СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК C21D9/04 

Изобретение отстоится к области черной металлургии, в частности, к термической обработке изделий, преимущественно рельсов.

Известен способ термической обработки рельсов, включающий объемный нагрев, охлаждение в масле и отпуск (а.с. N 795038, М. кл. C 21 D 9/04). Он обеспечивает получение рельсов со стабильно высокими механическими и эксплуатационными характеристиками за счет формирования в головке рельса однородной структуры сорбита закалки. Однако разогрев масла при попадании в него рельсов с температурой 850^oC приводит к выделению в атмосферу большого количества вредных веществ и загазованности цеха. Вблизи закалочной машины создается задымленность, велика пожароопасность.

Известен способ термической обработки рельсов, включающий объемную аустенизацию и поверхностное охлаждение головки рельса, движущегося со скоростью 0,4 м/с; охлаждение головки производят непрерывно водовоздушной смесью и струями воды с постепенным увеличением расхода охладителя. После охлаждения поверхностного слоя до 100 400^oC производят регулируемое охлаждение всех элементов профиля рельса /1/.

Существенным недостатком этого способа является значительная искривленность рельсов и высокий уровень остаточных напряжений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ изготовления рельсов, заключающийся в том, что на выходе из стана горячей прокатки рельс выдерживают на открытом воздухе в течение 46 с (меньше 400 с до того момента, пока температура в центре головки не будет составлять 780 680^oC). Затем его помещают в водяную ванну, нагретую до температуры выше 75^oC и преимущественно до температуры кипения. Продолжительность погружения рельса в водяную ванну меньше либо равна времени, необходимому для достижения не менее 80% аллотропического превращения стали в головке, и составляет 50 90 с. Рельс помещают в водяную ванну в горизонтальном положении подшипником вниз /2/.

Этот способ экологически достаточно чистый, обеспечивает уменьшение остаточной деформации рельсов (повышение их прямолинейности). Существенным недостатком его является неоднородность прочностных свойств и твердости верхней половины головки, являющейся наиболее нагруженным элементом профиля рельса. Наблюдаемое понижение прочности и твердости по глубине головки рельса вызвано особенностями протекания аллотропического превращения. Погружение в воду на 50 90 с приводит к тому, что в поверхностном слое головки происходит мартенситное превращение, а при последующем разогреве за счет тепла нижних слоев самоотпуск. В результате формируется структура, представляющая собой сорбит отпуска.

Охлаждение следующего слоя происходит с меньшей скоростью, и в нем помимо мартенсита образуются участки бейнита; после самоотпуска структура этого слоя представляет собой сорбит отпуска, однако более грубый, чем в поверхностном слое, и участки отпущенного бейнита.

Охлаждение третьего слоя на глубине, доходящей до центра головки, происходит с еще меньшей скоростью. Это обеспечивает протекание наряду с бейнитным перлитного превращения. Структура этого слоя довольно грубый сорбит закалки и участки отпущенного бейнита.

Таким образом, аллотропическое превращение в данном случае включает в себя мартенситное, бейнитное и перлитное превращения, в результате чего в головке рельса формируются зоны различной структуры. Структурная неоднородность приводит, естественно, к неоднородности свойств и к возникновению трещин контактной усталости при эксплуатации рельсов, что заметно уменьшает срок их службы.

Поставлена задача создать экологически чистый способ термообработки изделий, в частности, рельсов, который обеспечит наряду с увеличением прямолинейности рельсов повышение сопротивления контактно-усталостным разрушениям и в конечном счете увеличение срока их службы за счет формирования однородной структуры в виде дисперсного сорбита закалки на значительную глубину головки рельса.

Поставленная задача достигается тем, что после нагрева изделий до температур аустенитной области охлаждение в воде, нагретой до температуры 75 - 100^oC, осуществляют несколько этапов: первоначально изделие переохлаждают в воде от температуры аустенизации до температуры A_r1 (15 20^oC) с выдержкой 5 49 с, затем охлаждение проводят на воздухе в течение 5 30 с, а окончательное охлаждение осуществляют в воде.

Перед окончательным охлаждением осуществляют по крайней мере один цикл охлаждения изделий по режиму воздух вода.

Охлаждение в воде можно осуществлять после специального нагрева изделий или после прокатного нагрева.

Погружение в воду, нагретую до температуры 75 100^oC, только на 5 - 40 с приводит к тому, что температура поверхностного слоя изделия понижается лишь на 15 20^oC ниже температуры начала перлитного превращения (A_r1), и в этом слое формируется структура сорбита закалки. В более глубоких слоях металл не успевает охлаждаться до температуры A_r1 и сохраняет структуру аустенита.

Последующее охлаждение изделия на воздухе в течение 5 30 с резко замедляет превращение; структура практически не изменяется и к концу этого этапа представляет собой каркас из сорбита закалки по периметру изделия (в частности, головки рельса) и аустенит в более глубоких слоях.

