Дефекты рельсовой стали (стр. 3 из 5)

В результате исследований высокотемпературного окисления и обезуглероживания рельсовой стали в атмосфере воздуха установлено, что зависимости глубины 5, мм, обезуглероженного слоя от температуры t, °С, и времени выдержки τ, мин, для сталей марок М76 и Э76Ф существенно различаются (рисунок 3, а, б). В частности, если для стали марки М76 (без ванадия) эта зависимость близка к линейной, то для стали марки Э76Ф она носит более сложный экстремальный характер.

При температурах 1050–1100 °С глубина обезуглероженного слоя у стали марки Э76Ф больше, чем у стали марки М76, что связано с более интенсивным угаром последней и, как следствие, большим поглощением обезуглероженного слоя окалиной. При более высоких температурах и времени выдержки 10 – 25 мин глубина обезуглероженного слоя в стали марки Э76Ф уменьшается. Причина этого возможно связана с интенсификацией окалинообразования при относительно невысокой интенсивности обезуглероживания вследствие недостаточного времени выдержки для полного растворения карбидов и нитридов ванадия, препятствующих диффузии углерода.

Ванадий, являясь сильным карбидообразующим элементом, значительно снижает термодинамическую активность углерода в аустените. По данным температура растворения карбидов и нитридов ванадия находится в интервале 950 – 1050 °С, зависит от содержания в стали углерода и ванадия и хорошо коррелирует с температурой интенсивного роста зерна. Увеличение времени нахождения стали при высокой температуре приводит к полному растворению карбидов и нитридов ванадия и интенсификации обезуглероживания. При температурах 1240–1250 °С и времени выдержки 60 мин глубина обезуглероженного слоя рассматриваемых сталей примерно одинакова.

Пластическая деформация интенсифицирует процессы диффузии углерода посредством увеличения градиента концентрации углерода в поверхностном слое металла при его вытяжке, приводит к изменению термодинамической активности углерода под воздействием деформации.

Рисунок 5 – Зависимость глубины видимого обезуглероженного слоя сталей марок М76 (а) и Э76Ф (б) от температуры и времени выдержки.

По данным обезуглероженный слой по периметру рельса распределен неравномерно. Максимальная глубина обезуглероженного слоя зафиксирована в головке на поверхности катания, наименьшая его величина отмечена в области шейки. Подобная картина распределения обезуглероженного слоя по периметру рельса предопределяется особенностями его деформирования в процессе прокатки. При существующих на российских комбинатах калибровке и способе прокатки рельсов шейка претерпевает наиболее интенсивную деформацию (проработку), головка – наименьшую. Сопоставление результатов промышленных опытов по выработке поверхностных дефектов с распределением обезуглероженного слоя показывает, что между этими факторами существует прямая связь, в частности в области шейки величина выработки достигает фактически 100%, головки – всего 75%. Максимальная глубина обезуглероженного слоя характерна для участков контура, не контактирующих с поверхностью калибра, а минимальная – для участков, подвергающихся наибольшей высотной деформации.

Глубина поверхностного обезуглероженного слоя является одним из факторов, влияющих на эксплуатационные свойства рельсов. Относительно влияния глубины поверхностного обезуглероженного слоя на качество рельсов и на их эксплуатационные свойства существует ряд весьма противоречивых мнений. Так, по данным работы, увеличение толщины обезуглероженного слоя в головке на 0,5 мм приводит к снижению количества рельсов, пораженных поверхностными дефектами, в 2 раза. При этом имеющиеся в горячекатаных рельсах трещины после закалки развиваются на глубину, не превышающую толщину обезуглероженного слоя, т.е. последний обеспечивает поверхностную локализацию дефекта, препятствует проникновению его внутрь. В качестве основных доводов в пользу положительного влияния имеющегося на поверхности обезуглероженного слоя приводятся меньшая склонность малоуглеродистой стали к образованию разрывов, высокие пластичность и вязкость.

В то же время, по данным работы, наличие в рельсах обезуглероженного слоя приводит к их ускоренному износу в начальный период службы, а при дальнейшей эксплуатации способствует образованию усталостных трещин, формирующихся в поверхностных слоях. Обезуглероженный слой ускоряет образование наплыва металла на боковую грань, вызывает неблагоприятное перераспределение контактных напряжений на глубине 3–5 мм, что приводит к возникновению микротрещин в металле. На срок службы рельсов существенное влияние может оказывать не только толщина обезуглероженного слоя головки (поверхности катания), но и шейки, а также подошвы. Намины от накладок, являясь концентраторами напряжений, приводят к образованию трещин под головкой рельса. Неравномерное распределение углерода в поверхностных слоях подошвы приводит к различной интенсивности коррозионных процессов (глубины разъедания ржавчиной), что в свою очередь оказывает отрицательное влияние на долговечность рельсов.

