Барабанная печь

Сталь М74 можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению - сталь  специального назначения (рельсовая), улучшаемая;

- по химическому составу - углеродистая;

- по содержания углерода - среднеуглеродистая;

- по степени раскисления - спокойная.

Она относиться к перлитному классу и выплавляется мартеновским способом. Цифра обозначает среднее содержание углерода. Данная сталь применяется для изготовления рельсов только типа Р50. Улучшение повышает свойства данной стали. Структура после улучшения получается тонкопластинчатый сорбит. После окончательной ТО данная сталь удовлетворяет заданным техническим требованиям. Но ГОСТ Р 51685 - 2000 данную сталь уже не регламентирует ни по химическому составу, ни по механическим свойствам. По причине закрытия заводов с мартеновским способом выплавки, данную сталь не целесообразно использовать для производства рельсов.

Сталь М76 можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению - сталь  специального назначения (рельсовая), улучшаемая;

- по химическому составу - углеродистая;

- по содержания углерода - среднеуглеродистая;

- по степени раскисления - спокойная.

Она относиться к такому же классу стали, что и М74. По способу выплавки аналогичен, но содержание углерода чуть выше, чем в М74. По содержанию S в химическом составе на 0,005 меньше чем в М74. Данная сталь регламентируется по ГОСТ Р 51685 - 2000 и по химическому составу и по механическим свойствам. Данную сталь можно использовать для производства рельсов типа Р65, Р75. После окончательной ТО данная сталь удовлетворяет заданным техническим требованиям. По причине закрытия мартеновского производства, а также не выгодности использования с экономической точки зрения ее не целесообразно использовать.

Сталь Э76Ф можно классифицировать по следующим признакам:

- по назначению - сталь  специального назначения (рельсовая), улучшаемая;

- по химическому составу - низколегированная;

- по содержания углерода - среднеуглеродистая;

- по степени раскисления - спокойная.

Выплавляется в открытых электрических печах, методами электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Аналог стали М76, но с содержанием ванадия в составе. Имеет достаточную прокаливаемость. Данная сталь после окончательной ТО удовлетворяет заданным техническим требованиям. Ее целесообразно использовать для изготовления рельсов, т.к. ее выплавка экономически выгодна, нежели мартеновским способом, содержание вредных примесей соответственно меньше и эксплуатационная стойкость выше, т.к. данная сталь легирована ванадием.

Для повышения прочности можно назначить 3 вида ТО:

- объемная закалка в  масле и отпуск с объемным  печным нагревом;

- поверхностная закалка  головки с индукционного нагрева  и самоотпуск;

- поверхностная закалка  головки с объемного печного  нагрева и самоотпуск.

Для такой стали рекомендуется следующая ТО:

1. Закалка от 780-840 0С и  охлаждение в масле. При закалке  в масле возникают меньшие  напряжения, и уменьшается его  коробление, что важно для прямолинейности  рельсов

2. Высокий отпуск 450±15 0С  на воздухе. Почти полностью снимает  внутренние напряжения, возникающий  при закалке [3]. В таблице 5 приведены  свойства стали после термической  обработки.

Таблица 5 - Механические свойства стали Э76Ф после ТО

ẟв, МПа	ẟ0,2, МПа	?, %	?, %	КСU (20 0С), МДж/м2
1290	940	10	35	0,42

 

Следовательно, сформированные к рельсам свойства обеспечивает сталь марки Э76Ф. На основе анализа и в соответствии с курсовым проектом выбрана сталь марки Э76Ф.

3.1 Описание влияния постоянных  примесей и легирующих элементов  на структуру и свойства выбранного  материала

Влияние углерода.

Углерод (C) содержится в стали в количестве 0,71…0,82 %, температура плавления 3500 0С. Это неметаллический элемент в виде графита. Кристаллическая решетка гексагональная слоистая. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Известно, что содержание углерода в стали приводит к повышению прочности и снижению пластичности.

Влияние марганца.

Марганец (Mn) содержится в стали в количестве 0,75-1,05 %. Попадает в сталь в процессе раскисления при выплавке. Повышает прокаливаемость стали, увеличивает закаливающую способность стали. Заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях. Вообще марганец, повышает предел упругости и сопротивление разрыву, а кроме того уплотняет сталь. Растворяется в феррите и цементите. Устраняет вредные сернистые соединения железа.

Влияние кремния.

Кремний (Si) содержится в стали от 0,25 до 0,45 %. Попадает в сталь в процессе раскисления. Кремний дегазирует металл, повышает его плотность. Сильно повышает предел текучести.

