Повышение качества и конкурентоспособности высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал на основе разработки рациональных режимов холодной деформации и термической обработки

Цикл статей:
Глава 1 – Повышение качества и конкурентоспособности высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал на основе разработки рациональных режимов холодной деформации и термической обработки

Состояние, перспективы развития и проблемы производства высокопрочной арматуры периодического профиля для железобетонных шпал

Современные требования к качеству арматуры для железобетонных шпал

Арматура периодического профиля для армирования различных пред­варительно напряженных железобетонных конструкций, является самым массовым видом высокопрочной стали [1].

Весьма обширна и номенклатура изделий, изготавливаемых с предва­рительным напряжением: покрытия зданий, пролетные строения и опоры мостов, железобетонные сваи и трубы, железнодорожные шпалы, опоры ЛЭП и мачты освещения, телебашни, защитные оболочки, морские и шельфовые сооружения, плавучие доки, корпуса понтонов и многое другое. В высшей степени убедительной демонстрацией эксплуатационной надежности высо­копрочной арматуры является успешное ее использование для производства железнодорожных шпал. В мире в настоящее время их установлено более миллиарда штук. Есть участки железной дороги, где железобетонные шпалы прослужили более 40 лет и не имеют каких-либо существенных повреждений [2]. Динамические нагрузки, ощутимые температурные перепады, увлажне­ние и высушивание, замораживание и оттаивание, воздействие нефтепродук­тов и других агрессивных веществ предъявляют исключительно высокие требования к надежности и долговечности этих изделий.

Сегодня технологии производства железобетонных шпал и производи­мое для этого оборудование ориентированы на существенное сокращение металлоемкости конструкций, снижение трудоемкости и энергетических за­трат. Достичь этого позволяют [3]:

• более жесткие требования к качеству арматуры, в части повышения прочностных характеристик при сохранении и увеличении ее пластичности, технологичности и долговечности;
• переход к схемам укрупненного армирования, за счет использования высокопрочной арматуры диаметром до 10,0 мм;
• применение прогрессивной технологии преднапряжения «на бетон», когда натяжение арматуры в каналах шпал осуществляется непосредственно на бетон с постоянной ее анкеровкой по торцам изделия.

Показатели качества выпускаемой в настоящее время высокопрочной арматуры для железобетонных шпал оцениваются по механическим свойст­вам, величине потерь напряжения от релаксации, стойкости к коррозионному растрескиванию, уровню сцепления с бетоном. Кроме того, регламентируют­ся металлургическое качество металла, требования к качеству поверхности, предельно допустимые отклонения по овальности и массе погонного метра арматуры.

Структура обеспечения качества высокопрочной арматуры для железо­бетонных шпал показана на рис.1. По всем этим показателям в последние 10-15 лет зарубежными производителями достигнут значительный прогресс. Так минимальное значение временного сопротивления разрыву ав стержне­вой арматуры диаметром менее 15,0 мм должно составлять не менее 1100

Н/мм², для бунтовой проволочной арматуры диаметрами 6,0-10,0 мм ав со­л ответственно от 1770 до 1570 Н/мм [4].

Для всех видов арматуры в качестве характеристики пластичности ис­пользуется относительное удлинение перед разрывом Agt{8_п) не менее 3,5 %. Низкие потери от релаксации определяются высоким расчетным пределом упругости, величина которого составляет около 0,8 от условного предела те­кучести стали.

Для оценки уровня сцепления арматуры с бетоном используют крите­рий Рема [5 ]:

где Бсм – площадь проекции анкеруюгцих выступов на плоскость, нормаль­ную оси арматуры; ё_н – номинальный диаметр арматуры ; X – шаг анкерую- щих вмятин или выступов. Конкретные показатели качества арматуры уста­навливаются в стандартах и технических условиях зависимости от техноло­гии ее производства (табл. 1.1 -1.2).

Сравнение качественных показателей арматуры, выпускаемой за рубе­жом, показывает незначительное различие механических свойств горячека­таной и термически упрочненной продукции и более существенное отстава­ние по сортаментному ряду и механическим свойствам проволочной холод­нодеформированной арматуры. В Европейских странах в промышленных объемах выпускаются и успешно эксплуатируются на высокоскоростных ма­гистралях железнодорожные шпалы, армированные высокопрочной армату­рой диаметром 10,0 мм. Особенностью арматуры для железобетонных шпал, в отличие от других сортов арматурной стали , является высокий уровень её

прочностных свойств ав не менее 1375-1570 Н/мм . В России на высоко­прочную арматуру диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал разработа­ны ТУ 14-125-704-96, в которых отражены современные тенденции к показа­телям качества этой продукции. Применение арматуры такого диаметра и прочности позволяет полу­чать значительную экономию металла при армировании, что особенно акту­ально ввиду того, что его возврат в черную металлургию в виде лома на се­годняшний день не решен.

