Градиентные структурно-фазовые состояния в рельсовой стали после магнитоплазменного упрочнения и дифференцированной закалки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

од

2 8 [СОН т

Бердышев Владимир Алексеевич

ГРАДИЕНТНЫЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ В РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ И ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЙ ЗАКАЛКИ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2000

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Громов В.Е.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Конева H.A. кандидат технических наук, доцент Симаков В.П.

Ведущее предприятие: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск)

Защита состоится 14 июня 2000 г. в 10— на заседании диссертационного совета К 063.99.03 при Сибирском государственном индустриальном университете.

Адрес: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской обл., ул. Кирова, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГИУ.

Автореферат разослан "3 " мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета, к.т.н., доцент ~~ ^аРкс

'т^гъ члю.чъ-ио

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности производства в связи с переходом к рыночным отношениям в черной металлургии требует дальнейшего улучшения качества продукции и необходимости дальнейшего снижения затрат на ее получение. Прирост проката, в частности рельсов, возможен за счет интенсификации существующего производства, улучшения технологии,-лучшего использования имеющегося оборудования и разработки новых методов и способов повышения эксплуатационных характеристик изделий с одновременным удешевлением. Эта проблема является комплексной, многогранной и должна решаться на научной основе с учетом конкретных условий и особенностей производства и эксплуатации рельсов.

Потребности железнодорожного транспорта поставили перед металлургами сложную и ответственную задачу значительного повышения качества и стойкости в эксплуатации основного элемента верхнего строения пути - рельсов. Несмотря на значительные достижения в развитии технологии термической обработки железнодорожных рельсов, общей теории прокатки - эти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения, использования нетрадиционных закалочных сред, внешних энергетических воздействий.

Особенностью 90-х годов по одиночному изъятию рельсов является преобладание износа и отслоения металла на поверхности катания головки над всеми другими видами дефектов. Увеличить эксплуатационную стойкость можно при использовании методов магнитоплазменного упрочнения и поверхностной термообработки с созданием в приповерхностных слоях градиентных структур. Создание, поведение и свойства градиентных структур в тяжелонагружен-ных условиях изучены недостаточно. Поэтому изучение фазового состава и дефектной субструктуры, формирующейся в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференци-

рованной закалке представляет собой актуальную научную задачу, решение которой несомненно имеет важное практическое значение.

Цель работы. Изучение градиентных структурно-фазовых состояний, возникающих в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференцированной закалке. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1 Теоретическое обоснование создания градиентных структур при нетрадиционных поверхностных упрочняющих обработках.

2.Разработка физико-технических основ дифференцированной закалки и магнитоплазменной поверхностной обработки.

3.Исследование строения, механических свойств и распределения легирующих элементов по сечению головки рельсов.

4.Изучение свойств градиентных структур и эволюции структурно-фазового состояния рельсовой стали после поверхностных упрочняющих обработок.

5.Оценка вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность разработанных методик и технологий поверхностного упрочнения рельсов дифференцированной закалкой и магнитоплазменной обработкой с получением градиентных структур по сечению головки.

2. Обобщенные экспериментальные данные по строению головки рельса на макро- и микроуровне, механическим свойствам, микротвердости и распределению легирующих элементов по сечению, полученные в результате поверхностных упрочняющих обработок.

3. Физическая природа и свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закапки и магнитоплазменной обработки.

4. Модельные представления взаимодействия колесо -рельс при воздействии нагрузки и наличия градиентной структуры в рамках теории упругости.

5. Результаты оценок вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки.

Научная новизна диссертации.

1. Разработаны режимы термической обработки рельсов дифференцированной закалкой в двух средах с целью повышения стойкости головки рельса. Предложена новая закалочная среда на основе водорастворимого полимера.

2. Разработана методика плазменного упрочнения поверхности катания рельса, определены оптимальные режимы обработки головки рельса при воздействии плазменной струи.

3. В результате теоретического анализа взаимодействия колесо - рельс предложена модель действия нагрузки на систему упрочненный слой - основной металл в рамках теории упругости.

4. Впервые изучено строение и свойства градиентных структур, полученных при использовании дифференцированной закалки и поверхностного плазменного упрочнения.

5. Проведена количественная обработка результатов структурно-фазовых исследований и установлены зависимости фазового состава и дефектной субструктуры стали 70ХГСА от расстояния до поверхности упрочняющей обработки.

Достоверность работы определяется, корректностью поставленных задач, применением современных методов расчета и методик исследования, соответствием установленных закономерностей данным, полученным теоретическим путем. Она обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения и сопоставлением полученных результатов с известными данными других авторов.

Практическая ценность работы. Совокупность экспериментальных и теоретических данных является инструментом для углубленного понимания природы градиентных структур рельсовой стали, возникающих при дифференцированной закалке и магнито-плазменной обработке.

