СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 1994 года по МПК C21D9/04 

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности к термической обработке железнодорожных рельсов из углеродистой и легированной до- и заэвтектоидных сталей, и может быть использовано на металлургических комбинатах, производящих железнодорожные рельсы или другой прокат.

Известен способ термической обработки рельсов, включающий объемную закалку в масле, последующий отпуск при 600-650^оС на структуру сорбит, механическую обработку рельсов, соединение их в непрерывную нить, упругий изгиб, например в устройстве роликового типа для предотвращения деформации при закалке, нагрев головки ТВЧ, охлаждение с определенной скоростью и повторный отпуск или самоотпуск, например при температуре 400^оС.

Недостатком данного способа термообработки является то, что после предварительной термообработки, заключающейся в закалке в масле и отпуске при 600-650^оС с охлаждением на воздухе, рельсы искривляются в вертикальной плоскости со стрелой прогиба до 250 мм, в связи с чем они подвергаются правке на роликоправильной машине (РПМ). Правка на РПМ приводит к образованию на головке рельса остаточных напряжений растяжения значительной величины, что отрицательно сказывается на рельсах при поверхностной закалке с нагрева ТВЧ.

Кроме того, структура металла - мелкопластинчатый перлит является не совсем оптимальной исходной структурой как для головки рельса, подвергающейся впоследствии повторной закалке с нагрева ТВЧ, так и для шейки и подошвы по сравнению со структурой мелкозернистый типа точечный перлит.

Известен также способ термической обработки рельсов, заключающийся в том, что охлаждение с температуры аустенитизации ведут дифференцировано, при этом охлаждают головку рельса с 930-900^оС до 750-700^оС со скоростью 3-6^оС/с, после чего охлаждают весь рельс до температуры не ниже 450^оС со скоростью 6-12^оС/с, затем проводят термоциклирование с понижающейся температурой нагрева, противофлокенную обработку производят после термоциклирования, при этом сфероидизирующий отжиг и противофлокенную обработку ведут одновременно путем нагрева до Ae₁ - 10+30^oC в течение 0,5-1,0 ч, а нагрев под поверхностную закалку производят с температуры окончания сфероидизирующего отжига.

Недостатком данного способа является то, что проводимое охлаждение рельсов непосредственно с прокатного нагрева с указанной скоростью и последующее термоциклирование с выдержкой рельсов в печи в течение 0,5-1,0 ч не приводит к полному дроблению сплошной цементитной сетки и к ее сфероидизации совместно с карбидами перлита из-за недостаточного времени выдержки в печи, особенно в рельсах с содержанием углерода свыше 0,85%. При таком времени выдержки не происходит "размягчение" цементитной сетки и ее постепенное растворение. После поверхностной закалки головки рельса с нагрева ТВЧ цементитная сетка практически растворяется, но в подголовочной части, шейке и подошве она остается значительных размеров, достигающих балла 4-5 по ГОСТ 801-78 (согласно требованиям Технических условий ТУ 14-2-1042-82 на закаленные рельсы из заэвтектоидной стали остатки цементитной сетки должны быть не более балла 2), а также не обеспечивается достаточная однородность и дисперсность зернистого перлита, в результате чего такие рельсы приходится дополнительно доотжигать в камерной газовой печи, что сказывается на длительности процесса сфероидизирующего отжига, а следовательно и его удорожание, а также приводит к нарушению ритма работы термоотделения. Кроме того, несмотря на то, что в процессе нагрева головки рельсов ТВЧ цементитная сетка практически устраняется, физико-механические свойства металла закаленного слоя получаются нестабильными, что сказывается на однородности микроструктуры и распределении твердости по сечению головки, а следовательно, и контактно-усталостной прочности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ термической обработки рельсов, заключающийся в том, что после обычного нагрева рельсы охлаждают со скоростью 3-8^оС/с до температуры 550-500^оС и далее осуществляют ступенчатый сфероидизирующий отжиг в интервале температур Ae₁ - 100-200^oC; Ae₁±10±30^oC; Ae₁ - 130-150^oC с выдержкой соответственно 1; 2-4; 1-2 ч, а повторную закалку с поверхностного нагрева ТВЧ производят с возрастающей скоростью охлаждения до 350-530^оС, после чего скорость охлаждения уменьшают до температуры самоотпуска.

Недостатком известного способа является то, что предварительный ступенчатый отжиг на структуру зернистого перлита производится в течение длительного времени (32-36 ч), что при массовом производстве рельсов высокой прочности значительно удлиняется процесс их изготовления и увеличивается стоимость. Кроме того, данный режим отжига практически непригоден для рельсов из заэвтектоидной стали, так как не способствует разбиению сплошной цементитной сетки до требуемого уровня, в результате чего рельсы в закаленном состоянии по своим свойствам не отвечают требованиям технических условий.