Анализ состояния производства высокопрочной арматуры периодического профиля для железобетонных шпал за рубежом и в России

За рубежом высокопрочная арматура для железобетонных шпал диа­метром 10,0 мм выпускается с использованием технологий деформационного упрочнения на прямоточных волочильных станах нового поколения с после­дующей механотермической обработкой и термического упрочнения. При этом западными производителями в формировании потребительских свойств арматуры комплексно задействуются практически все известные механизмы упрочнения и повышения пластичности, начиная от металлургии (микроле­гирование стали, выплавка ее в электропечах) и горячей контролируемой прокатки, и заканчивая механотермическим упрочнением путем вытяжки и низкотемпературного отпуска.

С конца 60 -х годов большое развитие получили технологии деформа­ционного упрочнения высокопрочной арматуры. Согласно современным воз­зрениям упрочнение при холодной деформации наступает в результате рез­кого возрастания числа дислокаций и их взаимного торможения, что приво­дит к повышению предела текучести стали [6], При этом в качестве основно­го процесса формоизменения используется волочение в монолитных волоках, прокатка в двух- и многовалковых калибрах или сочетание этих способов [7­9]. Технология холодной прокатки арматуры периодического профиля в мире за последнее время не претерпела существенных изменений, а усилия изго­товителей оборудования были в основном направлены на увеличение числа клетей и производительности станов. На смену одно-, двухклетьевым станам с многовалковыми калибрами пришли современные компактные многоклеть- евые непрерывные станы блочной конструкции с высокой скоростью прокат­ки, оборудованные твердосплавными валками [7, 10]. В этой индустрии за­действованы и имеют приоритеты на международном рынке оборудования и технологий такие мощные фирмы как “KOCH”, “KARL FUHR”, “BAU STAHL GEVEBE” (Германия),” PROPERZI”, “EUROROLLS”, “Р1ТТ1М”(Италия), “ELIN UNION” (Австрия) и другие.

Стремительными темпами в мире развиваются технологии, основан­ные на деформационном упрочнении в сочетании с финишной механотерми- ческой обработкой-отпуском при температуре 370-420°С под натяжением, разработанной фирмой «SOMERSET WIRE» (Великобритания). Такую арма­туру в зарубежной практике называют релаксационно стойкой или с низкими потерями от релаксации, в отечественной – стабилизированной, а метод ее получения -стабилизацией [4,11]. Релаксационная стойкость арматуры по­вышается при этом в три – четыре раза и очень мало изменяется с течением времени.

Распространению данной технологии на холоднодеформированную арматуру диаметром более 6,0 мм способствовал существенный прогресс в производстве ускоренно-охлажденной высокоуглеродистой катанки диамет­рами до 18,0 мм по способу «Stelmor» и появление на западном рынке в кон­це 90х годов нового поколения прямоточных волочильных машин для сухого волочения на которых реализуется принцип волочения с противонатяжением. Сегодня машины этого класса, а также линии стабилизации предлагают такие фирмы как «Continuus-Properzi», «MFL» , «Team Mechanica» (Италия), «KOCH» (Германия) и др. Новые волочильные машины разработаны с учё­том требований эргономики, повышают эффективность и безопасность рабо­ты оператора, обладают повышенной скоростью волочения. За счёт горизон­тальной компоновки барабанов оператор быстрее заправляет проволоку на барабаны, чем при вертикальных барабанах обычных машин такого класса. Машины снащены горизонтально намоточным устройством, вращение при­ёмника проволоки осуществляется в одной линии с плоскостью волочения проволоки, это означает что проволока не подвергается никакому скручива­нию. Волочение может осуществляться как в волоках обычной конструкции, так и во вращающихся волоках. Линии стабилизации комплектуются профи­лирующими многовалковыми установками и устройствами механотермической обработки под натяжением. В настоящее время на этой основе этой тех­нологии налажен выпуск продукции по ЕЙ 10138 с периодическим профилем рис. 1.2.

Применение технологии холодной пластической деформации с после­дующей стабилизацией обеспечивает гибкость при смене сортамента, воз­можность выполнения заказов в широком диапазоне тоннажности. Однако при этом жесткие требования предъявляются к качеству исходного подката, в части регламентации исходной микроструктуры, обеспечивающей способ­ность к обработке с большими степенями деформации. С увеличением диа­метра арматуры проявляется неравномерность пластического течения метал­ла в продольном ‘направлении с локализацией деформации сжатия в перифе­рийных слоях проволоки и действием в центральных ее слоях преимущест­венно деформаций растяжения. Неравномерность пластического течения приводит к неравномерному формированию структуры деформации, что полностью не устраняется при последующей стабилизации и снижает меха­нические свойства готовой продукции [12,13]. Особое значение имеет сни­жение деформационного разогрева с целью подавления процессов старения [14].

