Учреждение Российской академии наук

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН

На правах рукописи

Трушникова Анна Сергеевна

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТАЛИ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

И ПРОГНОЗА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ

СТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН

Научный руководитель:

Член – корр. РАН, Доктор технических наук, профессор Григорович Константин Всеволодович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Никулин Сергей Анатольевич Кандидат технических наук Черногорова Ольга Павловна Ведущее предприятие:

ОАО «Всероссийский научно - исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»), г. Москва

Защита диссертации состоится « 14 » мая 2009 г. в 14.00 на заседании Диссертационного совета Д 002.060.01 в Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ГСП – 1, Ленинский проспект, д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.

Справки по телефону: (499) 135–94–

Автореферат разослан « 30 » марта 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук, профессор В. М. Блинов Актуальность работы В нашей стране железные дороги являются основными транспортными магистралями – на их долю приходится до 85 % грузооборота и более 50 % пассажирских перевозок. Сложные климатические условия эксплуатации и большой объем перевозок предъявляют повышенные требования к качеству рельсов. В течение последних десятилетий на отечественных заводах, производящих железнодорожные рельсы, внедрен ряд современных металлургических технологий, позволивших значительно улучшить качество рельсов за счет снижения загрязненности стали и уменьшения содержания в металле примесных элементов. Благодаря повышению металлургического качества стали произошло значительное снижение общего числа дефектов, образующихся во время эксплуатации в шейке, подошве и в зоне стыков рельсов. При этом изменилось соотношение количества дефектов разных типов, что привело к значительному увеличению доли дефектов контактной усталости. По данным ОАО «ВНИИЖТ», приведенным на Рельсовой комиссии 2008 г., количество контактноусталостных дефектов составляет более 60 % от общего числа дефектов, возникающих в рельсах на Российских железных дорогах.

Многочисленными исследованиями установлено, что важнейшим параметром, определяющим склонность рельсовых сталей к образованию контактно-усталостных дефектов, является содержание в них строчечных скоплений хрупких, а также крупных единичных недеформируемых неметаллических включений. Критерии оценки загрязненности рельсовой стали неметаллическими включениями, установленные отечественными стандартами более 10 лет назад, основаны на оценке длины строчек глинозема и хрупкоразрушенных оксидов. При современном способе производства строчечные включения в рельсовой стали имеют незначительную длину или вовсе отсутствуют. Следовательно, на основании существующих критериев загрязненности неметаллическими включениями нельзя выявить различия между партиями рельсов разного качества и оценить их эксплуатационную стойкость. Поэтому длительные и дорогостоящие натурные испытания на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» остаются единственным надежным способом оценки эксплуатационной стойкости рельсов.

Таким образом, развитие новых методов оценки загрязненности рельсовой стали неметаллическими включениями на основе применения современных методов количественной оптической металлографии, фракционного газового анализа и методов статистики экстремальных значений для прогноза эксплуатационной стойкости рельсов по-прежнему является актуальной задачей.

Цель работы Целью данной работы являлось развитие методов объективной оценки загрязненности рельсовых сталей неметаллическими включениями и прогноза эксплуатационной стойкости рельсов по результатам количественного металлографического и фракционного газового анализов.

Для достижения цели работы были решены следующие задачи:

– проведен сравнительный анализ металлургического качества рельсов опытных партий, показавших различную эксплуатационную стойкость при испытаниях на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ», и выявлены критерии качества, имеющие значимую корреляцию с показателями эксплуатационной стойкости рельсов;

– разработана методика оценки загрязненности рельсовой стали неметаллическими включениями на основе применения методов количественной металлографии и фракционного газового анализа;

– определены закономерности влияния степени деформации металла, площади просмотренных шлифов, количества образцов и места их отбора на достоверность оценки чистоты рельсовой стали по неметаллическим включениям;

';

– исследована возможность применения методов статистики экстремальных значений для прогноза содержания крупных, наиболее опасных включений на основании результатов количественного металлографического анализа.