Результаты исследований показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств рельсов, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

Использование предложенных способов поверхностного упрочнения в производстве создает условия без существенных изменений технологии и материально-технических затрат для получения высокопрочных рельсов, расширяющих рынок предложений и повышающих конкурентную способность рельсов АО "КМК".

Предполагаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО "КМК" заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повышения износостойкости в три раза и составляет 2.5 млрд. руб./год в ценах 1997 г.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на технических советах АО "Кузнецкий металлургический комбинат" в 1990 - 1997, 2000 гг., ежегодных заседаниях рельсовой комиссии (1993 - 1997 гг.), IV Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1996); Межгосударственной научно-технической конференции "Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД" (Магнитогорск, 1996); Международной научно-технической конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996); Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996); V, VI Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк, 1997, 1999); Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в современном материаловедении" (Санкт-Петербург, 1997) и "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1997); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1997); 1-м Международном семинаре имени В.А. Лихачева "Актуальные проблемы прочности" и XXXIII семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (Пенза, 1997); VI Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификаций материалов методами нетради-

ционных технологий" (Обнинск, 1999); IV, V Международных школах-семинарах "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1998,2000).

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследований, разработке технологий поверхностного упрочнения рельсов методами дифференцированном закалки с использованием нетрадиционных закалочных сред и плазменного воздействия, проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний, анализе полученных результатов.

Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 39 научных публикациях. Список основных из них приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация изложена на 203 страницах, содержит 13 таблиц, 67 рисунков и состоит из введения, 5 глав, приложения, списка литературы из 162 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены данные по современному состоянию исследуемой проблемы, показана актуальность работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе являющейся литературным обзором, проводится анализ современного состояния технологий производства рельсов и их упрочняющих обработок. Показано, что несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных работ по повышению эксплуатационных характеристик рельсов, традиционными являются: повышение качества рельсового металла при его получении (выплавке), что обеспечивает более высокие механические характеристики, а также применение различных видов термической обработки, в частности объемной закалки, что позволяет, с одной стороны, увеличить прочностные характеристики, с другой, приводит к увеличению износа из-за несоответствия твердости пары колесо - рельс. Это становится в последнее время главной причиной отказов на грузонапряженных участках, крутых подъемах и кривых с малым радиусом закругления. Из большого числа современных технологических методов поверхностной упрочняющей обра-

ботки, каждый из которых имеет свою область рационального применения, проанализированы закалки с прокатного нагрева, повторного поверхностного и объемного печного нагрева. Отмечена недостаточная изученность вопросов применения импульсных электромагнитных обработок для упрочнения рельсов. Проведен анализ работ по изучению напряженно-деформированного состояния при взаимодействии рельс - колесо и сделан вывод о необходимости использования моделей , учитывающих градиентный характер свойств металла.

В заключении главы сформулированы конкретные задачи диссертационной работы и отмечено, что для повышения эксплуатационных характеристик рельсов необходимо провести комплекс мате-риаловедческих исследований, анализ модельных представлений, разработку соответствующих методов, способов и технологий, изучить свойства градиентных структур и эволюцию структурно-фазового состояния рельсовой стали после поверхностных упрочняющих обработок.

Во второй главе приведены методики проведения упрочнения поверхности катания головки рельса. Представлены описания различных установок для дифференцированной закалки - ступенчатой закалки в двух средах. Приведены параметры охлаждающих сред, методы регистрации температуры при охлаждении и показана возможность упрочнения головки рельса магнитоплазменным воздействием. Приведено описание конструкции головки плазмотрона, позволяющей обрабатывать поверхность катания рельса по всей длине. "

Описаны конструкции устройств для проведения испытаний на трещино- и износостойкость, методика измерения твердости и микротвердости по сечению упрочненной головки, рельса.

Рассмотрена методика металлографического анализа градиентных структур, получаемых при различных видах упрочняющего воздействия; распределения легирующих элементов после импульсных плазменных воздействий как сырых, так и термоупрочнен-ных рельсов в зонах упрочненный слой - основной металл. При описании методик количественной обработки результатов оптической и электронной дифракционной микроскопии обращено внимание на

определение среднего размера зерна; средних размеров структурных составляющих сталей и их объемных долей; объемной доли материала, занятого каждым типом дислокационной субструктуры; скалярной и избыточной плотности дислокаций; амплитуды кривизны - кручения кристаллической решетки; плотности субграниц; размеров, плотности распределения частиц карбидных фаз и их объемных долей.