Целью изобретения является сокращение продолжительности обработки и повышение физико-механических свойств за счет ускорения процесса разрушения цементитной сетки и ее сфероидизации совместно с карбидами перлита, повышения однородности и дисперсности зернистого перлита.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термической обработки рельсов, включающему сфероидизирующий отжиг в три этапа, поверхностную закалку головки ТВЧ и самоотпуск на первом этапе сфероидизирующего отжига проводят нагрев до 200-300^оС и выдержку в течение 1-2 ч на втором этапе осуществляют 1-3 цикла нагрева со скоростью 50-100^оС/ч до 740-780^оС с выдержкой 1-3 ч и последующим охлаждением со скоростью 1-6^оС/с до 520-420^оС, на третьем этапе ведут нагрев до 650-700^оС с выдержкой при данной температуре в течение 2-4 ч, последующим охлаждением со скоростью 25-50^оС/ч до температуры 620-540^оС и окончательным охлаждением на воздухе, нагрев под поверхностную закалку осуществляют до 870-990^оС, а последующее охлаждение ведут со скоростью 7-26^оС/с в интервале 720-460^оС.

При содержании углерода в рельсовой стали 0,82-0,85 мас.% второй этап сфероидизирующего отжига осуществляют в один цикл, при содержании 0,86-0,92% в два цикла, при содержании 0,93-0,98% в три цикла.

На первом этапе сфероидизирующего отжига проводлят нагрев до 200-300^оС и выдержку в течение 1-3 ч (см. фиг. 1; этап 1-3).

На первом этапе сфероидизирующего отжига рельсов минимальная температура нагрева принята 200^оС (см. фиг. 1, этап 1-2) обусловлена соответствием в рельсовой заэвтектоидной стали точки Кюри цементита равной 198^оС, которая в зависимости от содержания в стали легирующих элементов повышается на 50^оС и составляет 250^оС. Кроме того, учитывая тот фактор, что в печи всегда имеет место колебание температуры по зонам нагрева, а также учитывая величину садки рельсов в печи (количество рельсов) максимальная температура нагрева принята 300^оС.

Время выдержки рельсов в печи в течение 1 ч (см. фиг. 1, точки 2-3) является минимальным и принимается при отжиге садки рельсов (количества) до 50 т, при котором происходит полный прогрев рельсов по всему сечению. При максимальном объеме садки рельсов в печи 150 т максимальное время выдержки принимается 2 ч, в течение которого происходит полный прогрев рельсов до заданной температуры. Поэтому выдержка рельсов в печи менее 1 ч и более 2 ч нецелесообразны по указанным причинам. Выбранные температура нагрева и время выдержки рельсов в печи на первом этапе сфероидизирующего отжига являются оптимальными с точки зрения протекания процесса теплосмены в объеме рельса, в результате которой вокруг цементитной сетки создаются напряжения, обусловленные различными коэффициентами расширения металла и различными удельными объемами фаз "перлит - избыточный цементит". Это приводит к тому, что в начале отжига в некоторых местах происходит деформация цементитной сетки, вследствие чего в ней образуются зубцы, а местами разрыв и деление на небольшие участки.

На втором этапе осуществляют 1-3 цикла нагрева со скоростью 50-100^оС/ч до 740-780^оС с выдержкой 1-3 ч и последующим охлаждением со скоростью 1-6^оС/с до 520-420^оС (см. фиг. 1, точки 3-9), что играет немаловажную роль в формировании однородного зернистого перлита и был выбран на основании применения оптимального теплового режима отжига рельсов из углеродистой и легированной заэвтектоидных сталей с учетом использования оптимального теплового режима, обеспечивающего прогрев садки рельсов по всему объему. Отмеченные скорости нагрева рельсов обеспечивают достаточный прогрев как по всей садке, так и по всему профилю рельсов. Нагрев рельсов в печи со скоростью менее 50^оС/ч нецелесообразно, так как задалживается время процесса сфероидизирующего отжига и приводит к увеличению продолжительности обработки, а нагрев рельсов со скоростью более 100^оС/ч опасно из-за недостаточного прогрева всей садки рельсов, особенно из легированной стали и наличия значительного перепада температур наружных и внутренних слоев рельсов, где заданная температура не будет достигнута к концу нагрева. Это приводит к недостаточной однородности карбидов перлита в завершающей стадии отжига. При этом следует отметить, что, начиная с температуры 300^оС и до 600^оС, нагрев можно вести на повышенных скоростях указанного диапазона, а затем, начиная с 600^оС и до конца нагрева, т.е. 740-780^оС, с меньшими скоростями и к концу нагрева довести ее до 50^оС/ч. Это позволит к концу нагрева достичь заданную температуру как в наружных, так и во внутренних слоях садки рельсов при максимальной загрузке.