Самостоятельным направлением в формировании высокопрочного со­стояния арматуры является упрочнение с отдельного нагрева закалкой с по­следующим отпуском [15,16].

Получаемая по такой технологии продукция по ISO 6934-3/В22 облада­ет высокой однородностью свойств и стойкостью к релаксации, что позволя­ет ей успешно конкурировать со стабилизированной арматурой.

В нашей стране основным процессом изготовлений высокопрочной хо- лоднодеформированной арматуры по ГОСТ 7348 и шпальной арматурной проволоки по ТУ 14-4-1681-91, является деформационное упрочнение патен- тированной заготовки с последующим отпуском в расплаве солей. С исполь- зованиием данной технологии производится арматура диаметрами 3,0-8,Омм [17]. Вопросами повышения качества холоднодеформированной арматуры в рамках этой технологии уделялось значительное внимание [9,18,19]. Однако в большинстве случаев исследования преследовали целью увеличение проч­ностных характеристик холоднодеформированной арматуры диаметрами 3,0­5,0 мм, получаемой из катанки диаметрами 5,5 -8,0 мм.

По оценке НИИЖБА из производимых в России видов холоднодефор­мированной высокопрочной арматуры только проволока диаметром 5,0 мм, выпускаемая «Северсталь-Метиз», близко соответствует требованиям меж­дународных стандартов.

Большой вклад в решение вопросов повышения диаметра и показате­лей качества холоднодеформированной арматуры внесла научная школа -Магнитогорского горно-металлургического института им. Г.И. Носова (сего­дня МГТУ) учеными которой были выполнены комплексные теоретические и технологические исследования процесса производства высокопрочной хо­лоднодеформированной арматуры с использованием многовалковых калиб­ров, результаты которых послужили основой для разработки конструкций прокатных станов и промышленных технологий [20-22].

В работе [21] разработан процесс прокатки в многовалковых калибрах- калибрование в монолитной волоке (ПКВ) для производства высокопрочной

арматуры (^>1700 Н/мм² ) с новым видом периодического профиля диа­метром 7,0 мм, эффективность которого при армировании шпал подтвержде­на специалистами ВНИИжелезобетона [23]. Однако, в настоящее время, по ряду причин, потенциал этих разработок остался во многом невостребован­ным, а темпы внедрения технологии многовалковой прокатки на предпри­ятиях приостановлены.

Решающим фактором, сдерживающим развитие производства высоко­прочной арматуры больших диаметров на основе деформационного упрочне­ния является отсутствие отечественного подката диаметром более 12,0 мм требуемого качества с регламентированными показателями механических свойств и способностью к холодному пластическому деформированию [85]. Даже при условии закупки импортных волочильных станов и линий стабили­зации отечественные метизные предприятия по этой причине не могут нала­дить выпуск холодно деформированной арматуры диаметром 10,0 мм.

На металлургическом переделе высокопрочная арматура выпускается по ГОСТ 5781 и ГОСТ 10884. Максимально достигнутый уровень механиче­ских свойств высокопрочной горячекатаной арматурной стали по ГОСТ 5781, составляет 1230 Н/мм² и определяется в значительной мере химическим со­ставом сложнолегированных сталей. Прочностные характеристики такой ар­матуры в основном обеспечиваются легированием стали, для выплавки кото­рой необходимы дефицитные и дорогостоящие легирующие добавки. Ввиду этого прогнозировать освоение отечественной промышленностью горячека­таной арматуры диаметром 10,0 мм с высокими значениями временного со­противления разрыву для армирования современных железобетонных шпал в ближайшее время затруднительно.

Применение технологии термомеханической обработки с прокатного нагрева, решает вопросы повышения прочности арматурной стали без ис­пользования сложного легирования. Однако опыт освоения высокопрочной арматуры по ГОСТ 10884 из высокоуглеродистой стали с содержанием угле­рода 0,7-0,85 на заводах России и СНГ выявил проблемы высокой трещино- чуствительности этих сталей, большого разброса механических свойств гото­вой арматуры [24-26].

