blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-2-93-101blackmet-1846Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESРазработка и моделирование технологического процесса сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов. Моделирование процессов, протекающих при сварке и локальной термической обработкеWelding of differentially heat-strengthened rails. Modeling of processes during welding and local thermal processingКозыревН. А.KozyrevN. A.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

kozyrev_na@mtsp.sibsiu.ruШевченкоР. А.ShevchenkoR. A.

ассистент кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Assistant of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

shefn1200@mail.ruУсольцевА. А.Usol’tsevA. A.

к.т.н., доцент кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

a.us_@rambler.ruПрудниковА. Н.PrudnikovA. N.

д.т.н., профессор кафедры материаловедения, литейного и сварочного производства

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Materials, Foundry and Welding Production”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

a.prudnikov@mail.ruБащенкоЛ. П.BashchenkoL. P.

к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики и экологии

654007, Россия, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Power and Ecology”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

luda.baschenko@gmail.comСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation20202904202063293101Copyright © Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Усольцев А.А., Прудников А.Н., Бащенко Л.П., 20202020Козырев Н.А., Шевченко Р.А., Усольцев А.А., Прудников А.Н., Бащенко Л.П.Kozyrev N.A., Shevchenko R.A., Usol’tsev A.A., Prudnikov A.N., Bashchenko L.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1846

Проблема образования локальных закаленных участков в металле сварного стыка в процессе сварки рельсов при изготовлении бесстыкового пути решается путем использования локальной термической обработки сварного стыка. В результате исключается образование закалочных структур, однако возможно появление новых зон термического влияния с пониженной твердостью. При эксплуатации такие рельсы характеризуются повышенным износом поверхности катания на данных участках и смятием головки на месте сварного стыка, что и является основной причиной изъятия рельсов из пути ранее гарантированного срока. Предложено использование новой технологии, основанной на знании зависимостей степени дисперсности структурных составляющих (в первую очередь перлита и карбидных частиц, образующихся в процессе получения сварных стыковых соединений рельсов) от состава стали и условий охлаждения. Скорость охлаждения оказывает определяющее влияние на степень дисперсности феррито-цементитной структуры, образующейся при распаде аустенита. При сварке рельсов в стыковом шве образование зернистого перлита возможно в участках с температурой, лежащей в интервале между точками Ac1 и Acm. Для определения этих критических температур проведены термодинамические расчеты с использованием программного обеспечения Thermo-Calc® (база данных TCFE) с учетом полученного спектрометрией химического состава образцов. Смоделированы диаграммы состояния железо – углерод для рельсовой стали 76ХСФ с минимальным и максимальным содержанием легирующих элементов по ГОСТ Р 51685 – 2013. Для получения минимального объема участков с пониженной твердостью возможно проведение сварки рельсов на жестких режимах электроконтактным способом пульсирующим методом оплавления, а для исключения образования дефектных участков с закалочной структурой возможно управление охлаждением сварного соединения с помощью контактного нагрева. Измерение распределения температур при сварке по заданным режимам и управляемого охлаждения подтверждает теоретические выводы.

Problem of generation of local hardened areas in weld metal d ing rails welding in production of continuous welded rails is solved by using local heat treatment of weld joint. As a result, appearance of quenching structures is excluded. However, new zones of thermal influence with reduced hardness may appear. During operation, such rails are characterized by increased wear of the rolling surface in these areas and collapse of the head at welded joint. It is the main reason for removing rails from the track earlier than time guaranteed. Application of new technology based on dependences of dispersion degree of the structural components (primarily perlite and carbide particles formed during obtaining welded butt joints of rails) on steel composition and rails cooling conditions is proposed. Cooling rate has a decisive influence on the degree of dispersion of ferritic-cementite structure formed during decomposition of austenite. When welding rails in a butt weld, generation of granular perlite is possible in the areas with temperature between Ac1 and Acm points. To determine these critical temperatures, thermodynamic calculations were performed using Thermo-Calc® software (TCFE database) taking into account chemical composition of the samples obtained by spectrometry. Fe – C state diagrams for 76KhSF rail steel were modeled with the minimum and maximum content of alloying elements according to the state standard GOST R 51685 – 2013. To obtain minimal volume of sections with reduced hardness, it is possible to conduct rails welding in hard conditions by electrocontact method using pulsating reflowing. To prevent formation of defective sections with quenching structure, it is possible to control cooling of welded joint using contact heating. Measurement of the temperature distribution during welding according to the given modes and controlled cooling confirms theoretical conclusions.

