Full Text

Введение Исторически сложилось, что технология производства рельсов развивалась на основе сталей перлитного класса [1], поэтому в настоящее время подавляющее большинство изготавливаемых рельсов имеют микроструктуру перлита, различной степени дисперсности в зависимости от химического состава и способа термического упрочнения. Отдельные попытки производства и эксплуатации рельсов со структурой бейнита показали положительные результаты, однако к настоящему моменту не получили широкого распространения [2-4]. Многочисленные исследования позволили выявить основные закономерности влияния микроструктуры на эксплуатационные свойства рельсов [5-10]. В работе Е.А. Шура сформулирован принцип однотипной структуры, заключающийся в том, что «…эксплуатационная стойкость рельсов непрерывно повышается с ростом твердости только у группы рельсов с однотипной структурой», при этом наибольшей конструктивной прочностью рельсов, по мнению автора, обладают рельсы либо при однородной структуре сорбита закалки максимальной дисперсности с твердостью 331-388 НВ, либо при однородной структуре отпущенного мартенсита или бейнита [5]. Следует отметить, что, по мнению авторов работ [11, 12], эксплуатационная стойкость рельсов напрямую связана с их твердостью, поэтому развитие рельсового производства должно идти по пути повышения содержания углерода и обеспечения твердости на поверхности катания рельсов на уровне порядка 400 НВ. Такие параметры микроструктуры рельсов, как величина межпластиночного расстояния в перлите, величина перлитных колоний, наличие избыточного феррита также оказывают большое влияние на свойства рельсов [5, 8]. В работе [8] на основании обработки результатов полигонных испытаний рельсов с различной эксплуатационной стойкостью сделан вывод, что наряду с более развитой дислокационной структурой большое влияние на стойкость к образованию контактно-усталостных дефектов оказывает отсутствие участков бейнитной микроструктуры и малое количество избыточного феррита. В 2012-2013 гг. на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» была проведена коренная реконструкция рельсового производства, включающая замену технологии объемной закалки в масле с печного нагрева на дифференцированную закалку воздухом с использованием тепла прокатного нагрева [13-15]. Изменение технологии термической обработки потребовало разработки нового химического состава и параметров термической обработки, оптимизированных под закалочную среду с меньшей охлаждающей способностью. В данной работе представлены результаты исследования микроструктуры образцов рельсовой стали четырех опытных химических составов, разработанных на базе стали марки Э76ХФ и охлажденных из аустенитной области со скоростью 1-5 град/с, в процессе построения термокинетических диаграмм[1]. Материалы и методика исследования Исследование проводили на образцах рельсового металла четырех опытных плавок стали марки Э76ХФ, две из которых дополнительно легировали ниобием. Выплавку стали производили в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100И7 и разливали на МНЛЗ. Химический состав опытного металла по результатам ковшевого анализа представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав опытного металла № п/п Номер плавки С Mn Si P S Cr Ni Cu Al V Nb N 1 О54 0,75 0,83 0,55 0,012 0,008 0,42 0,08 0,14 0,003 0,04 0,060 0,013 2 О51 0,79 1,09 0,43 0,016 0,009 0,57 0,07 0,13 0,003 0,04 0,035 0,015 3 О76 0,79 0,78 0,55 0,014 0,015 0,46 0,08 0,14 0,002 0,07 - 0,011 4 О74 0,76 0,87 0,32 0,017 0,005 0,56 0,07 0,12 0,003 0,07 - 0,015 Как видно из данных, представленных в табл. 1, в металле опытных плавок содержание углерода находится на уровне, близком к эвтектоидному - 0,75-0,79 %, сталь легирована хромом