработка рельсов по всей длине

Применяют три различных способа термообработки:

1)объемная закалка в масле;

2)поверхностная закалка с индукционного нагрева;

3)поверхностная закалка с объемного нагрева.

При объемной закалке в масле образуется тонкопластинчатый сорбит закалки, что обеспечивает высокую стойкость рельсов. Для этого собирают пакеты по 10–12 шт. и нагревают в проходной печи до температур 840–880 ОС в течение 45– 50 мин. Нагретые рельсы поштучно выгружают на стеллаж. Подошву рельса охлаждают водо-воздушой смесью для исключения коробления. Охлаждение головки рельса проводят в специальных спрейерах, расположенных по длине рольганга. Окончательное охлаждение проводят в масле (его температура не должна быть больше 100 ОС) в специальных закалочных машинах. При повороте барабана рельс погружается в масло и охлаждается до 120–150 ОС. На выходе из ванны рельсы пакетируют по 12–15 шт. и подвергают отпуску (450 ОС – 2 ч) в проходной печи. После отпуска охлаждают на холодильнике, правят на роликоправильных машинах и вертикальном правильном прессе. Твердость после термообработки должна составлять 352–375 НВ, микроструктура – тонкопластинчатый сорбит закалки по всему сечению.

При поверхностной закалке рельсов с индукционного нагрева головки рельсов нагревают в индукторе на определенную глубину и охлаждают водо– воздушной смесью. Такая обработка приводит к распаду аустенита в перлитной области с образованием тонкопластинчатого сорбита закалки.

Поверхностная закалка с объемного печного нагрева представляет печной нагрев и прерывистое охлаждении в воде. При этом образуется сорбит отпуска, верхний бейнит и сорбит закалки.

Страница

38

Процесс закалки проводится следующим образом:

– охлажденные до 300–500 ОС после прокатки рельсы собирают в пакеты и нагревают в печи до температуры закалки, т.е. 830–850 ОС в течение 40–45 мин. Затем задают в закалочный агрегат головкой в низ. Агрегат состоит из роликовых клетей и охлаждающих струйных устройств, расположенных между клетями. Рельс движется со скоростью 0,6–0,8 м/с и головка рельса охлаждается водой, температура которой 30–50 ОС. После выхода из агрегата происходит самоотпуск при 400–500 ОС. Для предотвращения изгиба рельса его предварительно изгибают в противоположную сторону на гибочной машине. После полного охлаждения рельсы правят на ролико-правильной машине. Твердость после термической обработки составляет 341–375 НВ, а на концах рельсов доходит до 400 НВ. Микроструктура закаленного слоя неоднородна. На глубине 3–5 мм от поверхности катания – сорбит отпуска, на глубине 5–8 мм – отпущенный бейнит, а затем сорбит закалки переходящий в тонкопластинчатый перлит.

Наличие отпущенного бейнита нежелательно, т.к. это приводит к провалу твердости и ускоренному износу. Другим недостатком этого вида термообработки является повышенное искривление рельсов, не устраняемое до конца правкой.

6.5. Контроль качества термической обработки

Проверяют твердость на поверхности катания в трех точках по длине рельса. Твердость должна составлять 331–388 НВ, различие в твердости по длине не должно превышать 30 НВ. Твердость по глубине закаленного слоя определяют на поперечных темплетах для каждой партии или плавки. Глубина закаленного слоя с твердостью не менее 300 НВ должна составлять 10–16 мм. Микроструктуру проверяют на одном из рельсов каждой пятой партии или плавки. Механические свойства испытанием на растяжение проверяют на образцах, изготовленных из верхних углов головки рельса для каждой 10 партии или плавки. Ударную вязкость проверяют на двух образцах, вырезанных из закаленного слоя каждой партии или плавки. Хрупкую прочность определяют испытанием на удар при температуре – 60 ОС. Также определяют остаточные напряжения на пробе, вырезанной на расстоянии 1,5 м от конца рельса.

Глава 7. УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОКАТА

Применение упрочненного проката позволяет снизить на 10–50 % его расход. К сортовому прокату относят стержневую арматуру, фасонные профили, стальные мелющие катаные шары, а также прокат для буровых штанг, лист и трубы.

7.1. Технология термообработки стержневой арматуры

Она используется в железобетонных конструкциях, обеспечивая прочность и надежность. Увеличение сцепления арматуры с бетоном достигается примене-

Страница

39

нием стержневого периодического профиля. По условиям эксплуатации арматурная сталь должна обладать определенным уровнем свойств, обеспечивая сцепление с бетоном, обладать технологичностью переработки профиля при изготовлении конструкций (правка, резка, сварка). Для конструкций, испытывающих динамические нагрузки, арматура должна обладать усталостной прочностью, стойкостью к коррозионному растрескиванию.

7.1.1. Общая характеристика арматурных сталей

Стержневую	арматурную	горячекатаную сталь		подразделяют на 6 классов
(табл.15).
					Таблица 15
Механические свойства горячекатаных арматурных сталей по ГОСТ 5781–82
класс	марка стали	0,2, МПа	В, МПа	, %	испытания на изгиб в
арматурной					холодном состоянии
стали
A–I	Ст3кп	235	373	25	=1800, с=0,5d
	Ст3пс
	Ст3сп
	С3Гпс
A–II	Ст5пс	294	490	19	=1800, с=3d
	Ст5сп
	18Г2С
Ac–II	10ГТ	294	441	25	=1800, с=1d
A–III	35ГС	392	596	14	=900, с=3d
	25Г2С
A–IV	80С	590	883	6	=450, с=5d
	20ХГ2Ц
A–V	20Х2Г2Т	785	1030		=450, с=5d
A–VI	23Х2Г2АЮ	980	1236	7	=450, с=5d
	20Х2Г2Р			6

Величина ударной вязкости для стали класса Ас–II при температуре – 60 ОС должна быть не менее 0,5 МДж/м2; с – толщина оправки; d – диаметр стержня; – угол изгиба.

Всю арматурную сталь за исключением класса А–I изготовляют периодического профиля. Для ненапряженной стержневой арматуры используют стали классов А–I, А–II, А–III, для напряженной – классов А–IV и А–V. Основной вид термообработки – это закалка с отпуском или самоотпуском. Применяют для термообработки как специальный нагрев, так и прокатный нагрев. Термически упрочненные стержневые арматурные стали подразделяются на классы А–III и А– VII в соответствии с ГОСТ 10884–81 (табл.16).

Страница

40