способ термической обработки рельсов

Формула изобретения

Способ термической обработки рельсов, включающий охлаждение поверхности головки водным раствором полимера, а затем водой, отличающийся тем, что головку рельса с прокатного нагрева погружают на 10-15 с в негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9), при температуре 20-60°С, далее головку охлаждают в воде при температуре 10-35°С в течение 80-100 с, после чего проводят охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам термической обработки железнодорожных рельсов.

Известны способы термической обработки рельсов, включающие объемный нагрев рельса и поверхностное охлаждение головки разными охладителями: водо-воздушной смесью [1], струями воды [2] или масла [3], потоком огнеупорных частиц [4]. Недостатками данных способов являются: в случае применения воды и водо-воздушной смеси - образование недопустимых структур (верхний бейнит, мартенсит) в приповерхностном слое головки; в случае применения охлаждения маслом и потоком огнеупорных частиц - недостаточная глубина и твердость закаленного слоя.

Известен также способ термической обработки рельсов [5] - прототип, при котором поверхность головки рельса охлаждают водным раствором полимера до 450-300°С, а затем водой до 200-150°С, в качестве полимера применяют полиакриламид с концентрацией 0,1-0,5 мас.%.

Существенным недостатком данного способа является неоднородность микроструктуры рельсов по длине, образующаяся за счет применения спрейеров и приводящая к значительной анизотропии механических свойств, а также повышенная кривизна рельсов из-за значительного перепада температур от головки рельса к шейке и подошве.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение твердости и комплекса механических свойств рельсов за счет получения однородной структуры сорбита закалки по всему сечению головки, обеспечение прямолинейности рельсов.

Для этого предлагается способ термической обработки, заключающийся в том, что головку рельса с прокатного нагрева погружают на 10-15 сек в негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9), при температуре 20-60°С, далее головку охлаждают в воде при температуре 10-35°С в течение 80-100 сек, после чего проводят охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С.

Заявляемые пределы подобраны экспериментальным путем исходя из требований к микроструктуре, прямолинейности, механическим свойствам и твердости рельсов.

Негорючий раствор железосодержащей соли полиакриловой кислоты, разбавленный водой в объемном соотношении 1:(6÷9) при температуре 20-60°С выбран исходя из условия необходимости получения на поверхности головки теплоизолирующего слоя в виде тонкой пленки при выносе головки на воздух после погружения ее в указанный раствор. Образовавшаяся тонкая пленка при последующем охлаждении головки в воде предотвращает образование мартенсита и бейнита в приповерхностных слоях головки. С увеличением соотношения воды (более 9 частей) в водополимерном растворе, а также при температуре раствора ниже 20°С и выше 60°С на поверхности головки образуется неравномерный теплоизолирующий слой, что отрицательно сказывается на формировании однородной структуры при последующем охлаждении головки в воде. Также с повышением температуры раствора выше 60°С наблюдается ухудшение состояния окружающей среды вследствие сильного выделения пара и увеличение расхода воды в растворе. Меньшее соотношение воды в водополимерном растворе (менее 6 частей) не обеспечивает требуемую твердость и ведет к увеличению расхода полимера, что экономически нецелесообразно.

Временной интервал выдержки головки рельса в водополимерном растворе (10-15 сек) выбран исходя из условия предотвращения образования недопустимых структур в случае недостаточного времени (<10 сек) и резкого снижения твердости на поверхности катания головки в случае длительной выдержки (>15 сек).

Последующее погружение головки в воду обеспечивает благодаря интенсивному отводу тепла требуемую глубину закаленного слоя с максимально возможными значениями твердости (НВ388). Время охлаждения головки в воде выбрано в интервале от 80 до 100 сек. В случае недостаточного времени охлаждения головки в воде (<80 сек) возрастает вероятность образования в шейке и подошве недопустимых структур промежуточного превращения при последующем погружении рельса полностью в воду. При длительной выдержке (>100 сек) возрастает кривизна рельса, возникающая за счет увеличения температурного перепада от головки к шейке и подошве.

