Технология термической обработки железнодорожных рельсов

1

Введение

Актуальными в настоящее время являются вопросы повышения надёжности и долговечности машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а следовательно, вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Роль этих проблем в долговечности машин и механизмов, приборов и других особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь. Решение этих проблем, прежде всего, связано с правильным выбором оптимального режима термической обработки изделия.

Изменить свойства изделия можно различными видами термической обработки. Правильность ее выбора определяет получение заданных свойств, а также требований и подбора оборудования для проведения ТО.

Выбор вида ТО исходит из чертежа детали и способа ее изготовления, а также требований конструктора и условиям службы детали.

1. Анализ условий работы изделия

1.1 Описание детали и условий её работы

Рельсы (от мн. ч. англ. rails -- от лат. regula -- прямая палка) -- стальные балки специального сечения, укладываемые на шпалах или других опорах для образования, как правило, двухниточного пути, по которому перемещается подвижный состав железнодорожного транспорта, городских железных дорог, специализированный состав в шахтах, карьерах, крановое оборудование. Являются основным полотном для движения основного подвижного состава. Качество рельсов имеет огромное значение не только для обеспечения высокой грузонапряженности, большой скорости и безопасности движения, но и для увеличения срока их службы в пути. Расход металла в виде рельсов, выложенных в железнодорожные пути очень велик. В общей сложности расход по всему миру на рельсовую сталь составляет около 20%.

Рельсы подразделяют:

по типам: Р50, Р65, Р65К (для наружных нитей кривых участков пути), Р75;

по категориям качества: В -- рельсы термоупрочненные высшего качества, Т1, Т2 -- рельсы термоупрочненные, Н -- рельсы нетермоупрочненные;

по наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах, без отверстий;

по способу выплавки стали: М -- из мартеновской стали, К -- из конвертерной стали, Э -- из электростали;

по виду исходных заготовок: из слитков, из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ);

по способу противофлокенной обработки: из вакуумированной стали, прошедшие контролируемое охлаждение, прошедшие изотермическую выдержку.

Рельсы для железнодорожного транспорта изготавливаются из углеродистой стали. Наиболее распространены в странах СНГ рельсы следующих типов: Р50, Р65, Р75. Цифра в обозначении примерно соответствует весу одного погонного метра рельса в килограммах. Длина стандартного железнодорожного рельса, производимого рельсопрокатными заводами в России, составляет 12,5, 25 или 50 метров

Рельсы являются ответственным элементом верхнего строения пути. Их эксплуатационная надежность непосредственно влияет на безопасность движения поездов и определяет экономическую эффективность работы железных дорог. В последние годы на железных дорогах всего мира ввиду постоянного увеличения грузонапряженности, осевых нагрузок и скорости движения поездов назрела потребность в рельсах более высокого качества. Вследствие усложнения условий эксплуатации на основных магистральных линиях ускоряется расстройство пути, искусственных сооружений и сокращается время, выделяемое на проведение путевых работ. Разрыв в скорости движения грузовых и пассажирских поездов отрицательно сказывается на пропускной способности линий и затрудняет определение возвышения наружного рельса в кривых по равновесной скорости. На рис. 1 показана схема контакта системы колесо - рельс.

В процессе эксплуатации рельсы испытывают периодические знакопеременные нагрузки, изгибающих рельсы в вертикальной плоскости, действию горизонтальных сил в кривых участках, смятию, истиранию, ударом непосредственных частей тележек, особенно сильным, если на колесах имеются дефекты. Рельсы также подвергаются действию температур от +50 до -50, причем последняя температура лежит значительно ниже порога хладноломкости для термически необработанной рельсовой стали.



Рис. 1 Зоны рельсов и колес с различным характером износа зависимости от уровня контактных напряжений.

На рис. 2 представлена схема зон напряженного состояния металла рельса под действием нагрузки колеса.

Рельсовая сталь должна быть прочной и износостойкой, с минимальным содержанием вредных примесей, достаточно пластичной и пригодной для механической обработки, что особенно важно при выполнении стыковых отверстий и изготовлении элементов стрелочных переводов, а также обладать высокой контактно-усталостной прочностью, чтобы предотвратить образование внутренних дефектов и поперечных трещин в головке рельсов. Для устранения неравномерного и волнообразного износа рельсы должны иметь одинаковую твердость и износостойкость по всей длине, легкосва риваться в бесстыковые плети большой длины и быть пригодными для объемной закалки.



Рис. 2 Напряженное состояние металла рельса под нагрузкой колеса.

При изготовлении рельсов необходимо соблюдать установленные допуски и обеспечивать минимальные начальные неровности на поверхности катания, что позволит избежать в процессе эксплуатации возникновения волнообразного износа [2].

В последние 10 лет наблюдается рост числа дефектов в головке рельсов массой 60 кг/м как отечественного производства, так и импортных. Это обусловлено главным образом увеличением грузонапряженности и осевых нагрузок. Так, на том пути двухпутных линий, по которому следуют в основном тяжеловесные груженые поезда, рельсы меняют в несколько раз чаще, чем на другом, где преобладают порожние поезда. Интенсивность бокового износа рельсов в кривых увеличилась в 2 раза с заменой паровозов на тепловозы и электровозы и еще в 2 раза по мере повышения осевых нагрузок. С повышением скорости движения возросла интенсивность виляния подвижного состава, что стало причиной неравномерного износа рельсов.

Боковой износ рельсов по наружной нити наблюдается в кривых радиусом менее 1000 м. С уменьшением радиуса кривой интенсивность бокового износа возрастает. В кривых радиусом менее 400 - 600 м интенсивный износ рельсов в отдельных местах сопровождается отслаиванием металла в виде стружки на рабочей грани. Боковой износ развивается неравномерно не только по длине кривой (износ в конце кривой больше, чем в начале), но и по длине рельсов (износ в зоне стыка заметно отличается от износа в середине рельсового звена). В кривых малого радиуса на углевозных линиях наблюдается волнообразный износ рельсов, который развивается на наружной рельсовой нити и имеет длину волны 100 - 600 мм. В последнее время он стал проявляться и на других грузонапряженных линиях [4].

