Термическое упрочнение рельсовой стали

19.01.2026

Исходным материалом для производства современных тяжелых рельсов служит высокоуглеродистая сталь, часто марок Э76 или Э90, где содержание углерода достигает 0,80-0,85%. Первоначальная задача технолога заключается в создании оптимальной аустенитной структуры перед этапом закалки.

Для этого заготовку необходимо нагреть до строго определенного интервала, который обычно лежит в пределах 850-880°С. При таком температурном воздействии кристаллическая решетка железа перестраивается в гранецентрированную кубическую форму, способную активно растворять углерод.

Этот процесс, называемый аустенизацией, требует тщательного контроля времени выдержки, чтобы гарантировать полноту протекания фазового превращения и выравнивание химического состава твердого раствора по всему объему. Недостаточный прогрев ведет к сохранению ферритных составляющих, а перегрев вызывает интенсивный рост зерна аустенита, что впоследствии резко снижает механические характеристики готового изделия.

Качество сформированного аустенита напрямую диктует результат всех последующих операций.

Последующий этап — контролируемое ускоренное охлаждение головки рельса — запускает процесс превращения переохлажденного аустенита. Здесь ключевую роль играет скорость отвода тепла.

При интенсивном охлаждении со скоростью, превышающей критическое значение, углерод не успевает выделиться из раствора и формируется метастабильная структура — мартенсит. Она характеризуется высокой твердостью, но и значительной хрупкостью, что нежелательно для эксплуатации под динамическими нагрузками.

Поэтому на практике применяют режимы, приводящие к получению троостита или сорбита — дисперсных смесей феррита и цементита. Эти структуры обеспечивают наилучший комплекс прочности, сопротивления износу и вязкости.

Для достижения подобного результата охлаждение ведут специальными закалочными устройствами, которые создают интенсивный поток воды или воздушно-водяной смеси на рабочую поверхность головки рельса. Скорость охлаждения в данном случае регулируют в диапазоне от 4 до 10°С в секунду.

Ключевым металлургическим параметром, определяющим кинетику распада аустенита, является химический состав сплава. Легирующие добавки, такие как марганец (до 1.20%), кремний (до 0.80%) и хром (до 0.30%), существенно смещают положение диаграммы изотермического превращения.

Они увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, позволяя получить мелкодисперсную структуру троостита при менее резком охлаждении, что снижает риск образования закалочных трещин и коробления длинномерного проката.

Непосредственно после закалки в материале присутствуют значительные внутренние напряжения, а структура не является равновесной. Для ее стабилизации и придания стали требуемого сочетания твердости и пластичности обязательной финальной операцией служит низкий отпуск.

Рельсы выдерживают при температурах 350-450°С в течение времени, достаточного для выделения дисперсных карбидов из мартенсита и снятия пиковых напряжений. Твердость поверхности головки после всего комплекса обработки должна соответствовать 341-388 HB по Бринеллю согласно стандартам типа ГОСТ Р 51685.

На практике успех операции определяет совокупность многих факторов: точность соблюдения температурно-временных параметров на каждом этапе, однородность нагрева по сечению, стабильность состава охлаждающей среды и геометрии факела. Даже незначительное отклонение в химическом составе от плавки к плавке требует корректировки режимов.

Опыт показывает, что для стали с содержанием углерода в верхнем пределе диапазона температуру аустенизации целесообразно устанавливать ближе к нижней границе, предотвращая рост зерна.

Контроль размера зерна аустенита до закалки — критический момент. Крупное зерно не только ухудшает вязкость, но и способствует образованию грубых пластин мартенсита при охлаждении.

Внедрение микролегирования ванадием или ниобием позволяет эффективно измельчать зерно за счет формирования карбонитридных частиц, препятствующих его росту в процессе нагрева. Это дает заметный прирост сопротивления усталостному разрушению, напрямую продлевающий ресурс пути.

Охлаждающая способность среды также требует постоянного мониторинга. Жесткость воды значительно изменяется с ее температурой и минерализацией.

В производственных условиях применяют системы автоматического поддержания заданных параметров подачи, чтобы интенсивность теплоотвода оставалась постоянной по всей длине обрабатываемого рельса. Это исключает появление участков с неравномерной структурой и, как следствие, с локально повышенным износом.

Итоговая износостойкость определяется не просто высокой твердостью, а именно тонкой дисперсной феррито-карбидной смесью, получаемой при точном управлении распадом аустенита. Такая структура успешно противостоит как абразивному изнашиванию от контакта с колесами, так и контактно-усталостным повреждениям, возникающим под воздействием циклических нагрузок.

Случаи преждевременного выхода рельсов из строя часто связаны с отклонениями в структуре: наличием остаточного аустенита, крупными карбидами или недостаточно снятыми напряжениями после отпуска.

Понимание глубинных металлургических принципов, связывающих параметры нагрева, кинетику охлаждения и итоговую структуру, позволяет оператору линии не просто следовать инструкции, а грамотно корректировать процесс. Так, визуальный контроль цвета побежалости на поверхности рельса после закалки может дать первичную информацию о толщине закаленного слоя и равномерности обработки, что служит оперативной подсказкой для настройки оборудования.

Каждый этап термического упрочнения, от аустенитизации до отпуска, вносит свой решающий вклад в создание материала, способного десятилетиями выдерживать экстремальные нагрузки стальных магистралей.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев