CZ295574B6 - Profilový vývalek a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Profilový vývalek, zejména kolejnice pro tramvajové a železniční koleje, sestávající ze slitiny na bázi železa, obsahující uhlík, mangan a popřípadě chrom, prvky tvořící karbidy a také ovlivňující chování materiálu při přeměně a/nebo mikrolegovací přísady, zbytek je tvořen železem a obvykle se vyskytujícími a výrobou podmíněnými nečistotami, a mající strukturní stavbu, vytvořenou alespoň v části svého příčného průřezu z austenitické oblasti slitiny urychleným zchlazením. Slitina na bázi želena obsahuje v hmotnostních množstvích křemíku až 0,93 %, s výhodou 0,21 % až 0,69 %, hliníku až 0,06 %, s výhodou až 0,03 %, 0,41 % až 1,3 % uhlíku, 0,31 % až 2,55 % manganu, přičemž alespoň v dílčích oblastech svého příčného průřezu má vývalek podél své délky strukturu, která je vytvořena při v podstatě izotermické přeměně struktury z austenitu v oblasti spodního mezistupně nebo spodního bainitického stupně. Vývalek se v podélném směru ochladí alespoň části příčného průřezu z austenitické oblasti na teplotu mezi martenzitovou teplotou slitiny a hodnotou překračující tuto teplotu o nejvýše 250 .degree.C, s výhodou nejvýše 190 .degree.C, s výhodou na teplotu v oblasti 5 .degree.C až 110 .degree.C nad martenzitovou teplotou a struktura se nechá přeměnit v podstatě izotermicky.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká profilového vývalku, zejména kolejnice pro tramvajové a železniční koleje, sestávajícího se ze slitiny na bázi železa, obsahující uhlík, mangan a popřípadě chrom, prvky tvořící karbidy a také ovlivňující chování materiálu při přeměně a/nebo mikrolegovací přísady, zbytek je tvořen železem a obvykle se vyskytujícími a výrobou podmíněnými nečistotami, a majícího strukturní stavbu vytvořenou alespoň v části svého příčného průřezu z austenitické oblasti slitiny urychleným zchlazením.

Vynález se také týká způsobu výroby profilového vývalku, zejména kolejnice pro tramvajové a železniční koleje, ze slitiny na bázi železa mající strukturní stavbu alespoň v části svého průřezu vytvořenou z austenitické oblasti slitiny urychleným chlazením, při kterém se alespoň části povrchové plochy vývalku ostřikují chladicí látkou nebo se ponořují do chladicí látky.

Dosavadní stav techniky

Vývalky mohou být jako konstrukční prvky pro různá použití různě zatěžovány, přičemž na základě obecných materiálových vlastností se podle nejvyššího předpokládaného zatížení provádí určité dimenzování dílů anebo se určuje jejich životnost v provozu. Z technického a také ekonomického hlediska může být výhodné, jestliže je účinný profil konstrukčního dílce přizpůsoben kladeným požadavkům, popřípadě jestliže má konstrukční díl zvláště vysoké parametry v těch oblastech, které jsou pro konkrétní zatížení nejdůležitější.

Na příkladu kolejnic pro tramvajové a železniční koleje je možno zřetelně pozorovat vícevrstvé rozložení namáhání materiálu. Pro kolejovou dopravu by měly mít kolejnice na jedné straně vysokou odolnost proti opotřebení v oblasti své hlavy, popřípadě na pojezdové ploše, která nese kola kolejových vozidel, a na druhé straně by měly mít ve zbývající oblasti svého průřezu vysokou houževnatost, pevnost a odolnost proti lomu, aby byla kolejnice schopna odolávat velkým ohybovým namáháním.

Pro zlepšení užitných vlastností kolejnic při narůstající intenzitě provozu a stále se zvětšujících nápravových zatíženích byla již navržena řada řešení na zvýšení tvrdosti hlavy kolejnice.