Нагрев рельсов до температуры 740-780^оС в течение одного-трех циклов отжига (количество циклов принято в зависимости от содержания углерода в рельсовой стали и степени ее легированности) (см. фиг. 1, точки 4-5 и 7-8) принят в интервале межкритических температур, которая для рельсовой углеродистой и низколегированной (до 1% Cr) заэвтектоидных сталей составляет соответственно: начало перлитного превращения Ac₁^н=720 и 725^оС, а конец превращения Ac^к₁=785-790^оС. При нагреве рельсов до температур 740-780^оС по границам зерен аустенита происходит "размягчение" цементитной сетки и деление ее на фрагменты в местах, где она приобрела зубчатое, пилообразное строение на подготовительном этапе отжига. Кроме того, в данном интервале температур происходит также частичная и неполная сфероидизация карбидов перлита, а местами и разорванной сетки цементита.

Нагрев рельсов до температуры ниже 740^оС нецелесообразно, так как в нагревательной печи всегда имеет место колебание температуры в пределах ± 10^оС, особенно во внутренней части садки рельсов, температура которых может приближаться к началу перлитного превращения, т.е. Ac^н₁. Нагрев рельсов выше точки Ac^к₁, т.е. 780^оС, также нежелателен, так как будет происходить полная гомогенизация аустенита при этом уменьшается повышенная концентрация углерода и легирующих элементов, в результате чего не будет происходить образование зернистого перлита.

Выдержка рельсов в печи в течение 1-3 ч (см. фиг. 1, точки 4-5 и 7-8) является оптимальной с точки зрения практически полного растворения в стали углерода, а для легированных сталей и легирующих элементов, в частности хрома, и неполного завершения процесса их диффузии. Такое состояние твердого раствора приводит к образованию достаточного количества участков аустенита с повышенной концентрацией углерода и легирующий элементов. Концентрационные участки являются зародышевыми центрами образования глобулярной карбидной фазы перлита. Кроме того, при данной выдержке рельсов в печи происходит достаточное "размягчение" сплошной цементитной сетки и деление ее на фрагменты. Время выдержки рельсов в печи сочетается с количеством принятых циклов, которые в свою очередь зависят от содержания углерода в заэвтектоидной стали. В данном цикле нагрева и охлаждения время выдержки принимается максимальным согласно заявленному пределу, т.е. 3 ч, и наоборот, при двух и трех циклах отжига время выдержки уменьшается до минимального заявленного значения. Поэтому при выдержке рельсов в печи менее 1 ч описанные процессы в заэвтектоидной стали еще не произойдут, а при выдержке рельсов в печи более 3 ч полностью произойдут диффузионные процессы, а также выравнивание концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе.

При охлаждении рельсов со скоростью 1-6^оС/с (см. фиг. 1, точки 5-6 и 8-9) протекает процесс перлитного превращения с образованием колоний повышенной дисперсности по сравнению с исходным состоянием, а также дальнейшее деление цементитных пластин на небольшие участки и частичная трансформация их в равноосные глобули. Охлаждение рельсов со скоростью 1^оС/с, соответствующая охлаждению рельсов на спокойном воздухе, принята нижним пределом, а охлаждение со скоростью более 1^оС/с соответствует принудительному охлаждению, например обдуву рельсов сжатым воздухом. Охлаждение рельсов со скоростью более 6^оС/с нецелесообразно, так как в диапазоне принятых скоростей охлаждения 1-6 град/с достаточно полно протекают описанные процессы. Кроме того, при охлаждении рельсов со скоростью боле 6^оС/с произойдет искривление их в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что затруднит дальнейшее протекание технологического процесса отжига.

При охлаждении рельсов до температуры 520-420^оС в легированной и углеродистой заэвтектоидных сталях согласно термокинетической диаграмме заканчивается перлитное превращение. При охлаждении рельсов до температуры выше 520^оС в нижележащих слоях рельсовой садки не до конца произойдет перлитное превращение, в результате чего цементитные пластины не полностью будут подвергнуты делению на фрагменты, что приведет к уменьшению степени полной сфероидизации карбидов. Заканчивать охлаждение рельсов ниже температуры 420^оС нецелесообразно, так как полностью произойдет перлитное превращение в рельсах во всем объеме садки.

На третьем этапе ведут нагрев до 650-700^оС с выдержкой при данной температуре в течение 2-4 ч, последующим охлаждением со скоростью 25-50^оС/ч до температуры 620-540^оС и окончательным охлаждением на воздухе.

Нагрев рельсов до температуры в пределах 650-700^оС (см. фиг. 1, точки 9-10) является оптимальным для завершения процесса сфероидизации, как основной карбидной фазы перлита, так и избыточной, то есть бывшей цементитной сетки, разделенной в предыдущих циклах отжига на отдельные фрагменты. При нагреве рельсов до температуры ниже 650^оС процесс сфероидизации разделенных на фрагменты участков бывшей цементитной сетки протекает замедленно, в результате чего потребуется дополнительное время выдержки и тем самым удлиняется процесс отжига, а нагрев рельсов выше температуры 700^оС проводить нецелесообразно, так как она очень близка к критической точке заэвтектоидной стали. С учетом возможного колебания температуры по зонам печи в сторону ее повышения возможен случай, когда она будет соответствовать критической точке Ac^н₁, при которой создаются условия термодинамического равновесия структурных фаз, а следовательно, отсутствие процесса сфероидизации карбидной фазы.

