Исследование дефектов при производстве рельсов Р65 из стали К76Ф современными способами неразрушающего контроля

Российские железные дороги – одни из самых протяженных и тяжело нагруженных дорог в мире. Надежность и безопасность их работы обеспечивается в основном качеством рельсов, своевременным обнаружением дефектов верхнего строения пути, ремонтом и восстановлением. Ремонт каждого километра пути обходится ОАО РЖД в 7 млн руб., из них ~ 4 млн руб. затрачивается на ремонт рельсов. На проведение диагностики рельсового хозяйства ежегодно РЖД расходует ~ 4 млрд руб. Каждый километр рельсового пути проверяется 13,5 раз в году. В штате дефектоскопистов состоит более 9,1 тыс. чело- век [1, 2]. Сокращение этих затрат в первую очередь требует улучшения металлургического качества поставляемых отечественных рельсов: совершенствование профиля рельсов, технологии выплавки и разливки рельсовой стали, увеличение длины рельсов, позволяющее сократить количество стыков, использование термического упрочнения с помощью дифференцированной закалки [3–5]. Наличие стыков приводит к появлению ударных нагрузок. Скольжение, пластическая деформация поверхности приводят к нагреву поверхности катания рельса выше критических точек и закалке поверхностного слоя глубиной до 30–50 мкм из-за быстрого отвода

Таблица 1

Размер зерна аустенита и межпластинчатое расстояние в сорбите закалки в рельсах разных производителей

Производитель рельсов	Размер зерна аустенита, мкм	Межпластинчатое расстояние в сорбите, нм
Евраз	13,2	200
ПАО «ЧМК» Мечел	18,2	152
Япония	18,0	140
Австрия	35,4	–
США	18,6	250

Критический размер усталостной трещины

Таблица 2

Производитель рельсов Размер критической трещины, мм Евраз ЗСМК 4,0–7,0 ПАО «ЧМК» Мечел 3,2–7,0 Япония 6,0–9,0 Австрия 2,0–4,0 США 5,9–12,4 тепла вглубь металла с образованием мартен-ситно-карбидного слоя [6]. Высокая твердость и хрупкость этого слоя вызывает его отслаивание, приводит к увеличению износа рельсов. Интенсивность развития особо опасных поперечных усталостных трещин в головке рельсов оказывает наибольшее влияние на живучесть рельсов [5, 7].

С помощью дифференцированной закалки с прокатного нагрева в рельсе базовой категории, например, ДТ350 (дифференцированно-упрочненные рельсы с твердостью 361–401 HB, ГОСТ Р 51685–2013), можно сформировать мелкозернистую однородную аустенитную структуру (~ 18–13 мкм, табл. 1), превращающуюся затем при охлаждении в тонкодисперсный пластинчатый сорбит (~ 150–200 нм, табл. 1) [8–10].

Увеличение степени дисперсности структуры обеспечивает более высокие характеристики сопротивления контактной усталости, в частности уменьшаются критические размеры усталостных трещин. Причем критический размер усталостной трещины рельсов ДТ 350 отечественного производства сопоставим с аналогичной характеристикой для рельсов ведущих зарубежных производителей (табл. 2) [2].

Дифференцированная закалка рельсов приводит также к уменьшению их коробления в 4,3 раза: от 1,3 мм на 1 м длины объемнозакаленного рельса до 0,3 мм [2].

Для оценки качества рельсов Р65 широко применяются различные виды неразрушаю- щего контроля, которые позволяют выявлять следующие дефекты и недопустимые отклонения:

– внутренние несплошности в головке, шейке и средней части подошвы рельса (неметаллические включения, трещины, закаты при прокатке заготовок);

• –    дефекты поверхности катания головки и основания подошвы (подповерхностные трещины, царапины);

• –    отклонения от прямолинейности рельсов в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

• –    отклонение от формы рельсов в поперечном сечении (разнотолщинность, ромбич-ность квадрата и т. д.) [8–11].