в количестве 0,42-0,57 %, марганцем в количестве 0,78-1,09 %, кремнием в количестве 0,32-0,55 %, ванадием в количестве 0,04-0,07 %. С целью оценки комплексного влияния ванадия и ниобия в стали с 0,04 % V дополнительно содержится 0,035-0,060 % ниобия. Содержание азота составляет 0,011-0,015 % и характерно для электростали. По одной НЛЗ от каждой плавки прокатали на рельсы типа Р65 по действующей технологии. После прокатки от каждого рельса в нетермоупрочненном состоянии отобрали образцы для построения термокинетических диаграмм с использованием закалочно-деформационного дилатометра BÄHR DIL 805 A/D. На дилатометре образцы, после нагрева со скоростью 10 град/с, деформировали по одно- и двухступенчатой схемам, имитирующим обжатие в черновой и чистовой клетях при прокатке и охлаждали от температуры ~950 °С со скоростью 1-20 град/с. Шлифы для микроисследования готовили из дилатометрических образцов, охлажденных со скоростью 1, 3 и 5 град/с. Исследование микроструктуры проводили методом сканирующей микроскопии на приборе QUANTA-200 Philips при увеличении до 40 000 крат после химического травления шлифов в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Анализ результатов экспериментальных исследований Результаты исследования микроструктуры образцов представлены в табл. 2 и на рис. 1-5. Из представленных данных видно, что полностью перлитная структура сформировалась только в образцах плавки О76, охлажденных со скоростью 1 и 3 град/с, и в одном образце плавки О51, охлажденном со скоростью 1 град/с (см. рис. 1). Ферритная сетка а б Рис. 1. Микроструктура перлита в опытном металле: а - пл. О76, скорость охлаждения 3 град/с; б - пл. О51, скорость охлаждения 1 град/с В образцах плавки О74, охлажденных со скоростью 1 и 3 град/с, и в образце плавки О54, охлажденном со скоростью 1 град/с (см. рис. 2), в структуре присутствует 1-3 % бейнита. Бейнит а б Рис. 2. Участки бейнита в микроструктуре опытного металла: а - пл. О74, скорость охлаждения 3 град/с; б - пл. О54, скорость охлаждения 1 град/с Следует отметить, что при исследовании микроструктуры в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51685 с использованием оптического микроскопа определить 1-3 % бейнита невозможно, поэтому такая микроструктура будет оценена как удовлетворительная. Однако, согласно результатам работы [4], эксплуатационная стойкость металла с более однородной структурой (т.е. при отсутствии локальных участков бейнита) будет выше. В образцах плавок О76 и О74 значительное количество бейнита и мартенсита образуется при скорости охлаждения 5 град/с (см. рис. 3). В случае плавок О51 и О54 при охлаждении со скоростью 3 град/с около 50 % структуры - бейнит и мартенсит (рис. 4, а), а при охлаждении со скоростью 5 град/с игольчатые структуры являются основными (рис. 4, б). Образование значительного количества бейнита и мартенсита в некоторой степени связано с высокой температурой начала охлаждения - 950 °С, что привело к значительной степени переохлаждения аустенита. Вероятно, при снижении температуры начала термообработки до ~ 800-850 °С будут созданы более благоприятные условия для формирования перлита. Мартенсит и бейнит Мартенсит а б Рис. 3. Микроструктура опытного металла, охлажденного со скоростью 5 град/с: а - пл. О76; б - пл. О74 Перлит Феррит Мартенсит и бейнит Перлит а б Рис. 4. Участки бейнита и мартенсита в микроструктуре опытного металла: а - пл. О51, скорость охлаждения 3 град/с; б - пл. О54, скорость охлаждения 5 град/с Измерение параметров структуры (см. табл. 2) показало, что межпластиночное расстояние и величина колоний перлита изменяются в достаточно узких пределах. Средняя величина межпластиночного расстояния изменяется в пределах 0,09-0,13 мкм, что сопоставимо с