Выдержка рельсов в печи на последнем этапе сфероидизирующего отжига в течение 2-4 ч (см. фиг. 1, точки 10-11) является оптимальной с точки зрения полного завершения процесса сфероидизации карбидной фазы перлита и участков бывшей цементитной сетки. При выдержке рельсов в печи менее 2 ч процесс сфероидизации карбидной фазы полностью не завершается, при этом имеются участки цементита не подвергнувшиеся сфероидизации, особенно в легированной заэвтектоидной стали. Выдержка рельсов в печи более 4 ч нецелесообразна, так как в указанное время процесс сфероидизации полностью завершается и начинается укрупнение одних карбидов за счет других, т.е. процесс коагуляции. При этом образуется зернистый перлит с различной величиной карбидов, что отрицательно сказывается на структуре металла закаленного слоя головки после окончательной термообработки с нагрева ТВЧ.

Охлаждение рельсов со скоростью 25-50^оС/ч, например вместе с печью, (см. фиг. 1, точки 11-12) на последнем этапе отжига выбрано из условия обеспечения процесса диспергирования и однородного распределения в матрице карбидов перлита и избыточных карбидов бывшей цементитной сетки сферической формы. Меньшая скорость охлаждения рельсов нецелесообразна, так как дисперсность карбидов не изменяется, но зато удлиняется процесс отжига рельсов, а свыше 50^оС/ч имеет место неравномерное распределение карбидов в матрице. Структура стали с таким распределением карбидов в матрице не является оптимальной для последующей закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ и повышения комплекса физико-механических свойств.

При охлаждении рельсов до температуры 620-540^оС (см. фиг. 1, точка 12) происходит максимальное растворение углерода в феррите с образованием однородных и равномерно распределениях в матрице основных карбидов перлита и бывшей цементитной сетки, перешедшей в процессе циклического сфероидизирующего отжига в зернистую форму, которая отличается от карбидов перлита наличием ярко выраженного ореола с оставшейся ориентацией по границам зерен. Окончание охлаждения рельсов при температуре более 620^оС нецелесообразно, так как имеет место неполная завершенность описанного процесса, а ниже температуры 540^оС также нецелесообразно, так как резко снижается диффузия углерода и легирующих элементов, а следовательно, и сфероидизация карбидной фазы. После охлаждения рельсов вместе с печью они охлаждаются на воздухе. Данное охлаждение рельсов не вызывает искривление их в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Нагрев под поверхностную закалку осуществляют до 870-890^оС, а последующее охлаждение ведут со скоростью 7-26^оС/с в интервале 720-460^оС.

Температура нагрева ТВЧ рельсов из углеродистой и легированной заэвтектоидных сталей в интервале 870-990^оС (см. фиг. 1, точки 13-14) является оптимальной, позволяющая получить достаточные прогрев металла головки и глубину закаленного слоя с обеспечением небольшого градиента температур по сечению головки, а следовательно, и невысокие остаточные напряжения. Указанная температура нагрева головки рельсов из углеродистой и легированной заэвтектоидных сталей, предварительно термообработанных на зернистый перлит, является предельной, ниже которой не будет образовываться однородный твердый раствор аустенита, в результате чего не на достаточном уровне будут находиться прочностные и пластические свойства и будет отсутствовать однородность структуры металла закаленного слоя. При нагреве головки до температуры 990^оС произойдет полное насыщение аустенита углеродом, а для легированной заэвтектоидной стали еще и легирующими элементами. Дальнейший нагрев сверх указанной температуры, т.е. 990^оС, приведет к значительному росту зерна аустенита и огрублению структуры металла закаленного слоя, что приведет к снижению контактно-усталостной прочности.

Охлаждение головки рельсов со скоростью 7-26^оС/с в интервале заявленных температур 720-460^оС (см. фиг. 1, точки 15-16) обеспечивает получение в закаленном слое головки рельсов однородной перлитной структуры на глубине, достаточно перекрывающей зону действия максимальных контактных напряжений, возникающих от колес подвижного состава в процессе эксплуатации. При этом с повышением скорости охлаждения головки рельсов в пределах 7-26^оС/с дисперсность перлитной структуры повышается, а следовательно повышается и твердость головки рельсов от нижнего уровня HB 340 до верхнего - HB 415, что отвечает трпебованиям технических условий. При охлаждении головки рельсов со скоростью менее 7^оС/с в закаленном слое появляются участки с твердостью ниже требований технических условий, т. е. HRC_э 33,5, а также не всегда обеспечивается глубина закаленного слоя, отвечающая требованиям ТУ, а именно 11 мм. Применение скорости охлаждения головки рельса свыше 26^оС/с приведет к получению неоднородной структуры по глубине закаленного слоя, состоящей из троостита и участков нежелательной структуры бейнита, что недопустимо требованиями технических условий. Такая структура металла плохо сопротивляется динамическим нагрузкам в результате чего на ранней стадии эксплуатации рельсов в головке могут зарождаться микротрещины, приводящие к их излому.