Температурный интервал воды, выбранный в пределах от 10 до 35°С, обеспечивает требуемую твердость по глубине головки. При низкой температуре воды (<10°С) возрастает вероятность образования закалочных трещин. С повышением температуры воды более 35°С не обеспечивается требуемая твердость по глубине головки ввиду малых температурных перепадов и низкой скорости охлаждения. С учетом установленных температурно-временных параметров закалки головки рельса последующее охлаждение всего рельса в воде до температуры 150-200°С приводит к выравниванию скорости охлаждения головки, шейки и подошвы, что предотвращает коробление рельса.

Способ был реализован в полупромышленных условиях на полнопрофильных пробах длиной 1300 мм, отобранных от рельса типа Р65, изготовленного из стали марки НЭ76Ф. Нагретые до температуры 830-870°С пробы погружали головкой вниз первоначально в бак, заполненный водополимерной средой, затем в бак с водой. Закалочные баки оборудованы приспособлением, фиксирующим головку при погружении ее на глубину 30-40 мм в водополимерную среду и воду. По длине баков расположены трубки с просверленными отверстиями, через которые подавали сжатый воздух для перемешивания указанных сред. После термообработки проводили исследование микроструктуры, определение механических свойств и твердости.

Технологические параметры термообработки рельсовых проб приведены в таблице 1. Результаты механических испытаний и исследований микроструктуры в таблице 2.

Таблица 1
Технологические параметры термообработки рельсовых проб длиной 1300 мм
№	Температура закалки, °С	Соотношение полимера и воды в водополимерном растворе	Температура водополимерного раствора, °С	Время выдержки головки рельса в водополимерном растворе, сек	Температура воды, °С	Время закалки головки рельса в воде, сек
1	870	1:4	15	25	40	75
2	830	1:4	10	20	30	40
3	830	1:6	15	10	10	80
4	870	1:7	20	15	40	85
5	860	1:8	30	10	35	90
6	850	1:9	40	15	10	70
7	830	1:9	60	10	25	100
8	870	1:10	65	9	8	105

Таблица 2
Результаты механических испытаний и исследований микроструктуры
№	Микроструктура закаленного слоя головки рельса	Глубина закаленного слоя (сорбита закалки), мм	Микроструктура шейки и подошвы рельса	Твердость по сечению рельса, НВ					т, Н/мм2	в, Н/мм2	, %	, %	KCU, Дж/см 2		Стрела прогиба, мм
				ПКГ	10	22	шейка	подошва					+20°С	-60°С
1	Сорбит закалки	10-15	Перлит	331	341	331	311	311,321	720	1170	15	41	37	20	3,5
2	Сорбит закалки	15-20	Сорбит закалки с участками мартенсита	341	341	331	388	388,375	740	1180	13	37	36	22	1,5
3	Сорбит закалки	20-25	Перлит	375	363	352	311	393,302	940	1280	11	38	38	20	4
4	Сорбит закалки	25-30	Перлит	388	375	363	302	302,302	960	1340	12	37	30	23	4,5
5	Сорбит закалки	25-30	Перлит	388	388	375	311	311,302	970	1360	12	39	33	22	6,5
6	Сорбит закалки	25-30	Перлит	388	388	375	302	321,321	1100	1380	12	39	30	23	5,5
7	Сорбит закалки	25-30	Перлит	388	388	388	321	311,321	1100	1400	12	35	27	20	6
8	Сорбит закалки с участками мартенсита	27-30	Перлит	401	388	388	302	311,302	1040	1460	10	32	19	9	8
прототип	Сорбит закалки	20-25		341-388	331-363	331-352
Примечание: ПКГ - твердость на поверхности катания головки; 10 и 22- твердость соответственно на расстоянии 10 и 22 мм от поверхности катания головки; т - предел текучести, в - временное сопротивление разрыву; - относительное удлинение; - относительное сужение; KCU-ударная вязкость при +20°С и -60°С; стрела прогиба - величина прогиба пробы в положении «стоя» на подошву.

Источники информации

1. АС СССР №522751, кл С 21 D 9/04.

2. AC СССР №2003705, кл С 21 D 9/04

3. AC СССР №269186, кл С 21 D 9/04.

4. AC СССР №289616, кл С 21 D 9/04.

5. AC СССР №1174487, кл C 21 D 9/04.