Z AT 399345 (B) je znám způsob zpracování materiálu, kterým se má dosáhnout splnění těchto požadavků, při kterém se hlava kolejnice, vytvořená ze slitiny v austenitické oblasti, ponoří do chladicího prostředku, obsahujícího syntetickou chladicí přísadu, a ochladí se na teplotu v rozsahu od 450 °C do 550 °C, načež se vyjme, takže se vytvoří v oblasti hlavy kolejnice jemná perlitická struktura se zvýšenou tvrdostí materiálu. K provádění podobného způsobu výroby je zEP 441 166 (A) známo zařízení umožňující jednoduchými technickými prostředky zajišťovat ponořování hlavy kolejnice do ponořovací nádrže obsahující chladicí kapalinu.

Další způsob vytváření stabilní perlitické struktury v kolejnicích je znám z EP 186 373 (Bl), při kterém se v podstatě využívá soustavy trysek pro urychlené chlazení kolejnice chladicí látkou a při kterém se nastavuje vzdálenost mezi soustavou trysek a hlavou kolejnice v závislosti na hodnotách tvrdosti, které mají být dosaženy v hlavě kolejnice, a na uhlíkovém ekvivalentu oceli.

Způsob tepelného zpracování profilových vývalků, zejména kolejnic, a zařízení k provádění tohoto způsobu, jsou známy z EP 0 693 562 (A), přičemž při tomto způsobu se zejména v hlavě kolejnice vytváří jemně perlitická struktura se zvýšenou tvrdostí a odolností proti oděru. Další způsob vytváření jemně perlitické struktuiy v hlavě kolejnice je popsán v EP 293 002 (A). Při

-1 CZ 295574 B6 tomto způsobu se hlava kolejnice ochlazuje paprsky horké vody až na teplotu 420 °C a potom se na ni působí proudem vzduchu.

Z EP 0 358 362 (A) je znám způsob, při kterém se hlava kolejnice ochladí z austenitické oblasti slitiny s vysokou intenzitou a mírou tak, že teplota povrchové plochy kolejnice zůstává nad teplotou přeměny na martenzit. Po dosažení zvolené teploty se omezuje chladicí úěinek, takže může proběhnout úplná izotermická přeměna austenitu na jemnější perlit ve spodním perlitickém stupni. Podle chemického složení oceli má tato přeměna struktury proběhnout bez tvorby bainitu.

Kolejnice se zvýšenou odolností hlavy proti opotřebení a s vysokou bezpečností patky proti lomu se vyrábějí způsoby podle EP 0 136 613 (A), popřípadě DE 33 36 006 (A), při kterém se kolejnice po vyválcování a ochlazení na vzduchu při teplotě 810 °C až 890 °C austenitizuje a potom se zrychleně ochlazuje. Chlazení probíhá při tomto postupu tak, že v oblasti hlavy vzniká jemně perlitická struktura a v oblasti patky kolejnice vzniká martenzitická struktura, která se potom popouští.

Aby se získaly vývalky s výhodnými mechanickými vlastnostmi, zejména tramvajové nebo železniční kolejnice, které by měly vysokou odolnost proti oděru zejména v oblasti své hlavy a vyšší houževnatost ve zbývajících oblastech, je třeba podle stavu techniky dosáhnout v materiálu vytvoření jemně perlitické struktury a zamezit tvorbě mezistupňové struktury, respektive bainitické struktury, popřípadě s martenzitovými podíly.

Tyto požadavky jsou také vědecky odůvodnítelné, protože při perlitické přeměně, při které dochází k difúzi atomů, se s klesající teplotou zvyšuje rychlost nukleace pro lamelámí fáze karbidu a feritu, čímž se struktura stále zjemňuje a tím se stává při vysoké houževnatosti tvrdší a také odolnější proti oděru. Tvorba perlitu probíhá tedy nukleací a růstem krystalů, které jsou závislé na míře podchlazení a difuzní rychlosti zejména atomů uhlíku a železa.