параметрами структуры рядовых рельсов отечественного и зарубежного производства - 0,08-0,12 мкм [4]. С увеличением скорости охлаждения от 1 до 3 град/с и при формировании однородной перлитной структуры или до 50 % перлитной структуры отмечено уменьшение на 0,01-0,02 мкм среднего значения межпластиночного расстояния. Таблица 2 Параметры микроструктуры дилатометрических образцов Номер плавки Скорость охлаждения, град/с Межпластиночное расстояние, мкм Величина колоний перлита, мкм Наличие бейнита, мартенсита Наличие избыточного феррита О76 1 0,11 (0,04-0,31) 3 (0,5-13,8) Нет Зерна и редко тонкая сетка 3 0,10 (0,06-0,16) 2 (0,3-9,5) Нет Тонкая сетка 5 0,09 (0,05-0,19) 2 (0,1-10,5) Мартенсит и бейнит (30 %) Сетка О74 1 0,12 (0,05-0,24) 3 (0,2-19) Бейнит (1-3 %) Зерна и тонкая сетка 3 0,10 (0,06-0,24) 2 (0,2-9,7) Бейнит (1-3 %) Тонкая сетка 5 0,10 (0,04-0,25) 2 (0,2-11,9) Мартенсит и бейнит (10 %) Сетка О51 1 0,10 (0,07-0,18) 2 (0,2-12) Нет Сетка 3 0,09 (0,06-0,22) 2 (0,14-8,6) Мартенсит и бейнит (50-60 %) Зерна и сетка 5 0,09 (0,07-0,11) 1 (0,2-4,5) Мартенсит и бейнит (95 %) Зерна вокруг редких колоний перлита Окончание табл. 2 Номер плавки Скорость охлаждения, град/с Межпластиночное расстояние, мкм Величина колоний перлита, мкм Наличие бейнита, мартенсита Наличие избыточного феррита О54 1 0,13 (0,09-0,21) 3 (0,2-13,9) Бейнит (1-3 %) Тонкая сетка 3 0,10 (0,06-0,16) 2 (0,2-10,7) Мартенсит и бейнит (50 %) Сетка 5 0,12 (0,04-0,33) 2 (0,3-9,2) Мартенсит и бейнит (95 %) Сетка С увеличением скорости охлаждения уменьшаются максимальные размеры перлитных колоний. Феррит в исследуемых образцах опытных сталей представлен в виде отдельных зерен (рис. 5, а) и/или в виде сетки по границам аустенитного зерна (рис. 5, б). Зерно феррита Ферритная сетка а б Рис. 5. Феррит в микроструктуре опытного металла: а - пл. О76, скорость охлаждения 1 град/с; б - пл. О54, скорость охлаждения 5 град/с Заключение На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Удовлетворительная микроструктура, состоящая из перлита и локальных участков бейнита в количестве 1-3 % (не разрешимых при исследовании на световом микроскопе), наблюдается в металле плавок: - микролегированных ванадием в количестве 0,07 % и охлажденных со скоростью 1-3 град/с; - комплексно легированных ванадием в количестве 0,04 % и ниобием в количестве 0,035-0,060 %, охлажденных со скоростью 1 град/с. 2. Полностью перлитная микроструктура, без бейнита и мартенсита, сформировалась при охлаждении металла пл. О76 со скоростью 1-3 град/с и пл. О51 при охлаждении со скоростью 1 град/с. 3. Средняя величина межпластиночного расстояния в исследуемом металле всех плавок изменяется в пределах 0,09-0,13 мкм, что сопоставимо с параметрами структуры рядовых рельсов отечественного и зарубежного производства - 0,08-0,12 мкм. 4. С увеличением скорости охлаждения от 1 до 3 град/с и при формировании однородной перлитной структуры или до 50 % перлитной структуры отмечено уменьшение на 0,01-0,02 мкм среднего значения межпластиночного расстояния. 5. С увеличением скорости охлаждения уменьшаются максимальные размеры перлитных колоний. Таким образом, наиболее однородную микроструктуру в более широком диапазоне скоростей охлаждения (1-3 град/с) обеспечил металл плавки О76, экономнолегированный хромом, марганцем, кремнием, ванадием в количестве 0,46, 0,78, 0,55 и 0,07 % соответственно.

About the authors

E. V Polevoy

JSC “EVRAZ ZSMK”

Email: Egor.Polevoj@evraz.com

A. B Dobuzhskaya

JSC “Ural Institute of Metals”

Email: met@uim-stavan.ru

M. V Temlyantsev

Siberian State Industrial University

Email: uchebn_otdel@sibsiu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 82

PDF (Russian) - 88

Refbacks

• There are currently no refbacks.