Сорбит закалки представляет собой пластинчатый перлит (ферритокарбидную смесь) высокой дисперсности. Поэтому при последующем погружении изделия в воду и окончательном охлаждении его тепловой поток, двигающийся из глубинных слоев металла к поверхности, многократно встречает на своем пути пластины цементита в поверхностном слое сорбита закалки. Теплопроводность карбидных пластинок (цементита) намного меньше, чем аустенита и феррита (коэффициент теплопроводности цементита -
а аустенита и феррита -
0,100 и
соответственно. А.А. Шлыков. Справочник термиста, М. 1956 г.)
В результате этого скорость охлаждения заметно снижается, и под поверхностным слоем сорбита закалки по всему сечению изделия развивается перлитное превращение аустенита. Образуется сорбит закалки, который по мере продвижения в глубь изделия становится несколько более грубым.

Перед окончательным охлаждением может быть осуществлен не один цикл охлаждения по режиму воздух вода, а несколько. Увеличение числа выдержек изделия на воздухе способствует гарантированному понижению скорости охлаждения до уровня, исключающего образование мартенсита и бейнита.

Таким образом, при закалке изделий по предлагаемому способу происходит формирование дисперсионной однородности структуры сорбита закалки по всему сечению изделия, тогда как при закалке по способу-прототипу образуется неоднородная структура.

Сорбит закалки является наиболее благоприятной структурой для рельсов, т. к. он обеспечивает оптимальное сочетание прочностных свойств твердости и сопротивления контактно-усталостных разрушениям. Отпуск или самоотпуск уменьшает остаточные напряжения, возникающие при закалке, и не изменяет структуру.

Формирование однородной дисперсионной структуры сорбита закалки в наиболее нагруженном сечении профиля рельса (верхней половине головки) обеспечивает повышение однородности свойств, контактно-усталостной прочности и эксплуатационной стойкости рельсов.

Предлагаемый способ охлаждения рельсов обеспечивает также повышение их прямолинейности.

В процессе закалки и отпуске не происходит загрязнения окружающей среды и атмосферы цеха продуктами испарения масла, пожароопасность намного меньше, чем при закалке в масло.

Экспериментально установлено, что необходимый эффект достигается только при охлаждении в несколько этапов с продолжительностью первоначального погружения в воду 5 40 с и выдержки на воздухе 5 30 с.

Если длительность первого погружения в воду менее 5 с, превращение аустенита поверхностного слоя изделия в перлитной области не происходит из-за наличия инкубационного периода.

При длительности погружения более 40 с происходит значительное переохлаждение аустенита и в поверхностном слое изделия развивается мартенситное превращение, а в более глубоких бейнитное и перлитное. В этом случае, так же, как при охлаждении по способу-прототипу, формируется неоднородная структура в головке рельса, приводящая к неоднородности свойств и снижению контактно-усталостной прочности.

Длительность охлаждения на воздухе менее 5 с не обеспечивает приостановки превращения. При последующем охлаждении в воде происходит значительное переохлаждение аустенита, приводящее к образованию структурной неоднородности и неоднородности свойств.

Если охлаждение на воздухе проводят в течение более 30 с, то развивается перлитное превращение, которое вследствие низкой скорости охлаждения приводит к образованию в металле ниже поверхностного слоя сорбита закалки грубого перлита. По мере продвижения в глубь изделия он еще больше укрупняется. Для этой структуры характерен низкий уровень твердости, прочностных свойств и стойкости против контактно-усталостных разрушений.

Экспериментально установлено, что рельсы, обработанные по предлагаемому способу, имеют высокую прямолинейность.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый способ термической обработки изделий отличается от прототипа.

Если в способе-прототипе осуществляют однократное охлаждение рельсов в воде, то в предлагаемом способе осуществляют охлаждение в несколько этапов. В способе-прототипе продолжительность погружения рельса в водяную ванну составляет 50 90 с, а в предлагаемом способе 5 40 с. Длительность выдержки рельсов на воздухе после погружения в воду 5 40 с, в способе-прототипе этот этап не выделен.

Эти отличительные признаки обеспечивают формирование на значительной глубине головки однородной структуры, получение однородных прочностных свойств и твердости, повышение сопротивления контактно-усталостным разрушениям наряду с обеспечением высокой прямолинейности и повышение срока службы рельса.

Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков предлагаемого изобретения по их функциональному назначению. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Примеры конкретного выполнения. Обработке по предлагаемому способу подвергали рельсы типа Р65 из стали М76 следующего состава: 0,75% углерода, 0,92% марганца, 0,30% кремния, 0,03% фосфора, 0,027% серы. Температура нагрева рельсов под закалку составляла 840^oC, температура воды 75 100^oC. Охлаждение рельсов производили сначала в воде, затем на воздухе, а потом окончательное охлаждение снова в воде. Варьировались длительность первоначального погружения рельса в воду и длительность выдержки на воздухе. После закалки рельсы подвергали отпуску в печи в атмосфере воздуха при 450^oC в течение 2 ч. Рельсы были обработаны также по способу, описанному в прототипе, а именно: после прокатки рельсы выдерживали на воздухе 45 с, затем помещали подошвой вниз в водяную ванну на 75 с. Для оценки качества рельсов определяли микроструктуру головки, прямолинейность, твердость, прочностные свойства и сопротивление контактно-усталостному разрушению. Микроструктуру оценивали металлографическим методом. Прямолинейность рельсов определяли после холодной правки по стреле прогиба с помощью контрольной линейки длиной 1 м и набора щупов (±0,5 мм). Твердость определяли по Бринелю на поверхности катания головки и в поперечном сечении рельса, для чего вырезали из рельсов темплеты. Предел прочности и предел текучести оценивали при испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497-73 на цилиндрических образцах диаметром d₀ 6 мм и расчетной длиной l₀ 5 d₀. Образцы вырезали из верхней половины головки рельса в два ряда. Испытания на контактную усталость проводили на цилиндрических образцах, вырезанных из головок рельсов, при чистом качении цилиндра по цилиндру (без проскальзывания); база испытаний - 7•10⁷ циклов. Полученные результаты представлены в таблице.

Анализ их показал, что при охлаждении рельсов сначала в воде, нагретой до 75 100 ^oC, с выдержкой 5 40 с, затем на воздухе в течение 5 30 с и окончательно в воде с температурой 75 100^oC обеспечивается достаточно высокая степень прямолинейности рельсов: максимальная стрела прогиба составляет 0,20 0,30 мм. На значительной глубине головки рельса формируется однородная структура сорбита закалки. Вследствие этого существенно увеличивается однородность твердости и прочности свойств: твердость изменяется от 366 368 НВ на поверхности катания до 353 356 НВ на глубине 16 мм; предел прочности (σ_в) от 1254 1274 Н/мм² на образцах из верхнего ряда до 1254 1276 Н/мм ² на образцах из нижнего ряда; предел текучести (σ_m) от 912 925 Н/мм²до 908 923 Н/мм² соответственно. Контактно-усталостная прочность (σ_к) при этом наибольшая - 1350 1380 Н/мм².

При значениях параметров режима охлаждения, меньших и больших граничных, структура верхней головки рельса неоднородная, местами довольно грубая, вследствие этого твердость резко уменьшается по мере продвижения в глубь головки (от 360 362 НВ до 312 317 НВ), снижаются прочностные свойства (σ_в до 1226 1228 Н/мм² до 1090 1120 Н/мм², σ_m от 826 833 Н/мм² до 805 810 Н/мм²) и заметно уменьшается сопротивление контактно-усталостным разрушениям (до 1220 1240 Н/мм²).

Таким образом, наиболее высокий уровень свойств достигается при заявляемых параметрах.

Предлагаемый способ термообработки экологически чист. Он позволяет, сохраняя высокую прямолинейность рельсов, повысить однородность структуры и свойств по сечению головки в сопротивление контактно-усталостным разрушениям, что обеспечивает увеличение срока службы.

Реализация способа в промышленных условиях не вызывает затруднений, т.к. используется стандартное технологическое оборудование с заменой экологически неблагоприятной закалочной среды масла на техническую воду.

Использование: изобретение относится к области черной металлургии, в частности, к термической обработке изделий, преимущественно рельсов. Сущность: способ термической обработки заключается в том, что после нагрева изделий до температур аустенитной области охлаждение в воде, нагретой до температуры 75 - 100^oC, осуществляют в несколько этапов: первоначально изделие охлаждают в воде, затем - на воздухе и окончательно - снова в воде. Технический результат: способ обеспечивает наряду с увеличением прямолинейности рельсов повышение сопротивления контактно-усталостным разрушениям и в конечном счете увеличение срока их службы за счет формирования однородной структуры в виде дисперсного сорбита закалки на значительную глубину головки рельса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термической обработки изделий, преимущественно рельсов, включающий нагрев до температуры аустенизации, охлаждение в воде, нагретой до 75 100^oС и отпуск, отличающийся тем, что охлаждение с температуры аустенитизации ведут в трех средах, сначала в воде, нагретой до 75 100^oС в течение 5 40 с до достижения рельсом температуры на 15 20^oС ниже начала перлитного превращения, затем на воздухе в течение 5 30 с и окончательно охлаждают в воде, нагретой до 75 100^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед окончательным охлаждением осуществляют, по крайней мере, один цикл охлаждения рельса по режиму воздух
вода, нагретая до 75 110^oС.