Обеспечить надежность технологии производства термоупрочненной арматурной стали требуемого класса прочности можно только путем очень точного определения содержания химических элементов в стали и поддержа­ния в узких пределах технологических параметров прокатки и охлаждения [24]. Термоупрочненная с прокатного нагрева арматура, вне зависимости от вида периодического профиля, после охлаждения имеет явно выраженную структурную неравномерность по сечению (рис. 1.3), что значительно пони­жает эксплуатационные характеристики изделий особенно при циклических нагрузках [27].

Арматурная сталь периодического профиля размерами до 12,0 мм про­изводится на мелкосортно-проволочных станах, имеющих высокую скорость прокатки. Прокатываемые на них профили отличаются небольшой продоль­ной устойчивостью ввиду малой площади поперечного сечения. При произ­водстве этих профилей значительно увеличиваются простои станов по при­чине застревания раската между чистовыми клетями и моталками [28,29]. Совместное действие вышеперечисленных факторов обусловило низкую эф­фективность технологии горячей прокатки при производстве горячекатаной и термоупрочненной арматурной стали периодического профиля мелких сече­ний. Немаловажно особенностью технологий горячей прокатки на сортовых станах является экономическая нецелесообразность выполнения малотон­нажных заказов. В 1996 г. в России были разработаны технические условия ТУ-14-125- 704-96 на арматуру диаметром 10,0 мм для армирования современных желе­зобетонных шпал. Механические свойства арматуры в таблице 1.3.

В качестве исходной заготовки предусмотрено использование кремни­стых сталей с химическим составом, соответствующим сталям марки 40С2 или 55С2.

Применению сталей этой группы в производстве арматуры способству­ет положительное влияние кремния на фазы, которые определяют структур­ное состояние металла. Кремний создает в твердом растворе направленные связи, а при повышенных концентрациях обеспечивает упорядоченность рас­пределения атомов в решетке, что, в свою очередь, повышает сопротивление движению дислокаций на стадии микропластической деформации [79]. Кремний в малой степени увеличивает количество остаточного аустенита, но значительно повышает сопротивление малым пластическим деформациям, что оказывает положительное влияние на величину длительной прочности арматуры изготавливаемой из кремнистой стали [30].

Единственным предприятием до недавнего времени выпускающим ар­матуру из стали 55С2 методом термического упрочнения был «Омутнинский металлургический завод». Однако вышеизложенные причины обусловили низкую эффективность производства и неудовлетворительное качество про­дукции.

Сегодня ни одно отечественное металлургическое предприятие не ос­воило производства данного вида продукции, а заводы ЖБШ закупают арма­туру импортного производства. В связи с этим актуальным является поиск технических решений по формированию заданного уровня качества и повы­шение конкурентоспособности высокопрочной арматуры для железобетон­ных шпал диаметром 10,0 мм .

Обоснование выбора технологических режимов формирования качества арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал

В любом технологическом процессе объектом управления являются показатели качества продукции, установленные нормативно-технической до­кументацией [31]. В достижении нормируемого уровня показателей качества используются различные методы: экономические, организационные, иннова­ционные, технологические, статистические и др. [32]. От грамотного сочета­ния этих методов зависит эффективность и результативность технологиче­ских процессов и конкурентоспособность продукции [33].

На наш взгляд эффективным способом решения задачи освоения арма­туры по ТУ-14-125-704-96 диаметром 10,0 мм из кремнистых сталей 40С2 и 55С2 может стать технологическая схема, включающая два технологических блока формирования качества продукции. Первый блок – процесс получения арматуры периодического профиля методами холодной пластической дефор­мации, состоит из операции однократного волочения подката в монолитных волоках на размер под профилирование и профилирования. С учетом формы поперечного сечения арматуры, регламентированной техническими условия­ми ТУ-14-125-704-96, операция нанесения периодического профиля базиру­ется на двухвалковой схеме профилирования круглой заготовки. Второй технологический блок включает термическое упрочнение закалкой с отпус­ком профилированной в холодном состоянии арматуры периодического про­филя.

Такой подход открывает более широкие возможности в управлении качеством продукции за счет реализации преимуществ холодной пластиче­ской деформации и термообработки на каждой отдельной стадии производ­ства. Так на этапе холодного пластического деформирования появляется возможность получать арматуру по теоретической массе, обеспечить точ­ность выполнения геометрических показателей качества. На втором этапе термической обработки сформируется высокопрочное изотропное состояние арматуры.

В целом технологический процесс должен обеспечить выпуск мало­тоннажных партий арматуры, гибкость и мобильность при смене сортамента, многовариантность финишного упрочнения, получение стабильных одно­родных механических свойств арматуры и повышение конкурентоспособно­сти продукции.