Третья глава посвящена теоретическому обоснованию применения методов поверхностного упрочнения при взаимодействии колесо - упрочненный рельс в рамках теории упругости. При поверхностном упрочнении рельсов создается высокопрочный слой глубиной до 2 мм, который находится в контакте с менее твердой матрицей. Колесо при качении не внедряется в рельс и не сплющивается, а только прогибает упрочненный слой. Различие искусственного упрочнения и естественного наклепанного слоев состоит в возникающей неоднородности вдоль поверхности катания. Поэтому поверхностное упрочнение с помощью создания градиентных слоев можно считать прогрессивным способом повышения эксплуатационных характеристик рельсов.

Предлагается физическая модель взаимодействия колесо -рельс, в которой упрочненный рельс рассматривается как двухслойная полоса, нагруженная цилиндром. На основе этой модели составлена математическая задача теории упругости. Получено ее решение в образах Фурье в общем виде. Для частного случая нагрузки приведена зависимость нормальных напряжений в зоне контакта слой - матрица от продольной координаты. Из зависимости следует, что на некотором расстоянии от места приложения нагрузки возникают растягивающие напряжения, которые на порядок меньше предела прочности. Это обстоятельство является решающим для использования поверхностного упрочнения рельсов с целью снижения износа и контактного повреждения поверхности катания, так как упрочненный слой предотвращает смятие колеса и тем самым обеспечивает нормальное качение без проскальзывания.

Важным обстоятельством импульсного поверхностного упрочнения является тот факт, что максимум касательных напряжений

достигается на глубине 8-15 мм, а глубина упрочненного слоя не превышает 2 мм.

В четвертой главе, посвященной исследованию эксплуатационных характеристик поверхностноупрочненных рельсов, изучено влияние предлагаемых термических обработок и поверхностного упрочнения на характер изменения твердости, микротвердости, трещино- и износостойкости, а также изменения макро- и микроструктуры и распределения химических элементов в градиентных слоях.

Приведены данные по охлаждающим способностям применяемых сред при обычной и ступенчатой закалках, приведено сравнение с традиционной объемной закалкой в масло. Реализованы следующие виды термической обработки: закалка в масло (эталон); закалка в водный раствор натриевой соли карбоксиметилцеллюло-зы Ыа - КМЦ концентраций 1.5 % и 3 %. Дифференцированная, закалка: 10 % водный раствор №С1 (первая среда) - 1.5 % водный раствор N3 - КМЦ (вторая среда); 10 % водный раствор №С1 - 3 % водный раствор № - КМЦ; 10 % водный раствор ЫаС1 - масло; водо-воздушная смесь - масло; водовоздушная смесь - 3 % водный раствор Ыа - КМЦ. Кривые охлаждения получали путем измерения температуры в центре головки рельса термопарой, регистрация осуществлялась графопостроителем в координатах температура - время охлаждения.

,, На рис. 1а показаны кривые охлаждения в водорастворимом полимере (Ыа - КМЦ) двух концентраций (1-1.5 %, 2 - 3 %) и для сравнения приведена кривая охлаждения в масле (3), а на рис. 16 -микроструктура головок рельсов после "охлаждения в полимере (1) и масле (2).

Показано, что. применение в качестве охлаждающей среды водорастворимого полимера концентрации 3 % приводит увеличению твердости по всему сечению рельса на 1 - 2 НИ^С. Аналогичные результаты получены при дифференцированной закалке. Применение в качестве первой охлаждающей среды 10 % водного раствора ЫаС1 приводит к увеличению твердости до 51 НГОЗ и в середине головки 38-42НР*С.

Плазменное поверхностное упрочнение приводит к значительному увеличению твердости на поверхности катания до -9000 МПа (-4000 МПа -твердость основного металла). Обработка проведена на структурах основного металла перлит и троостосорбит. Результаты измерения микротвердости приведены на рис. 2 для разных сечений головки рельса.

Кривые охлаждения и макроструктура темплетов рельсов

Рис. 1

Изменение микротвердости в зависимости от расстояния от поверхности катания и боковой поверхности

2 3 4 5 <0 20 30 40

Расстояние от поверхности катания, мм г^сшояние о^ Боковой поверхности мм

Рис. 2

В зависимости от режимов плазменной поверхностной обработки можно получить упрочненный слой 0.8 -1.2 мм.

Для определения основных закономерностей износостойкости и трещиностойкости поверхностно-упрочненных и объемнозакален-ных образцов рельсов проводили испытания на микропупьсаторе (образец размерами 3x6x25) и установке на абразивный износ. Определялись как статические, так и циклические параметры трещиностойкости - сЛ/сИЧ, к)С и ктах; износостойкости - абсолютный и относительный износ. Результаты этих испытаний представлены на рис.3.