С увеличением содержания углерода возрастает износостойкость рельсов, что позволяет продлить их срок службы по износу. Снижению интенсивности износа рельсов также способствует их объемная закалка и применение стали с легирующими добавками. Поскольку легирующие добавки увеличивают хрупкость металла, для повышения эксплуатационной стойкости рельсов с такими добавками также требуется объемная закалка.

К рельсам, предназначенным для укладки на линиях, где движутся поезда с высокими осевыми нагрузками и скоростью, предъявляются следующие основные технические требования (таблица 1).



Рис. 3 Эскиз рельса

Таблица 1 - Основные параметры рельсов

Тип рельса	Стандарт (ГОСТ)	Высота рельса H, мм	Высота шейки h	Ширина подошвы B, мм	Ширина головки b, мм	Толщина шейки e, мм	Высота пера m
Р50	Р 51685-2000	152	83	132	72	16	10,5
Р65		180	105	150	75	18	11,2

1.2 Технические требования, предъявляемые к материалу термически обработанной детали

Технические требования к материалу назначаются исходя из условий работы рельсов. Учитывая, что деталь работает в достаточно сложных условиях, к ней предъявляются следующие технические требования:

- временное сопротивление ?в, МПа, не менее 1176;

- предел текучести ?0,2, МПа, не менее794;

- относительное удлинение ?, %, не менее 6;

- относительное сужение ?, %, не менее 25;

- ударная вязкость при 20 0С КСU, МДж/м2, не менее 0,20

- твердость на поверхности катания головки закаленных рельсов должна быть в пределах НВ 341 … 388 и более 388 для высокоскоростных составов;

- твердость шейки и подошвы рельсов -- не более НВ 388

- твердость по глубине упрочненного слоя головки рельса должна быть постоянной или плавно снижаться и на глубине 16 мм от поверхности катания должна быть не менее НВ 300.

- колебание твердости, определяемое в разных точках на поверхности катания по длине одного рельса, не должно превышать НВ 30 в указанных пределах.

2. Маршрутная технология изготовления изделия

Деталь от заготовки до полного изготовления проходит сложный технологический маршрут по цехам предприятия рисунок 4.

2.1 Технологический процесс производства железнодорожных рельсов

Технология производства рельсов осуществляется следующим образом: слитки нагревают в нагревательных колодцах с применением горячего посада, благодаря чему снижается угар, обезуглероживание и возможность перегрева стали. Слитки нагревают до 1200 - 1295 0С в течение 3 часов и прокатывают на блюминге. Температура конца прокатки блюмов на всех заводах не ниже 1100 0С. Блюмы затем нагревают в методических или камерных печах для прокатки на рельсобалочном стане. Нагрев блюмов проводят, как горячим, так и холодным посадом. Холодный же посад позволяет проводить зачистку дефектов на блюмах. Нагретые до 1200 - 1250 0С блюмы прокатывают на рельсобалочном стане с температурой раската на выходе не выше 1050 0С. Раскат разрезают пилами горячей резки на мерные длины. Рельсы затем подвергают противофлокенной термической обработке, холодной правке в роликоправильных машинах и штемпельных прессах, механической обработке (фрезерование торцов и сверление болтовых отверстий для скрепления накладками при укладке рельсов). После приемки рельсы подвергают упрочняющей термической обработке по всей длине по различной технологии. Предусмотрено термическое упрочнение концов рельсов. Эти рельсы называются сырыми, т.к не подвергаются термическому упрочнению по всей длине.

Маршрутная карта



Рис. 4 Технологический маршрут изготовления рельсов

3. Выбор материала для данного изделия и обоснование выбора марки стали

Для изготовления рельсов можно применять конструкционные улучшаемые стали. Учитывая, что по техническим требованиям требуются высокие характеристики, следует обратиться к высококачественным сталям с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений.

Данные рельсы работают в экстремальных условиях, а также в условиях резко континентального климата Казахстана. Частые изменения температуры окружающей среды и условия работы сильно влияют на состояние рельсов в целом.

В настоящее время для изготовления рельсов широко применяются стали следующих марок, такие как: М74, М76, Э76Ф, К76, Э76, К76Ф и др. Рельсовые стали делятся на две группы.

Рельсы I группы должны быть изготовлены из спокойной стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителями без применения алюминия или других раскислителей, образующих в стали вредные строчечные неметаллические включения.

Рельсы II группы должны быть изготовлены из спокойной стали, раскисленной алюминием или марганец - алюминиевым сплавом.

Учитывая условия эксплуатации рельсовой стали, высокие требования по механическим свойствам, предъявляемые к данному изделию, для него подходят стали II группы. Химический состав и механические свойства приведены ниже в таблице 2 и таблице 3.

Для работы с большими нагрузками требуется изготовить рельсы для железнодорожных путей широкой колеи и по техническим требованиям получить следующие свойства:

?в ? 1176 МПа

?т ? 794 Мпа

Таблица 2 - Химический состав рельсовых сталей ГОСТ Р 51685 - 2000, (ГОСТ 24182 - 80)

Марка	Массовая доля, %
стали	С	Si	V	Mn	P	S	Al
					не более
М74*	0,69- 0,80	0,18-0,40	--	0,75-1,05	0,035	0,045
М76	0,71-0,82	0,25-0,45	--		0,035	0,040	0,025
Э76Ф	0,71-0,82	0,25-0,45	0,03-0,15	0,75-1,05	0,025	0,030	0,020

Таблица 3 - Механические свойства рельсовых сталей (при н.у.) ГОСТ Р 51685 - 2000, (ГОСТ 24182 - 80)

Марка стали	Стандарт (ГОСТ)	Категория	?в, МПа	?т МПа	?, %	?, %	Твердость на поверхности катания, НВ	KCU, МДж/м2
			не менее
М74* М76 Э76Ф	Р 51685-2000	В	1290	850	12	35	363-401	0,15
		Т1	1180	800	8	25	341-401	0,25
		Т2	1100	750	6	25	321-401	0,15
		Н**	900 860*	--	54*	--	--	--

Примечание: * - механические свойства для стали М74, ** категория Н определяет механические свойства сталей в состоянии поставки (горячекатаном)

Таблица 4 - Температура критических точек сталей

Марка стали	Температура критических точек, 0С
	Ас1	Ас3	Ar1	Ar3
М74	720	735	700	-
М76	720	730	700	-
Э76Ф	720	730	700	-

КСU?0,20 МДж/м2

Твердость на поверхности катания головки в пределах 363 - 388 HB

Задача: выбрать марку стали удовлетворяющая техническим требованиям.

Есть стали следующих марок: М74, М76, Э76Ф.

Решение задачи состоит в выборе стали для изготовления рельсов из трех предложенных марок.

Согласно ГОСТ 24182 - 80 сталь марки М74 имеет в состоянии поставки следующие свойства:

?в?860 Мпа

??4 %

Согласно ГОСТ Р 51685 - 2000 сталь марки М76 и Э76Ф имеет в состоянии поставки следующие свойства:

?в?900 Мпа

??5 %

Следовательно, для получения

?0,2?794 Мпа

рельсы требуется подвергнуть ТО.

Сталь М74 можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению - сталь специального назначения (рельсовая), улучшаемая;

- по химическому составу - углеродистая;

- по содержания углерода - среднеуглеродистая;

- по степени раскисления - спокойная.

Она относиться к перлитному классу и выплавляется мартеновским способом. Цифра обозначает среднее содержание углерода. Данная сталь применяется для изготовления рельсов только типа Р50. Улучшение повышает свойства данной стали. Структура после улучшения получается тонкопластинчатый сорбит. После окончательной ТО данная сталь удовлетворяет заданным техническим требованиям. Но ГОСТ Р 51685 - 2000 данную сталь уже не регламентирует ни по химическому составу, ни по механическим свойствам. По причине закрытия заводов с мартеновским способом выплавки, данную сталь не целесообразно использовать для производства рельсов.

Сталь М76 можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению - сталь специального назначения (рельсовая), улучшаемая;

- по химическому составу - углеродистая;

- по содержания углерода - среднеуглеродистая;

- по степени раскисления - спокойная.

Она относиться к такому же классу стали, что и М74. По способу выплавки аналогичен, но содержание углерода чуть выше, чем в М74. По содержанию S в химическом составе на 0,005 меньше чем в М74. Данная сталь регламентируется по ГОСТ Р 51685 - 2000 и по химическому составу и по механическим свойствам. Данную сталь можно использовать для производства рельсов типа Р65, Р75. После окончательной ТО данная сталь удовлетворяет заданным техническим требованиям. По причине закрытия мартеновского производства, а также не выгодности использования с экономической точки зрения ее не целесообразно использовать.

Сталь Э76Ф можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению - сталь специального назначения (рельсовая), улучшаемая;

- по химическому составу - низколегированная;

- по содержания углерода - среднеуглеродистая;

- по степени раскисления - спокойная.

Выплавляется в открытых электрических печах, методами электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Аналог стали М76, но с содержанием ванадия в составе. Имеет достаточную прокаливаемость. Данная сталь после окончательной ТО удовлетворяет заданным техническим требованиям. Ее целесообразно использовать для изготовления рельсов, т.к. ее выплавка экономически выгодна, нежели мартеновским способом, содержание вредных примесей соответственно меньше и эксплуатационная стойкость выше, т.к. данная сталь легирована ванадием.

Для повышения прочности можно назначить 3 вида ТО:

- объемная закалка в масле и отпуск с объемным печным нагревом;

- поверхностная закалка головки с индукционного нагрева и самоотпуск;

- поверхностная закалка головки с объемного печного нагрева и самоотпуск.

Для такой стали рекомендуется следующая ТО:

1. Закалка от 780-840 0С и охлаждение в масле. При закалке в масле возникают меньшие напряжения, и уменьшается его коробление, что важно для прямолинейности рельсов

2. Высокий отпуск 450±15 0С на воздухе. Почти полностью снимает внутренние напряжения, возникающий при закалке [3]. В таблице 5 приведены свойства стали после термической обработки.

Таблица 5 - Механические свойства стали Э76Ф после ТО

?в, МПа	?0,2, МПа	?, %	?, %	КСU (20 0С), МДж/м2
1290	940	10	35	0,42

Следовательно, сформированные к рельсам свойства обеспечивает сталь марки Э76Ф. На основе анализа и в соответствии с курсовым проектом выбрана сталь марки Э76Ф.

3.1 Описание влияния постоянных примесей и легирующих элементов на структуру и свойства выбранного материала

Влияние углерода.

Углерод (C) содержится в стали в количестве 0,71…0,82 %, температура плавления 3500 0С. Это неметаллический элемент в виде графита. Кристаллическая решетка гексагональная слоистая. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Известно, что содержание углерода в стали приводит к повышению прочности и снижению пластичности.

Влияние марганца.

Марганец (Mn) содержится в стали в количестве 0,75-1,05 %. Попадает в сталь в процессе раскисления при выплавке. Повышает прокаливаемость стали, увеличивает закаливающую способность стали. Заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях. Вообще марганец, повышает предел упругости и сопротивление разрыву, а кроме того уплотняет сталь. Растворяется в феррите и цементите. Устраняет вредные сернистые соединения железа.

Влияние кремния.

Кремний (Si) содержится в стали от 0,25 до 0,45 %. Попадает в сталь в процессе раскисления. Кремний дегазирует металл, повышает его плотность. Сильно повышает предел текучести.

Влияние ванадия.

Ванадий (V) содержится в стали в пределах 0,03-0,15%. Имеет: температуру плавления 1710 0C; плотность 5,96 г/см3; кристаллическую решётку ОЦК с параметром

а=3,03 ?