Чтобы реализовать преимущества предлагаемой технологической схе­мы необходимо определить размер заготовки под профилирование на основе металлоемкости элементов арматурного профиля, разработать аппарат оцен­ки и управления напряженным состоянием арматуры с учетом специфики кремнистых сталей на стадии холодного пластического деформирования при волочении на размер под профилирование, которое с учетом условий профи­лирования предопределяет склонность стали к появлению закалочных тре­щин при последующей термической обработке. Изучение напряженного со­стояния в процессе волочения и его влияния на качество арматуры, подвер­гаемой термообработке является необходимым условием проектирования ре­зультативных режимов обработки выпуска качественной продукции [83].

Методы исследования процесса волочения, основанные на усреднении продольных напряжений в поперечных сечениях очага деформации и его ог­раничении плоскими или сферическими поверхностями входа и выхода ме­талла из волоки, обычно исключают возможность расчета распределения на­пряжений в радиальном направлении и определения действительных разме­ров очага деформации. Такие методы в основном дают возможность найти напряжение волочения, необходимое при расчетах нагрузок волочильного оборудования и оценки энергосиловых параметров процесса волочения [34]..

В настоящей работе для расчета напряженного состояния в очаге де­формации при волочении предлагается метод линий скольжения и характе­ристик. Этот метод, применяемый при решении плоских и осесимметричных задач, ведет свое начало от работ М. Леви, Г. Генки и Л. Прандтля. Собст­венно метод и его приложение получили свое дальнейшее развитие в работах отечественных ученых: A.A. Ильюшина [35], В.В. Соколовского [36], А.Ф. Томленова [37], К.Н. Шевченко [38], Л.М. Качанова [39], Г.Э. Аркулиса [40] и др.

Используя поле линий скольжения, построенное Р. Хиллом [41] для плоской задачи, Г. Генки принял допущение о возможности его использова­ния при решенииосесимметричной задачи [42] Позже предположение Г. Ген­ки было подтверждено на основании экспериментальных исследований про­веденных Т. Иорданом и Е. Томсеном [43], О. Павельский, используя поле линий скольжения такое же, как при протяжке листа, но интегрируя диффе­ренциальные уравнения равновесия для осесимметричной задачи с учетом условия пластичности Мизеса, рассмотрел волочение круглого прутка [44]. Автором получены значения и характер распределения компонент тензора напряжений на входе и выходе из очага деформации. Постоянные интегриро­вания определялись при использовании краевых условий на входной границе поля линий скольжения весьма трудоемким методом – графически. Упрочне­ние материала учитывалось средней за проход величиной сопротивления де­формации, а силы трения на контакте при построении поля не рассматрива­лись.

Развитие метод получил в работе Х.И. Копыловского [45], посвящен­ной изучению напряженного состояния материала при волочении моно- и биметаллических прутков. Впервые было предложено оценивать опасность появления внутренних дефектов в проволоке наличием в очаге деформации зоны всестороннего растяжения, снижающей пластичность металла. В зави­симости от технологических факторов волочения, качества исходной заго­товки эта зона инициирует образование дефектов или приводит к «разрыхле­нию» осевых слоев проволоки. Опытные исследования подтвердили полу­ченный характер распределения напряжений в очаге деформации и возмож­ность появления внутренних дефектов при определенных параметрах про­цесса волочения.

Современная вычислительная техника и программные процедуры от­крывают новые возможности при изучении напряженного состояния методом линий скольжения. Большой объём графических построений и математиче­ских операций, необходимый при расчете напряженного состояния, может быть быстро вычислен при использовании специально разработанных ком­пьютерных программ. Программные продукты на базе современных инфор­мационных технологий легко интегрируются в системы управления качест­вом продукции, позволяют быстро реагировать на изменения технологиче­ских параметров процессов. Для проектирования рациональных режимов хо­лодной пластической деформации с использованием метода линий скольже­ния необходима разработка программного обеспечения на базе современных языков программирования, позволяющая вычислять напряженное состояние и давать визуальную картину распределения напряжений в очаге деформа­ции.

Технологическая схема холодного профилирования арматуры диамет­ром 10,0 мм с нанесением двухстороннего периодического профиля с серпо­видными выступами на поверхность холоднотянутой круглой проволоки ра­нее не исследовалась. С целью получения научных сведений о закономерно­стях явлений, происходящих при таком способе профилирования и влияю­щих на формирование геометрических показателей качества продукции, тре­буются дополнительные исследования.

Известно, что конечные величины формоизменения можно определить только при известной кинематической схеме течения металла в очаге дефор­мации. В случае операции профилирования, которая является одним из слу­чаев периодической прокатки, кинематические схемы течения металла в оча­ге деформации очень сложны. Для получения формул, пригодных для прак­тического расчета, необходимо вводить упрощающие допущения с указани­ем вероятной погрешности, вносимой тем или иным допущением, а получае­мые при этом выражения математически сложны и неудобны для практиче­ского определения формоизменения [46-48]. Поэтому предпочтение в данном случае можно отдавать экспериментальным методам исследования.