Зависимость абсолютного износа от Влияние поверхностного упрочнения на скорость роста усталостной трещины неоднозначно. В средней части уравнения Пэриса они уменьшают сопротивление распространению трещины. Однако, что очень важно, в области высоких значений Дк скорость распространения трещины в плазменно-уп-рочненных образцах, когда ее фронт распространяется одновременно по матрице и упрочненному слою, совпадает со скоростью в объем-нозакаленных рельсах. При распространении фронт трещины перпендикулярен упрочненному слою, циклические параметры и значения вязкости разрушения также совпадают.

Изменение абсолютного износа при разных режимах испытаний показывает, что с увеличением нагрузки происходит изнашивание в большей степени для объемнозакаленной стали, чем для образцов после дифференцированной закалки и плазменного упроч-

нагрузки

1 - плазменное упрочнение; 2 - дифференцированная закалка; 3 - объемная закалка Рис. 3

нения; износостойкость поверхностноупрочненных сталей в 3.3 - 3.4 раза выше, чем у объемнозакаленных.

В пятой главе, являющейся основной и составляющей значительную часть диссертации, проведены послойные структурно-фазовые исследования рельсовой стали, подвергнутой дифференцированной закалке в потоке водовоздушной смеси и импульсной магнитоплазменной обработке.

Структура исходного состояния - феррито-цементитная смесь, сформированная в виде перлитных колоний разной степени совершенства, соответственно рис. 4 и 5.

Зависимость объемной доли перлита (1), феррита (3) и зернограничного цементита (2) от расстояния до поверхности

О 1000 2000 3000 4000 5000

Расстояние от повер/гноши , мкм

Рис.4

После дифференцированной закалки толщина модифицированного слоя (слоя, структурно-фазовый состав которого отличается от основного объема материала) составляет «1.5 мм. Фазовый состав слоя - перлит, структурносвободный феррит, зернограничный цементит. Объемные доли фаз зависят от расстояния до поверхности обработки: по мере удаления от поверхности объемная доля перлита нарастает, феррита и цементита снижается. На расстоянии 0.8 мм от поверхности обнаруживается пакетный мартенсит. Преобладающая фаза приповерхностного слоя - перлит; ферритные зерна

располагаются цепочками, по-видимому вдоль границ бывших ау-стенитных зерен; зернограничный цементит сосредоточен в основном по границам зерен феррита в виде протяженных прослоек. Внутри зерен перлита и феррита наблюдается дислокационная субструктура (дислокационный хаос).

Сформировавшаяся в приповерхностном слое стали структура характеризуется целым рядом параметров, изменяющихся закономерным образом в зависимости от расстояния до поверхности обработки. Установлены зависимости фазового состава, концентрации углерода, скалярной плотности дислокаций, величины дальнодейст-вующих полей напряжений от расстояния до поверхности обработки.

Диаграмма фазового состава стали 70ХГСА после магнитоплазменной обработки

1 - мартенсит; 2 - микроглобулярный перлит; 3 - псевдоперлит; 4 -пластинчатый перлит

Рис. 5

Количественные исследования структуры и фазового состава позволили провести оценки прочности стали на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки. Показано, что упрочнение приповерхностного слоя стали носит многофазный

многокомпонентный характер. Прочность стали снижается при удалении от поверхности.

В результате электронно-микроскопических исследований структурно-фазового состояния рельсовой стали, подвергнутой плазменной обработке установлено, что поверхностный слой толщиной »5 мм имеет градиентное строение, а именно: приповерхностный слой толщиной 0.4 ... 0.5 мм сформирован исключительно мартенситной фазой. Внутри кристаллов мартенсита и по их границам наблюдаются частицы цементита. Кроме этого, вдоль границ мартенситных кристаллов отмечаются прослойки остаточного ау-стенита. При большом удалении от поверхности обработки в структуре стали начинают преобладать продукты термического отпуска мартенситной фазы и, далее, перлитной фазы. При этом обнаружено формирование микроглобулярного перлита. Слои стали, расположенные на глубине 2 ... 5 мм от поверхности обработки, представляют собой феррито-цементитную смесь, образовавшуюся в процессе коагуляции пластин цементита бывших перлитных колоний. Дальнейшее удаление от поверхности обработки приводит к обнаружению перлитной структуры разной степени совершенства, приближающейся по своему строению к исходному состоянию.

Рассмотренные выше структуры обладают "разной степенью дефектности - наиболее высокая плотность дислокаций отмечается в мартенситной фазе; удаление вглубь материала сопровождается существенным снижением скалярной плотности дислокаций.