Научная новизна 1. Результаты исследований металла железнодорожных рельсов опытных партий, прошедших натурные испытания на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» показали, что эксплуатационная стойкость, имеет значимую корреляцию с объемной долей недеформируемых оксидных включений, определенной методами количественного металлографического и фракционного газового анализов. Предложено, для оценки эксплуатационной стойкости рельсов использовать величины объемной доли недеформируемых оксидных включений и средний индекс загрязненности К3СР, вычисленные по результатам металлографического и фракционного газового анализов.

2. Разработана методика прогноза эксплуатационной стойкости рельсовых сталей, основанная на оценке содержания крупных, наиболее опасных включений в рельсовом металле с помощью методов статистики экстремальных значений.

3. Показано, что для объективной оценки качества рельсовой стали и прогноза эксплуатационной стойкости рельсов необходимо проведение исследований методами количественного металлографического и фракционного газового анализов. Выявлена зависимость ошибки определения объемной доли оксидных недеформируемых включений от площади шлифов.

4. На основе сравнительного анализа содержания оксидных неметаллических включений в образцах высокоуглеродистой стали различной степени деформации показано, что с увеличением относительной степени деформации относительная объемная доля V недеформируемых оксидных включений, определенная металлографическим методом, изменяется в соответствии с логарифмической зависимостью V = 0,1ln().

Практическая ценность Разработаны методики контроля чистоты рельсовых сталей по неметаллическим включениям методами количественной металлографии и фракционного газового анализа, определены оптимальные параметры методов контроля.

Методики опробованы при анализе металлургической чистоты рельсов промышленных партий.

Результаты данной работы использованы на ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» при разработке нормативного документа предприятия № 01.01.548-2006 «Методика количественного химического анализа.

Сталь. Определение массовой доли кислорода в высокоглиноземистых включениях. Метод фракционного газового анализа».

Полученные в работе критерии оценки чистоты рельсовой стали по оксидным неметаллическим включениям рекомендованы для использования в новой редакции ГОСТ Р 51685 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».

Апробация работы Основные результаты работы доложены и обсуждены на:

– Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов», г. Москва, 2000 г.

– Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке, г.

Москва, 2001 г.

– I Всероссийском научно-техническом семинаре «Неметаллические включения в рельсовой стали», г. Екатеринбург, 2005;

– Межведомственной рельсовой комиссии, г. Нижний Тагил, 2005 г.

– Межведомственной рельсовой комиссии, г. Новосибирск, 2006 г.

– II Всероссийском научно-техническом семинаре «Влияние свойств металлической матрицы на эксплуатационную стойкость рельсов», г. Екатеринбург, 2006, – II Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2007, г. Москва, 2007.

– 16-ой Международной конференции «Металлургия и материаловедение» "METAL 2007", г. Градек на Моравице, Чехия, 2007 г.

– 1-ой Международной конференции «Новые разработки в металлургии и материаловедении» AdMet 2007, г. Днепропетровск, Украина, 2007 г.

– III Международной конференции «TRANSMET – 2007», г. Нижний Тагил, 2008 г.

– 4-ом Международном конгрессе «Наука и технология в сталеплавильном производстве» ICS 2008, г. Гифу, Япония, 2008 г.

– V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, г. Москва, 2008 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе тезисы докладов и статьи.

Объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов, изложенных на страницах машинописного текста, и двух приложений, содержит 83 рисунка, таблиц и список литературы из 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и цели работы, научная и практическая ценность.

Первая глава содержит аналитический обзор литературы, на основании которого сформулированы задачи данного исследования.

