книги из ГПНТБ / Полухин П.И. Прокатка и термическая обработка железнодорожных рельсов

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ЗАВОДАХ 405

Закалочный бак имеет длину 14 м. В нижней части его про­ ложены трубы водяного охлаждения масла. Над баком на кана­ тах подвешена траверса, имеющая снизу неприводные ролики небольшого диаметра. После нагрева рельс поступает на роли­ ки траверсы и последняя при помощи лебедки опускается. Меха­ низм опускания устроен таким образом, что траверса и рельс сохраняют горизонтальное положение. С траверсой соединена также крышка, которая при движении траверсы перекрывает бак и препятствует вспышке масла. Охлаждение в масле про­ должается пять минут.

На этой установке завод В обрабатывал большие опытные партии рельсов и уложил их в путь. За этими рельсами ведется наблюдение. Процесс закалки рельсов в масле оказался на­ столько технологичным, что Гилромез в качестве основного варианта для проекта термической обработки рельсов завода В принял закалку в масле. Это решение можно считать правиль­ ным; сомнение вызывает только способ нагрева рельсов. Для нагрева всех рельсов потребуются три линии, состоящие при­ мерно из 100 секций каждая. Учитывая, что каждая секция имеет 12 горелок, а всего нужно установить 3600 горелок, сле­ дует признать, что регулировка всей установки будет крайне за­ труднена.

Завод Б считает необходимым в качестве основного вариан­ та принять поверхностную закалку рельсов по всей длине после нагрева током высокой частоты. При этом остается предвари­ тельное замедленное охлаждение рельсов в колодцах. Этот вариант нельзя признать особенно удачным, так как сохранятся все недостатки, присущие поверхностной закалке рельсов. Ле­ гированные рельсы обрабатывать таким образом будет, по-ви­ димому, невозможно.

Установки для нагрева всей продукции стана будут очень сложны: мощность в индукторах высокой частоты будет вероят­ но 12—15 тыс. кет. Этот вариант поверхностной закалки с индуционного нагрева не обеспечит высокого качества обработан­ ных рельсов.

Вариант разрабатывается заводом, главным образом потому, что завод не имеет площадей для размещения нагревательных и отпускных печей и закалочных устройств. Но, вероятно, луч­ шим решением для завода Б была бы постройка отдельного здания, где выполнялись бы операции сварки, термической об­ работки и отделки рельсов. Участок замедленного охлаждения рельсов можно было бы сохранить.

Таково положение с организацией термической обработки рельсов на заводах СССР. В ближайшее время, когда начнется массовая термическая обработка рельсов, рельсы Советского Союза по качеству превзойдут рельсы любой другой страны.

13. Опыты по использованию для рельсов легированной стали

Эти опыты были начаты в различных странах примерно в 1900 г. Сначала пытались использовать дешевые легирующие элементы и, в первую очередь, марганец. Это объяснялось тем, что рельсы выпускаются в большом количестве в каждой стра­ не, и повышение стоимости их вызывает увеличение стоимости перевозок. При большом объеме производства расход ферро­ сплавов получается также очень большим, и те страны, где за­ пасы марганца, хрома других легирующих элементов незначи­ тельны, не могли широко развивать производство легированных рельсов. При этом, как правило, в более ранних исследованиях легированные рельсы изготовляли без термической обработки их.

В Америке и Англии в течение довольно долгого времени бы­ ли распространены рельсы (50 кг^пог. м) из среднемарганцови­ стой стали примерно следующего состава: 0,6% С, 0,15% Si, 1,2—1,5% Мп; для более тяжелых рельсов содержание углерода повышали на 0,05—0,1%. Применение таких рельсов объясня­ лось повышенной износоустойчивостью среднемарганцовистой стали. Однако при этом не принимали во внимание, что высокую способность противостоять истиранию и смятию среднемарган­ цовистая сталь приобретает только в термически обработанном состоянии и в таких условиях работы, когда не возникают явле­ ния контактной усталости. Поэтому для рельсов, работавших при малой грузонапряженности дорог и небольших нагрузках на ось, возможно было некоторое незначительное повышение стойкости. При переходе к современным условиям работы рель­ сов эта сталь не будет работать удовлетворительно.

Были испытаны как в зарубежной практике, так и отечест­ венной (завод А) рельсы с малыми присадками титана. Титан является раскислителем стали; он связывает азот в стойкие ни­ триды, понижая его содержание в стали; карбиды титана спо­ собствуют повышению твердости и износоустойчивости рельсов. Добавки титана колебались во всех опытах в пределах 0,05— 0,30%.

