Технология термической обработки железнодорожных рельсов

Отделочные операции состоят из очистки поверхности деталей, рихтовки и правки их после коробления и т.д.

Контрольные операции являются заключительными в технологическом процессе. Сюда входят контроль твердости, глубины слоя после химико-термической обработки и закалки т.в.ч. и др. Разработка технологического процесса начинается с изучения технических условий на изделие, после изучения которых, выбирают основные операции термической обработки, тип оборудования, приспособлений и т.д.

Разработанный технологический процесс должен быть экономически обоснован и осуществляться с минимальными материальными и трудовыми затратами. В таблице 7 показана технологическая карта термической обработки рельсов.

Таблица 7 - Технологическая карта термической обработки железнодорожных рельсов

7. Контроль качества и дефекты термической обработки

7.1 Контроль качества противофлокенной термической обработки

Для контроля рельсов на отсутствие флокенов вначале определяют флокеночуствительность стали каждой плавки. Для этого от головного конца рельсовой полосы на пилах горячей резки отрезают пробу длиной 200-250 мм (рис. 10). В зависимости от технологического процесса противофлокенной обработки охлаждение проб проводят с различной скоростью. На заводах, применяющих замедленное охлаждение рельсов в колодцах, горячие пробы охлаждают на спокойном воздухе, а на заводах, применяющих изотермическую выдержку в печах, пробы охлаждают ускоренно струей воздуха от вентилятора, расположенного Рис. 10 Схема вырезки шлифа на расстоянии 750 мм.

Наличие флокенов определяют ультразвуковым контролем и металлографически.

В случае отсутствия флокенов в пробе, все рельсы плавки, подвергнутые замедленному охлаждению по заданной технологии, считаются принятыми. При наличии же в пробе флокенов осуществляется контроль пробы, отобранной от рельсов данной плавки, прошедших замедленное охлаждение. Отсутствие флокенов в повторной пробе свидетельствует о пригодности рельсов.

Объем контроля рельсов данной плавки, прошедших изотермическую выдержку, определяется количеством флокенов, обнаруженных в первой контрольной пробе.

При наличии в первой пробе не более 50 флокенов рельсы после изотермической выдержки повторному контролю не подвергают. При наличии от 51 до 100 флокенов проводят дополнительный контроль пробы, отобранной от контрольного рельса, прошедшего изотермическую выдержку.

Если в первой пробе 101-150 флокенов, дополнительному контролю четыре первых головных рельса, в том числе контрольный. В случае обнаружения в пробе 150 флокенов дополнительно контролируют все головные рельсы.

7.2 Контроль качества термической обработки закалки концов рельсов

Для контроля качества термической обработки концов проверяют твердость поверхности закаленных концов на обоих концах трех рельсов каждой плавки на прессе Бриннеля. Замер твердости проводят на расстоянии 20 мм от торца в одной точке. Твердость закаленных концов должна быть в пределах НВ 300-401. Кроме того, проверяют микроструктуру, правильность конфигурации и отсутствие закалочных трещин, твердость по глубине слоя. Эти параметры определяют на продольном темпелете головки рельса длиной 100 мм и поперечном темплете всего рельса, отбираемых один раз в сутки от рельсов, закаленных на каждой установке.

Микроструктуру и правильность конфигурации закаленного слоя проверяют на оптическом микроскопе. Распределение твердости по глубине закаленного слоя проверяют на приборе Викерса при нагрузке 100 и 300 Н, а наличие трещин - на ультразвуковом дефектоскопе.

7.3 Контроль качества термической обработки рельсов по всей длине

Для контроля качества термической обработки проверяют твердость на поверхности катания. Замер твердости проводят в трех точках по длине рельса - с двух сторон на расстоянии 150 мм от торцов и посередине. Твердость должна быть в пределах НВ 341-388. Колебания в значениях твердости по длине рельса не должно превышать НВ 30. Твердость по глубине закаленного слоя головки определяют на поперечных темплетах рельса, отбираемых от плавки или партии. Схема для замера твердости на темплетах рельсов показана на рис. 11. В зависимости от метода термической обработки глубина закаленного слоя с твердостью не менее НВ 300 должна составлять 10-16 мм.

