Изобретение относится к области металлургии, а преимущественная область применения - железнодорожный транспорт. Цель изобретения - повышение стойкости рельсов контактным повреждениям 11.1-2 и поперечным трещинам усталости 21.1-2 в условиях эксплуатации путем уменьшения отрицательного влияния первичной полосчатости, вызванной дендритной ликвацией в слитке. Это достигается оптимальным диффузионным отжигом заготовок (блюмов), включающим нагрев до 1150 - 1180oC и оптимальную выдержку, например, для блюмов в течение 4 ч. За счет диффузионных процессов между элементами полосчатой структуры уменьшается возможность появления начальных продольных трещин, от которых развиваются контактные повреждения и поперечные трещины усталости, а оставшаяся полосчатость препятствует развитию поперечных усталостных трещин. 1 табл.
Способ диффузионного отжига блюма перед прокаткой на рельс, включающий нагрев блюма до 1150 1180oС, выдержку при этой температуре и охлаждение, отличающийся тем, что выдержку осуществляют в течение 4 ч.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области металлургии, а преимущественная область применения железнодорожный транспорт. Диффузионный отжиг слитков и прокатанных из них заготовок широко применяется для уменьшения (и даже устранения) первичной полосчатости, вызванной дендритной ликвацией в слитке, выравнивания химического состава, макро-, а также микропор и др. Продолжительность диффузионного отжига может достигать 100 ч и более при температуре преимущественно 1100-1200oC; это снижает уровень химической неоднородности, исчезает полосчатость, вызванная дендритной неоднородностью в слитке. Чем выше температура отжига, тем интенсивнее выравнивается химсостав (Голиков И. Н. Дендритная ликвация в стали. М. Металлургиздат, 1958, 206 с. Голиков И. Н. Масленков С. Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах, 1977, 233 с.). Ближайшим аналогом является известный способ диффузионного отжига блюма перед прокаткой на рельс, включающий нагрев блюма до 1150-1180oC, выдержку при этой температуре и охлаждение (авт. св. N 1300946, кл. C 21 D 9/04, 1985). Известен способ диффузионного отжига для слитков из легированной стали с целью уменьшения дендритной ликвации. При дендритной ликвации появляется при обработке давлением склонность к хрупкому излому, анизотропии свойств, возникновению шиферности, флокенов. Понижается пластичность и вязкость легированной стали (Латхин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов, 1976, с. 407). Нагрев при диффузионном отжиге слитков, отливок, заготовок проводится при температуре 1100-1200oC; продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) при больших осадках металла может достигать 50-100 ч. Длительность выдержки зависит от химсостава стали, массы садки и составляет 8-20 ч. В процессе отжига выравнивается химсостав, устраняется полосчатость, равно как и описанные дефекты в стали, присущие дендритной ликвации. Однако установлено, что полное устранение первичной полосчатости также, как и химической неоднородности не всегда целесообразно. Этот вывод получен при исследовании контактно-усталостных повреждений на рельсах (контактных повреждений 11.1-2*) и поперечных трещин усталости 21.1-2*)), которые возникают в условиях эксплуатации при одновременном действии переменных контактных напряжений и знакопеременных напряжений изгиба. Первичная структура рельсов, выявленная реактивом Обергоффера, состоит из темных и светлых полос. Темные полосы имеют пониженное содержание углерода и других элементов, а следовательно, и пониженную твердость по сравнению со светлыми полосами. В условиях пластической деформации между этими структурными составляющими из-за разного их химсостава и твердости возникают остаточные напряжения второго рода, которые способствуют возникновению упомянутых начальных продольных трещин, а следовательно, и контактно-усталостных повреждений, развивающихся от этих трещин, 11.1-2, 21.1-2. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости рельсов контактно-усталостным повреждениям. Технический результат достигается путем диффузионного отжига блюма при температуре 1150-1180oC, выдержке в течение 4 ч и охлаждении. Как и в прототипе, осуществляется примерно одинаковая температура нагрева заготовок, равная 1150 -1180oC, а время выдержки согласно изобретению составляет 4 ч. В результате значительно уменьшаются затраты на проведение диффузионного отжига, сохраняются остаточная полосчатость и разный химический состав элементов полос полосчатой структуры. Установлено, что при предложенной оптимальной выдержке длительностью 4 ч возникают диффузионные процессы между структурными составляющими (осями дендритов и межцентритными пространствами), которые приводят к уменьшению остаточных напряжений второго рода и тем самым к повышению стойкости рельсов, возникновению начальных продольных трещин усталости, от которых возникают контактные повреждения в рельсах 11. 1-2. Остаточная полосчатость препятствует развитию поперечных трещин усталости 21. 1-2. В зависимости от поперечного сечения заготовок оптимальная выдержка может изменяться. Для установления оптимального времени выдержки заготовок (блюма) с последующим изготовлением рельсов выполнено моделирование контактно-усталостных повреждений рельсов на образцах с помощью специально построенных испытательных машин. Для этой цели образцы изготовляют из заготовок диаметром 120 мм с заданным химсоставом, подвергнутых диффузионному отжигу при температуре 1150-1180oC в течение 3, 6 и 10 ч, с последующей термической обработкой на заданную твердость с одинаковой структурой перлитной составляющей. Выполненные испытания образцов показали, что при выдержке заготовок диаметром 120 мм в течение 3 ч наблюдается существенное повышение стойкости контактным повреждениям вида Б и А, а также поперечным трещинам усталости 21 по сравнению с образцами, не подвергавшимися такому отжигу (Приложение 1). В случаях увеличенной продолжительности диффузионного отжига в течение 6 и 10 ч стойкость образцов к тем же дефектам не изменилась по сравнению с образцами, не подвергавшимися такому отжигу (Приложение 2). Поскольку оптимальное время выдержки при диффузионном отжиге зависит от размеров отжигаемых заготовок, для блюма установлена более продолжительная оптимальная выдержка при температуре 1150-1180oC в течение 4 ч (дополнительная к принятому технологическому процессу изготовления рельсов). На металлургическом комбинате "Азовсталь" выполнен диффузионный отжиг блюма по упомянутому режиму. Из этого блюма изготовлены опытные (А) рельсы; из стали той же плавки изготовлены контрольные (К) рельсы по принятой на металлургическом комбинате "Азовсталь" технологии. После термической обработки рельсов на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате (НТМК) эти рельсы уложены на четырех опытных участках СКЖД для эксплуатационных испытаний. Результаты испытаний этих рельсов по нечетному и четному направлениях на втором опытном участке СКЖД представлены в таблице. Приведенные данные свидетельствуют о существенно меньшей поврежденности контактными дефектами опытных (А) рельсов по сравнению с контрольными (К) рельсами. Следует отметить, что при проведении предложенного оптимального диффузионного отжига блюма исключается возможность появления флокенов в рельсах, что позволит уменьшить или исключить замедленное охлаждение рельсов в колодцах после их изготовления. *) Условные обозначения повреждений рельсов по общедорожной классификации дефектов.
