СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2006 года по МПК C21D9/04 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов.

Известны способы термической обработки рельсов, включающие объемный нагрев рельса и поверхностное охлаждение головки разными охладителями: водо-воздушной смесью [1], струями воды [2] или масла [3], потоком огнеупорных частиц [4]. Недостатками данных способов являются: в случае применения воды и водо-воздушной смеси - образование недопустимых структур (верхний бейнит, мартенсит) в приповерхностном слое головки; в случае применения охлаждения маслом и потоком огнеупорных частиц - недостаточная глубина и твердость закаленного слоя.

Известен также способ термической обработки рельсов [5] - прототип, при котором поверхность головки рельса охлаждают водным раствором полимера до 450-300°С, а затем водой до 200-150°С, в качестве полимера применяют полиакриламид с концентрацией 0,1-0,5 мас.%.

Существенным недостатком данного способа является неоднородность микроструктуры рельсов по длине, образующаяся за счет применения спрейеров и приводящая к значительной анизотропии механических свойств, а также повышенная кривизна рельсов из-за значительного перепада температур от головки рельса к шейке и подошве.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение твердости и комплекса механических свойств рельсов за счет получения однородной структуры сорбита закалки по всему сечению головки, обеспечение прямолинейности рельсов.

Для этого предлагается способ термической обработки, заключающийся в том, что головку рельса с прокатного нагрева погружают на 10-15 сек в негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9), при температуре 20-60°С, далее головку охлаждают в воде при температуре 10-35°С в течение 80-100 сек, после чего проводят охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С.

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, прямолинейности, механическим свойствам и твердости рельсов.

Негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9) при температуре 20-60°С выбран исходя из условия необходимости получения на поверхности головки теплоизолирующего слоя в виде тонкой пленки при выносе головки на воздух после погружения ее в указанный раствор. Образовавшаяся тонкая пленка при последующем охлаждении головки в воде предотвращает образование мартенсита и бейнита в приповерхностных слоях головки. С увеличением соотношения воды (более 9 частей) в водополимерном растворе, а также при температуре раствора ниже 20°С и выше 60°С на поверхности головки образуется неравномерный теплоизолирующий слой, что отрицательно сказывается на формировании однородной структуры при последующем охлаждении головки в воде. Также с повышением температуры раствора выше 60°С наблюдается ухудшение состояния окружающей среды вследствие сильного выделения пара и увеличение расхода воды в растворе. Меньшее соотношение воды в водополимерном растворе (менее 6 частей) не обеспечивает требуемую твердость и ведет к увеличению расхода полимера, что экономически нецелесообразно.

Временной интервал выдержки головки рельса в водополимерном растворе (10-15 сек) выбран исходя из условия предотвращения образования недопустимых структур в случае недостаточного времени (<10 сек) и резкого снижения твердости на поверхности катания головки в случае длительной выдержки (>15 сек).

Последующее погружение головки в воду обеспечивает благодаря интенсивному отводу тепла требуемую глубину закаленного слоя с максимально возможными значениями твердости (НВ388). Время охлаждения головки в воде выбрано в интервале от 80 до 100 сек. В случае недостаточного времени охлаждения головки в воде (<80 сек) возрастает вероятность образования в шейке и подошве недопустимых структур промежуточного превращения при последующем погружении рельса полностью в воду. При длительной выдержке (>100 сек) возрастает кривизна рельса, возникающая за счет увеличения температурного перепада от головки к шейке и подошве.

Температурный интервал воды, выбранный в пределах от 10 до 35°С, обеспечивает требуемую твердость по глубине головки. При низкой температуре воды (<10°С) возрастает вероятность образования закалочных трещин. С повышением температуры воды более 35°С не обеспечивается требуемая твердость по глубине головки ввиду малых температурных перепадов и низкой скорости охлаждения. С учетом установленных температурно-временных параметров закалки головки рельса последующее охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С приводит к выравниванию скорости охлаждения головки, шейки и подошвы, что предотвращает коробление рельса.

