Все статьи

22.12.2021

Исторические данные возникновения и развития технологии поверхностной закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ (часть 1)

Термическая обработка металлических изделий с применением скоростного индукционного нагрева током высокой частоты в пределах 500‑10000 Гц является одним из наиболее эффективных методов повышения прочности изделий. Данный способ нагрева под закалку широко применяется в машиностроении, самолетостроении, металлообрабатывающей и металлургической промышленности при производстве профильного проката, как железнодорожные рельсы широкой колеи.

Применение ТВЧ в промышленных условиях началось в 1912 году исключительно в плавильных печах. Приоритет в создании идеи и практическом применении индукционного нагрева ТВЧ для нагрева под закалку изделий принадлежит русскому ученому В. П. Вологдину, в 1926 г. предложившему данную технологию. В 1936 г. профессор В. П. Вологдин и инженер Б. Н. Романов провели опыты по нагреву головки концевых участков рельсов под закалку на длину 200 мм, причем закалке подвергали только поверхностные слои головки на глубину 5‑6 мм с твердостью 35‑40 HRC [1]. Однако в те годы данный способ нагрева под поверхностную закалку концов рельсов не получил дальнейшего применения.
В послевоенные годы обстановка на железнодорожном транспорте постепенно ухудшалась в отношение эксплуатационной стойкости рельсов, особенно на грузонапряженных участках пути. На ранний стадии эксплуатации рельсы начали повреждаться такими дефектами, как смятие и износ головки концов рельсов, что было вызвано часто повторяющимися ударами колес подвижного состава концевых участков. В связи с этим возникла необходимость в увеличении твердости этих участков путем увеличения в рельсовой мартеновской стали углерода, марганца, кремния и закалки их с прокатного нагрева или электронагрева. Так, в период 1945‑1949 гг Украинский научно — исследовательский институт металлов (УкрНИИМет, г. Харьков, Украина) совместно с заводом «Азовсталь» разработал и внедрил в производство технологию закалки с нагрева ТВЧ головки концевых участков рельсов типа Р50 на длину 75‑80 мм.

Концы рельсов нагревали под закалку индукционным способом в установках, питающихся от мотор-генераторов мощностью 50 кВт и частотой тока 500 Гц. При этом продолжительность нагрева одного конца рельса составляла 40 с; температура охлаждающей среды (вода) составляла 45‑50°С; пауза между нагревом и охлаждением находилась в пределах 5‑6 с; продолжительность охлаждения — 30 с; расход воды на один конец рельса составлял — 6 л. Температура электронагрева 950 ± 10°С. Скорость нагрева — 20 С / с. Таким образом, продолжительность закалки одного конца рельса составляла ~ 75 с. В потоке производства рельсов в рельсобалочном цехе (РБЦ) располагалось несколько закалочных устройств, на которых производилась одновременная закалка обоих концов рельсов.

Нагревательная часть состояла из индуктора, трансформатора со встроенным магнитопроводом, подвешенным тросами к специальной тележке, что позволяло по окончании нагрева убирать его в сторону и надевать на конец рельса охлаждающий аппарат. Конструкция охлаждающего устройства обеспечивала получение сплошной струи воды, одновременно повышающей всю ширину нагретой поверхности головки рельса [2].

После включения закалочного аппарата охлаждающая жидкость (вода) под давлением выходит сплошной струей и одновременно само приспособление получает движение к торцу головки рельса, неся впереди себя струю жидкости. Не доходя ~ на 30‑35 мм, а затем на этом же пути повторяло свое движение. В третий и последний раз устройство перемещалось почти до самого торца рельса и возвращалось в исходное положение. После этого охлаждающий аппарат отключался и снимался с рельса. Такое прерывистое охлаждение давало возможность обеспечить превращение аустенита по перлитному механизму и получения структуры сорбит закалки.

Данный режим закалки головки концов рельсов обеспечивал высокие показатели механических свойств. Так, предел прочности металла закаленного слоя головки возрос (в незакаленном состоянии) с 735 до 1005 Н / мм2, т. е. на 270Н / мм2, для рельсов типа Р43 с содержанием углерода и марганца соответственно 0,50 и 0,67 %. Для рельсов более тяжелого типа — Р50 с содержанием углерода и марганца соответственно 0,75 и 0,98 % — от 965 до 1200Н / мм2. Глубина закаленного слоя составляла соответственно 5‑8 и 7‑10 мм.
В технологическом отношении кабины с индукторами (четыре линии), закалочными аппаратами и контрольно-измерительной аппаратурой были установлены в конце линии станков для фрезеровки торцов и сверления отверстий в рельсах для накладок.