Ванадий повышает критические точки А1 и А3 и понижает критическую точку начала мартенситного превращения Мн. Ванадий именно в этих пределах образует труднорастворимые в аустените карбиды, тем самым задерживает рост зерна аустенита при высоких температурах закалки, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

4. Разработка технологического процесса термической обработки детали и расчет режимов ТО

4.1 Выбор вида термической обработки

Сталь Э76Ф поставляется заказчику в горячекатаном состоянии. После прокатки сталь охлаждают на воздухе. Структура - мелкозернистый перлит и феррит,

?в?900 МПа, ??5 %.

Основной целью термической обработки является изменение структуры, в следствии чего изменяются свойства металла и сплава. Выбор термической обработки заключается в изменении структуры и свойства изделия. Этого можно добиться, выбрав правильную последовательность операций ТО и назначением оптимального режима ТО.

Рельсы в состоянии поставки не могут обеспечить требуемые технические характеристики. С целью повышения механических свойств и подготовки структуры к окончательной термической обработке сталь подвергают предварительной термической обработке.

Предварительная термическая обработка

Предварительная термическая обработка (ПТО) - следует называть такую обработку, которая предназначена для решения задачи улучшения технологических свойств металла или технологичности, что важно для изготовления деталей, или (и) улучшения механических свойств готовых изделий, которые не могут быть достигнуты только в результате одной окончательной термической обработки.

Технологические задачи, которые решаются методами предварительной обработки, -- это подготовка или получение такой структуры, которая обеспечивает лучшую обрабатываемость резанием или пластическим деформированием, уменьшение коробления и ускорение процессов диффузии при окончательной термической обработке.

Для реализации задачи улучшения свойств после окончательной обработки методами предварительной термической обработки можно использовать три основных направления. Во-первых, обработка, связанная с воздействием на микроструктуру матрицы; во-вторых, с созданием определенной субструктуры с тем, чтобы ее элементы сохранились и при последующей фазовой перекристаллизации; в-третьих, с воздействием на избыточные фазы, главным образом труднорастворимые частицы, не претерпевающие существенных изменений при повторных более низкотемпературных нагревах. Таким образом, создание технологических процессов предварительной термической обработки, одновременно улучшающей свойства готовых изделий и облегчающей условия их изготовления в производстве, является важной инженерной задачей в машиностроении, решению которой может способствовать знание научных основ ПТО [1].

Сталь для изготовления рельсов железнодорожных склонна к образованию флокенов, появление которых связано с наличием в стали водорода, находящегося в твердом растворе. Эффективным способом предупреждения появления флокенов является предварительная термическая обработка рельсов заключающаяся, в изотермической выдержке или замедленном охлаждении.

Изотермическая выдержка - это предварительная ТО для предотвращения образования флокенов, появление которых связано с наличием в стали водорода, находящегося в твердом растворе. Для рельсовой стали температура изотермической выдержки в течение двух часов составляет 600-650 °С. Перед этим металл полезно переохладить до 250-300 °С на некоторое время, а затем снова нагреть до температуры изотермической выдержки. Это сокращает продолжительность самой выдержки.

Помимо изотермической выдержки для предупреждения образования флокенов применяют замедленное охлаждение с температур 400-450°С в течение 4-5 ч. В производственных условиях замедленное охлаждение осуществляют в коробах или колодцах. Загрузка производится краном с магнитными траверсами. В короб, представляющий собой металлический каркас, футерованный изнутри шамотным кирпичом, загружают 40...60 т рельсов, после чего короб закрывают крышкой. Охлаждение длится 7 ч, и дополнительно рельсы выдерживают в коробах 30 мин со снятой крышкой.

Замедленное охлаждение не только предупреждает образование в рельсах железнодорожных флокенов, но и уменьшает возможность появления термических остаточных напряжений. Однако выполнение этого процесса в не отапливаемых колодцах не обеспечивает равномерного охлаждения рельсов по высоте и длине колодца, а их сравнительно низкая производительность приводит к необходимости постройки значительного количества колодцев и коробов.

Надежным способом предотвращения образования флокенов наряду с отмеченными является замедленное охлаждение блюмов после прокатки. Хотя при этом происходит потеря теплоты в блюмах, однако, отсутствие флокенов в блюмах и возможность организации тщательной зачистки поверхности дефектов на них после охлаждения заметно увеличивают выход рельсов железнодорожных первого сорта, что окупает расходы на дополнительный нагрев блюмов в методических печах.

Поэтому более рациональным способом предотвращения образования флокенов является двухчасовая изотермическая выдержка в печи при температуре 600 °С с последующим охлаждением на воздухе.

Последовательность операции:

Сталь после горячей прокатки подается при температуре конца прокатки, составляющей больше 900 °С.

1) Сравнительно быстрое охлаждение 250-300 °С.

2) Двухчасовая выдержка при 600-650 °С.

3) Охлаждение на воздухе.

Окончательная термическая обработка

Операция окончательной термической обработки выбираются в зависимости от технических требований к заданной детали. Так как по техническим требованиям необходима высокая твёрдость и контактная выносливость, выбираем, с учётом марки стали следующие операции: закалка в масле и высокий отпуск.

Закалка - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали на 30-50 °С выше критических точек Ас3 - для доэвтектоидных и Ас1 - для заэвтектоидных сталей и выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Сталь Э76Ф является доэвтектоидной, критическая точка Ас3 равна 730 0С. Выбор температуры нагрева под закалку производят из зависимости

Поскольку реальный нагрев смещает эти температуры в сторону их повышения, а также с учетом точности измерения температур, в промышленных условиях для печного нагрева рекомендуется назначать температуру на 20-30 °С выше температуры на диаграмме состояния для углеродистой стали. Для легированной стали этот интервал лежит еще выше и составляет 50-60 °С. Соответственно температура под закалку варьируется в интервале 830-840 0С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается. Структура после закалки: на поверхности мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределёнными карбидами и аустенит остаточный [7].

