Градиентные структурно-фазовые состояния в рельсовой стали после магнитоплазменного упрочнения и дифференцированной закалки

Актуальность работы. Повышение эффективности производства в связи с переходом к рыночным отношениям в черной металлургии требует дальнейшего улучшения качества продукции и необходимости дальнейшего снижения затрат на ее получение. Прирост проката, в частности рельсов, возможен за счет интенсификации существующего производства, улучшения технологии, лучшего использования имеющегося оборудования и разработки новых методов и способов повышения эксплуатационных характеристик изделий с одновременным удешевлением. Эта проблема является комплексной, многогранной и должна решаться на научной основе с учетом конкретных условий и особенностей производства и эксплуатации рельсов.

Потребности железнодорожного транспорта поставили перед металлургами сложную и ответственную задачу значительного повышения качества и стойкости в эксплуатации основного элемента верхнего строения пути — рельсов. Несмотря на значительные достижения в развитии технологии термической обработки железнодорожных рельсов, общей теории прокаткиэти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения, использования нетрадиционных закалочных сред внешних энергетическихвоздействий.

Особенностью 90-х годов по одиночному изъятию рельсов является преобладание износа и отслоения металла на поверхности катания головки над всеми другими видами дефектов. Увеличить эксплуатационную стойкость можно при использовании методов магнитоплазменного упрочнения и поверхностной термообработки с созданием в приповерхностных слоях градиентных структур. Создание, поведение и свойства градиентных структур в тяжелонагруженных условиях изучены недостаточно. Поэтому изучение фазового состава и дефектной субструктуры, формирующейся в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференцированной закалке представляет собой актуальную научную задачу, решение которой несомненно имеет важное практическое значение.

Цель работы. Изучение градиентных структурно-фазовых состояний, возникающих в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференцированной закалке. При реализации этой цели были решены следующие задачи:

1.Теоретическое обоснование создания градиентных структур при нетрадиционных поверхностных упрочняющих обработках.

2.Разработка физико-технических основ дифференцированной закалки и магнитоплазменной поверхностной обработки.

3. Исследование строения, механических свойств и распределения легирующих элементов по сечению головки рельсов.

4.Изучение свойств градиентных структур и эволюции структурно-фазового состояния рельсовой стали после поверхностных упрочняющих обработок.

5.Оценка вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность разработанных методик и технологий поверхностного упрочнения рельсов дифференцированной закалкой и магнитоплазменной обработкой с получением градиентных структур по сечению головки.

2. Обобщенные экспериментальные данные по строению головки рельса на макрои микроуровне, механическим свойствам, микротвердости и распределению легирующих элементов по сечению, полученные в результате поверхностных упрочняющих обработок.

3. Физическая природа и свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки.

4. Модельные представления взаимодействия колесо — рельс при воздействии нагрузки и наличия градиентной структуры в рамках теории упругости.

5. Результаты оценок вкладов в прочность стали 70ХГСА на пределе текучести в зависимости от расстояния до поверхности обработки.

Научная новизна диссертации.

1. Разработаны режимы термической обработки рельсов дифференцированной закалкой в двух средах с целью повышения стойкости головки рельса. Предложена новая закалочная среда на основе водорастворимого полимера.

2. Разработана методика плазменного упрочнения поверхности катания рельса, определены оптимальные режимы обработки головки рельса при воздействии плазменной струи.

3. В результате теоретического анализа взаимодействия колесо — рельс предложена модель действия нагрузки на систему упрочненный слойосновной металл в рамках теории упругости.

4. Впервые изучено строение и свойства градиентных структур, полученных при использовании дифференцированной закалки и поверхностного плазменного упрочнения.

5. Проведена количественная обработка результатов структурно-фазовых исследований и установлены зависимости фазового состава и дефектной субструктуры стали 70ХГСА от расстояния до поверхности упрочняющей обработки.

Достоверность работы определяется корректностью поставленных задач, применением современных методов расчета и методик исследования, соответствием установленных закономерностей данным, полученным теоретическим путем. Она обеспечивается обоснованностью применяемых методов современного физического материаловедения и сопоставлением полученных результатов с известными данными других авторов.

Практическая ценность работы. Совокупность экспериментальных и теоретических данных является инструментом для углубленного понимания природы градиентных структур рельсовой стали, возникающих при дифференцированной закалке и магнитоплазменной обработке.

Результаты исследований показывают реальные пути повышения комплекса важнейших механических свойств рельсов, предназначенных для работы в тяжелых условиях.

Использование предложенных способов поверхностного упрочнения в производстве создает условия без существенных изменений технологии и материально-технических затрат для получения высокопрочных рельсов, расширяющих рынок предложений и повышающих конкурентную способность рельсов АО «КМК» .

Предполагаемый экономический эффект от внедрения методов магнитоплазменной обработки в УЖДТ АО «КМК» заключается в уменьшении потребности в остряковых рельсах за счет повышения износостойкости в три раза и составляет 2.5 млрд руб./год в ценах 1997 г.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на технических советах АО «Кузнецкий металлургический комбинат» в 1990 -1997, 2000 гг., ежегодных заседаниях рельсовой комиссии (1993 — 1997 гг.), IV Всероссийской конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1996) — Межгосударственной научно-технической конференции «Развитие теории, технологии и совершенствование оборудования процессов ОМД» (Магнитогорск, 1996) — Международной научно-технической конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996) — Международной научно-технической конференции «Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология» (Новокузнецк, 1996) — V, VI Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (Новокузнецк, 1997, 1999);

Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в современном материаловедении» (Санкт-Петербург, 1997) и «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1997) — Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк, 1997) — 1-м Международном семинаре имени В. А. Лихачева «Актуальные проблемы прочности» и XXXIII семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1997), научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 1997) — VI Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификаций материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1999) — IV, V Международных школах-семинарах «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998, 2000).

Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследований, разработке технологий поверхностного упрочнения рельсов методами дифференцированной закалки с использованием нетрадиционных закалочных сред и плазменного воздействия, проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний, анализе полученных результатов. и.