Влияние ванадия.

Ванадий (V) содержится в стали в пределах 0,03-0,15%. Имеет: температуру плавления 1710 0C; плотность 5,96 г/см3; кристаллическую решётку ОЦК с параметром

а=3,03 ?

Ванадий повышает критические точки А1 и А3 и понижает критическую точку начала мартенситного превращения Мн. Ванадий именно в этих пределах образует труднорастворимые в аустените карбиды, тем самым задерживает рост зерна аустенита при высоких температурах закалки, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

4. Разработка технологического  процесса термической обработки  детали и расчет режимов ТО

4.1 Выбор вида термической  обработки

Сталь Э76Ф поставляется заказчику в горячекатаном состоянии. После прокатки сталь охлаждают на воздухе. Структура - мелкозернистый перлит и феррит,

ẟв=900 МПа, ??5 %.

Основной целью термической обработки является изменение структуры, в следствии чего изменяются свойства металла и сплава. Выбор термической обработки заключается в изменении структуры и свойства изделия. Этого можно добиться, выбрав правильную последовательность операций ТО и назначением оптимального режима ТО.

Рельсы в состоянии поставки не могут обеспечить требуемые технические характеристики. С целью повышения механических свойств и подготовки структуры к окончательной термической обработке сталь подвергают предварительной термической обработке.

Предварительная термическая обработка

Для реализации задачи улучшения свойств после окончательной обработки методами предварительной термической обработки можно использовать три основных направления. Во-первых, обработка, связанная с воздействием на микроструктуру матрицы; во-вторых, с созданием определенной субструктуры с тем, чтобы ее элементы сохранились и при последующей фазовой перекристаллизации; в-третьих, с воздействием на избыточные фазы, главным образом труднорастворимые частицы, не претерпевающие существенных изменений при повторных более низкотемпературных нагревах. Таким образом, создание технологических процессов предварительной термической обработки, одновременно улучшающей свойства готовых изделий и облегчающей условия их изготовления в производстве, является важной инженерной задачей в машиностроении, решению которой может способствовать знание научных основ ПТО [1].

Сталь для изготовления рельсов железнодорожных склонна к образованию флокенов, появление которых связано с наличием в стали водорода, находящегося в твердом растворе. Эффективным способом предупреждения появления флокенов является предварительная термическая обработка рельсов заключающаяся, в изотермической выдержке или замедленном охлаждении.

Изотермическая выдержка - это предварительная ТО для предотвращения образования флокенов, появление которых связано с наличием в стали водорода, находящегося в твердом растворе. Для рельсовой стали температура изотермической выдержки в течение двух часов составляет 600-650 °С. Перед этим металл полезно переохладить до 250-300 °Сна некоторое время, а затем снова нагреть до температуры изотермической выдержки. Это сокращает продолжительность самой выдержки.

Помимо изотермической выдержки для предупреждения образования флокенов применяют замедленное охлаждение с температур 400-450°С в течение 4-5 ч. В производственных условиях замедленное охлаждение осуществляют в коробах или колодцах. Загрузка производится краном с магнитными траверсами. В короб, представляющий собой металлический каркас, футерованный изнутри шамотным кирпичом, загружают 40...60 т рельсов, после чего короб закрывают крышкой. Охлаждение длится 7 ч, и дополнительно рельсы выдерживают в коробах 30 мин со снятой крышкой.

Последовательность операции:

Сталь после горячей прокатки подается при температуре конца прокатки, составляющей больше 900 °С.

1) Сравнительно быстрое  охлаждение 250-300 °С.

2) Двухчасовая выдержка  при 600-650 °С.

3) Охлаждение на воздухе.

Окончательная термическая обработка

Операция окончательной термической обработки выбираются в зависимости от технических требований к заданной детали. Так как по техническим требованиям необходима высокая твёрдость и контактная выносливость, выбираем, с учётом марки стали следующие операции: закалка в масле и высокий отпуск.

Закалка - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали на 30-50 °С выше критических точек Ас3 - для доэвтектоидных и Ас1 - для заэвтектоидных сталей и выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Сталь Э76Ф является доэвтектоидной, критическая точка Ас3 равна 730 0С. Выбор температуры нагрева под закалку производят из зависимости

Поскольку реальный нагрев смещает эти температуры в сторону их повышения, а также с учетом точности измерения температур, в промышленных условиях для печного нагрева рекомендуется назначать температуру на 20-30 °С выше температуры на диаграмме состояния для углеродистой стали. Для легированной стали этот интервал лежит еще выше и составляет 50-60 °С. Соответственно температура под закалку варьируется в интервале 830-840 0С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается. Структура после закалки: на поверхности мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределёнными карбидами и аустенит остаточный [7].