Закалка концов рельсов

Упрочнение концов рельсов проводят двумя методами: поверхностной закалкой с прокатного нагрева и поверхностной закалкой с индукционного нагрева. Согласно стандартам на рельсы, не подвергаемым термическому упрочнению по всей длине, концы головок рельсов должны быть закалены на длине не более 80 мм, глубина закаленного слоя (с твердостью больше НВ 300) должна быть не менее 4 мм [6].

В данном курсовом проекте рассчитывается режим закалки концов рельсов с индукционного нагрева. Так как используется марка стали Э76Ф, являющаяся низколегированной углеродистой, то такая обработка позволяет получить высокую твердость и износостойкость.

Закалку концов проводят на рельсах после их противофлокенной обработки, правки, фрезеровки торцов и сверления болтовых отверстий. Конец рельса нагревают в индукторе, питаемом от машинного генератора с частотой 0,5 или 2,5 кГц. Температура нагрева под закалку составляет 950 0С. Выбор более высокой температуры по сравнению с обычно применяемой при печном нагреве рельсов 850 0С обусловлен большой скоростью нагрева и кратковременностью пребывания металла при температуре выше АС3, а также необходимостью учета подсуживания во время снятия индуктора и установки закалочного устройства (5-6 с).

В связи с различием в подводимой к индуктору мощности, время нагрева колеблется в пределах 25-40 с. Охлаждение осуществляется конденсатом или сжатым воздухом.

Закалку обоих концов проводят одновременно в специальных кабинах, размещенных по краям передвижного стеллажа. Продолжительность охлаждения конденсатом составляет 25-30 с, продолжительность охлаждения сжатым воздухом 17-20 с.

Устройство для охлаждения нагретой головки конденсатом представляет собой насадку, нижняя коническая часть которой заканчивается щелью длинной 40 мм и шириной 1,5 мм. Щель обеспечивает получение сплошной плоской струи охладителя. Для равномерного охлаждения и плавного перехода от закаленного участка к незакаленному, струя охладителя перемещается вдоль оси рельса с помощью штока, соединяющего насадку с эксцентриком, укрепленным на валу электродвигателя. Профиль эксцентрика обеспечивает возвратно-поступательное перемещение устройства. Охлаждение осуществляется в следующей последовательности. Перед началом охлаждения устройство устанавливают на расстоянии 75-80 мм от торца. После включения устройство начинает перемещаться к торцу и, не доходя до него на 30-35 мм, перемещается в обратном направлении на 30 мм, повторяет свое движение на этом же пути, затем перемещается почти до торца рельса и возвращается в первоначальное положение. После этого устройство автоматически отключается и снимается с рельса.

Устройство для охлаждения головки сжатым воздухом представляет собой прямоугольное сопло, установленное под углом 450 к поверхности головки с зазором 10 - 14 мм, при этом передний конец сопла отстоит от торца на расстоянии 50 - 60 мм. Давление подаваемого для охлаждения воздуха 0,45 - 0,5 МПа.

Микроструктура по глубине головки на концах рельсов после закалки с прокатного нагрева неоднородна и состоит из сорбита закалки. Неоднородность структуры закаленного слоя способствует выкрашиванию металла в стыках при эксплуатации в пути. В головках концов рельсов, закаленных с нагрева токами высокой частоты, вследствие использования более мягких закалочных сред, микроструктура по глубине неоднородна и состоит из сорбита закалки. Применение закалки концов рельсов в 2 - 2,5 раза повысило стойкость рельса в стыке к смятию и износу.

Существуют 3 способа закалки рельсов по всей длине.

1. Технология термического упрочнения с объемной закалкой обеспечивает получение в поверхности катания головки, в шейке и подошве однородной мелкодисперсной структуры сорбита закалки с пластинчатой морфологией карбидной фазы. По мере удаления от поверхности катания дисперсность сорбита закалки постепенно уменьшается, но остается характерной для всего поперечного сечения рельса. Твердость колеблется в пределах 331...338 НВ. Ударная вязкость изменяется в пределах КСU 0,1 ...0,7 МДж/м2.

2. Поверхностная закалка рельсов с индукционного нагрева заключается в нагреве головки рельса в индукторе на определённую глубину и охлаждение водовоздушной смесью. Твердость после такой термической обработки НВ 352...375. Микроструктура закалённого слоя - тонкопластинчатый сорбит закалки. К достоинствам такого метода термической обработки относится то, что на поверхности головки присутствуют сжимающие остаточные напряжения, которые повышают контактно-усталостную прочность.

3. Поверхностная закалка рельсов с объёмного печного нагрева предполагает прерывистое охлаждение в воде, что приводит к превращению аустенита в различных областях с образованием сорбита отпуска, верхнего бейнита и сорбита закалки. Твёрдость после такой термической обработки НВ 341...375, на концах она составляет до НВ 401.

Микроструктура закалённого слоя неоднородна; на глубине 3...5 мм от поверхности катания сорбит отпуска; на глубине 5...8 мм отпущенный бейнит; на глубине 8...10 мм сорбит закалки, переходящий в тонкопластинчатый перлит [6].

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают окончательной термической обработки - отпуску.

Отпуск - это термическая обработка заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме этого отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Это напряжение снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Различают три вида отпуска. Требуется выбрать оптимальный вид отпуска для получения требуемых механических свойств.

1. Низкий отпуск проводят при нагреве 120-250 0С. При этом снижаются закалочные напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит. Повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь после низкого отпуска сохраняет твердость, а следовательно и высокую износостойкость. Однако такое изделие не выдерживает динамических нагрузок. Так как для стали Э76Ф предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости, а также высокой твердости на поверхности катания, то этот вид отпуска не может удовлетворить заданные технические свойства. Следовательно проводить низкий отпуск для стали Э76Ф не рекомендуется.