Проведенные в настоящей работе количественные исследования структуры и фазового состава позволяют провести оценки прочности стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки. Предел текучести с тали в аддитивном приближении можно рассмотреть как сумму следующих компонентов;

• о0,2 = Аа0 + Лсгт.р + Л(Уп + Лод.ч + Л^д + Л<тм.п(Лстм пл) + Астдп;

здесьдсто - напряжение трения решетки а-железа; Аотр - упрочнение твердого раствора на основе феррита атомами легирующих элементов; Доп - упрочнение за счет перлитной составляющей структу-

ры стали; Аадч - упрочнение дисперсными частицами карбидной фазы; Лсгд - упрочнение дислокациями "леса"; Астмп(Аомпл) - упрочнение за счет границ мартенситных пакетов (мартенситных пластин); Аад„ -упрочнение дальнодействующими полями напряжений.

Согласно литературным данным Аа0 = 30 - 40 МПа; Асттр = =467[%С] + 3,3[% Mn] + 3,1[% Cr] + 8,6[% Si]; Дстп = ку(4,75А)"0'5, ку = =1,5-2,5 МПа/мм2; А - расстояние между цементитными пластинами; |d-xj

л mGb

Ла =-

дч 2ii|d-xj

In

4b

, m = 3,0; G = 82400 МПа, b = 0,25 нм, d - диа-

метр частиц, x -расстояние между частицами в плоскости скольже-

0,5

ния; Дад = атСЬ7<р>, ат = 0,5; Дамп = ку / 4&, ку= 17,7 МПамм с1 - диаметр пакета (поперечный размер мартенситной пластины); Додп

Результаты проведенных оценок вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести, а также величины суммарных значений этих вкладов в зависимости от расстояния до поверхности обработки стали плазмотронов приведены ниже:

X, мм Д<7„, ДСТдч, Дстд, Дад.п> ДСТм.п, М/П 1а,

МПа МПа МПа МПа МПа МПа

0 304 198 506 426 1,0/0 1611

0,4 304 243 518 426 1,0/0 1668

1,0 •412 304 213 504 426 0,3/0,7 2036

3,0 353 - 168 418 - 0/1,0 1116

5,0 490 - 145 315 - 0/1,0 1127

15,0 569 - 138 309 - 0/1,0 1193

Примечание. На любом исследуемом расстоянии от поверхности обработки Дао = 30 МПа, МиП- объемные доли мартенсита и перлита.

Из анализа приведенных данных следует, что изучаемый материал представляет собой "естественный композит", имеющий сравнительно прочный приповерхностный слой, мягкий переходный участок и сердцевину, по величине предела текучести занимающую промежуточное положение.

Оценки прочности стали на пределе текучести, проведенные с использованием параметров структуры показали, что прочность приповерхностного слоя в 1.4 раза выше прочности основного объема материала, при этом основной вклад в упрочнение вносят механизмы, связанные с межфазными и внутрифазными границами и дальнодействующими полями напряжений.

В приложении описаны результаты исследований и перспективные разработки по повышению качества рельсов рациональными способами прокатки. Для прокатки рельсовой заготовки на стане 1100 обжимного цеха на основе опытно-промышленных прокаток по разным схемам и исследования качества прокатных заготовок была разработана наиболее рациональная схема прокатки слитков, включающая 13 проходов и 5 кантовок.

С целью изучения влияния различных схем прокатки на линии 900 проведены исследования на блюмах с нанесенными канавками (трещинами) на гранях, идущих на формирование головки и подошвы рельсов. О деформации металла в валках стана 900 при прокатке по различным калибровкам судили по величине выработки и форме искусственных трещин на недокатах из трапецеидального калибра. На основе полученных данных с целью выравнивания выработки дефектов по всей поверхности граней прокатываемой заготовки была разработана новая система калибров для прокатки рельсов в черновых пропусках.

Для качественного оформления геометрии профиля рельсов был разработан и внедрен новый способ расточки четырехвалковых комплектов в клетях "трио" при прокатке рельсов. Производительность стана увеличилась на 1 - 2 %.

Также было разработано 4 варианта прокатки рельсов с использованием универсальных клетей применительно к рельсоба-лочному стану АО "КМК" для его реконструкции. Использование новой технологии прокатки железнодорожных рельсов по предложенным вариантам позволит стабильно получать профиль с лучшими показателя качества продукции по поверхностным дефектам, механическим и пластическим характеристикам. Ожидаемое улучшение качества составляет 4 - 5 %.

Для снижения концентрации контактных воздействий колес на зону бокового закругления головки, а также для уменьшения интенсивности износа головки на наружных нитях кривых разработан и прокатан рельс со специальным поперечным профилем Р65У. Зона повышенных растягивающих напряжений расположена у него на расстоянии 15.5 - 24.0 мм от оси симметрии рельса, а площадь этой зоны на 37.% больше, чем у Р65. Центр кривизны бокового закругления головки расположен за пределами зоны повышенных растягивающих напряжений на расстоянии 2 мм. В рельсах Р65У происходит перераспределение . напряжений в головке, что увеличивает эксплуатационную стойкость рельсов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Преложена схема взаимодействия колесо - двухслойный рельс, позволяющая избежать пластической деформации в месте контакта. разработаны методики поверхностного термического упрочнения, реализующие двухслойность рельса в форме градиентных структур.