Способ был реализован в полупромышленных условиях на полнопрофильных пробах длиной 1300 мм, отобранных от рельса типа Р65, изготовленного из стали марки НЭ76Ф. Нагретые до температуры 830-870°С пробы погружали головкой вниз первоначально в бак, заполненный водополимерной средой, затем в бак с водой. Закалочные баки оборудованы приспособлением, фиксирующим головку при погружении ее на глубину 30-40 мм в водополимерную среду и воду. По длине баков расположены трубки с просверленными отверстиями, через которые подавали сжатый воздух для перемешивания указанных сред. После термообработки проводили исследование микроструктуры, определение механических свойств и твердости.

Технологические параметры термообработки рельсовых проб приведены в таблице 1. Результаты механических испытаний и исследований микроструктуры в таблице 2.

Таблица 1Технологические параметры термообработки рельсовых проб длиной 1300 мм№Температура закалки, °ССоотношение полимера и воды в водополимерном раствореТемпература водополимерного раствора, °СВремя выдержки головки рельса в водополимерном растворе, секТемпература воды, °СВремя закалки головки рельса в воде, сек18701:41525407528301:41020304038301:61510108048701:72015408558601:83010359068501:94015107078301:960102510088701:106598105

Таблица 2Результаты механических испытаний и исследований микроструктуры№Микроструктура закаленного слоя головки рельсаГлубина закаленного слоя (сорбита закалки), ммМикроструктура шейки и подошвы рельсаТвердость по сечению рельса, НВσ_т, Н/мм²σ_в, Н/мм²δ, %Ψ, %KCU, Дж/см²Стрела прогиба, ммПКГ1022шейкаподошва+20°С-60°С1Сорбит закалки10-15Перлит331341331311311,3217201170154137203,52Сорбит закалки15-20Сорбит закалки с участками мартенсита341341331388388,3757401180133736221,53Сорбит закалки20-25Перлит375363352311393,30294012801138382044Сорбит закалки25-30Перлит388375363302302,3029601340123730234,55Сорбит закалки25-30Перлит388388375311311,3029701360123933226,56Сорбит закалки25-30Перлит388388375302321,32111001380123930235,57Сорбит закалки25-30Перлит388388388321311,321110014001235272068Сорбит закалки с участками мартенсита27-30Перлит401388388302311,3021040146010321998прототипСорбит закалки20-25 341-388331-363331-352         Примечание: ПКГ - твердость на поверхности катания головки; 10 и 22- твердость соответственно на расстоянии 10 и 22 мм от поверхности катания головки; σт - предел текучести, σв - временное сопротивление разрыву; δ - относительное удлинение; Ψ - относительное сужение; KCU-ударная вязкость при +20°С и -60°С; стрела прогиба - величина прогиба пробы в положении «стоя» на подошву.

Источники информации

1. АС СССР №522751, кл С 21 D 9/04.

2. AC СССР №2003705, кл С 21 D 9/04

3. AC СССР №269186, кл С 21 D 9/04.

4. AC СССР №289616, кл С 21 D 9/04.

5. AC СССР №1174487, кл C 21 D 9/04.

Техническим результатом изобретения являются: повышение твердости и комплекса механических свойств рельсов за счет получения однородной структуры сорбита закалки по всему сечению головки, обеспечение прямолинейности рельсов. Для достижения технического результата головку рельса с прокатного нагрева погружают на 10-15 сек в негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9), при температуре 20-60°С, далее головку охлаждают в воде при температуре 10-35°С в течение 80-100 сек, после чего проводят охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С. 2 табл.

Способ термической обработки рельсов, включающий охлаждение поверхности головки водным раствором полимера, а затем водой, отличающийся тем, что головку рельса с прокатного нагрева погружают на 10-15 с в негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9), при температуре 20-60°С, далее головку охлаждают в воде при температуре 10-35°С в течение 80-100 с, после чего проводят охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С.