2. Средний отпуск выполняют при 300-400 0С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Структура получаемая после такого отпуска - троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, выносливости, релаксационную стойкость и не обеспечивает требуемых свойств для данной стали. Данный вид отпуска также не целесообразно проводить.

3. Высокотемпературный отпуск проводят при 450-6500С. Структура после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) весьма сильно одновременно повышает временное сопротивление, предел текучести, относительной сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая порог хладноломкости [5].

На основе анализа выбора ТО, для того чтобы получить заданные требования, для стали Э76Ф рекомендуется закалка концов, объемная закалка в масле и высокий отпуск.

Объемная закалка в масле.

Технология объемной закалки рельсов в масле была впервые в мировой практике осуществлена в СССР в 1966 году. Метод заключается в нагреве в печах и охлаждение в масле. Такое охлаждение приводит к превращению переохлажденного аустенита в перлитной области с образованием тонкопластинчатого сорбита закалки.

Процесс термической обработки осуществляют в следующем порядке. Рельсы пакетами по 10-12 штук в положении на боку нагревают под закалку в проходной печи с роликовым подом до температуры 830-840 0С в течение 47-55 минут. Нагретые рельсы с помощью специального устройства поштучно выгружают из бокового окна печи и кантуют на подошву на рольганге перед закалочной машиной. Для исключения коробления концов в вертикальной плоскости, возникающего при закалке из-за более быстрого охлаждения в масле менее массивной подошвы рельса, концы рельса подвергают термической правке, заключающейся в подсуживании подошвы на концах рельса. Благодаря этому при последующем охлаждении рельса в масле подсуженная на конце подошва препятствует увеличению длины головки, связанному с превращением аустенита и тем самым исключает изгиб концов. Кроме того, для получения в рельсах благоприятной эпюры напряжений проводят их подсуживание и центральной зоны шириной 50-60 мм остальной части подошвы. Подошву рельса охлаждают водовоздушной смесью в плоских щелевых спрейерах в следующей последовательности. Первоначально охлаждают подошву на концах неподвижного рельса на длине 980 мм в течение 7-9 с, а затем при его движении по рольгангу к закалочной машине охлаждают центральную зону остальной части подошвы в течение 14,5 с. Охлаждение осуществляют в семи спрейерах, установленных по длине рольганга, путем последовательного их включения на таком же расстоянии от 980-1000 мм от переднего конца.

Окончательно рельсы охлаждают в течение 5 минут в масле с температурой не выше 100 0С в закалочной машине. Подаваемый в закалочную машину рельс устанавливают в каретки, шарнирно подвешенные к концам звездочек барабана, расположенного в баке с маслом. Масло поступает непрерывно из резервуара через регулируемый щелевой затвор. Одновременно происходит и слив масла через сливную воронку. При повороте барабана рельс погружается в масло и охлаждается до 120-150 0С. Извлеченные из машины рельса пакетируют по 12-17 штук на закрытом стеллаже и подвергают отпуску при 450±15 0С в течение 2 часов в проходной печи с роликовым подом. После отпуска рельсы охлаждают на холодильнике, правят для устранения искривления в двух плоскостях на роликоправильных машинах и доправляют на вертикальном правильной машине.

Твердость после термической обработки НВ 352-375. Микроструктура - тонкопластинчатый сорбит закалки по всему сечению рельса. Правка рельсов приводит к возникновению растягивающих остаточных напряжений на поверхности головки, которые снижают контактно-усталостную прочность. В связи с тем, что при объемной закалке их длина увеличивается в среднем на 18 мм, а в процессе правки они укорачиваются примерно на 20 мм, то допуск на длину рельсов увеличен.

4.2 Назначение режимов окончательной ТО

Исходные данные для расчета технологии термической обработки рельсов из стали марки Э76Ф: max сечение 75х51, содержание С %, 0,71-0,82

Определение времени нагрева при закалке. Общая продолжительность нагрева, т.е. общее время пребывания изделий в нагревающей среде ?общ, состоит из двух слагаемых - времени нагрева до заданной температуры ?Н и времени выдержки при этой температуре ?В

?общ= ?Н + ?В

Для определения времени нагрева рельсов в различных средах с учетом их расположения в печи используем формулу

,

где D1 - размерная характеристика нагреваемого изделия в мм, т. е. минимальный размер максимального сечения. У изделия - рельсы максимальное сечение - головка 75х51 мм и, следовательно, минимальный размер этого сечения и будет являться размерной характеристикой изделия: D1 = 51 мм.

К1 - коэффициент формы, примем что головка рельса имеет форму параллепипеда, тогда К1-2,5. Так как отношение длины к диаметру или толщине лежит в пределах 1,5 - 2,5, то этот коэффициент надо умножить на 0,75. Тогда

К1 = 2,5х0,75 = 1,875 мм ? 1,9.

К2 - коэффициент равномерности нагрева определяем по таблице. Примем что рельсы имеют квадратную форму и, так как рельсы пакетами по 12 штук, в положении на боку нагревают под закалку в проходной печи то, К2 = 2,2, К3 - коэффициент среды в газовой среде - 2.

В итоге:

D1 = 51; К1 = 1,9; К2 = 2,2; К3 = 2

Для легированных сталей время выдержки можно принять равным 1,5 - 2 мин на 1мм сечения, но т.к рельс деталь массивная, то

мин.

Таким образом

?общ= ?Н + ?В =42,6 +12,8?55 мин.

Определение времени нагрева и выдержки при высоком отпуске.

Отпуск проводим при температуре 450 0С в проходной печи с роликовым подом. Твердость после термической обработки 352-375 НВ или 38 HRC. При изготовлении рельсов используется сталь Э76Ф, в которой содержание углерода (С)=0,71-0,82%. Используя данные значения, определяем время нагрева при отпуске по номограммам. Номограммы для определения режима отпуска] [9]. Таким образом, время выдержки при отпуске =2часа.