2. Разработана полупромышленная технология дифференцированной закалки рельсов в нетрадиционных охлаждающих средах и создана установка, позволяющая повысить износостойкость поверхности катания на 30 % за счет создания градиентное™ свойств по глубине.

3. Разработаны физико-технические основы магнитоплазменной поверхностной обработки. Создана установка, реализующая получение градиентной структуры, повышающая износостойкость в три раза с сохранением основных требуемых ГОСТами механических свойств.

4. В рамках теории упругости найдена зависимость нормальных напряжений, возникающих в месте сопряжения упрочненный слой -матрица, при взаимодействии колесо - рельс под нагрузкой. Показано, что возникающие растягивающие напряжения не являются критическими для реализованных методов поверхностного упрочнения.

19 .

5. Методами современного физического материаловедения (электронная микроскопия, микрорентгеноструктурный анализ) изучены свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки. Показано, что упрочненный слой является композитом, обеспечивающим высокие эксплуатационные свойства рельсов.

6. Установлены зависимости фазового состава и дефектной структуры стали 70 ХГСА от расстояния до поверхности упрочняющей обработки. Выполнены оценки вкладов в упрочнение стали на пределе текучести.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО "КМК" заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повышения износостойкости в 3 раза и составляет 2.5 млрд. руб./год в ценах 1997 г.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Поверхностное упрочнение рельсов Р65 плазменной обработкой / Петров В.И., Кузнецова В.А., Бердышев В.А., Громов В.Е. / Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц: Сб. тез. докл. / НИИЯФ при ТПУ. - Томск, 1996. -С. 383-384.

2. Механические свойства при изотермической обработке рельсовой стали / Петров В.И., Кузнецова В.А., Бердышев В.А., Громов В.Е. // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений / Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. -Тамбов: ТГУ, 1996. - С. 195 - 196.

3. Сарычев В.Д., Петров В.И., Бердышев В.А. Математическая модель воздействия нагрузки на упрочненный рельс в рамках теории упругости // Математические и экономические модели в оперативном управлении производством: Сб. научн. тр. - М.: Электрика, 1997. Вып. 3. - С. 65 - 67.

4. Усовершенствование технологии прокатки железнодорожных рельсов / Дорофеев В.В., Бердышев В.А., Шарапов И.А., Г ромов В.Е. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1997. - № 4. - С. 39-42.

5. Рациональная система калибров для прокатки рельсов в черновых пропусках / Шарапов H.A., Дорофеев В.В., Бердышев В.А., Громов В.Е. И Изв. вузов. Черная металлургия. - 1997. - № 6. - С. 61 -62.

6. Изменение скорости звука при малоцикловых испытаниях рельсовой стали / Бердышев В.А., Петров В.И., Соснин О.В., Громов В.Е. // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий. - Обнинск, 1997. - С. 45.

7. Бердышев В.А., Петров В.И., Громов В.Е. Свойства рельсов после нетрадиционных термических обработок // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф.'Высокие технологии в современном материаловедении'.' - С.-Пб: С-ПГТУ, 1997. - С.35.

8. Бердышев В.А, Плазменное упрочнение поверхности катания рельсов Р65 // Математические и экономические модели в оперативном управлении производством: Сб. научн. тр. - М.: Электрика, 1997. Вып. 4. - С. 98-105.

.9. Методы повышения эксплуатационных свойств рельсовой стали 1 Бердышев В.А., Петров В.И., Кузнецова В.А., Громов В.Е. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1997.-N® 10. С.70-72.

10.Нетрадиционная упрочняющая обработка рельсовой стали / Бердышев В.А., Петров В.И., Сарычев В.Д., Громов В.Е. // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. "Актуальные проблемы прочности". - Новгород: НГУ. Т.2,4.2. - С.273-274.

11.Эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали при плазменной обработке / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. и др. // Тез. докл. научно-техн. конф. "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении". - Пенза, -1997.-С. 42.

12.Бердышев В.А., Петров В.И., Кузнецов В.А. Влияние упрочнения на трещиностойкость и износостойкость стали М76 // Тез. докл. научно-техн. конф. "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири". - Новосибирск: СГУПС, 1997.-С. 184-185.

13.Влияние поверхностных упрочняющих обработок на трещиностойкость и износостойкость стали М76 / Бердышев В.А., Петров

В.И., Кузнецова В.А., Громов В.Е. //Изв. вузов. Черная металлургия.-1997,-№ 12.-С. 37-39.

14.Дифференцированная закалка и свойства рельсов из стали М76 / Иванов A.B., Бердышев В.А., Кузнецова В.А. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1998. - № 2. - С. 39-42.