рельсыконтактная сваркатермическая обработкатокимпульсрежим сваркитвердостьзона термического влиянияrailscontact weldingheat treatmentcurrentimpulsewelding modehardnessheat affected zoneИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Кемеровской области в рамках научного проекта № 20-48-420003 р_а «Развитие физико-химических и технологических основ создания принципиально нового способа сварки дифференцированно термоупрочненных железнодорожных рельсов».The work was financially supported by the RFBR and the Kemerovo Region in the framework of scientific project No. 20-48-420003 р_а “Development of physicochemical and technological fundamentals ofReferencesПозняков В.Д., Кирьяков В.М., Гайворонский А.А., Клапатюк А.В., Шишикевич О.С. Свойства сварных соединений рельсовой стали при электродуговой сварке // Автоматическая сварка. 2010. № 8 (688). С. 19 – 24.Poznyakov V.D., Kir’yakov V.M., Gaivoronskii A.A., Klapatyuk A.V., Shishikevich O.S. Properties of welded joints of rail steel at electric arc welding. Avtomaticheskaya svarka. 2010, no. 8 (688), pp. 19–24. (In Russ.).Dahl B., Mogard B., Gretoft B., Ulander B. Repair of rails on-site by welding // Svetsaren. 1995. Vol. 50. No. 2. P. 10 – 14.Dahl B., Mogard B., Gretoft B., Ulander B. Repair of rails on-site by welding. Svetsaren. 1995, vol. 50, no. 2, pp. 10–14.Рукавчук Ю.П., Рождественский С.А., Этинген И.З. Дефектность стыков алюминотермитной сварки рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 4. С. 26 – 27.Rukavchuk Yu.P., Rozhdestvenskii S.A., Etingen I.Z. Defectiveness of joints at aluminothermic rail welding. Put’ i putevoe khozyaistvo. 2011, no. 4, pp. 26–27. (In Russ.).Гудков А.В., Лозинский В.Н. Новые технологические и технические решения в области сварки на железнодорожном транспорте: проблемы и суждения // Вестник ВНИИЖТ. 2008. № 6. С. 3 – 9.Gudkov A.V., Lozinskii V.N. New technological and technical solutions in welding for railway transport: problems and judgments. Vestnik VNIIZhT. 2008, no. 6, pp. 3–9. (In Russ.).Калашников Е.А., Королёв Ю.А. Технологии сварки рельсов: тенденции в России и за рубежом // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 8. С. 2 – 6.Kalashnikov E.A., Korolev Yu.A. Rail welding technology: trends in Russia and abroad. Put’ i putevoe khozyaistvo. 2015, no. 8, pp. 2–6. (In Russ.).Girsch G., Keichel J., Gehrmann R., Zlatnik A., Frank N. Advanced rail steels for heavy haul applications–track performance and weldability. – In book: Heavy haul and innovation development proceedings; 9th International Heavy Haul Conference, Shanghai, June 22 – 25, 2009. – Shanghai. 2009.Girsch G., Keichel J., Gehrmann R., Zlatnik A., Frank N. Advanced rail steels for heavy haul applications–track performance and weldability. In: Heavy haul and innovation development proceedings; 9 th Int. Heavy Haul Conf., Shanghai, June 22 – 25, 2009. Shanghai, 2009.Mutton P., Cookson J., Qiu C., Welsby D. Microstructural characterisation of rolling contact fatigue damage in flashbutt welds // Wear. 2016. Vol. 366. P. 368 – 377.Mutton P., Cookson J., Qiu C., Welsby D. Microstructural characterisation of rolling contact fatigue damage in flashbutt welds. Wear. 2016, vol. 366, pp. 368–377.Лейкин А.Е., Родин Б.И. Материаловедение. Учебник для машиностроит. специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1971. – 416 с.Leikin A.E., Rodin B.I. Materialovedenie. Uchebnik dlya mashinostroit. spetsial’nostei vuzov [Materials Science. Textbook for technical universities]. Moscow: Vysshaya shkola, 1971, 416 p. (In Russ.).Лахтин Ю.M., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для высших технических учебных заведений. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.Lakhtin Yu.M., Leont’eva V.P. Materialovedenie. Uchebnik dlya vysshikh tekhnicheskikh uchebnykh zavedenii [Materials Science: Textbook for technical universities]. Moscow: Mashinostroenie, 1990, 528 p. (In Russ.).Oyama T., Sherby O.D., Wadsworth J., Walser B. Application of the divorced eutectoid transformation to the development of fine-grained, spheroidized structures in ultrahigh carbon steels // Scr. Metall. 