Расчет времени закалки концов рельса с индукционного нагрева

Концы рельсов, воспринимающие в стыках небольшие ударные нагрузки от колес подвижного состава, в процессе эксплуатации быстрее сминаются, выкрашиваются и разрушаются. В связи с этим первым этапом использования упрочняющей термической обработки рельсов явилась закалка головок на их концах.

Режим высокочастотного нагрева определяется частотой тока, удельной мощностью, сообщаемой изделию, и временем нагрева. От правильного выбора частоты зависит эффективность применения высокочастотного нагрева. Частота тока для закалки концов

Глубину закаленного слоя определяем по формуле

Отсюда

Диаметр изделия - концов рельсов - 51 мм или 5,1 см.

Для определения режимов нагрева при поверхностной закалке воспользуемся графиками. График зависимости времени нагрева от диаметра изделия для различных глубин закаленного слоя при различных частотах тока] [9]. Отсюда следует, что время нагрева

5. Выбор оборудованя для проведения термической операции

5.1 Выбор оборудования для всех операций технологического процесса

Определение типа производства.

Тип производства определяется по коэффициенту закрепления операции:

- такт производства, мин; - время на обработку одной садки, мин.

- действительный годовой фонд времени, час; - годовая программа выпуска, шт.

Штучное время рассчитывается по формуле:

- основное оперативное время на обработку одной садки, мин;

- основное технологическое время, мин;

- вспомогательное не перекрываемое время, мин;

- количество деталей в садке, шт;

- количество одновременно обслуживаемых печей, ед;

- время на организационное обслуживание рабочего места в % от оперативного;

- время на техническое обслуживание рабочего места в % от оперативного;

- время на отдых и личные потребности в % от оперативного.

Определим такт производства по операции закалки. Для двухсменной работы действительный годовой фонд времени равен 4180ч, годовая программа выпуска равна 740000 шт. при длине 1шт. рельс 25 м.

То=50; ;

; ;

;

<1

Производство с коэффициентом закрепления операции равный 0,06 является массовый тип производства (ГОСТ 31108 - 74).

5.2 Выбор основного оборудования

В массовом производстве применяются печи периодического и непрерывного действия. Учитывая специфику термической обработки данной детали выбираем печи непрерывного (конвейерного) действия. Среди печей непрерывного действия наибольшее распространение получили проходные печи. Для данной детали, из-за большой длины, целесообразно применить проходные печи с роликовым подом для всех видов термической обработки. Печи с роликовым подом широко применяются для нагрева и термической обработки металла. Большим достоинством этих печей является то, что они хорошо компонуются в непрерывном потоке производства.

По роликам через печи можно транспортировать самые разнообразные изделия: листы, пачки листов, трубы, рельсы, прутки, а также рулоны ленты и бунты с применением поддонов и без них. С учётом размеров детали и годовой программы выпуска выбираем следующие печи:

- для изотермической выдержки - конвейерная печь с подподовыми топками;

- для закалки - проходная печь с роликовым подом;

- для отпуска - проходная печь с роликовым подом;

Технические характеристики печей приведены в таблице 6.

Конвейерная печь с подподовыми топками для изотермической выдержки.

Сложным процессом является осуществление низкотемпературного нагрева при значительных размерах печи и повышенных требованиях к равномерности нагрева в конвейерных печах. На рис. 5 показана конструкция конвейерной печи для изотермической выдержки рельсов [8]. В печь загружают рельсы с температурой 450-600 0С.

Таблица 6 - Технические характеристики проходных печей с роликовым подом и печи для изотермической выдержки

Характеристики	Проходная печь	Конвейерная печь
	закалки	отпуска	изотермической выдержки
Установленная мощность, МВт	75	12,5	54
Установленная температура, °С	840	450±15	600
Производительность, т/ч	130	-	-
Ширина раб. пространства, мм	3020	3700	26700
Длина, мм	185000	260000	6000
Технологическая скорость, м\мин	12	0,3-1,2	-

При исходной температуре ниже 600 °С рельсы должны быть нагреты до этой температуры и выдержаны при ней, а при исходной температуре 600 °С -- только выдержаны. Неравномерность распределения температуры по длине рельсов и печи при выдержке не должна превышать 50 °С. Для обеспечения требуемой равномерности нагрева при ширине печи 26,7 м предусмотрены подподовые топки с решетчатыми сводами. По длине печи расположены две топки длиной около 6 м, разделенные стеной в средней части печи. В каждой топке установлена инжекционная горелка, с помощью которой сжигают смешанный (коксовый и доменный) газ с теплотой сгорания 5,45 МДж/м3.

Проходная печь с роликовым подом для закалки рельсов.

На рис. 6, а, б показана печь с роликовым подом для нагрева рельсов под закалку в условиях Нижнетагильского металлургического комбината. Рельсы из стали Р65 длиной 25 м нагревают до 840 - 850 °С. Печь отапливают смешанным коксодоменным газом (теплота сгорания 6,7 МДж/м3) с помощью дутьевых горелок типа ДНС и ДНМ, установленных в боковых стенах выше и ниже уровня металла. Отвод продуктов сгорания производится вниз через многочисленные дымоотводы. Рельсы транспортируются с помощью гладких роликов с водоохлаждаемой цапфой. Для удобства смены роликов свод печи выполнен из отдельных съемных секций [8].

Поскольку рельсы нужно выдавать из печи и подавать в закалочное устройство по одному с возможно меньшей разницей температур по длине, предусмотрена особая конструкция рабочего пространства печи: камера выдачи имеет длину, несколько большую длины рельса (для данной печи -- 30 м), а выдача из камеры производится вбок через продольную щель в одной из стен специальной машиной.

На четырех рельсопрокатных заводах СНГ исторически сложились три различных вида технологии упрочняющей термической обработки рельсов по всей длине. Весь цикл производства проходит на рельсобалочном стане 800 (рис. 7). Наибольшее количество рельсов подвергается объемной закалке в масле и последующему отпуску. Такая технология термической обработки принята на НТМК и КМК.