В предлагаемой технологии окончательное формирование требуемых показателей качества арматуры основано на термическом упрочнении мар- тенситным превращением с последующим отпуском. Мартенситное превра­щение вызывает сильное упрочнение стали благодаря одновременному дей­ствию нескольких структурных механизмов, таких как измельчение зерна и фазовый наклеп, приводящий к получению сильно фрагментированной суб­структуры, созданной дислокациями, а также образование пересыщенного углеродом а – твердого раствора, в котором в процессе закалки или во время выдержки происходят процессы перераспределения углерода [49].

Окончательные свойства закаленная арматура приобретает в результате отпуска, при котором реализуются потенциальные возможности для повы­шения сопротивления малым пластическим деформациям и всего комплекса прочностных свойств, создаваемых в процессе закалки с мартенситным пре­вращением. В работах [50-52] указывается, что механические свойства, обра­ботанной по такой технологии проволоки, отличаются высокой однородно­стью. В работе [30], отмечается, что релаксационная стойкость сталей под­вергнутых закалке и отпуску выше, чем после деформационного наклепа и отпуска, при равных значениях временного сопротивления разрыву. Этот эффект объясняется более равномерным распределением дислокаций, обра­зующих более стабильные системы в стали после закалки и отпуска. В отли­чие от холоднотянутой проволоки и термически упрочненной с прокатного нагрева арматуры закаленно-отпущенная проволока не содержит остаточных зональных напряжений, обладает изотропностью свойств и имеет высокую структурную однородность. Из-за своих структурных особенностей эта про­волока по сравнению с холоднотянутой (рис. 1.4, 1.5) обладает повышенной циклической стойкостью в области неограниченной выносливости, а главное имеет лучшую релаксационную стойкость [50,51].

Традиционная технология термической обработки стали по схеме «за­калка – отпуск» осуществляется с использованием тепла печного нагрева. Этот вид обработки хорошо зарекомендовал себя в промышленных техноло­гиях упрочнения изделий широкой номенклатуры, обеспечивая надежность и стабильность исполнения технологических режимов, однородность свойств и высокое качество продукции. Данный способ упрочнения может быть ис­пользован как один из вариантов финишной термической обработки профи­лированной в холодном состоянии арматуры из кремнистых сталей. Перспективным приемом промышленной реализации способа терми­ческого упрочнения применительно к длинномерным изделиям, к числу ко­торых относится и арматура для шпал, являются поточные технологии ин­дукционной закалки и отпуска. Применение электронагрева вносит сущест­венные отличия в условия протекания фазовых превращений в стали, предо­пределяя характер получаемых структур и комплекс формируемых при этом свойств изделий.

Принципиальное различие между обычным нагревом в печи и внут­ренним электронагревом ТВЧ заключается в способе подвода энергии к из­делию. При обычном нагреве передача тепла осуществляется от поверхности к внутренним слоям путем теплопроводности и лимитируется градиентом температур между нагреваемым объектом и средой, коэффициентом тепло­передачи на границе раздела сред и теплопроводностью металла.

Нагрев ТВЧ происходит за счет теплового действия тока, индуктиро­ванного в самом изделии, находящемся в области переменного магнитного поля. Коэффициент теплопроводности металла, оказывающий большое влия­ние на скорость превращения при нагреве внешними источниками тепла, на­пример, в печи при индукционном нагреве не играет решающей роли. Суще­ственной особенностью индукционного нагрева является то, что, изменяя ко­личество подводимой в единицу времени энергии, приходящейся на единицу нагреваемого объема, можно практически получать любые скорости нагрева, вплоть до скоростей, исчисляемых сотнями градусов в секунду. При этом время нагрева в большинстве случаев соответствует секундам или десяткам секунд.

Кратковременность пребывания металла в области повышенных тем­ператур не обеспечивает условий для завершения диффузионных процессов при фазовых превращениях. Это вызывает ряд особенностей, которые необ­ходимо учитывать в технологии скоростной закалки и отпуска стали.

Одна из таких особенностей заключается в том, что при повышенных скоростях нагрева процесс образования аустенита завершается при более вы­соких температурах, чем при обычном печном нагреве. При этом основным фактором, обеспечивающим существенное повышение прочности и пластич­ности стали, закаленной после скоростного электронагрева, является измель­чение зерна аустенита, и соответственно, уменьшение размеров кристаллов мартенсита.