Материал и методика исследования

Объект исследования – рельсы Р65 производства ПАО «ЧМК» из стали марки К76Ф, выплавленной в конверторе. Цифра 65 указывает массу одного метра рельса в килограммах. Состав рельсовой стали приведен в табл. 3.

Полученные на машине непрерывного литья заготовки прокатывались на рельсобалочном стане. Готовые рельсы подвергались дифференцированной закалке с температуры прокатного нагрева и правке. Они прошли контроль на ультразвуковых установках СОНОТРОН EMAT–880 (метод А), СОНОТРОН/24 (метод Б), выявляющих не-сплошности размерами от 50 мм и 2 мм соответственно [10, 11]. При превышении на де-

Химический состав стали К76Ф (масс. %) [3]

Таблица 3

C	Mn	Si	Cr	N	V	P 1	S 1	Al
						не более
0,71–0,82	0,75–1,25	0,2–0,6	не более 0,20	–	0,03–0,15	0,020	0,020	0,004

Массовая доля остаточных элементов в стали не должна превышать: суммарная меди и никеля – 0,27 %; титана – 0,010 % [3].

Рис. 1. Дефектограмма шейки рельса Р65, полученная методом Б (станция СОНОТРОН/24)

Рис. 2. Схема вырезки образцов в дефектной шейке рельса: № 1 – вблизи головки рельса, № 2 – средняя часть шейки, № 3 – нижняя часть вблизи подошвы рельса

фектограмме амплитуды отраженного сигнала более 50 % экрана сканирования (т. е. выше горизонтали на рис. 1), в рельсе фиксировалось место залегания дефекта, где затем отбиралась проба для более детального изучения. Проба разрезалась на образцы (рис. 2), которые шлифовались, полировались и травились в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Поверхность образцов изучалась с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6460LV, снабженного энергодисперсионным анализатором фирмы Oxford Instruments для проведения микрорентгеноспектрального анализа. При этом оценивались форма, размеры, характер рас- пределения неметаллических включений и их химический состав.

Обсуждение результатов

Согласно полученным электронно-микроскопическим данным дефекты шейки рельса, выявленные ранее методом ультразвукового контроля, представлены вытянутыми строчками (рис. 3а, образец № 1); цепочкой строчек размером от 100 до 200 мкм (рис. 3б, образец № 2); разорванными участками включений размером от 130 до 430 мкм (рис. 3в, г, образец № 3); а также массивными образованиями размером до 1 мм (рис. 3д, образец № 1).

б)

в)

г)

д)

Рис. 3. Формы и размеры неметаллических включений в образцах: № 1 (а, д); № 2 (б); № 3 (в, г)

Эти дефекты состоят из неметаллических включений разной природы даже в пределах одного выделения. Так, в строчке образца № 1 разные ее участки, отмеченные светлым перекрестием и прямоугольником на рис. 4, с которых набирался рентгеновский спектр для количественного определе- ния элементного состава, образованы сложными оксидами и алюмосиликатами. Их валовой состав, рассчитанный программой обработки спектра INCA Energy, приведен в табл. 4.

В средней части шейки рельса (образец № 2) встречаются аналогичные включения, а

а)

б)

Рис. 4. Участки микрорентгеноспектрального анализа химического состава дефекта шейки рельса (образец № 1): а – место набора спектра 1; б – место набора спектра 2

Химический состав участков неметаллических включений в образцах шейки дефектного рельса Р65, масс. %

Таблица 4

Образец № 1
№ спектра	O	Na		Mg		Al		Si			S	K	Ca			Ti		Mn		Fe		Zr
1	39,36	5,71		0 , 99		12,21		22,01			0,38	0,38	0,38			0,38		1,78		3,92		–
2	39,53	1,96		1, 19		20,01		19,60			0,30	0,58	2,07			1,02		11,37		1,70		0,68
Образец № 2
	C	O	Na		Mg		Al		Si		S	K	Ca		Ti		V		Mn		Fe	Zr
3	3,63	–	–		–		–		–		14,47	–	–		0,61		1,29		33,62		46,38	–
4	–	32,95	0,41		0,73		9,00		14,90		–	0,55	1,31		2,60		–		15,59		13,58	8,38
Образец № 3
	O				Si					S				Mn					Fe
5	31,19				0,37					–				–					62,84
6	–				–					32,12				62,40					5,48