Jestliže se rychlost chlazení dále zvýší, popřípadě jestliže se teplota přeměny dále sníží, probíhá přeměna uhlíkatých, nízkolegovaných materiálů na bázi železa na strukturu, která tvoří mezistupeň. Ačkoliv přesné vědecké vysvětlení tohoto jevu dosud chybí, bylo již mnohokrát zjištěno, že při mezistupňové nebo bainitické přeměně dojde ke znehybnění základních mřížkových atomů a změna strukturní stavby probíhá překlopením mřížky, přičemž však atomy uhlíku ještě mohou difundovat a v důsledku toho vytvářet karbidy. Při mezistupňové přeměně má strukturní stavba, vznikající bezprostředně pod teplotní oblastí přeměny nájemný lamelámí perlit, podstatně hrubší formu. Také vznikající karbidy jsou výrazně hrubší a protože jsou umístěny mezi feritovými lamelami, podstatně zhoršují houževnatost materiálu a podporují vznik únavy materiálu, přičemž současně zvyšují nebezpečí lomu konstrukčních dílů zejména při rázovém zatížení. Z těchto důvodů nemají kolejnice obsahovat žádné bainitické podíly ve struktuře svého materiálu.

Bainitická ocel bez obsahu karbidu se zvýšenou odolností proti oděru a se zlepšenou odolností proti kontaktní únavě je známa z WO 96/22396. Zvýšením obsahu křemíku anebo hliníku, pohybujícího se v hmotnostním množství od 1,0 do 3,0 %, se má nízkolegovaná ocel vývalku, obsahující 0,05 až 0,5 % hmotn. uhlíku a také 0,5 až 2,5 % hmotn. manganu a 0,25 až 2,5 % hmotn. chrómu, plynulým chlazením z válcovací teploty přeměnit na v podstatě bezkarbidovou mikrostrukturu typu „horní bainit“, což je smíšená struktura z bainitického feritu, zbytkového austenitu a martenzitu s vysokým obsahem uhlíku. Při nízkých teplotách anebo při mechanických namáháních se však mohou alespoň části zbytkového austenitu ve struktuře překlopit a vytvářet martenzit anebo tak zvaný přetvořený martenzit, takže se na hranicích fází zvyšuje nebezpečí vzniku trhlinek.

ZEP 612 852 (Al) je znám způsob výroby kolejnic s bainitickou strukturou, přičemž hlava kolejnice se ochlazuje z válcovací teploty nebo z austenitické oblasti slitiny s rychlostí ochlazování 1 °C až 10 °C za sekundu na teplotu 500 °C až 300 °C, načež následuje ohřev povrchu hlavy kolejnice na ne více než o 150 °C nad teplotu ochlazení. Způsob ochlazování podle EP 612 852

-2CZ 295574 B6 (Al) není izotermický způsob, který v kolejnicových ocelích sám způsobuje v podstatě homogenní přeměnu struktury ve spodním bainitovém stupni, respektive spodním mezistupni.

DE 1 533 982 (DAS) popisuje způsob tepelné úpravy kolejnic jejich ponořením do tekoucího lože udržovaného na konstantní teplotě z tepelně odolného prášku. ZDE 15 33 982 (D2) (nárok 3) vyplývá, že tímto způsobem lze vytvořit bainitickou strukturu kolejnice. Tento dokument ale neuvádí jak vytvořit strukturu podle spodního bainitového stupně respektive spodního mezistupně.

ZEP 612 852 Al a DE 15 33 982 (DAS) není pro odborníka v oboru zřejmé, jak se dostat k výsledku nebo k řešení problému získat strukturu splňující níže uvedené úkoly vynálezu.

Zvyšování dopravní frekvence na tratích a také zvyšování osových zatížení kolejových vozidel a růst dopravních rychlostí vlaků vyžadují vyšší kvalitu materiálu, která by měla být dosahována také lepšími provozními vlastnostmi kolejnic.

Dosud známé vývalky z nízko legovaných materiálů na bázi železa a také způsoby výroby těchto vývalků, zejména způsoby tepelného zpracování na výrobky se zlepšenými užitnými vlastnostmi mají nevýhody spočívající zejména v tom, že podle stavu techniky je možno dosáhnout dalšího zvýšení odolnosti proti oděru a houževnatosti materiálů jen za cenu nákladných legovacích opatření.

K odstranění těchto nedostatků má přispět řešení podle vynálezu, které má za úkol vytvořit profilovaný vývalek, zejména kolejnici, u které je dosaženo optimální kombinace nižší obrusnosti, popřípadě vyšší odolnosti proti opotřebení při zvýšené houževnatosti a tvrdosti materiálu a také odolnosti proti kontaktní únavě.