Исследованиями [53] установлено, что при индукционном нагреве можно получать размер зерна аустенита 11-14 балла, в то время как при на­греве в печи он обычно находится в пределах 7-10 балла, т.е. крупнее в 15-30 раз. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали хрупкому разруше­нию. Увеличение средней площади зерна аустенита с 40-50 (11-12 балл) до 800 мкм (7-8 балл) снижает хрупкую прочность примерно в 5 раз.

Другим фактором, положительно влияющим на получение высоких свойств стали при электрозакалке, является фиксирование в твердом раство­ре наибольшего количества углерода при применении резкого охлаждения потоком воды или душем. При таком охлаждении в максимальной степени подавляется частичный распад мартенсита при закалке и концентрация угле­рода в нем определяется последующим отпуском.

Специфика структурного состояния стали, заложенная электрозакал­кой, предопределяет особенности ее поведения и в процессе отпуска.

В первые годы применения высокочастотной термической обработки режимы закалки и отпуска назначались такими же, как и при обычной закал­ке. Однако сталь, отпущенная по технологии печного отпуска, зачастую об­наруживала пониженные свойства. В связи с этим представляет интерес рас­смотреть накопленные за последние годы в литературе сведения, касающиеся особенностей электротермического отпуска.

Действие электронагрева при низком отпуске поверхностно закаленной ТВЧ стали изучалось в работе [54]. Условия сквозного нагрева, являющегося первым и непременным требованием для термической обработки арматурной стали, в значительной мере отличаются от условий поверхностной обработ­ки. Шепеляковский К.З. [55], отмечая особенность глубинной закалки, ука­зывает, что скорость нагрева при такой обработке в 10-30 раз меньше, чем при поверхностной закалке, но и эта скорость в десятки раз превышает ско­рость нагрева внешними источниками тепла.

Особенности фазовых превращений при скоростном отпуске прово­лочных материалов, подвергнутых ранее электрозакалке, изучались в работе [56]. В этой работе отмечается, что скоростной нагрев смещает 1-ый и 3-ий эффекты отпуска в область более высоких температур. При этом не удается предотвратить процесс распада мартенсита даже при нагреве со скоростью 10⁴—10⁵ град/сек.

В значительной мере подавляется распад остаточного аустенита, кото­рый при обычном отпуске происходит в интервале температур 200-300° С с образованием фаз, аналогичных продуктам отпуска мартенсита. При быст­ром нагреве остаточный аустенит частично распадается в интервале его ми­нимальной устойчивости. Причем этот распад интенсифицируется объемным эффектом 3-го превращения. Значительное количество остаточного аустени­та может быть сохранено до субкритических температур.

Повышение скорости нагрева, как указывается в работе [53], заметно отражается на структурных изменениях при отпуске. Электроотпуск задер­живает снятие микроискажений кристаллической решетки, а рекристаллиза- ционные процессы в феррите сопровождаются уменьшением плотности дис­локаций.

Наиболее существенным является влияние быстрого нагрева на про­цессы коагуляции карбидной фазы. Размеры частиц цементита мало изменя­ются при электроотпуске в области выше температур третьего превращения, в то время, как печной отпуск сопровождается их значительным ростом. Ха­рактерной особенностью структуры электроотпущенной стали является со­стояние феррито-цементитной смеси, в которой частицы цементита имеют форму тонких пластинок толщиной порядка 0,01 мк с межпластинчатым рас­стоянием 0,10-0,15 мкм. Такому состоянию структуры соответствует повы­шенный уровень прочности металла [57].

Отпуск стали с нагревом ТВЧ изучался в работе [56]. Отпуску подвер­гали ударные образцы из сталей Х4Н, 48Х, 43XH3M, 38ХГС. Скорость на­грева изменялась в пределах от 0,01 до 150 град/с и в диапазоне 800-1000 град/с. Отпуск проводили при непрерывном нагреве до заданной температу­ры. Во всех случаях преимущества электроотпуска проявлялись тем в боль­шей степени, чем с большей скоростью выполнялся нагрев. Влияние вы­держки при отпуске сказывалось тем сильнее, чем при более высокой темпе­ратуре она назначалась. Отрицательное влияние на свойства стали оказала выдержка в интервале температур 200-500° С.

Индукционное оборудование обладает более широким спектром тех­нических возможностей по сравнению с другими видами термического обо­рудования. Индукционные установки хорошо вписываются в линии различ­ных агрегатов, позволяя создавать оптимальные технологические маршруты. Применение индукционного нагрева позволит разрабатывать эффективные режимы упрочнения арматуры, сочетающие высокую степень механизации и автоматизации с простотой обслуживания. Индукционный нагрев в сочета­нии с процессами закалочного охлаждения создает предпосылки для более высокого и стабильного уровня термической обработки, а следовательно и качества готовой продукции [58,59].