а)

б)

Рис. 5. Участки микрорентгеноспектрального анализа химического состава дефекта шейки рельса (образец № 2): а – место набора спектра 3; б – место набора спектра 4

также вытянутые сульфиды марга н ц а , ок ай мленные карбидами Ti и V (те мн ые ча с ти ц ы на г ра н иц е с ул ь фи д а) ( рис . 5 , та б л. 4 ) .

В образце № 3 ( бли же к п од ош в е ре л ьс а)

выявляются массивные области оксидов железа с четкой выраженной зернистой структурой и микротрещинами (рис. 6а). В поле оксидов часто располагаются сульфиды марган-

а)

б)

Рис. 6. Участки микрорентгеноспектрального анализа химического состава дефекта шейки рельса (образец № 3): а – место набора спектра 5; б – место набора спектра 6

ц а, п о к ра ям к отор ых р а с п ре де ле ны к а р б и дные фазы (рис. 6б, табл. 4).

Наиболе е опа с н ыми с то чк и зре н и я к о нтактно- ус талос тн ых ра зр у ш е н и й ре льс ов я в л яю тс я с т рочк и тв е рд ы х тру д н од е ф орми руе- мы х в ыс о к огли н оз е ми с т ых ок с ид н ых в ключений с содержанием Al 2 O 3 боле е 5 0 % [12]. С огл а с н о [ 13 ] э ти ча с ти ц ы с п ос о б с тв у ю т раз в и ти ю сд в и говы х н а п ря же н и й в ма три це, с у ще с тв е н н о пон и жаю щ и х жи зн е н н ый ре с у р с эксплуатируемых р е льс о в . В д а н н ой ра б оте в ше й к е д ефе к тных ре л ьсов та к и е в к л ю че н и я о б н а ру жи вали с ь . Их разм еры н е в е лик и , но о ни в с треча ю т с я в в и д е с к оп ле н и й , в ели чи н а кот оры х с та н ов и тс я д ос т а точн ой д ля ре аги р ования ультразвукового датчика.

Де ф е к то гра мм ы ш е йк и р е льс а с н едопус ти мым п ревы ше н и е м а мпли ту д ы отра ж е н н ог о зв у к ов ого с и гн а ла фи к с ировали с ь п ри ме рно в 80 % с лу ча е в в с е х от б рак ов а н н ых у льтра зву ковы м к он троле м р е л ьс о в . У с лов и я к ри с та л л и з ац ии неп ре ры в но ли т ой за готов к и с е че н ием 300 × 360 м м сп ос обству ю т об ра зов а н и ю немета л ли чес к и х вк лю ч ен и й п ре и му щ е с тв ен н о в ее ц е н тре , и з к оторого п ри п ос ле д у ю ще й п рок атк е и ф орми ру е тс я ш е й к а ре ль с а.

При эксплуатации рельсов может наблюдаться их разрушение из-за расслоений в шейке (в классификаторе дефектов это 5-я группа [10]). Однако, как показывают длительная эксплуатация рельсов и полигонные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ, основную массу рельсов изымают по причине контактно-усталостных повреждений их головки [6, 14, 15].

Заключение

В процессе производства рельсов из стали К76Ф с помощью ультразвукового контроля выявлены дефекты главным образом в их шейке. Это неметаллические включения, сформировавшиеся в стали при выплавке, раскислении и разливке. Согласно выполненному электронно-микроскопическому исследованию они представляют собой сложные алюмосиликаты, сульфиды, окаймленные карбидами титана и ванадия, а также вкатанную при прокатке окалину.

Применяемая в производстве ПАО «ЧМК» рельсов схема выявления внутренних дефектов методом ультразвукового контроля достаточно эффективна. Однако для определения более полной картины распределения дефектов целесообразно использовать дополнительную секцию наклонных датчиков для головки рельса.