Dále je úkolem vynálezu vyřešit nový způsob, kterým by se zlepšily užitné vlastnosti profilovaného vývalku při hospodárném použití legovacích přísad.

Podstata vynálezu

Tyto úkoly jsou vyřešeny profilovým vývalkem, zejména kolejnice pro tramvajové a železniční koleje, sestávající ze slitiny na bázi železa, obsahující uhlík, mangan a popřípadě chrom, prvky tvořící karbidy a také ovlivňující chování materiálu při přeměně a/nebo mikrolegovací přísady, zbytek je tvořen železem a obvykle se vyskytujícími a výrobou podmíněnými nečistotami, a mající strukturní stavbu vytvořenou alespoň v části svého příčného průřezu z austenitické oblasti slitiny urychleným zchlazením, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že slitina na bázi železa obsahuje v hmotnostních množstvích křemíku až 0,93 %, s výhodou 0,21 % až 0,69 %, hliníku až 0,06 %, s výhodou až 0,03 %, 0,41 % až 1,3 % uhlíku, 0,31 % až 2,55 % manganu, přičemž alespoň v dílčích oblastech svého příčného průřezu má vývalek podél své délky strukturu, která je vytvořena při v podstatě izotermické přeměně struktury z austenitu v oblasti spodního mezistupně nebo spodního bainitického stupně.

Výhody dosažené řešením podle vynálezu spočívají především v tom, že jak bylo zjištěno, vývalek se strukturní stavbou odpovídajícího přeměně ve spodním mezistupni má podstatně zlepšené mechanické vlastnosti. Předpokladem pro to jsou přesné vymezené obsahy křemíku a/nebo hliníku v materiálu. Vyšší koncentrace křemíku a/nebo hliníku působí v nízko legovaných materiálech na bázi železa podvazujícím účinkem na gama oblast ve stavu materiálového systému tak, že je umožněna do značné míry úplná přeměna struktury z austenitu v oblasti spodního mezistupně pouze při obsahu křemíku v hmotnostním množství až 0,93 % a hliníku až 0,06 %. Překvapivě velké zlepšení vlastností materiálu mezi horní a spodní mezistupňovou strukturní stavbou není dosud dostatečně objasněno a někteří odborníci zdůvodňují tento jev tím, že v horní oblasti teplot mezistupňové přeměny, při které je sice zmrazená vlastní difúze mřížkových atomů může ještě

-3CZ 295574 B6 uhlík snadno difundovat. To způsobuje vylučování hrubých karbidových částic, viditelných optickým mikroskopem, nacházejících se mezi feritovými jehlicemi, což ve svém důsledku vede k nevýhodnému ovlivnění vlastností materiálu. V teplotní oblasti spodní mezistupňové přeměny se naproti tomu ukazuje, že difúze uhlíku je do značné míry omezena neboje dokonce do značné míry zmrazená, takže karbidy se vytvářejí v jehlicích mezistupňového feritu a jsou tak jemně rozptýleny, že již nejsou zjistitelné optickým mikroskopem, ale jsou viditelné jen na obrazu vytvořeném elektronovým mikroskopem. Toto výhodné vytvoření a rozptýlení karbidů ve struktuře spodního mezistupně vede evidentně k podstatnému zvýšení tvrdosti a pevnosti, houževnatosti, odolnosti proti lomu a proti oděru a opotřebení a také k vysoké odolnosti vývalků vůči únavě materiálu při kontaktu se zatížením.

Zvláště výhodných vlastností vývalků se dosahuje, jestliže slitina na bázi železa obsahuje v hmotnostních množstvích 0,51 % až 0,98% uhlíku, 0,91 až 1,95% manganu a zbytek je tvořen železem.