Интервал температур 720-460^оС (см. фиг. 1, точки 15-16), в котором производится охлаждение головки рельса с заявляемой скоростью выбран с учетом достаточности условий протекания перлитного превращения и формирования невысоких остаточных напряжений на головке рельса. Охлаждать с указанной скоростью выше температуры 720^оС нецелесообразно, так как образование перлитной структуры еще не начинается, а охлаждение с указанными скоростями ниже температуры 460^оС не имеет смысла, так как перлитная структура уже образовалась по всей глубине закаленного слоя. Кроме того, при охлаждении с максимально заявленной скоростью, т.е. 26^оС/с ниже температуры 460^оС в закаленном слоем головки рельса появится смешанная структура, состоящая из набора структур: в поверхностном слое головки из мартенсита и бейнита, а в нижележащих слоях головки - из перлита, что недопустимо техническими условиями.

При содержании углерода в рельсовой стали 0,82-0,85 мас.% второй этап сфероидизирующего отжига осуществляют в один цикл, при содержании 0,86-0,92% в два цикла, при содержании 0,93-0,98% в три цикла.

Установлено, что в рельсовой заэвтектоидной стали с повышением содержания углерода сверх 0,82% появляется цементитная сетка, при этом, чем больше в стали углерода, тем она грубее, а следовательно труднее поддается разрушению и дроблению на фрагменты во время отжига. Так, для рельсовой заэвтектоидной стали, содержащей 0,82-0,85% С, цементитная сетка тонкая и прерывистая, т.е. незамкнутая вокруг зерна аустенита, а следовательно более легко поддается дроблению на фрагменты и их сфероидизации. С повышением в стали углерода от 0,86 до 0,92% цементитная сетка утолщается и замыкается вокруг зерен аустенита, а при содержании углерода 0,93-0,98% она заметно утолщается (огрубляется), в результате чего затрудняется ее разрушение, деление на фрагменты и сфероидизация.

В связи с изложенным при сфероидизирующем отжиге рельсов из углеродистой и низколегированной заэвтектоидных сталей в зависимости от содержания в них углерода, применяется термоциклирование в количестве от одного до трех циклов, проводимых в интервале температур 740-780^оС с проведением неполных фазовых превращений и последующего охлаждения.

При этом, независимо от количества применяемых циклов, завершающим этапом сфероидизирующего отжига рельсов является отжиг при температуре 650-700^оС (см. фиг. 1, этап 9-12). На фиг. 1 в качестве примера показаны два этапа и два цикла обработки при температуре 740-780^оС и завершающий этап отжига при температуре 650-700^оС.

Таким образом, заявленный режим циклического сфероидизирующего отжига рельсов из углеродистой и легированной заэвтектоидных сталей (0,82-0,98% С) обеспечивает деление сплошной цементитной сетки на фрагменты и их сфероидизацию. Этому способствуют специальные режимы нагрева и охлаждения стали в процессе отжига. При этом на первом этапе сфероидизирующего отжига вокруг цементитной сетки создаются напряжения, обусловленные различными коэффициентами расширения металла и различными удельными объемами фаз "перлит - избыточный цементит". Это приводит к тому, что в начале отжига в некоторых местах происходит деформация цементитной сетки, вследствие чего на ней образуются "пилообразные" зубцы. В процессе дальнейшего отжига происходит разрыв зубцов цементитной сетки, деление ее на небольшие участки и частичная их сфероидизация. На отдельных этапах отжига при нагреве рельсов выше точки A_c1 наблюдается частичное превращение перлита в аустенит, а в процессе охлаждения - образование перлитных колоний повышенной дисперсности по сравнению с исходным состоянием. Происходит также дальнейшее разделение цементитных пластин на небольшие участки и трансформация их в равномерные глобули. На последнем этапе отжига карбиды перлита и избыточные карбиды (цементитная сетка) полностью сфероидизируются, вследствие чего образуется структура зернистого перлита, в котором все глобули дисперсны, однородны и равномерно распределены в матрице.

После циклического сфероидизирующего отжига, применяемого в качестве предварительной термообработки всех элементов рельса (головка, шейка и подошва), головку подвергают закалке с нагрева ТВЧ на повышенную прочность. После окончательной термообработки в головке рельсов формируется высокий комплекс физико-механических свойств, а в шейке и подошве - высокие пластические свойства и ударная вязкость.