Для снижения негативного влияния процессов окисления и обезуглероживания на качество стали применяют различные способы ее защиты. Условно способы защиты стали от окисления и обезуглероживания можно разделить на три группы: режимные – осуществляемые в действующем печном агрегате без его реконструкции за счет организации рационального режима нагрева стали, снижения конечных температур, продолжительности томления и др.; конструкционные – реализуемые за счет изменения конструкции нагревательной печи или отдельных ее элементов, например создание в рабочем пространстве печи восстановительной (малоокислительной) атмосферы за счет установки горелок для неполного сжигания топлива и специальные – нанесение на поверхность металла защитных покрытий или обмазок, обычно углеродсодержащих, стекловидных и стеклокерамических на основе силикатов, бентонита.

1.4 Перегрев

Перегрев металла характеризуется сильным разрастанием зерен (до -1–0 номера), значительным окалинообразованием и обезуглероживанием, а также может сопровождаться формированием рыхлой окалины на поверхности заготовки. Образующаяся при перегреве крупнозернистая структура крупно- и среднепластинчатого перлита (рисунок 1.4) характеризуется низкими механическими свойствами. Сильный перегрев заэвтектоидной стали вызывает на границах зерен образование цементитной сетки.

В зависимости от степени перегрева металла образуются следующие виды изломов: нафталинистый (нафталиновый) и камневидный.

Нафталинистый излом представляет собой однородную поверхность разрушения, проходящую по телу крупных зерен, и имеет характерный селективный блеск, изменяющийся при изменении угла падения света и похожий на блеск кристаллов нафталина.

Различают первичный нафталинистый излом, наблюдающийся в литой стали, и вторичный нафталинистый излом, наблюдающийся в литой и деформированной сталях после перегрева. Вторичный нафталинистый излом отличается от первичного равноосной формой фасеток, не связанной с характером кристаллизации стали.

В непрерывнолитой заготовке рельсовой стали наблюдается преимущественно излом дендритного строения. Вместе с этим в изломе наблюдаются участки разрушения, проходящие по телу дендритов и имеющие селективный блеск, характерный для нафталинистого излома (рисунок 1.5).

Появление вторичного нафталинистого излома в деформированной стали устраняется нормализацией или закалкой с высоким отпуском. При появлении нафталинистого излома в стали после предпрокатного нагрева его исправляют горячей пластической деформацией.

В рельсовой стали нафталинистый излом обычно выявляется на промежуточной стадии – после нагрева в методической печи перед пластической деформацией (рисунок 1.6).

В работе установлено, что образование нафталинистого излома в рельсовой стали марки Э76Ф происходит после нагрева до температур 1300 °С и более и выдержке более 3 ч. Для обеспечения высокого качества и необходимых механических свойств рельсового металла температуру нагрева НЛЗ, с учетом перепада температур по толщине окалины, рекомендуется выбирать на уровне 1200–1240 °С. При этом температура мела, прокатываемого в чистовой клети, должна быть не выше 1050 °С.

При камневидном изломе характерно образование однородной порхности разрушения, проходящей по границам грубых зерен, сформированных при высоких температурах и обогащенных различными ограниченой растворимыми в аустените фазами в виде мелких частиц или пленок оплавленных эвтектик. На границах зерен выделяются избыточные, ограниченно растворимые в γ-фазе нитриды, карбиды, карбонитриды, сульфиды, фосфиды. Камневидный излом (рисунок 1.7) в некоторых случаях можно охарактеризовать как следствие перегрева (исправимого вида брака), а в некоторых – пережога (неисправимого брака).

Механизм образования камневидного излома следующий. При нагреве до температур перегрева наблюдается значительный рост зерна аустенита. В нем растворяются карбиды, нитриды и сульфиды. В связи с высокой поверхностной активностью сера и азот адсорбируются на границах крупных аустенитных зерен и образуют избыточные фазы, сохраняющиеся после охлаждения на границах бывших аустенитных зерен.

Камневидный излом разделяют на первичный, характерный для литой стали и связанный с образованием грануляционной структуры аустенита, формирующейся после кристаллизации при замедленном охлаждении в области высоких температур, и вторичный, связанный с перегревом стали при нагреве под прокатку или термическую обработку. Различают устойчивый и неустойчивый камневидные изломы. Для исправления устойчивого камневидного излома необходим нагрев до температуры несколько ниже критической, что редко осуществимо в практике термической обработки стали. Неустойчивый камневидный излом сравнительно легко устраним интенсивной пластической деформацией, гомогенизацией или нормализацией, растворяющими зернограничные выделения.