4 Разработки улучшения работоспособности рельсов

4.1Разработка химического состава и технологии термической обработки железнодорожных рельсов из стали бейнитного класса

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.

Разработка химического состава и технологии термической обработки стали бейнитного класса, обеспечивающих получение без закалочного охлаждения высокого комплекса механических и технологических свойств железнодорожных рельсов.

Рассмотрено два способа получения бейнитной структуры: за счет упрочняющей термической обработки, либо путем применения способа легирования стали. При этом последний способ является наиболее предпочтительным как с экономической, так и технологической точки зрения. Использование самозакаливающихся сталей на бейнит позволит исключить из технологического процесса производства рельсов дорогостоящую операцию объемной закалки в масле и связанные с ней недостатки, такие как пожароопасность, повышенную задымленность и загрязненность окружающей среды. Исключение объёмной закалки рельсов позволит также значительно улучшить прямолинейность рельсов.

Для получения бейнитной структурой в широком диапазоне скоростей охлаждения необходимо расширить область бейнитного превращения, что достигается степенью легирования стали.

В качестве научной основы для выбора состава стали использовали атлас диаграмм Аткинса. С учетом некоторых допущений и упрощений по диаграммам Аткинса установили, что прогнозируемая бейнитная структура в сложном профиле рельса может обеспечиваться при охлаждении на воздухе при следующем химическом составе, масс. %: 0,20 ÷ 0,48 C; 0,18 ÷ 0,34 Si; 0,50 ÷ 1,55 Mn; 0,45 ÷ 3,10 Cr; 0,28 ÷ 0,55 Mo; 0,19 ÷ 0,85 Ni[1].

Таблица 4.1 – Схема варьирования содержания химических элементов в бейнитной стали при охлажнии на воздухе

Массовая доля химических элементов, %
С	Mn	Si	Cr
0,26 ÷ 0,52	0,90 ÷ 1,00	0,90 ÷ 1,00	0,90 ÷ 1,00
0,28 ÷ 0,34	1,00 ÷ 1,80
	0,90 ÷ 1,00	0,70 ÷ 1,60
		0,90 ÷ 1,00
			0,40 ÷ 1,20

Таблица 4.2 – Химический состав опытно-промышленных плавок

№ плавки	Массовые доли химических элементов, %
	C	Mn	Si	P	S	Cr	Mo	V	N	Al
1	0,40	1,6	1,3	0,016	0,008	1,2	0,2	0,11	0,018	0,010
2	0,32	1,48	1,21	0,017	0,005	1,00	0,2	0,13	0,012	0,010

Наилучшее сочетание твердости (401 НВ), показателей прочности (σ_в=1400 Н/мм², σ_т= 990 Н/мм²), пластичности (δ= 12 % ; φ = 21 %) и ударной вязкости (KCU₊₂₀ ^o_C = 58Дж/см², KCU_-60 ^o_C = 34Дж/см² ) достигаются у стали с содержанием углерода 0,34 %, марганца от 1,56 %, кремния от 1,24 %, хрома от 1,1 %, молибдена от 0,20 % за счет образования структуры, состоящей преимущественно из бейнита (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Микроструктура рельсы

На основании полученных результатов можно утверждать, что проведение отпуска бейнитных сталей выше 400 ^оС является нецелесообразным. Для низколегированных сталей с бейнитной структурой наиболее рационален отпуск при 350 ^оС, который способствует существенному повышению пластических свойств и ударной вязкости без снижения прочностных свойств[1].

Определено влияние углерода, хрома, кремния и марганца (в убывающем порядке) на повышение прочностных характеристик стали бейнитного класса. Положительно влияют хром, кремний и марганца на показатели пластичности и ударной вязкости.

Разработаная марка стали Э30ХГ2САФМ и технология термической обработки, обеспечивающие получение высокого комплекса механических и технологических свойств железнодорожных рельсов. Установлено, что наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости достигается после нормализации и отпуска при 350 С.

Совокупный 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.

В процессе эксплуатации рельсов из стали марки Э30ХГ2САФМ зафиксировано увеличение прочности и пластичности, что обусловлено развитой ячеистой дислокационной структурой.