По имеющимся данным в известных решениях отсутствуют признаки, сходные с признаками, которые отличают от прототипа заявляемое техническое решение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

Проведенный анализ заявляемого способа термической обработки рельсов свидетельствует, что положительный эффект при осуществлении изобретения будет получен за счет применения циклического сфероидизирующего отжига (предварительная термообработка рельсов), приводящего к ускорению процесса разрушения цементитной сетки и ее сфероидизации совместно с карбидами перлита и повышению однородности и дисперсности зернистого перлита. При таком циклическом сфероидизирующем отжиге повышаются пластические свойства и ударная вязкость металла рельсов. Последующая термическая обработка головки рельсов с нагрева ТВЧ приводит к получению в закаленном слое высокой прочности за счет образования мелкого зерна аустенита и высокодисперсной структуры и тонкой кристаллической структуры.

Заявленный способ термической обработки рельсов обеспечивает получение свойств, дифференцированных по сечению профиля рельса: высокая прочность головки и высокие пластические свойства и ударная вязкость металла шейки и подошвы.

На фиг. 1 показана комплексная технологическая схема термообработки рельсов; на фиг. 2-6 - процесс разрушения сплошной цементитной сетки и ее сфероидизация; на фиг. 7-10 - процесс сфероидизации основной карбидной фазы-перлита; на фиг. 11 - структура металла закаленного слоя головки рельса после циклического сфероидизирующего отжига и закалки с нагрева ТВЧ.

Практическое применение заявленного способа термической обработки рельсов осуществляли в термоотделении рельсобалочного цеха меткомбината "Азовсталь". При этом рельсы из углеродистой заэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,92% в количестве 90 т загружали на подину газовой камерной печи в три ряда в положение "слоя на подошве". Затем их нагревали до 250^оС, выдерживали 1,5 ч после чего в течение двух циклов проводили нагрев со скоростью 70 ± 10^оС/ч до температуры 760^оС, выдерживали 2 ч и охлаждали на выдвинутой с печи подине со скоростью 3^оС/с (обдув сжатым воздухом) до температуры 480^оС. После чего рельсы подвергали окончательному нагреву со скоростью 70 ± 10^оС/ч до температуры 680^оС, выдерживали 3 ч и охлаждали вместе с печью со скоростью 35^оС/ч до 580^оС, затем рельсы выгружали на стеллаж и охлаждали на воздухе. Последующую закалку осуществляли на рельсозакалочной машине, в которой при поступательном движении в упруго-напряженном состоянии головку рельсов подвергали нагреву ТВЧ до температуры 930^оС и охлаждению водовоздушной смесью со скоростью 18^оС/с в интервале температур 710-480^оС (см. фиг. 1).

Установлено, что за счет ускорения процесса полного разрушения сплошной цементитной сетки и сфероидизации избыточных карбидов совместно с карбидами перлита, сокращается на 8 ч продолжительность сфероидизирующего отжига по сравнению с отжигом согласно прототипу.

С помощью предлагаемого способа термической обработки рельсов изготовлена опытная партия рельсов в количестве 350 т, которая прошла эксплуатационные испытания в особо тяжелых условиях Крайнего Севера.

Циклическому сфероидизирующему отжигу и последующей закалке с нагрева ТВЧ подвергали рельсы из углеродистой заэвтектоидной стали состава 0,92% С, 0,88% Mn, 0,36% Si, 0,012 Ti, 0,04 V (плавка 1) и низколегированной заэвтектоидной стали, содержащей 0,90% С, 0,86% Mn, 0,33% Si, 0,011% Ti, 0,03% V (плавка 2).

Для заэвтектоидных сталей с таким содержанием углерода сфероидизирующий отжиг выполняли с учетом двух высокотемпературных циклов (см. фиг. 1, точки 1-9), при этом полный режим отжига включал этапы 1-13.

Металлографическим исследованием металла рельсов состава плавки 1 после специального травления шлифов раствором пикриновой кислоты установлено, что в состоянии после прокатки имеет место наличие цементитной сетки балла 5 по ГОСТ 801-78 (см. фиг. 2). На первом этапее циклического сфероидизирующего отжига (см. фиг. 1, точки 1-3) происходит деформация цементитной сетки, при этом в некоторых местах она принимает пилообразную форму (см. фиг. 3). После первого цикла отжига (см. фиг. 1, точки 1-6) происходит деление сплошной цементитной сетки на фрагменты и частичная их сфероидизация (см. фиг. 4). После двух этапов и двух циклов отжига (см. фиг. 1, точки 1-9) цементитная сетка полностью раздроблена и практически полностью засфероидизирована (см. фиг. 5). Полный режим отжига рельсов (см. фиг. 1, точки 1-13) привел к окончательному дроблению остатков цементитной сетки и ее сфероидизации совместно с карбидами перлита (см. фиг. 6). На фиг. 4-6 бывшая цементитная сетка в виде глобулей имеет более темный ореол по сравнению с карбидами перлита.

