Введение к работе
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 прокатки - эти вопросы изучены еще недостаточно. Особенно это касается применения новых видов термоупрочнения, использования нетрадиционных закалочных сред, внешних энергетических воздействий.
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 тяжелонагружен-ных условиях изучены недостаточно. Поэтому изучение фазового состава и дефектной субструктуры, формирующейся в рельсовой стали, подвергнутой магнитоплазменной обработке и дифференци-
4 рованной 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:
-
Совокупность разработанных методик и технологий поверхностного упрочнения рельсов дифференцированной закалкой и магнитоплазменной обработкой с получением градиентных структур по сечению головки.
-
Обобщенные экспериментальные данные по строению головки рельса на макро- и микроуровне, механическим свойствам, микротвердости и распределению легирующих элементов по сечению, полученные в результате поверхностных упрочняющих обработок.
-
Физическая природа и свойства градиентных структур и эволюция структурно-фазового состояния рельсовой стали после дифференцированной закалки и магнитоплазменной обработки.
-
Модельные представления взаимодействия колесо -рельс при воздействии нагр/зш 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.
-
Разработаны режимы термической обработки рельсов дифференцированной закалкой в двух средах с целью повышения стойкости головки рельса. Предложена новая закалочная среда на основе водорастворимого полимера.
-
Разработана методика плазменного упрочнения поверхности катания рельса, определены оптимальные режимы обработки головки рельса при воздействии плазменной струи.
-
В результате теоретического анализа взаимодействия колесо - рельс предложена модель действия нагрузки на систему упрочненный слой - основной металл в рамках теории упругости.
-
Впервые изучено строение и свойства градиентных структур, полученных при использовании дифференцированной закалки и поверхностного плазменного упрочнения.
-
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 магнито-плазменной 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 нетради-
7 ционных 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 ис-следозаний, 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.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 39 научных публикациях. Список основных из них приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация изложена на 203 страницах, содержит 13 таблиц, 67 рисунков и состоит из введения, 5 глав, приложения, списка литературы из 162 наименований.