Следует заметить, что кремнистые марки стали 40С2 или 55С2, произ­водятся российскими металлургическими предприятиями в массовом объеме. В качестве закалочной среды для получения структуры мартенсита для этих сталей может быть использована вода, что значительно удешевляет операции термообработки и улучшает экологическую обстановку.

Литературные данные дают разрозненную картину поведения изделий из этих сталей при термической обработке «закалка-отпуск», выполнявшемся в разных условиях с применением различного оборудования, образцов и ма­териалов, электрических и технологических характеристик нагрева и пр. Сталь 40С2А не входит в перечень стандартных материалов, используемых в производстве упругих элементов деталей машин. Сведений о формировании механических свойств изделий из этой стали в литературе представлено не­достаточно. Кроме того, наличие на поверхности арматуры периодического профиля, полученного методами холодной-пластической деформации, будет вносить ряд особенностей в достижение требуемого качества готовой про­дукции. Научные данные о термическом упрочнении профилированной в хо­лодном состоянии арматуры периодического профиля из кремнистых марок стали в литературе нами не найдены. В связи с этим требуются отдельные исследования, результатом которых должны стать математические модели формирования механических свойств арматуры периодического профиля из кремнистых марок стали при термической обработке по схеме «закалка- отпуск», и разработка на этой основе результативных режимов термического упрочнения, обеспечивающих требуемое качество готовой продукции.

Изучив процессы формирования качества на этапах холодного пласти­ческого деформирования и термической обработки, полученные знания не­обходимо объединить в методику управления качеством высокопрочной ар­матуры железобетонных шпал, позволяющую определять рациональные ре­жимы обработки формирования заданного качества готовой продукции.

Цель и задачи исследования

Целью работы является обеспечение заданного уровня качества и по­вышение конкурентоспособности высокопрочной арматуры периодического профиля диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить сле­дующие задачи:

• разработать режимы холодной пластической деформации заготовки под профилирование на основе моделирования и анализа напряженного со­стояния в зависимости от технологических параметров процесса волочения, с учетом специфики обеспечения заданного уровня качества готовой продук­ции при профилировании и финишной термообработке;
• разработать модель управления геометрическими показателями ка­чества арматуры в процессе холодного профилирования круглой холоднотя­нутой заготовки, на базе которой определить эффективные режимы обработ­ки и калибровки профилирующих валков;
• выполнить исследование процессов формирования качества армату­ры периодического профиля из сталей 40С2 и 55С2 на этапе термического упрочнения и разработать результативные режимы финишной термообработ­ки;
• разработать методику управления качеством высокопрочной армату­ры для железобетонных шпал диаметром 10,0 мм, на основе которой опреде­лить рациональные технологические режимы обработки, обеспечивающие формирование заданного уровня качества и повышение конкурентоспособ­ности готовой продукции;
• выпустить опытно-промышленные партии высокопрочной арматуры периодического профиля для железобетонных шпал.

Список литературы

1. A.C. Мадатян. Перспективы развития стальной и неметаллической арматуры железобетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство.- № 9.- 2002.С. 18-21.
2. А.И. Звездов. 21 век -век бетона и железобетона// Бетон и железобетон .-№ 1.-2001.С. 4-6.
3. К.В. Михайлов. Задачи отечественной строительной науки в области арматуры и предварительно напряженных железобетонных конструкций// Бе¬тон и железобетон .2004- № .- 2 . С. 3-5.
4. С.А. Мадатян. Современный уровень требований к напрягаемой арма¬туре// Бетон и железобетон .2005- № 1 . С.8-10.
5. И.Н. Тихонов.. В.З. Мешков., Г.Н. Судаков. Эффективная стержневая арматура для железобетонных конструкций// Бетон и железобетон .2002- № .- 4. С-10-15.
6. Полухин П.И. Физические основы пластической деформации. М.: Ме¬таллургия, 1980, 546 С.
7. Производство арматурной проволоки холодной прокаткой// Метизы.- 2005.-№ 1.С. 18-24.
8. Никифоров Б.А Изготовление арматурной проволоки холодной прокаткой за рубежом // Черметинформация. Сер. 9. Метизное производство. – 1979.- Вып 3.-38С.
9. Б.А. Никифоров, В.А. Харитонов, E.H. Киреев. Производство высоко¬прочной арматурной проволоки. -УПИ, 1982.-96С.
10. Capo Д., Битков В.В. Технология производства холоднокатаной про¬волоки для армирования железобетонных конструкций // Сталь. – 1994. – №8. С.15-18.