15.Градиентные структурно-фазовые состояния, возникшие в стали 70ХГСА, подвергнутой магнитоплазменной обработке / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Попова H.A. и др. // Изв. вузов Черная металлургия. -1998. - № 4. - С. 29-34.

16.Послойный структурно-фазовый анализ рельсовой стали М76, прошедшей дифференцированную закалку / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Петров В.И. и др. // Изв. вузов Черная металлургия. - 1998.-№6.-С. 16-21.

17.Сарычев В.Д., Петров В.И., Бердышев В.А. Теоретическая модель воздействия нагрузки на упрочненный рельс // Изв. вузов Черная металлургия. - 1998. - № 4. - С. 17-19.

18.Структурно-фазовый анализ рельсовой стали после дифференцированной закалки / Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В., Громов В.Е. // Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов -термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов". - Ижевск - Екатеринбург. 1998.-С. 256.

19.Бердышев В.А., Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В., Громов В.Е. Градиентные структурно-фазовые состояния в рельсовой стали при плазменной обработке // Тез. докл. V Международной школы -семинара "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах". - Барнаул, 1998. - С. 23.

20.Бердышев В.А., Громов В.Е., Целлермаер В.Я., Коновалов C.B. Формирование градиентных структур в рельсовой стали при магнитоплазменной обработке // Вестник РАЕН. Отделение металлургия. 1999. №8, С. 104-108.

21.Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий / Громов В.Е., Носарев П.С., Иванов Ф.И., Бердышев В.А., Коваленко В.В. // Изв. вузов. Черная металлургия. 2000. № 6. С.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПУТЕМ СОЗДАНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ

1.1. Совершенствование химического состава рельсовых сталей

1.2. Термическая обработка рельсов

1.2.1. Противофлокенная термическая обработка и нормализация

1.2.2. Закалка концов рельсов

1.2.3. Упрочнение рельсов по всей длине

1.2.4. Закалочные среды для термической обработки рельсовой стали

1.3. Поверхностное упрочнение рельсов

1.3.1. Поверхностная закалка с прокатного нагрева

1.3.2. Поверхностная закалка с повторного поверхностного нагрева

1.3.3. Поверхностная закалка с повторного объемного печного нагрева

1.4. Представления о напряженно-деформированном состоянии при взаимодействии колесо-рельс

1.5. Формирование градиентных структур при внешних энергетических воздействиях

1.6. Рациональные способы прокатки рельсов

1.7. Выводы из литературного обзора. Постановка задачи

Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Исследуемые материалы и типы образцов

2.2. Термические и упрочняющая обработки

2.3. Определение механических характеристик

2.4. Определение микротвердости и распределения элементов в упрочненном слое

2.5. Металлографический анализ

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

3.1. Постановка задачи

3.1.1. Термические и упрочняющая обработки

3.1.2. Схемы взаимодействия колесо - упрочненный . рельс

3.2. Определение напряжений в переходной зоне упрочненный слой - матрица рельса

3.2.1. Получение общего решения

3.2.2. Случай сосредоточенной нормальной силы

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОУПРОЧННЕННЫХ РЕЛЬСОВ

4.1. Кривые охлаждения рельсовых проб при дифференцированной закалке и макроструктура

4.1.1. Исследование макроструктуры после термической обработки

4.2. Результаты измерения твердости после дифференцированной закалки

4.3. Макроструктура поверхностноупрочненных рельсов

4.4. Трещино- и износостойкость рельсовой стали после дифференцированной закалки и плазменного упрочнения

4.5. Микротвердость и распоеделение элементов

Глава 5. СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ,

ПРОИСХОДЯЩИЕ В РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ

5.1. Металлографические и дифракционные электронно-микроскопические исследования рельсовой стали, прошедшей стандартную обработку (исходное состояние)

5.2. Исследования структуры и фазового состав приповерхностных слоев рельсовой стали, подвергнутой дифференцированной закалке

5.3. Структурные и фазовые исследования рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке

5.4. Структура и прочность рельсовой стали на пределе текучести

Актуальность работы. Повышение эффективности производства в связи с переходом к рыночным отношениям в черной металлургии требует дальнейшего улучшения качества продукции и необходимости дальнейшего снижения затрат на ее получение. Прирост проката, в частности рельсов, возможен за счет интенсификации существующего производства, улучшения технологии, лучшего использования имеющегося оборудования и разработки новых методов и способов повышения эксплуатационных характеристик изделий с одновременным удешевлением. Эта проблема является комплексной, многогранной и должна решаться на научной основе с учетом конкретных условий и особенностей производства и эксплуатации рельсов.