Одним из важных требований, предъявляемых к металлу концевых участков рельсов — это сопротивляемость их износу и смятию. Исследование образцов на машине Савина показало, что износостойкость повысилась ~ в 2 раза. При этом высокая износостойкость сохранилась и на глубине 5‑6 мм от поверхности катания.
Эксплуатационные испытания на одной из железных дорог Юга, где было уложено ~ 100 шт. рельсов Р43 из которых ~ 70 шт. с закаленными концами показали, что замеры, сделанные через 2 года износостойкость их увеличилась в 2‑2,5 раза по сравнению с рельсами с незакаленными концами.

Примерно в те же годы зарубежные специалисты, используя основные положения технологии поверхностей закалки с индукционного нагрева ТВЧ, разработанные русским ученым В. П. Вологдиным, начали разрабатывать свои технологии и оборудование для поверхностной закалки головки рельсов по всей длине [2, 3].
Так, в Японии в 1954 г. начали проводить опыты по закалке головки рельсов по всей длине с нагрева ТВЧ упруго-изогнутом состоянии. Закалку осуществляли последовательным способом. Температура нагрева головки под закалку составляла 840‑850°С. После выхода части рельса из первого индуктора головка охлаждалась водой, и он сразу поступал во второй индуктор, где головка снова нагревалась до 550‑600°С под самоотпуск, после чего участок окончательно охлаждался водой. После закалки твердость на поверхности катания головки находилась в пределах 320‑360 НВ, а глубина закаленного слоя составляла ~ 10 мм со структурой сорбит отпуска на глубину до 5 мм [3].
В 1959 г. в бывшей ГДР были проведены опыты по поверхностной закалке головки рельсов с нагрева ТВЧ [2]. Согласно разработанной технологии, рельс подавался в закалочную установку, где головка нагревалась ТВЧ до температуры 900°С, после чего она охлаждалась водовоздушной смесью до 450°С, затем подвергалась самоотпуску при температуре ~ 600°С. Для предотвращения искривления закаленного рельса в установке на расстоянии 1 м. от индуктора снизу был размещен индуктор для подогрева подошвы рельса до температуры 500‑600°С. После закалки твердость на поверхности катания головки составляла 340‑380 НВ, а глубина закаленного слоя 8 мм со структурой сорбит отпуска на глубине до 4 мм, переходящей в сорбитообразный перлит. Скорость движения рельса в установке 16 мм / с. Термообработанные рельсы имели небольшую кривизну в горизонтальной плоскости.

Начиная с 1962 г, в США на заводе «Герн» начали проводиться опыты по закалке головки рельсов по всей длине с нагрева ТВЧ по следующей технологической схеме. На самоходную платформу укладывались два рельса, которые при помощи специального устройства выгибались выпуклостью на головку и в таком положении закреплялись. Индуктор и охлаждающее устройство устанавливались на раму, которая опускалась вниз на головку с определенным зазором. Головку рельса нагревали ТВЧ до температуры 1030°С и охлаждали сжатым воздухом до 450°С, после чего осуществлялся кратковременный самоотпуск и окончательное охлаждение. После закалки твердость на поверхности головки составляла 340‑360 НВ, а sв=1210 Н / мм2. Глубина закаленного слоя находилась в пределах 8‑9 мм со структурой сорбит закалки [4]. Достоинством данной технологии является получение невысоких остаточных напряжений. На ее базе позже было организовано промышленное производство поверхностно-закаленных с нагрева ТВЧ рельсов.
Анализ отмеченных технологий позволяет сделать вывод о том, что разработанные и испытываемые технологии закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ и изготовленное оборудование обеспечивало незначительное улучшение комплекса механических свойств, мало отличающихся от свойств отечественных нетермоупрочненных рельсов. Кроме того, не обеспечивалось глубина закаленного слоя головки рельса, которая находилась в пределах 6‑9 мм. Ещё одним недостатком данных технологий термоупрочнения головки рельсов являлась низкая производительность закалочных устройств, что не позволяло применить их в условиях промышленного производства. Однако, наряду с этим данные технологии имели достоинство, выраженное в применении упругого изгиба рельсов, т. е. осуществление закалки в упруго-напряженном состоянии, что позволяло значительно уменьшить искривленность рельсов после закалки и осуществлять правку по облегченному режиму, а значит снизить уровень остаточных напряжений.

Проведёнными опытами был сделан шаг в сторону разработки промышленных технологий и оборудования для поверхностной закалки головки рельсов по всей длине с индукционного нагрева ТВЧ.