Закалка концов рельсов

Упрочнение концов рельсов проводят двумя методами: поверхностной закалкой с прокатного нагрева и поверхностной закалкой с индукционного нагрева. Согласно стандартам на рельсы, не подвергаемым термическому упрочнению по всей длине, концы головок рельсов должны быть закалены на длине не более 80 мм, глубина закаленного слоя (с твердостью больше НВ 300) должна быть не менее 4 мм [6].

В связи с различием в подводимой к индуктору мощности, время нагрева колеблется в пределах 25-40 с. Охлаждение осуществляется конденсатом или сжатым воздухом.Закалку обоих концов проводят одновременно в специальных кабинах, размещенных по краям передвижного стеллажа. Продолжительность охлаждения конденсатом составляет 25-30 с, продолжительность охлаждения сжатым воздухом 17-20 с.Устройство для охлаждения нагретой головки конденсатом представляет собой насадку, нижняя коническая часть которой заканчивается щелью длинной 40 мм и шириной 1,5 мм. Щель обеспечивает получение сплошной плоской струи охладителя. Для равномерного охлаждения и плавного перехода от закаленного участка к незакаленному, струя охладителя перемещается вдоль оси рельса с помощью штока, соединяющего насадку с эксцентриком, укрепленным на валу электродвигателя. Профиль эксцентрика обеспечивает возвратно-поступательное перемещение устройства. Охлаждение осуществляется в следующей последовательности. Перед началом охлаждения устройство устанавливают на расстоянии 75-80 мм от торца. После включения устройство начинает перемещаться к торцу и, не доходя до него на 30-35 мм, перемещается в обратном направлении на 30 мм, повторяет свое движение на этом же пути, затем перемещается почти до торца рельса и возвращается в первоначальное положение. После этого устройство автоматически отключается и снимается с рельса.

Устройство для охлаждения головки сжатым воздухом представляет собой прямоугольное сопло, установленное под углом 450 к поверхности головки с зазором 10 - 14 мм, при этом передний конец сопла отстоит от торца на расстоянии 50 - 60 мм. Давление подаваемого для охлаждения воздуха 0,45 - 0,5 МПа.Микроструктура по глубине головки на концах рельсов после закалки с прокатного нагрева неоднородна и состоит из сорбита закалки. Неоднородность структуры закаленного слоя способствует выкрашиванию металла в стыках при эксплуатации в пути. В головках концов рельсов, закаленных с нагрева токами высокой частоты, вследствие использования более мягких закалочных сред, микроструктура по глубине неоднородна и состоит из сорбита закалки. Применение закалки концов рельсов в 2 - 2,5 раза повысило стойкость рельса в стыке к смятию и износу.

Существуют 3 способа закалки рельсов по всей длине.

1. Технология термического  упрочнения с объемной закалкой  обеспечивает получение в поверхности  катания головки, в шейке и  подошве однородной мелкодисперсной  структуры сорбита закалки с  пластинчатой морфологией карбидной  фазы. По мере удаления от поверхности  катания дисперсность сорбита  закалки постепенно уменьшается, но остается характерной для  всего поперечного сечения рельса. Твердость колеблется в пределах 331...338 НВ. Ударная вязкость изменяется  в пределах КСU 0,1 ...0,7 МДж/м2.

2. Поверхностная закалка  рельсов с индукционного нагрева  заключается в нагреве головки  рельса в индукторе на определённую  глубину и охлаждение водовоздушной смесью. Твердость после такой термической обработки НВ 352...375. Микроструктура закалённого слоя - тонкопластинчатый сорбит закалки. К достоинствам такого метода термической обработки относится то, что на поверхности головки присутствуют сжимающие остаточные напряжения, которые повышают контактно-усталостную прочность.

3. Поверхностная закалка  рельсов с объёмного печного  нагрева предполагает прерывистое  охлаждение в воде, что приводит  к превращению аустенита в  различных областях с образованием  сорбита отпуска, верхнего бейнита и сорбита закалки. Твёрдость после такой термической обработки НВ 341...375, на концах она составляет до НВ 401.

Микроструктура закалённого слоя неоднородна; на глубине 3...5 мм от поверхности катания сорбит отпуска; на глубине 5...8 мм отпущенный бейнит; на глубине 8...10 мм сорбит закалки, переходящий в тонкопластинчатый перлит [6].

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают окончательной термической обработки - отпуску.