Объемной закалке в масле подвергают 25-м рельсы первого сорта, прошедшие весь цикл производства, включая отделочные операции (фрезерование торцов и сверление болтовых отверстий).

Со склада сырых рельсов 1 (рис. 8), магнитными кранами их подают на загрузочный стеллаж рольганга 2, перед закалочной печью 3. Здесь рельсы комплектуют в пакеты по 11--13 штук, которые каждые 6--8 мин подают в нагревательную печь тоннельного типа с верхним и нижним обогревом (ширина рабочей камеры 3 м, длина 185 м). Рельсы в положении на боку перемещаются в печи с помощью 560 приводных роликов.

Обогревают печь при помощи 520-ти инжекционных горелок, куда смесь коксового и доменного газов поступает под давлением 15 МПа.

Рабочее пространство печи состоит из семи зон, в каждой из которых автоматически поддерживается заданная температура. В первых пяти зонах происходит последовательный методический нагрев, в шестой -- выравнивание температуры и необходимая выдержка, седьмая -- зона выдачи. Специальными вытаскивающими устройствами через боковое окно рельсы (по одному) извлекают из печи, кантуют на подошву и устанавливают на рольганг 4 перед закалочной машиной 5.

Производительность печи 110 - 130 т/ч. Температура в первой и второй зонах 750 - 780, в третьей и четвертой 800 - 830, в пятой - седьмой 840 - 860 °С. Продолжительность пребывания рельсов в печи 47 - 55 мин.

На НТМК перед загрузкой в закалочную машину каждый рельс проходит термическую правку концов. Сущность этой технологической операции заключается в подстуживании подошвы на обоих концах рельса с тем, чтобы повысить ее сопротивление пластической деформации и исключить коробление (изгиб в вертикальной плоскости), которое происходит за счет более быстрого охлаждения в масле подошвы по сравнению с массивной головкой. Длина зоны подстуживания 980 мм, время подстуживания 7--9 с, охлаждают рельсы водовоздушной смесью с помощью брызгала щелевой конструкции. Закалочная машина работает по принципу револьвера.

Закалочная машина состоит из пустотелого барабана длиной 28 м, вращающегося на двух роликовых опорах от привода через зубчатые венцы, посаженные на вал барабана. На барабане смонтированы шесть 12-ти лучевых звездочек. На конце каждого луча-лопасти подвешены на подшипниковой опоре каретки с вмонтированными в них роликами, на которые подается рельс для закалки в то время, когда данный ряд кареток находится над уровнем масла. Каретка с рельсом под действием собственной массы находится в строго вертикальном положении, в котором и происходит погружение в масло. Барабан со звездочками и каретками установлен внутри бака, заполненного маслом, поступающим из резервуара через регулируемый щелевой затвор. При повороте барабана на 30°, рельс погружается в масло, в котором он охлаждается в течение 5 мин.

Маслоохладительная система обеспечивает поддержание постоянной температуры масла, которая не должна превышать 100 °С. После 10 циклов, соответствующих загрузке очередного рельса и поворота барабана на 30°, закаленный рельс снова оказывается под уровнем масла. Температура рельса при этом составляет 120 - 150 °С.

Извлеченные из закалочной машины рельсы на крытом стеллаже 6 комплектуются в пакеты по 12 - 17 штук и подаются в отпускную проходную печь 7 с роликовым подом.

Отпускная печь тоннельного типа состоит из 10 одинаковых зон: пяти нагревательных и пяти для выдержки при температуре отпуска. В каждой зоне помещается один пакет рельсов. Общая длина камеры печи составляет 260 м, ширина 3,7 м. Печь обогревается смесью коксового и доменного газов, которая сжигается в специальных камерах вне рабочего пространства печи. Для каждой зоны печи имеется своя камера сгорания, снабженная эксгаустером для подачи продуктов горения в печь и их циркуляции в зоне печи. Температура продуктов горения поддерживается не выше 580 °С. Температура в печи автоматически поддерживается в пределах: в первых трех зонах 350--400, в четвертой и пятой 400--450, в шестой -- десятой зонах -- 450±15°С. Продолжительность отпуска 2 ч.

После отпуска рельсы охлаждаются на холодильнике 12 и правятся в двух плоскостях на роликоправильных машинах 10, 11 и вертикальных правильных прессах 9. После этого рельсы поступают на инспекторские стеллажи 8, для контроля и приемки.

Рис. 8 Расположение оборудования в термическом участке рельсобалочного цеха

5.3 Вспомогательное оборудование

Вспомогательным оборудованием для печи с роликовым подом является механизм для боковой выдачи рельсов. Механизм для боковой выдачи рельсов из печи (рис. 9) состоит из тележки 4, передвигающейся в сторону печи под действием контргруза 5. Когда головка 6 хобота упирается в ближайший рельс, лежащий на роликовом поду I, тележка останавливается (положение II). После того как все тележки упрутся в рельс, их поднимают вместе с захваченным рельсом рычажным механизмом подъема 7 и в верхнем положении III механизмом передвижения 8 отводят в крайнее исходное положение I.

6. Составление технологической карты термической обработки

Технологическим процессом называют часть производственного процесса, непосредственно связанную с изменением формы, размеров и физико-механических свойств объекта производства (материала, заготовки, детали, полуфабриката) или с изменением взаимосвязи между отдельными деталями.

Технологический процесс термической обработки разбивается на составляющие части: операции и приемы.

Операцией называется часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте одним или несколькими рабочими.

Приемом называют определенные законченные действия в процессе выполнения операции (например, укладка деталей на поддоны, загрузка в печь, выгрузка и т.д.). Технологический процесс включает термической обработки деталей включает в себя подготовительные, основные, отделочные и контрольные операции. Подготовительные операции включают комплекс мероприятий, направленных на предохранение изделий от образования трещин и других видов брака; например, обезжиривание деталей пред азотированием, укладка их в поддоны, защита и изоляция отдельных мест и т.д. Основные операции включают нагрев изделий для закалки, нормализации, отжига, отпуска, химико-термической обработки и т.д.