Микроструктуру проверяют на одном из рельсов каждой пятой плавки или партии. Она должна представлять собой однородный сорбит закалки. Механические свойства определяют испытанием на растяжение двух цилиндрических образцов диаметром 6 мм и длиной 60 мм, выточенных из верхних углов головки рельса каждой десятой плавки или партии. Ударную вязкость проверяют на двух образцах, Рис. 11 Схема расположения точек для вырезанных из закаленного слоя замера твердости на темплетах рельсов, головного закаленных в масле рельса каждой плавки или партии.

Хрупкую прочность рельсов определяют испытанием на удар под копром пробы, отрезанной от головного рельса каждой плавки или двух партий.

Пробу предварительно охлаждают до -60 0С и подвергают однократному удару бабой массой 1000 кг, падающей с высоты 3 м (для рельсов Р50) или 4,2 (для рельсов Р65). Рельсы считаются годными, если не имеют следов разрушения.

Остаточные напряжения контролируют на пробе, вырезанной на расстоянии не менее 1,5 м от торца, в которой в середине шейки надрезается паз шириной 5-7 мм. О величине напряжений судят по расхождению кромок паза путем замера высоты пробы у надрезанного торца, до и после надреза.

7.4 Дефекты и дефектоскопия рельсов

Зарождение флокенов

При охлаждении в рельсах нередко образуются внутренние дефекты, главным образом в виде флокенов, расположенных внутри сечения головки рельса (рис. 12, а). Под влиянием знакопеременных нагрузок у места флокена происходит концентрация напряжений, которые приводят в конечном итоге к усталостному излому. Дефекты такого вида на поверхности не обнаруживаются, поэтому они особенно опасны. Причиной образования флокенов в рельсовой стали является выделяющийся при охлаждении стали растворенный в ней водород, а также образующийся в результате реакции водорода с углеродом газ метан. Также одной из причин появления флокенов и широкого распространения их в рельсах послужили постепенное увеличение поперечного сечения рельсов, повышение содержания углерода и возрастание нагрузки на ось. Последний фактор привел к появлению усталостных дефектов рельсов. Флокены не образуются, если рельсы после прокатки подвергнуть либо медленному охлаждению, либо выдержке в течении некоторого времени при постоянной температуре.

Характер зарождения и развития поверхностных усталостных дефектов.

Увеличение грузонапряженности, осевой нагрузки и скорости движения поездов предъявляет повышенные требования к рельсам. Внедрение нового подвижного состава также может способствовать увеличению динамических сил в контакте колесо -- рельс. Вследствие этого рельсы будут быстрее изнашиваться и требовать замены.

В последние годы основной причиной замены рельсов на железных дорогах являются контактно - усталостные дефекты на поверхности катания (рис. 12, б). Они возникают в результате действия в контакте колесо -- рельс динамических сил, значительно превышающих предельное значение ударной прочности стали, которая в результате механического упрочнения теряет свою перлитную структуру. Вдоль поверхности катания рельсов зарождаются периодически повторяющиеся трещины. В ряде случаев эти микротрещины стираются, в других случаях развиваются внутрь головки рельса под небольшим углом, становясь по размеру и форме практически аналогичными усталостному дефекту в виде овального пятна. При достижении глубины 5-7 мм некоторые трещины продолжают развитие вглубь и вызывают вертикальное разрушение, другие меняют направление и вновь приближаются к поверхности рельса, где соединяются со смежными поверхностными трещинами и вызывают отслоение металла на поверхности катания. В этих случаях требуется немедленная замена рельса.