Микроструктура стали плавки 1 в состоянии после прокатки состоит из пластинчатого перлита с межпластиночным расстоянием 0,8-1,0 мкм с четко выраженными пластинами цементита и ферритных участков (см. фиг. 7). После первого цикла сфероидизирущего отжига, включающего (см. фиг. 1, точки 1-6), происходит образованием перлитных колоний повышенной дисперсности по сравнению с исходным состоянием, а также деление цементных пластин на фрагменты и частичная их сфероидизация (см. фиг. 8). После двух циклов первого и второго этапов отжига (см. фиг. 1, точки 1-9) происходит практически полная сфероидизация цементитных пластин перлита, при этом имеют место небольшие участки дисперсных пластин цементита, подготовленных к сфероидизации (см. фиг. 9). На последнем (третьем этапе) отжига (см. фиг. 1, точки 1-13) карбиды перлита и избыточные карбиды (цементитная сетка) полностью сфероидизируется, вследствие чего образуется структура дисперсного зернистого перлита, в котором все глобули однородны, дисперсны и равномерно распределены в матрице (см. фиг. 10). Изредка встречаются следы бывшей цементитной сетки, не превышающие балла 1 согласно ГОСТ 801-78, что отвечает требованиям технических условий.

После циклического сфероидизирующего отжига и закалки головки с нагрева ТВЧ структура закаленного слоя состоит из троостита закалки (см. фиг. 11) с межпластиночным расстоянием 0,2 мкм.

Металлографическое исследование металла рельсов из углеродистой заэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,88% после сфероидизирующего отжига согласно известному способу показало, что цементитная сетка практически мало разрушается и сфероидизируется, при этом происходит лишь некоторое уменьшение ее с балла 5 до 3 (ГОСТ 801-78). После закалки головки рельса с нагрева ТВЧ закаленный слой состоит из сорбита закалки с межпластиночным расстоянием 0,4-0,6 мкм. Такое состояние цементитной сетки в металле рельсов, подвергнутых последующей закалке с нагрева ТВЧ, отрицательно сказывается на ударной вязкости и копровой прочности при низких температурах испытания, начиная с - 20^оС.

Сравнивая резутаты механических испытаний металла рельсов из углеродистой и низколегированной сталей по заявляемому способу и согласно прототипу, видно, что в обоих случаях твердость и прочность металла снижаются на 20-25% , связано это с трансформацией пластинчатого перлита в зернистый. Для рельсов после сфероидизирующего отжига по заявленному способу пластические свойства и ударная вязкость металла повышаются: для δ₅ - в три, а для Ψ и KCU - в шесть раз по сравнению с состоянием после прокатки, что очень важно для металла рельсов шейки и подошвы, которые впоследствии не подвергаются закалке с нагрева ТВЧ в то время, как после отжига по способу согласно прототипу δ₅ и KCU повышаются всего лишь в два, а Ψ в три раза. Результаты сравнения представлены в таблице.

Сравнивая результаты механических испытаний металла рельсов, подвергнутых отжигу по заявленному способу и согласно прототипу, видно, что после отжига углеродистой заэвтектоидной стали по заявленному способу пластические свойства и ударная вязкость на 38%, а для низколегированной стали на 40% больше, чем для этих же марок сталей после отжига согласно прототипу.

Повышение пластических свойств и ударной вязкости связано с процессом полного разрушения сплошной цементитной сетки и ее сфероидизации совместно с карбидами перлита и равномерного их распределения в матрице, а также получением однородного и дисперсного зернистого перлита, чего не происходит после отжига согласно прототипу, где цементитная сетка уменьшается всего лишь с балла 5 до 3.

Такое структурное состояние металла после сфероидизирующего отжига по заявленному способу оказывает существенное влияние на повышение прочности, а также пластические свойства и ударную вязкость, которые соответственно на 10% , а также на 25 и 30% выше, чем после термической обработки согласно прототипу (см. таблицу).

После закалки головки с нагрева ТВЧ рельсов из заэвтектоидной стали, предварительно подвергнутых сфероидизирующему отжигу по заявленному способу отмечается равномерное распределение твердости по длине головки с перепадом HB 15, а также равномерное распределение ее по сечению головки с наличием площадки повышенной твердости в пределах HRC_э41,5-39,0 на глубине 10 мм с последующим плавным снижением до глубины закаленного слоя, составляющего 16-17 мм. После термообработки по способу-прототипу разброс твердости по длине рельса составляет HB 30-35, а значение максимальной твердости по сечению головки составляет HRC_э38-36,5, которая распространяется до глубины 7 мм, после чего неплавно снижается до конца закаленного слоя, который составляет 13-14 мм.