Что касается промышленного производства в зарубежных странах рельсов, закаленных с нагрева ТВЧ, то начиная с 90‑х годов прошлого столетия в США (г. Пуэбло, штат Колорадо) компания «GF und Steel Сorp» наладила промышленное производство рельсов по лицензии, приобретенной у австрийской компании «Broken Hill Propritary Co» [5]. Технология термоупрочнения включала двухстадийный нагрев головки ТВЧ и охлаждение водовоздушной семью. Скорость движения рельсов через закалочное устройство составляла 3 мм / с. Параметры режима закалки контролировались, а процесс автоматически управлялся с помощью ЭВМ и системы датчиков. Твердость на поверхности головки составляла 388 НВ, глубина закаленного слоя — 14 мм со структурой дисперсный перлит.

Кроме того, в США рельсы, поверхностно закаленные с нагрева ТВЧ, выпускают предприятия фирмы «USX», общая производительность 150 тыс. т в год [6].
Японская фирма «Сии Ниллон Сэйтэцу» в промышленном масштабе осуществляет производство рельсов, закаленных с нагрева ТВЧ в упругого-напряженном состоянии, с применением в качестве основного охладителя сжатого воздуха. Закалку осуществляют непрерывно-последовательным способом, соединяя в непрерывную нить рельсов при помощи накладок. Скорость движения рельсов в закалочной установке 10 мм / с [6]. Закалке подвергаются рельсы из углеродистой стали с 0,72‑0,82 % С. Твердость на поверхности катания головки — 331‑388 НВ; sВ=1250 Н / мм2.

На базе стандартной углеродистой стали, фирма освоила также закалку рельсов из низколегированной стали с добавками 0,5 % Cr; 0,005 % Nb (супер рельсы). После закалки твердость на поверхности головки составила 341‑388 НВ; sВ=1300 Н / мм2.

В Великобритании Уоркинктонский завод фирмы «British Steel Products» изготавливает рельсы из нескольких марок сталей: износоустойчивой 900 А и 900 В; стандартной углеродистой AREA, среднепрочной AREA и высокопрочной стали марки «Wozkington» с 1,0 % Cr. Рельсы из данных марок сталей подвергаются поверхностной закалкt с нагрева ТВЧ и использованием в качестве охладителя сжатого воздуха с последующим окончательным охлаждением водой. Оптимальный комплекс свойств достигается благодаря применению автоматического контроля технологического процесса при помощи компьютерной системы [7].

Закалку рельсов с нагревом ТВЧ применяют также в ФРГ. Фирма «Thyssen Stahl» в 1987 г спроектировала и вела в эксплуатацию промышленную установку для закалки с нагревом ТВЧ головки рельсов длиной 37 м. Для закалки применяют рельсы из стали разлитой на установкt непрерывной разливки стали (УНРС), содержащей следующий химический состав, %: 0,72 С; 1,1 Mn; 0,6 Si; 0,9 Gr, 0,1 V. Четыре индуктора частотой 2000 Гц обеспечивают поэтапный нагрев головки до температуры аустенизации (~1000°С) и охлаждают её сжатым воздухом. После незначительного самоотпуска головку рельса окончательно охлаждают водяным душем. При таком способе закалки глубина закалённого слоя достигает 25 мм. Твердость на поверхности катания головки составляет 370‑390 НВ: sВ = 1250 Н / мм2 [8].

В Советском Союзе промышленное производство рельсов, поверхностно закалённых c индукционного нагрева ТВЧ, началось практически в те же годы, что и за рубежом. Так, в 1955 г на Омском механическом заводе было изготовлено оборудование и проведены опыты по закалке с нагревом ТВЧ рамных рельсов и остряков в упруго напряжённом состоянии.
Сущность способа заключалась в следующем: рельс или стрелочный остряковый рельс в процессе закалки подвергался упругому изгибу головкой наружу, при этом верхний слой металла головки упруго растягивались и тем самым компенсировали удлинение их от нагрева. Это позволяло предотвращать продольные пластические деформации верхних слоев при нагреве ТВЧ, что позволяло получать рельсы или остряки без большого искривления в плоскости большой жесткости (вертикальной). Проведенные опытные закалки этих изделий и исследования металлов в закаленном состоянии позволили в 1956‑1957 гг. на этом же заводе с участием Всесоюзного научно — исследовательского института токов высокой частоты им. В. П. Вологдина (ВНИИ ТВЧ, г. Ленинград) было создано оборудование и технология данного процесса и закалены первые опытные партии остряковых и рамных рельсов. Нагрев головки рельса осуществляли током высокой частоты — 2500 Гц, а охлаждали — струёй сжатого воздуха.