В первом разделе главы кратко приведены существующие классификации неметаллических включений по месту и времени их образования, а также по химическому составу. Рассмотрены причины возникновения микронапряжений на границе «неметаллическое включение – металлическая матрица», возникающие при охлаждении металла. На основании анализа коэффициентов термического расширения и модуля упругости металлической и неметаллической фаз сделан вывод, что опасными являются включения Al2O3, а также сложные оксиды, содержащие Al, Ca, Mg, Mn, Si. Приведен механизм образования полостей термического и деформационного характера вокруг неметаллических включений разного состава и размера. Показано, что полости вокруг включений, являясь готовыми микротрещинами, могут приводить к разрушению металла. Отмечено, что существует «критический» размер, начиная с которого включение становится участником зарождения контактно-усталостных дефектов; приведены значения критических размеров включений в подшипниковых и рельсовых сталях. Описано влияние формы включения на уровень напряжений вокруг него. Показано, что наиболее опасны включения с острыми ребрами (корунд, нитрид титана и др.), теоретическая концентрация напряжений вокруг которых в 1,5 раза больше, чем вокруг сферических. Рассмотрено влияние состава неметаллических включений на изменение их размера и формы при деформации металла, а также влияние этих факторов на эффект кажущегося «очищения» стали от неметаллических включений под влиянием деформации. Отмечено, что это явление исследовано только на качественном уровне и для надежного определения загрязненности стали неметаллическими включениями необходимо использовать методы, результаты которых не зависят от степени деформации металла.

Во втором разделе, посвященном образованию контактно-усталостных дефектов, указаны виды этих дефектов в рельсах в соответствии с действующей классификацией. Рассмотрены напряжения, возникающие в металле рельса в результате его контакта с колесом. Обсуждены вопросы влияния на образование контактно-усталостных дефектов первичной полосчатой (дендритной) структуры, размера первичного зерна аустенита и колоний перлита, межпластинчатого расстояния сорбита. Подробно рассмотрены вопросы влияния неметаллических включений на образование и развитие контактно-усталостных дефектов. Приведены критерии оценки загрязненности стали неметаллическими включениями, которые по мнению ряда авторов оказывают решающее влияние на образование продольных контактно-усталостных трещин в рельсах.

В третьем разделе главы проведено сравнение методов контроля загрязненности стали неметаллическими включениями – металлографических (методов оптической и электронной микроскопии), методов, связанных с выделением неметаллических включений из металлической матрицы и последующим их анализом – химическим и петрографическим, методов выделения включений при помощи электронной плавки образца на холодном поде и метода фракционного газового анализа. Отмечено, что методы различаются полнотой получаемой информации о содержании включений в стали. Сделан вывод, что для получения объективной информации о загрязненности неметаллическими включениями необходимо использовать несколько методов анализа.

Во второй главе приведены результаты методических исследований, выполненных на образцах, вырезанных из железнодорожных колес, железнодорожного рельса и кордовой катанки. Xимический состав исследованных образцов, определеный методом атомно-эмиссионной спектрометрии на спектрометре тлеющего разряда SA-2000 фирмы LECO, представлен в таблице 1.

Железнодорожные колеса были изготовлены на ОАО «Выксунский металлургический завод» из стали марки Т, железнодорожные рельсы – на ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» из стали марки К76Ф (плавка № 331456), кордовая катанка – на РУП «Белорусский металлургический завод»

из стали марки 75К по действующим технологиям, включающим в себя выплавку в кислородном конвертере, обработку на установке ковш-печь, вакуумирование и разливку на машине непрерывного литья заготовок. Заготовки из колесной стали подвергают горячей пластической деформации с температурой окончания деформации 1200 °С, затем готовое колесо подвергают противофлокенной изотермической выдержке в течение 5 ч. при 600 °С, закалке с температуры 810 °С охлаждением обода колеса через форсунки водой и отпуску при 530 °С в течение 2 ч. Прокатку заготовок из рельсовой стали проводят с температурой конца прокатки 920 °С. Термическая обработка готовых рельсов включает противофлокенную изотермическую выдержку при температуре 600 °С в течение 1 ч. 50 мин., закалку с температуры 850 °С в масло, отпуск в течение 2 ч. при температуре 460 °С. Заготовки кордовой стали после первой стадии горячей прокатки при температуре 1180 °С проходят термомеханическую обработку на линии Стелмора: температура начала деформации 920 °С, конца – 620 °С, охлаждение проводят водой и воздухом. Затем катанку подвергают отпуску при температуре 450 °С.

Таблица 1 – Средний химический состав исследованных образцов Сталь