Дефекты в головке рельса

Ранее срок службы рельсов определялся главным образом износом и заводскими дефектами. Сейчас основными становятся контактно-усталостные повреждения на поверхности катания или под ней: трещины и пятна. Это объясняется высокой частотой повторяемости нагрузок, а также большей прочностью материала, из-за чего снижается износ рельсов. Наряду с указанными дефектами, как и прежде, возникает волнообразный износ.

На поверхности катания рельсов высокоскоростных линий возможны также следующие дефекты: трещинообразные контактно - усталостные повреждения (вмятины и выбоины); волнообразные неровности, вызванные структурными превращениями в стали; волны проскальзывания на внутреннем рельсе в кривых.

Трещинообразные дефекты

Трещины и вмятины обусловлены различными причинами, имеют разные исходные точки на поверхности катания и по-разному развиваются. В то же время у них есть общий начальный признак - горизонтальная трещина, которая после определенного цикла нагружений превращается в вертикальную, способную привести к усталостному излому. Точно определить направление распространения и глубину трещины обычными методами неразрушающего контроля трудно. В этом направлении ведутся соответствующие исследования.

Трещины в головке рельса. Тонкие поверхностные трещины обычно возникают с шагом 2 - 7 мм на рабочей грани головки наружного рельса сортировочных путей в кривых радиусом 400 - 1500 м, на остряках, а иногда и на рельсах прямых участков. Они распространяются вниз от этой грани под углом примерно 45° к направлению движения и под углом около 15° к поверхности грани внедряются в металл. Отдельные трещины, распространяясь в глубину металла, могут сливаться, что приводит к сколам на внутренней грани. В таких случаях рельс приходится заменять.

Исходные точки таких повреждений - микротрещины в пластически деформированном поверхностном слое, в котором после пропуска определенного тоннажа напряжения достигают предела разрушения. Значительную роль в возникновении и развитии дефекта играет смазка. Величиной сил трения определяется положение максимумов напряжений сдвига и работа, выполняемая этими силами при движении поезда.

Пятна. Они возникают на рельсах преимущественно в прямых участках пути и сначала выглядят как черные точки. Последние постепенно увеличиваются, и от них начинают распространяться трещины. На поверхности катания возникает видимая полукруглая трещина, развивающаяся преимущественно в направлении к боковой грани головки (рис. 12, в). При определенном размере такого дефекта производят замену рельса. Пятна возникают там, где износ минимален. Металлографические исследования шлифов, вырезанных из участков с пятнами, выявили значительные пластические деформации в самом пятне и в зоне возникающих вокруг трещин. Направление последних указывает на действие поперечных сил. Развитие этих трещин обусловлено не только напряжениями, но и коррозионными процессами.

Вмятины. На горизонтальном участке поверхности катания вмятины могут быть периодическими и иметь форму, соответствующую очертанию вызывающего их элемента колеса, или неопределенную, если они вызваны чужеродной твердой частицей, вдавленной в поверхность катания колеса. Обнаружены также вмятины, беспорядочно распределенные по обоим рельсам (так называемые коричневые пятна).

Периодически повторяющиеся вмятины (углубления) образуются в результате механических воздействий. В местах с углублениями начинается интенсивная коррозия, поддерживаемая теми же активными воздействиями. Кроме того, в зависимости от напряжений и срока службы рельса поверхностная трещина распространяется под острым углом внутрь материала. Как и при дефекте типа пятна, становятся видимыми темные, несколько пониженные участки поверхности катания.

Нерегулярно расположенные вмятины сначала имеют чистый металлических блеск, в дальнейшем под действием коррозии их цвет изменяется от светло- до темно-коричневого. Они быстро расширяются до нескольких квадратных сантиметров, увеличивается их глубина (до 0,7 мм и более в зависимости от времени). Установлено, что подобные углубления возникают вследствие вдавливания колесом случайно попавших на рельс твердых тел, например частиц щебня, т. е. являются результатом механически обусловленной пластической деформации. Как и при периодически повторяющихся вмятинах, начинается интенсивная коррозия, ведущая к быстрому увеличению площади и глубины дефекта и тем самым к недопустимым ударным нагрузкам в месте контакта колеса с рельсом.