После закалки рельсы были практически прямолинейными и не потребовали правки на рельсоправильных машинах (РПМ). Искривление рельса длиной 12,5 м в вертикальной плоскости не превышало 20‑25 мм, а стрела прогиба остряковых рельсов этой же длины еще меньше -10÷12 мм, в то время как на этих же изделиях без применения упругого изгиба — 300÷500 мм и 100‑120 мм соответственно.

Наблюдение в пути за работой закаленных изделий показали, что данный способ закалки значительно повышает срок их службы, что позволило затем принять его к внедрению на стрелочных заводах Министерства путей сообщения (МПС) СССР [9, 10].

Такие закалочные установки в 1958 г были созданы на Новосибирском стрелочном заводе, а в последующие годы на Днепропетровском и Муромском стрелочных заводах.
В 1964 г. с целью увеличения производительности и контактной прочности металла закаленного слоя головки в качестве основного охладителя была применена водовоздушная смесь.

Согласно данным [10] результаты закалки рамных рельсов для нагрева ТВЧ в упругом изогнутом состоянии:

  • твёрдость на поверхности катания головки рамных рельсов и остряков должны быть в пределах 321‑388 НВ;
  • твёрдость по сечению закалённого слоя головки должна плавно снижаться от поверхности катания к переходной зоне;
  • глубина закалённого слоя, имеющего твердость не менее 300 НВ по всей длине рельса и широкой части остряков, должна составлять: по оси головки и на выкружках — не менее 9 мм. Несимметричность закалённого слоя относительно оси головки допускалась не более 20 %;
  • структура в пределах всего закалённого слоя металла должна быть однородной и состоять из сорбита закалки.

Исследованиями УкрНИИМет и ВНИИ ЖТ МПС проведёнными в 60‑70 гг. прошлого столетия было установлено, что микротрещины усталости зарождаются на глубине 5‑9 мм от поверхности катания головки, т. е. в зоне действия максимальных касательных напряжений. Поэтому закалённый слой головки должен иметь однородную структуру и перекрывать зону действия максимальных касательных напряжений, т. е. должен иметь глубину не менее 11 мм со структурой сорбит закалки.

Этот вывод основывался на реальных данных ужесточения условий эксплуатации рельсов в 60‑х годах, что привело к резкому увеличению количества повреждений в головке, особенно дефектов контактно-усталостного происхождения (выколы, выщерблины металла на рабочей грани головки, а также поперечные деталостные трещины в ней). В 1955 г. количество повреждений головки рельсов составила 22,3 %, а уже в 1962 г. увеличилось до 45,6 %, что было связано с недостаточной прочностью металла в новых и тяжёлых условиях эксплуатации.

В связи со сложившейся тяжёлой ситуацией на железнодорожном транспорте Советского Союза необходимо было решить две основные задачи: повысить конструкционную прочность и уровень механических свойств рельсов. Для решения этой задачи были созданы новые тяжёлые профили рельсов типов Р50, Р65 и Р75 вместо Р43 (Р — рельс, цифра — вес погонного метра рельса), а также было повышено содержание углерода и марганца в рельсовой мартеновской стали, что привело к повышению предела прочности (sВ) до 1000 Н / мм2. Данные мероприятия решили проблему сопротивляемости повреждений шейки и подошвы, а также смятия рабочих граней головки. Однако это не решило проблему образования дефектов контактно-усталостного происхождения (КУП) головки рельсов. Поэтому, с целью повышения стойкости рельсов с учетом образования этих дефектов было выбрано главное направление — это упрочняющая термическая обработка.

В 1959‑1960 гг. на Днепровском металлургическом заводе им Ф. Э. Дзержинского по разработанной отечественной технологии и оборудования впервые в мировой практике началось массовое производство термоупрочненных рельсов типа Р50 длиной 12,5 м из бессемеровской стали путем поверхностной закалки головки подогретой до 40‑45°С водой путем пульсирующей подачи на головку с погонного нагрева.

В 1966 г. на Нижнетагильском меткомбинате (НТМК) освоена в промышленном масштабе объёмная закалка в минеральном масле рельсов типа Р65 из мартеновской стали типа Р65 длиной 25 м, а в 1978 г. введено в промышленный строй термоотделение закалки рельсов по этой же технологии на Кузнецком меткомбинате (КМК).

Однако, данного объёма производства закаленных рельсов было недостаточно для всей сети железных дорог Советского Союза, длина главных магистральных путей которых составляла более 140 тыс. км.