Потребности железнодорожного транспорта поставили перед металлургами сложную и ответственную задачу значительного повышения качества и стойкости в эксплуатации основного элемента верхнего строения пути - рельсов. Несмотря на значительные достижения в развитии технологии термической обработки железнодорожных рельсов, общей теории прокатки -эти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения, использования нетрадиционных закалочных сред внешних энергетических; воздействий.

Особенностью 90-х годов по одиночному изъятию рельсов является преобладание износа и отслоения металла на поверхности катания головки над всеми другими видами дефектов. Увеличить эксплуатационную стойкость можно при использовании методов магнитоплазменного упрочнения и поверхностной термообработки с созданием в приповерхностных слоях градиентных структур. Создание, поведение и свойства градиентных структур в тяжелонагруженных условиях изучены недостаточно. Поэтому изучение фазового состава и дефектной субструктуры, формирующейся в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференцированной закалке представляет собой актуальную научную задачу, решение которой несомненно имеет важное практическое значение.

Цель работы. Изучение градиентных структурно-фазовых состояний, возникающих в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференцированной закалке. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1.Теоретическое обоснование создания градиентных структур при нетрадиционных поверхностных упрочняющих обработках.

2.Разработка физико-технических основ дифференцированной закалки и магнитоплазменной поверхностной обработки.

3. Исследование строения, механических свойств и распределения легирующих элементов по сечению головки рельсов.

4.Изучение свойств градиентных структур и эволюции структурно-фазового состояния рельсовой стали после поверхностных упрочняющих обработок.

5.Оценка вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность разработанных методик и технологий поверхностного упрочнения рельсов дифференцированной закалкой и магнитоплазменной обработкой с получением градиентных структур по сечению головки.

2. Обобщенные экспериментальные данные по строению головки рельса на макро- и микроуровне, механическим свойствам, микротвердости и распределению легирующих элементов по сечению, полученные в результате поверхностных упрочняющих обработок.

3. Физическая природа и свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки.

4. Модельные представления взаимодействия колесо - рельс при воздействии нагрузки и наличия градиентной структуры в рамках теории упругости.

5. Результаты оценок вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки.

Научная новизна диссертации.

1. Разработаны режимы термической обработки рельсов дифференцированной закалкой в двух средах с целью повышения стойкости головки рельса. Предложена новая закалочная среда на основе водорастворимого полимера.

2. Разработана методика плазменного упрочнения поверхности катания рельса, определены оптимальные режимы обработки головки рельса при воздействии плазменной струи.

3. В результате теоретического анализа взаимодействия колесо - рельс предложена модель действия нагрузки на систему упрочненный слой -основной металл в рамках теории упругости.

4. Впервые изучено строение и свойства градиентных структур, полученных при использовании дифференцированной закалки и поверхностного плазменного упрочнения.

5. Проведена количественная обработка результатов структурно-фазовых исследований и установлены зависимости фазового состава и дефектной субструктуры стали 70ХГСА от расстояния до поверхности упрочняющей обработки.

Достоверность работы определяется корректностью поставленных задач, применением современных методов расчета и методик исследования, соответствием установленных закономерностей данным, полученным теоретическим путем. Она обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения и сопоставлением полученных результатов с известными данными других авторов.

Практическая ценность работы. Совокупность экспериментальных и теоретических данных является инструментом для углубленного понимания природы градиентных структур рельсовой стали, возникающих при дифференцированной закалке и магнитоплазменной обработке.

Результаты исследований показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств рельсов, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

Использование предложенных способов поверхностного упрочнения в производстве создает условия без существенных изменений технологии и материально-технических затрат для получения высокопрочных рельсов, расширяющих рынок предложений и повышающих конкурентную способность рельсов АО "КМК".

Предполагаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО "КМК" заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повышения износостойкости в три раза и составляет 2.5 млрд. руб./год в ценах 1997 г.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на технических советах АО "Кузнецкий металлургический комбинат" в 1990 -1997, 2000 гг., ежегодных заседаниях рельсовой комиссии (1993 - 1997 гг.), IV Всероссийской конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1996); Межгосударственной научно-технической конференции "Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД" (Магнитогорск, 1996); Международной научно-технической конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996); Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996); V, VI Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк, 1997, 1999);

10

Международных научно-технических конференциях "Высокие технологии в современном материаловедении" (Санкт-Петербург, 1997) и "Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (Волгоград, 1997); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1997); 1-м Международном семинаре имени В.А. Лихачева "Актуальные проблемы прочности" и XXXIII семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (Пенза, 1997); VI Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификаций материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1999); IV, V Международных школах-семинарах "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1998, 2000).

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследований, разработке технологий поверхностного упрочнения рельсов методами дифференцированной закалки с использованием нетрадиционных закалочных сред и плазменного воздействия, проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний, анализе полученных результатов. и