Введение к работе
В настоящее время проблема повышения работоспособности рельсов, несмотря на достигнутые положительные результаты в обеспечении качества рельсовой стали, стоит как никогда остро не только в России, но и за рубежом В современных условиях эксплуатации железных дорог при движении тяжелого транспорта нагрузки от оси могут достигать 35 т, а скорости передвижения скоростных поездов до 250 км/ч Анализ выхода из строя рельсов при службе в пути показывает его высокий уровень по дефектам контактно-усталостного происхождения, смятию, износу, термомеханическим повреждениям
Эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов во многом определяется состоянием структуры и механических свойств рельсовой стали В процессе эксплуатации в поверхностных слоях головки рельса возникают значительные деформации и температуры, влекущие за собой изменения структуры и свойств металла, снижающие контактную прочность и износостойкость рельсов
В связи с этим ведущая роль отводится исследованиям в создании новых, более совершенных и прогрессивных сталей, способных обеспечить длительную прочность рельсов в столь сложных условиях эксплуатации
Актуальность проблемы. Возможности повышения качества рельсов на основе перлитной структуры практически исчерпаны, поскольку межпластиночное расстояние перлита достигло своего предельного значения В связи с этим появилась необходимость в переходе на бейнитную структуру, характеризующуюся меньшим межпластиночным расстоянием и соответственно более высокими показателями прочности, твердости, пластичности и ударной вязкости
В настоящее время проблема создания сталей бейнитного класса для производства рельсов малоизученна и является развивающейся областью научных исследований как в России, так и за рубежом Переход от традиционных технологий производства рельсов из высокоуглеродистых сталей перлитного класса к применению низколегированных сталей бейнитного класса является весьма заманчивым и перспективным как для производителей, так и для потребителей рельсового металла. Рельсы из сталей бейнитного класса обладают повышенным комплексом механических свойств, более технологичны, при экономном легировании характеризуются пониженной себестоимостью, позволяют отказаться от экологически вредной технологии объемной закалки в масле В то же время, как показывает анализ специальной технической литературы, технологии термической обработки рельсов из сталей бейнитного класса, исключающие закалку, находятся в стадии разработки До настоящего времени не установлены точные связи между составом, микроструктурой и свойствами стали, научно не обоснована их природа Кроме этого, имеются противоречия в выборе структурного состояния для рельсов, а также в определении возможностей их использования По данным одних исследователей оптимальной структурой является смешанная структура, состоящая из отпущенного мартенсита и бейни-та, другие исследователи утверждают, что структура должна состоять только из нижнего бейнита По результатам одних исследований установлено, что рельсы на основе бейнитной структуры хорошо зарекомендовали себя по износостой-
кости, другие исследования показывают, что они отличаются повышенной контактно-усталостной прочностью
В связи с этим, вопрос выбора химического состава и технологии термической обработки в целях достижения требуемых механических и технологических свойств рельсов из сталей бейнитного класса является актуальным и приобретает особо важное народно-хозяйственное значение
Цель работы. Разработка химического состава и технологии термической обработки стали бейнитного класса, обеспечивающих получение без закалочного охлаждения высокого комплекса механических и технологических свойств железнодорожных рельсов
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи
Исследовать особенности влияния легирующих элементов углерода, марганца, кремния и хрома на механические свойства и структурообразование сталей бейнитного класса
Исследовать влияние различных видов термической обработки на свойства и структуру сталей бейнитного класса
Разработать химический состав и технологию термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса.
Внедрить и освоить технологию производства железнодорожных рельсов из сталей бейнитного класса в условиях ОАО «НКМК»
Провести полигонные испытания, установить особенности эволюции структуры и механических свойств стали марки Э30ХГ2САФМ при эксплуатации рельсов в пути
Научная новизна.
Изучено влияние углерода, марганца, кремния, хрома, комплексного легирования и различных видов термической обработки на механические свойства и структурообразование сталей бейнитного класса для производства железнодорожных рельсов
Разработан химический состав и установлена структура стали бейнитного класса, обеспечивающие высокий комплекс механических и технологических свойств железнодорожных рельсов
Определены рациональные режимы термической обработки, обеспечивающие достижение высоких свойств пластичности и вязкости без снижения показателей прочности стали бейнитного класса для производства железнодорожных рельсов
Установлены особенности эволюции структуры и механических свойств стали марки Э30ХГ2САФМ при эксплуатации рельсов в пути
Практическая значимость.
Показана высокая эффективность способа легирования стали для повышения качества железнодорожных рельсов, равноценно заменяющего упрочняющую термическую обработку
Разработаны химический состав стали бейнитного класса и технология термической обработки, обеспечивающие получение сбалансированного комплекса механических и технологических свойств железнодорожных рельсов
3) Разработана, внедрена в производство и освоена технология термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса марки Э30ХГ2САФМ
Реализация результатов.
На основе полученных результатов изготовлена опытная партия железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса марки Э30ХГ2САФМ, которая прошла полигонные и аттестационные испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ
Разработаны технические условия на производство железнодорожных рельсов типа Р65 высокой прочности из бейнитной стали (ТУ 0921-167оп-01124323-2003)
Прогнозируемый экономический эффект от производства железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса марки Э30ХГ2САФМ при минимальном объеме производства 50 тыс тонн составил 3 600 тыс руб в год
Достоверность полученных результатов подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических исследований, лабораторных и промышленных экспериментов, полигонными испытаниями рельсов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментов по изучению влияния химического состава сталей бейнитного класса на структурообразова-ние и механические свойства, выборе химического состава бейнитной стали, обеспечивающего сбалансированный комплекс механических свойств, определении параметров технологии термической обработки рельсов из стали бейнитного класса, промышленном внедрении и освоении технологии производства железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса, обработке, анализе, обобщении и научном обосновании полученных результатов, формулировке выводов
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментальных исследований влияния состава сталей бейнитного класса на структурообразование и механические свойства
Результаты экспериментальных исследований влияния видов термической обработки на структурообразование и механические свойства стали бейнитного класса
Результаты разработки химического состава стали бейнитного класса для производства железнодорожных рельсов
Технология термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса марки Э30ХГ2САФМ
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях Всероссийской научно-практической конференции (Новокузнецк 2002 г), V Международном симпозиуме по трибофатике (Иркутск 2005 г), II Международной научно-технической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санк-Петербург 2006 г), II Всероссийском научно-техническом семинаре «Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов» (Екатеринбург, 2006 г), 121 Рельсовой
комиссии (Новосибирск, 2006 г), VI Международная рельсовая комиссия по качеству рельсовой продукции метрополитенов (Киев, 2007г)
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 1 справочнике, 17 статьях, из них 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций, защищены 8 патентами
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов, двух приложений Содержит 151 страницу, 14 таблиц, 80 рисунков, список литературы из 146 наименований