Проведенные исследования и накопленный опыт закалки концов головки рельсов с нагрева ТВЧ на заводе «Азовсталь» и опыт закалки рамных рельсов и остряков по всей длине в упруго-изогнутом состоянии с нагрева ТВЧ на Омском механическом заводе дало возможность по решению Минчермета СССР приступить к разработке и внедрению в производство на заводе «Азовсталь» опытной установки поверхностной закалки головки рельсов по всей длине с нагрева ТВЧ.

Первая опытная установка по закалке головки рельсов по всей длине с индукционного нагрева ТВЧ (рис. 1) была спроектирована и изготовлена: Электрическая часть — ВНИИ ТВЧ; Технологическая — УкрНИИМет и завод «Азовсталь» и Техническая — завод «Азовсталь» после пущена в эксплуатацию в 1962 г.

Опытная установка состояла из механизма передвижения рельса длиной 12,5 м; подводящих и отводящих роликов, а также системы индукционного нагрева ТВЧ и охлаждения головки рельса. Система нагрева головки рельса была спроектирована ВНИИ ТВЧ и состояла из отдельных секций длиной по 350 мм. Были применены три секции П-образных индукторов общей длиной 1050 мм. Витки индуктора были изготовлены из медной трубки размером 10×10×1,5 мм. Трубки непрерывно охлаждали проточной водой.

Магнитопроводы изготовлены из пластин трансформаторной стали. Мощность, потребляемая секциями индукторов, составляла 115 кВт (первая секция) и 135 кВт (вторая и третья секции, каждая). Секции индукторов подсоединяли непосредственно к генератору тока высокой частоты. Параллельно к индукторам подключали конденсаторы для повышения коэффициента мощности (cos j). Частота тока составляла 2500 Гц. Был принят последовательный способ закалки, при котором рельс типа Р50 или Р65 длиной 12,5 м равномерно передвигался с постоянной скоростью через установку, где головка подвергалась нагреву ТВЧ, охлаждению распыленной водой. Закалка рельсов осуществлялась без применения упругого изгиба.

Основные технологические параметры поверхностной закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ на опытной установке:

  • общая мощность, подводимая к индукторам, W общ. — 400 кВт
  • температура нагрева головки рельса (на поверхности) Тн — 1000°С
  • скорость движения рельса в закаточной установке, Vдв — 24‑25 мм
  • способ охлаждения — душированная вода
  • температура самоотпуска, t°С с температурой 40‑45°С — 440‑480°С
  • вторичное охлаждение (окончательное) — вода

По данному технологическому режиму было закалено ~ 1000 т рельсов типов Р50 и Р65.

В соответствии с требованиями ТУ, МПС СССР физико-механические свойства металла закаленной головки должны были составлять: sВ ≥ 1080 Н / мм2; s0 ≥ 800 Н / мм2; d5 ≥ 10 %; y ≥ 20 %; KCU+20 ≥ 38 Дж / см2. Твёрдость на поверхности катания головки рельса в пределах 340‑400 НВ; глубина закаленного слоя ≥10 мм; структура металла закаленного слоя головки — сорбит или тростит закалки.

Однако, реально после закалки, твердость на поверхности катания головки рельса составляла 360‑415 НВ, глубина закалённого слоя по оси головки 10‑12 мм со структурой сорбит или тростит закалки с наличием на глубине 5‑7 мм участков верхнего бейнита. На этой же глубине отмечалось понижение твёрдости на 3‑4 НRC и механических свойств. Кроме того, поверхностно закаленные рельсы имели большую кривизну с искривлением на головку, иногда доходившую до 450‑500 мм на длине 12,5 м. Правка таких рельсов на роликоправильной машине (РПМ) приводила к образованию высоких остаточных напряжений растяжения составляющих 400, а иногда и 500 Н / мм2, что связано с применением жестких режимов правки.

Более глубокие исследования показали, что в связи с изменением структуры по глубине закаленного слоя изменялась неравномерно твердость и механические свойства. Так, на глубине 5‑6 мм, где образовывалась структура верхнего бейнита, наблюдалось изменение (в виде провала) значений sВ и d0,2 и текучести (d5 ~ y) ~ на 10‑12 %, а твердости на 4‑5 НRC, затем на глубине 8‑9 мм значения твердости и прочности вновь возрастали, после чего снижались до уровня незакаленного металла. Особенно это резко проявлялось для рельсов с пониженным содержанием углерода в пределах требований ТУ.

Скобло Т. С. д. т. н., проф., Сапожков В. Е. к. т. н., Сайчук А. В. д. т. н., проф., Рыбалко И. Н. д. т. н., Захаров А. В. аспирант Государственный биотехнологический университет

Окончание статьи смотрите далее