Необходимо отметить, что в более сильной степени титан влияет на сталь с меньшим содержанием углерода. Если в преж­ них опытах добавки титана повышали прочностные характери­ стики рельсов с содержанием 0,4—0,6% С на 50—60% при удовлетворительных показателях пластичности, то в современ­ ных высокопрочных рельсах с содержанием 0,6—0,8% С влия­ ние титана меньше. При малой грузонапряженности пути и не­ большой нагрузке на ось титанистые рельсы имели некоторое увеличение стойкости, но при высокой грузонапряженности и

В Англии были опробованы рельсы с содержанием около 1% Сг и 0,5% С. Однако данных о службе этих рельсов в пути нет. В Америке были опробованы рельсы с добавкой ванадия: 0,48—0,56% С, 0,65—0,70% Мп, 0,25% Сг и 0,13—0,17% V. При лабораторных исследованиях этих рельсов получили сравнитель­ но высокую прочность 90—100 кг/мм2-, но широкого распростра­ нения рельсы не имели, возможно из-за ограниченности ресурсов США по ванадию. В 1931 г. в Советском Союзе на заводе им. Петровского были попытки получить бессемеровские рельсы, легированные хромом и ванадием. Было получено несколько плавок рельсов следующего состава: 0,4% С, 0,85% Мп, 0,2% Сг, 0,06—0,07% V и 0,030—0,040% Ti. Механические свойства этих рельсов были довольно высокие: при пределе прочности 80— 85 кг/мм2, пределе упругости 50—60 кг/мм2 эти рельсы имели удлинение при разрыве 15—20% и высокую ударную вязкость 3,0—3,5 кгм/см2. К сожалению, опыты были прекращены и о службе этих рельсов в пути нет данных.

В дальнейшем неоднократно делались попытки использова­ ния легированных рельсов. Так, в США были испытаны в кри­ вых малого радиуса хромоникелевые рельсы с содержанием 2,2—2,4% Ni и 0,5—0,6% Сг, а также высокомарганцовистые рельсы с содержанием 12% Мп. В США были опробованы меди­ стые рельсы с содержанием около 0,5% Си.

В 1938—1939 гг. на заводе Г группа исследователей получи­ ла слаболегированные хромом и никелем бессемеровские рельсы из природнолегированного халиловского чугуна. Эти рельсы имели удовлетворительные механические свойства и микро- и макроструктуры; копровые испытания были неудовлетворитель­ ными особенно при низких температурах.

Ни один из опробованных химических составов рельсов не

•завоевал широкого признания. По-видимому, введение легирую­ щих элементов в термически необработанную, сталь не обеспечи­ вает значительного повышения ее свойств и не оправдывает по­ вышенной стоимости рельсов.

Позднее в США вновь были начаты исследования легиро­ ванных рельсов. При этом испытывали рельсы из сталей раз­ личного химического состава (табл. 91). Эти рельсы были из­ готовлены в небольшом количестве, исследованы в лаборатории и небольшими партиями (10—30 шт.) уложены в путь, главным образом в кривых небольших радиусов и на разных железных дорогах.

Большинство рельсов испытывали в термически необработан­ ном состоянии.

Данные лабораторных испытаний свидетельствуют о том, что некоторые из опытных рельсов имели высокие механические свойства. Так, хромоникельмолибденоные рельсы имели: Os = 84,4 к ф ш 2\ оъ = 123,0 кг/мм2 и од = 57,0 кг/мм2] трехпро­

Однако испытания на циклическую нагрузку на машинах с катящимся колесом показали несоответствие между механиче­ скими свойствами и способностью рельсовых образцов противо­ стоять переменным нагрузкам. Если сравнить стандартные угле­ родистые рельсы, имевшие предел текучести 50,0 кг)мм2 и пре­ дел выносливости 36,6 кг/мм2, с хромоникельмолибденовыми рельсами, характеристики которых были приведены выше, то следовало ожидать, что легированные рельсы будут значительно устойчивее. Но при испытании стандартные углеродистые рель­ сы выдержали до излома в среднем 955 тыс. циклов, тогда как легированные — 922 тыс. циклов, т. е. меньше, чем простые уг­ леродистые.

При наблюдении за работой рельсов в пути оказалось, что среди испытанных рельсов, несмотря на большую разницу в их свойствах, нет таких, которые не имели бы дефекта № 82, или, по крайней мере, были бы значительно устойчивее, чем простые углеродистые рельсы. При пропуске 300 млн. т груза любые рельсы поражаются щербинами в значительной степени. Одна­ ко на легированных рельсах, по американским данным, разви­ тие дефектов начинается позже и происходит медленнее, чем на стандартных углеродистых рельсах. Наблюдалось, например, что при пропуске 75—|1©0 млн. т груза углеродистые рельсы уже имели дефект № 82, тогда как 3%-ные хромистые и крем­ нистые рельсы их не имели. Но, конечно, такое незначительное улучшение эксплуатационных свойств, во-первых, не оправды­ вает повышенной стоимости рельсов и, во-вторых, не гаранти­

при испытании на машинах термически обработанных рельсов.

410 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

Особенное внимание надо обратить на трехпроцентные хро­ мистые рельсы. Эта сталь благодаря своей высокой закаливае­ мости при нормальном охлаждении на стеллажах получает (см.