Такой комплекс физико-механических свойств металла рельсов, термообработанных по заявленному способу приводит к повышению износостойкости и контактно-усталостной прочности металла закаленного слоя на 18-22%, а также долговечность и надежность в 1,6 раза по сравнению с рельсами, термообработанными по способу-прототипу.

Согласно данным проведенных испытаний металла опытных партий рельсов заявляемое изобретение в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами:
сокращается продолжительность обработки рельсов из углеродистой легированной заэвтектоидных сталей на 8 ч и тем самым увеличивается производительность процесса;
закалка производится с нагрева ТВЧ рельсов из углеродистой и легированной заэвтектоидных сталей с содержанием углерода в пределах 0,82-0,98% С, против 0,71-0,82% С согласно прототипу;
полностью разрушается сплошная цементитная сетка, которая засфероидизируется совместно с карбидами перлите с равномерным распределением их в матрице, при этом повышается однородность и дисперсность зернистого перлита;
после отжига в головке, шейке и подошве рельса повышаются пластические свойства( δ₅Ψ ) и ударную вязкость (KCU) в углеродистой и легированной заэвтектоидных сталях на 40%;
после сфероидизирующего отжига и закалки головки с нагрева ТВЧ уменьшается разброс твердости по длине головки рельса до HB 15-20 против HB 30-40;
обеспечивается равномерное распределение твердости по сечению закаленного слоя с наличием площадки повышенной твердости в пределах HRC_э 41,5-39,0 на глубине 10 мм вместо HRC_э 38-36,5 на глубине 7 мм, при этом повышается глубина закаленного слоя до 16-17 мм против 13-14 мм;
в закаленном слое головки обеспечивается дисперсная структура троостит закалки с межпластиночным расстоянием 0,2 мкм вместо структуры троостосорбит с межпластиночным расстоянием 0,4-0,6 мкм;
повышается прочность металла закаленного слоя на 10%, а пластические свойства и ударную вязкость соответственно на 25 и 30%.

Заявляемый способ термической обработки рельсов представляет значительный интерес, так как позволяет сократить продолжительность обработки рельсов из углеродистой и легированной заэвтектоидных сталей на 8 ч и тем самым увеличить производительность процесса, а также повысить износостойкость и контактно-усталостную прочность металла закаленного слоя головки рельсов на 18-22%, а долговечность и надежность на 60% и тем самым повысить общую эксплуатационную стойкость на 80%, т.е. в 1,6 раза.

Использование: в металлургической промышленности, в частности при термической обработке железодорожных рельсов из углеродистой и легированной до- и заэвтектоидных сталей. Сущность изобретения: на первом этапе сфероидизирующего отжига проводят нагрев до 200 - 300°С и выдержку в течение 1 - 3 ч, на втором этапе осуществляют 1 - 3 цикла нагрева со скоростью 50 - 100°С/ч до 740 - 780°С с выдержкой 1 - 3 ч и последующим охлаждением со скоростью 1 - 6°С/с до 520 - 420°С, на третьем этапе ведут нагрев до 650 - 700°С с выдержкой при данной температуре в течение 2 - 4 ч, последующим охлаждением со скоростью 25 - 50°С/ч до температуры 620 - 540°С и окончательным охлаждением на воздухе. Нагрев под поверхностную закалку осуществляют до 870 - 990°С, последующее охлаждение ведут со скоростью 7 - 26°С/с в интервале 720 - 460°С. При содержании углерода в рельсовой стали 0,82 - 0,85 мас.% второй этап сфероидизирующего отжига осуществляют в один цикл, при содержании 0,86 - 0,92% - в два цикла, при содержании 0,93 - 0,98% - в три цикла. 1 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ, включающий сфероидизирующий отжиг в три этапа, поверхностную закалку головки ТВЧ и самоотпуск, отличающийся тем, что на первом этапе сфероидизирующего отжига проводят нагрев до 200 - 300^oС и выдержку в течение 1 - 3 ч, на втором этапе осуществляют 1 - 3 цикла нагрева со скоростью 50 - 100^oС/ч до 740 - 780^oС с выдержкой 1 - 3 ч и последующим охлаждением со скоростью 1 - 6^oС/с до 520 - 420^oС, на третьем этапе ведут нагрев до 650 - 700^oС с выдержкой при данной температуре в течение 2 - 4 ч, последующим охлаждением со скоростью 25 - 50^oС/ч до 620 - 540^oС и окончательным охлаждением на воздухе, нагрев под поверхностную закалку осуществляют до 870 - 990^oС, а последующее охлаждение ведут со скоростью 7 - 26^oС/ч в интервале 720 - 460^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при содержании углерода в рельсовой стали 0,82 - 0,85 мас.% второй этап сфероидизирующего отжига осуществляют в один цикл, при содержании 0,86 - 0,92% - в два цикла, при содержании 0,93 - 0,98% - в три цикла.