1984. Vol. 18. No. 8. P. 799 – 804.Oyama T., Sherby O.D., Wadsworth J., Walser B. Application of the divorced eutectoid transformation to the development of fine-grained, spheroidized structures in ultrahigh carbon steels. Scr. Metall. 1984, vol. 18, no. 8, pp. 799–804.Nakano T., Kawatani H., Kinoshita S. Effects of Cr, Mo and V on spheroidization of carbides in 0.8 % carbon steel // Trans. Iron Steel Inst. Jpn. 1977. Vol. 17. No. 2. P. 110 – 115.Nakano T., Kawatani H., Kinoshita S. Effects of Cr, Mo and V on spheroidization of carbides in 0.8 % carbon steel. Trans. Iron Steel Inst. Jpn. 1977, vol. 17, no. 2, pp. 110–115.Zhang G.H., Chae J.Y., Kim K.H., Suh D.W. Effects of Mn, Si and Cr addition on the dissolution and coarsening of pearlitic cementite during intercritical austenitization in Fe – 1 mass % C alloy // Mater. Charact. 2013. Vol. 81. P. 56 – 67.Zhang G.H., Chae J.Y., Kim K.H., Suh D.W. Effects of Mn, Si and Cr addition on the dissolution and coarsening of pearlitic cementite during intercritical austenitization in Fe – 1 mass % C alloy. Mater. Charact. 2013, vol. 81, pp. 56–67.Molinder G. A quantitative study of the formation of austenite and the solution of cementite at different austenitizing temperatures for a 1.27 % carbon steel // Acta Metall. 1956. Vol. 4. No. 6. P. 565 – 571.Molinder G. A quantitative study of the formation of austenite and the solution of cementite at different austenitizing temperatures for a 1.27 % carbon steel. Acta Metall. 1956, vol. 4, no. 6, pp. 565–571.Hillert M., Nilsson K., Törndahl L.-E. Effect of alloying elements on the formation of austenite and dissolution of cementite // J. Iron Steel Inst. 1971. Vol. 209. No. 1. P. 49 – 66.Hillert M., Nilsson K., Törndahl L.-E. Effect of alloying elements on the formation of austenite and dissolution of cementite. J. Iron Steel Inst. 1971, vol. 209, no. 1, pp. 49–66.Gouné M., Maugis P., Drillet J. A criterion for the change from fast to slow regime of cementite dissolution in Fe–C–Mn steels // J. Mater. Sci. Technol. 2012. Vol. 28. No. 8. P. 728 – 736.Gouné M., Maugis P., Drillet J. A criterion for the change from fast to slow regime of cementite dissolution in Fe–C–Mn steels. J. Mater. Sci. Technol. 2012, vol. 28, no. 8, pp. 728–736.Luzginova N.V., Zhao L., Sietsma J. The Cementite Spheroidization Process in High-Carbon Steels with Different Chromium Contents // Metall. Mater. Trans. A. 2008. Vol. 39. P. 513 – 521.Luzginova N.V., Zhao L., Sietsma J. The cementite spheroidization process in high-carbon steels with different chromium contents. Metall. Mater. Trans. A. 2008, vol. 39, pp. 513–521.Костин В.Н., Тишина Н.А. Статистические методы и модели. Учеб. пособие. – Оренбург: Изд-во ОГУ, 2004. – 138 с.Kostin V.N., Tishina N.A. Statisticheskie metody i modeli: ucheb. posobie [Statistical methods and models: Manual]. Orenburg: OGU, 2004, 138 p. (In Russ.).Скугорова Л.П. Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ. Уч. пособие. – М.: Недра, 1989. – 344 с.Skugorova L.P. Materialy dlya sooruzheniya gazonefteprovodov i khranilishch: uch. posobie [Materials for construction of oil and gas pipelines and storage: Manual]. Moscow: Nedra, 1989, 344 p. (In Russ.).Шевченко Р.А., Козырев Н.А., Шишкин П.Е., Крюков Р.Е., Усольцев А.А. Расчет оптимальных режимов электроконтактной сварки железнодорожных рельсов. – В кн.: Вестник горнометаллургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2016. № 37. С. 175 – 180.Shevchenko R.A., Kozyrev N.A., Shishkin P.E., Kryukov R.E., Usol’tsev A.A. Calculation of optimal modes of rails electrical contact welding. Vestnik gorno-metallurgicheskoi sektsii Rossiiskoi akademii estestvennykh nauk. Otdelenie metallurgii. 2016, no. 37, pp. 175–180. (In Russ.).Шевченко Р.А., Козырев Н.А., Куценко А.И., Усольцев А.А., Куценко А.А. Методика исследования влияния режимов изотермического отжига при сварке рельсовой стали // Вестник СибГИУ. 2018. № 4 (26). С. 8 – 11.Shevchenko R.A., Kozyrev N.A., Kutsenko A.I., Usol’tsev A.A., Kutsenko A.A. Methodology of the study of isothermal annealing modes impact during rail steel welding. Vestnik SibGIU. 2018, no. 4 (26), pp. 8–11. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.