Дефекты поверхности катания, вызванные боксованием. Трещины и сколы от таких повторяющихся углублений могут распространяться в длину на несколько метров, а глубина зоны превращения перлита в мартенсит под действием тепла достигает 1 мм.

Волнообразные неровности представляют собой квазипериодические неровности с длиной волны от 1 до 10 см и глубиной от 0,01 до 0,4 мм на поверхности катания в прямолинейных участках пути и кривых большого радиуса (рис. 12, г). Исследование поверхностных слоев на рельсах, значительно пораженных этим дефектом, показали, что бесструктурные, имеющие на металлографических шлифах белую, серую и черную окраску слои расположены в выступах и в углублениях между ними. Белые слои, твердость которых иногда втрое превышает твердость основного материала, пронизываются вертикальными трещинами и вырывами. Многочисленными металлографическими исследованиями установлено, что глубина трещин в углублениях менее 0,1 мм.

Волны проскальзываний, называемые также короткими, представляют собой периодические неровности на поверхности катания и имеют длину 10 - 30 см, глубину 0,1 - 1 мм. Они возникают преимущественно в кривых радиусом менее 800 м на внутреннем рельсе. При этом отсутствуют слои с изменившейся структурой, но наблюдаются значительные деформации и горизонтальные трещины на поверхности. В этом случае можно говорить об обычном износе, обусловленном различиями в характере прохождения кривых внутренним и наружным колесами. Полная классификация дефектов рельсов показана на рисунке 13.

Дефектоскопия

Важно выявить внутренние дефекты в рельсах уже на стадии их изготовления, но обычно дефекты объясняются накоплением усталости от повторяющейся нагрузки вплоть до того, как она приведет к полному излому. Предотвращение изломов имеет большое значение для обеспечения безопасности движения поездов. Поэтому компании - изготовители рельсов и железные дороги применяют специальное оборудование для дефектоскопии в целях обнаружения дефектов на ранней стадии их зарождения. Появляющееся на рынке новое оборудование дает возможность ускорения контроля состояния рельсов, и в настоящее время ожидаются изменения действующих правил Федеральной железнодорожной администрации (FRA), которые позволят использовать достижения в этой области на практике [4].

Оборудование для выявления дефектов рельсов выпускают в основном три фирмы: Herzog Services, Pandrol Jackson Technologies и Sperry Rail Service (рис. 14), которые постоянно совершенствуют его и увеличивают парк вагонов - дефектоскопов, находящихся в распоряжении железных дорог. За последнее время быстродействие оборудования для дефектоскопии достигло такого развития, что за рабочую смену длительностью 8 ч выявляется столько дефектов, что ремонтный персонал за 24-48 ч (время, отводимое FRA) не успевает принять меры по их устранению. Это происходит потому, что современные вагоны - дефектоскопы оснащаются большим числом датчиков, могут осуществлять контроль при движении с более высокой скоростью и имеют аппаратуру для оперативной обработки результатов контроля с их выводом на мониторы, что позволяет персоналу сразу же узнавать о наличии дефектов.

Дефектоскопы работают с использованием ультразвукового и магнитно - индукционного методов поиска.

Ужесточение требований к состоянию рельсов и, следовательно, к качеству его контроля объясняется повышением интенсивности эксплуатации основных магистральных линий и связанным с этим сокращением времени, предоставляемого для выявления и устранения дефектов, поскольку увеличение длительности окон и вызываемые ими задержки в движении поездов ухудшают экономические показатели эксплуатационной работы.

Выпущенный FRA руководящий документ "Стандарты пути" включает шесть страниц с описаниями дефектов рельсов. В общем случае дефекты следует устранять в тот же день, в который они обнаружены. Если этого сделать нельзя, в течение одних иди двух суток, в зависимости от серьезности дефекта, принимаются паллиативные меры - вводится ограничение скорости движения поездов и выполняется ремонт ограниченного объема.