Mechanické vlastnosti vývalků se mohou dále zvýšit, popřípadě zlepšit tím, že slitina na bázi železa dále obsahuje v hmotnostních množstvích 0,21% až 2,45%, s výhodou 0,38% až 1,95 % chrómu, popřípadě až 0,88 % s výhodou až 0,49 % molybdenu, až 1,69 %, s výhodou až 0,95 % wolframu, až 0,39 %, s výhodou až 0,19 % vanadu a dále niob a/nebo tantal a/nebo zirkon a/nebo hafnium a/nebo titan jednotlivě nebo v celkovém množství až 0,28 %, s výhodou 0,19 %, a také niklu až 2,4 %, s výhodou až 0,95 % a boru až 0,006, s výhodou 0,004 %.

Pro dosažení úplné přeměny ve spodním bainitickém stupni slitiny při vyloučení smíšené struktury je podle dalšího výhodného provedení vynálezu výhodné, aby slitina na bázi železa obsahovala křemík, hliník a uhlík v takových koncentracích, že hodnota vytvořená z 2,75-násobku procent křemíku a/nebo hliníku minus procenta uhlíku byla rovna nebo menší než 2,2. Tímto vymezením nebo stanovením vzájemných poměrů se určí výhodný obsah prvků silně tvořících ferity, totiž křemíku a hliníku, a prvku tvořícího účinně austenit, totiž uhlíku, přičemž obsah a poměr těchto složek je určen s ohledem na kinetiku přeměny.

Jestliže je profilový vývalek vytvořen ve formě železniční kolejnice, sestávající z hlavy kolejnice, patky kolejnice a stojiny kolejnice spojující obě tyto krajní části, přičemž alespoň v jedné oblasti příčného průřezu vývalků, zejména v hlavě kolejnice, je do hloubky nejméně 10 mm, s výhodou nejméně do 15 mm od povrchu kolejnice, tvořen materiálem se strukturní stavbou vytvořenou ve spodním mezistupni, popřípadě ve spodní bainitické oblasti, mohou také velmi zatěžované oblasti povrchové plochy vykazovat výraznou trvanlivost.

Profilový vývalek, zejména železniční kolejnice, u které jsou průřezové oblasti se spodní mezistupňovou nebo spodní bainitickou strukturní stavbou uspořádány osově souměrně nebo středově souměrně, má další výhody spočívající ve značné tvarové stabilitě v podélném směru a v malých vnitřních napětích.

Zvláště výhodné z hlediska užitných vlastností je, jestliže má profilový vývalek v nejméně jedné oblasti se spodní mezistupňovou nebo spodní bainitickou strukturu tvrdost nejméně 350 HB, s výhodou nejméně 400 HB, především od 420 do 600 HB.

Stanovený úkol vynálezu je vyřešen také způsobem výroby profilového vývalků podle vynálezu, zejména kolejnice pro pouliční dráhy a železnice, ze slitiny na bázi železa obsahující uhlík, křemík, mangan, popřípadě chrom, prvky tvořící speciální karbidy a také ovlivňující průběh přeměny materiálu a/nebo mikrolegovací přísady, přičemž zbytek tvoří železo a výrobou podmíněné a obvyklé nečistoty, urychleným ochlazováním ze strukturní stavby tvořící austenitickou oblast slitiny, přičemž alespoň části povrchové plochy kolejnice připravené v austenitické oblasti se ostřikují chladicí látkou nebo se do ní ponoří, jehož podstata spočívá v tom, že složení slitiny se zvolí v úzkých mezích jeho průběhu přeměny při ochlazování z oblasti plošně centrované kubické atomové mřížky, popřípadě z austenitické oblasti a z vybrané slitiny se vytvoří vývalek,

-4CZ 295574 B6 načež se v podélném směru ochladí alespoň části příčného průřezu vývalku z austenitické oblasti na teplotu mezi martenzitovou teplotou slitiny a hodnotou překračující tuto teplotu o nejvýše 250 °C, s výhodou nejvýše 190 °C, především na teplotu v oblasti 5 °C až 110 °C nad martenzitovou teplotou a struktura se nechá přeměnit v podstatě izotermicky.