свойства стали очень упрощают технологию ее термической об­ работки и подбор оборудования для рельсотермических цехов. Кроме этого, наличие в микроструктуре стали твердых и устой­

среднемарганцовистых рельсов. Эти рельсы, работая в исключи­ тельно благоприятных условиях, пропустили около 500 млн. т груза. Рельсы в большом количестве снимали с пути по устало­ стным разрушениям от флокенов, так как они были изготовлены еще без замедленного охлаждения. Таким образом, по результа­ там работы среднемарганцовистых рельсов в пути нельзя ска­ зать, что они имеют какое-нибудь преимущество по сравнению с углеродистыми рельсами.

Затем были испытаны небольшие партии, по нескольку штук, рельсов из кремнемарганцовистой, хромистой, хромомар­ ганцовистой и хромованадиевой стали. Эти рельсы по составу были сходны с соответствующими американскими рельсами. Малое число испытанных рельсов не позволяет сделать надеж­ ных заключений. Можно сказать только, что на этих одиночных рельсах образование дефектов проходило так же интенсивно, как и на рельсах углеродистых.

Затем была изготовлена небольшая опытная партия 3 % - 'н ы х хромистых рельсов. Плавки вели в 300-т мартеновской печи и разливали в изложницы для рельсов Р-50. Химический состав стали приведен в табл. 92.

Напрев и прокатку рельсов осуществляли по обычной техно­ логии завода А. Затруднения возникали только при загрузке

рельсов магнитными кранами в короба замедленного охлажде­ ния. До 360° рельсы были немагнитны и погрузку можно было начинать только после охлаждения до этой температуры. Меха­ нические свойства рельсов после замедленного охлаждения при­ ведены в табл. 93. Рельсы с таким высоким пределом прочности выправить на роликовой правильной машине невозможно: они или не правятся, или ломаются. Поэтому рельсы подвергали от­ пуску при 350° в течение семй часов, после чего их можно было править.

Таблица 93

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХРОМИСТЫХ РЕЛЬСОВ

На рельсовых пробах было исследовано влияние отпуска на свойства рельсов, а также нормализации с напревом до 880—900° и охлаждением на спокойном воздухе при 25° и в струе воздуха при 5—7°. Механические свойства рельсов после нормализации приведены в табл. 94. Твердость и свойства рельсов после раз­ личных режимов отпуска представлены на рис. 202 и '203.

Таблица 94

Ударная вязкость рельсов была также сравнительно высокой. На рис. 204, а показано изменение ударной вязкости рельсов, от­ пущенных при 500°, в зависимости от температуры испытания. При —60° сохраняется еще довольно высокая ударная вязкость,

32кг/мм2.

Рельсы из 3%-ной хромистой стали могут иметь очень высо-

кие значения предела прочности и предела текучести. Применяя термическую обработку (нормализацию или отпуск) рельсов, можно получать самые разнообразные сочетания механических свойств. Можно снизить характеристики прочности и повысить пластичность стали. При этом закалка рельсов является необя­ зательной, т. е. избегается наиболее сложная операция терми­

лено на заводе А две 300-т плавки хромистой стали (табл. 95) и слитки были прокатаны в рельсы Р-50.

Очень большое количество рельсов было забраковано при приемке (табл. 96). Основные причины брака — дефекты поверх­ ности и искривления рельсов, не поддающиеся правке. Для того чтобы провести правку рельсов, они были подвергнуты отпуску

414 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЛЬСОВ

Таблица 96

РАЗБРАКОВКА ХРОМИСТЫХ РЕЛЬСОВ БОЛЬШОЙ ОПЫТНОЙ ПАРТИИ

при 650° в течение 3 час. После такого отпуска прочность рель­

Таким образом, чрезмерно высокий отпуск понизил и предел выносливости рельсов.

В результате было выбрано около 60 рельсов для отправки на опытный участок. Эти рельсы уложены в путь и за ними ведет­ ся наблюдение. Однако вследствие затруднений при правке рель­ сов пришлось резко снизить прочность их, так что вряд ли можно ожидать особенно интересных результатов от испытания этой партии.

На опытных партиях рельсов было обнаружено, что, как только механические свойства рельсовой стали достигают тех значений, которые особенно интересны для исследования в пути, наши рельсопрокатные заводы испытывают большие трудности при производстве рельсов. Приходится применять для смягчения рельсов отпуск, но тогда они не представляют интереса как опыт­ ные рельсы.

В настоящее время все рельсопрокатные заводы считают не­ возможным изготовление высокопрочных легированных рельсов и не пытаются изготовлять даже опытные партии. Очевидно, не­ обходима серьезная перестройка всего процесса производства рельсов для того, чтобы оказалось возможным изготавливать ле­ гированные рельсы в большом количестве.

Вероятно, что здесь будут целесообразны: выплавка в 150— 180-г электропечах, замена правки на роликовых машинах горя­ чим гибом на специально сконструированных машинах, замена оборудования для отделки концов рельсов, замена замедленного охлаждения изотермической выдержкой (вследствие невозмож­ ности погрузки рельсов в короба (магнитными кранами) и, нако­