Критические дефекты должны устраняться, согласно требованиям FRA, в тот же день, а для устранения некритических дефектов дается не более пяти (в зимнее время четырех) дней.

Дефектоскопы рельсов

Заключение

Применение стали марки Э76Ф, для изготовления железнодорожных рельсов обеспечивает помимо высокой износостойкости и контактно-усталостной прочности, определенную живучесть, характеризующуюся скоростью роста поперечных усталостных трещин, а также сопротивление к хрупкому разрушению, гарантирующим надежность в эксплуатации. Это позволяет использовать данную сталь для изготовления рельсов, работающих в условиях повышенной износостойкости.

Проведение предварительной противофлокенной термической обработки позволяет предотвратить образование флокенов - внутренних дефектов, расположенных внутри сечения головки рельса. Использование же такой термической операций как объемная закалка в масле по всей длине позволяет получить повышенную твердость НВ 363-388, прочность и износостойкость. Закалка концов рельсов с индукционного нагрева также способствует повышению твердости и повышению предела усталости из-за появления в поверхностном закаленном слое сжимающих напряжений. Получаемая конечная структура сорбит отпуска.

В настоящее время проводятся исследования по изготовлению бейнитных рельсовых сталей с различными вязкостными и эксплуатационными свойствами, чтобы учесть требования будущих высокоскоростных перевозок. Одним из примеров будет служить НКМК ведущий разработки рельсов на основе стали Э1 и Э2. Однако практическое использование рельсов из бейнитных сталей, на данный момент, в значительной степени определяется экономическими соображениями.

Нормативное обеспечение проекта

1. ГОСТ Р 51685 - 2000 Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. Railway rails. General specifications.

2. ГОСТ 18267 - 82 Рельсы железнодорожные типов P50,Р65 И Р75 широкой колеи, термообработанные путем объемной закалки в масле. Технические условия. Railway rails. General specifications.

3. ГОСТ 24182 - 80 Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75, P65 и Р50 из мартеновской стали. (СТ СЭВ 4983-85). Технические условия. Open-hearth steel rails, P75, P65 and P50 types, for wide gauge railways. Specifications.

4. ГОСТ 1497 - 84 Металлы. Методы испытания на растяжение

5. ГОСТ 9012 - 59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю

6. ГОСТ 8161-75 Рельсы железнодорожные типа P65. Конструкция и размеры. (СТ СЭВ 1667-79) Railway rails type P65 Construction and dimensions.

7. ГОСТ 14.004 - 83 Технологическая подготовка производства. Термины и определения основных понятий. (СТ СЭВ 2521-80).

Литература

Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. «Технология термической обработки стали». М.: Металлургия, 1986. - 424с.

Полухин П.И., Грдина Ю.В., Зарвин Е.Я. «Прокатка и термическая обработка железнодорожных рельсов». М.: Металлургия, 1962. - 431с.

Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. «Специальные стали». М.: Металлургия, 1985. - 408с.

Ершов Е. Ф. "Железные дороги мира" -- ежемесячный научно-технический журнал ОАО "Российские железные дороги". №10-1998-№05-2006.

Бернштейн М.Л., Левина Б.Е. «Технология термической обработки стали». М.: Металлургия, 1981. - 608с.

Дахно Л.А., Шарая О.А. «Термическая обработка стали: Учебное пособие». Караганда, издательство КарГТУ, 2008. - 109с.

Зуев В.М. «Термическая обработка металлов»: Учебник/ В.М. Зуев. -5-е изд., стер. -М.: Высш. шк.; М.: Изд. центр Академия, 2001. - 288с.

Гусовский В.П. Современные нагревательные и термические печи (конструкции и технические характеристики), 2001

Интернет ресурс “http://techno.x51.ru/, http://www.metalgost.ru, http://www.Google.ru”.