Způsobem podle vynálezu dosahované výhody je možno spatřovat v podstatě v tom, že je možno přesně programovat výrobní podmínky a kvalitativní požadavky pro profilované vývalky, přičemž jsou jejich mechanické vlastnosti podstatně zlepšeny. Přitom je jednak možno volit cenově příznivé chemické složení slitiny, které zajišťuje dosažení souboru potřebných vlastností výrobku, a jednak je možno předepsat a dodržet přesnou výrobní technologii s tepelným zpracováním. To je velmi důležité, protože průběh přeměn struktury při ochlazování z austenitické oblasti slitiny je závislý nejen na složení slitiny, ale také na hodnotě teploty při poslední válcovací operaci a/nebo na teplotě austenitizace, na nukleačním stavu a také na rychlosti nukleace pro fázový, popřípadě překlápěcí mechanizmus. Zajištěním příslušných podmínek pro vyvolání přeměny, popřípadě dosažení teploty materiálu, při které dochází k tvorbě martenzitu, daných nebo nastavitelných při praktickém provádění způsobu výroby, je zajištěn průběh teplot přeměny podle vynálezu.

Zvláště výhodných vlastností materiálu vývalku vyrobeného způsobem podle vynálezu se dosáhne, jestliže se podle výhodného provedení způsobu podle vynálezu provádí přeměna struktury slitiny v podstatě izotermicky v teplotní oblasti nejvýše +110 °C, s výhodou nejvýše +60 °C nad martenzitovou teplotou. Tím se zajistí pro většinu ocelí, používaných pro výrobu velmi zatěžovaných vývalků, zejména pro železniční kolejnice, teplota přeměny nejvýše 450 °C, s výhodou nejvýše 400 °C, především 300 °C až 380 °C, aby se vytvořila struktura spodního mezioperačního stupně podle vynálezu.

Jestliže se podle výhodného provedení vynálezu alespoň jedna část příčného průřezu profilového vývalku se zvýšenou koncentrací materiálu podrobí uiychlenému ochlazování, je možno dosáhnout rovnoměrného ochlazování vzhledem k podélné ose vývalku.

Ochlazování se s výhodou provádí ostřikováním povrchu chladicí látkou, které je nastavené na koncentraci hmoty v profilu vývalku.

Rovnoměrné chlazení průřezu vývalku, zejména u kolejnicových profilů, je možno dále zlepšit tím, že se vývalek v prvním kroku ponoří celým svým objemem do chladicí tekutiny, po dosažení teploty povrchové oblasti nejméně o 2 °C, s výhodou však o 160 °C nad martenzitovou teplotou, se slitina alespoň částečně vyjme z chladicí látky a ve druhém kroku se ponechá popřípadě dočasně v ponořovací lázni pouze svou oblastí s vysokou koncentrací hmoty nebo se dočasně ponoří do ponořovací lázně.

Jestliže se ochlazování vývalku provádí ostřikováním povrchové plochy chladicí látkou, nastaveným na míru koncentrace materiálu v profilu vývalku, může se technologický postup tepelného zpracování, používaný pro běžné legované kolejnicové oceli, upravit tak, že přeměna struktury probíhá v oblasti spodního mezioperačního stupně v podstatě v celém průřezu.

Zejména s ohledem na rovnoměrné působení chladicí látky a zejména na posunutí začátku přeměny slitiny na pozdější dobu je výhodné, jestliže se vývalek bezprostředně po svém vytvarování s využitím válcovacího tepla vyrovná do směru své podélné osy a přivede se k chladicímu procesu, kterým se přeměnou materiálu ve spodním mezioperačním stupni, vyvolanou chladicím postupem nastaveným podél průřezu, vytvoří speciální vlastnosti materiálu v různých oblastech jeho průřezu.

Způsob podle vynálezu je zvláště výhodně použitelný pro vytváření železniční kolejnice, zejména pro tratě s velkým provozním zatížením, mající velkou odolnost proti opotřebení, vysokou houževnatost a omezenou kontaktní únavu při vyšším specifickém zatížení, přičemž po válcování a

-5 CZ 295574 B6 po alespoň částečném termickém nastavení struktury spodního mezistupně se provádí následný rovnací proces, zejména ohybová vyrovnávací operace při teplotě okolí nebo při mírně zvýšené teplotě pro získání speciálních materiálových vlastností při stabilním narovnání kolejnice.

Příklady provedení vynálezu

Vynález bude v další části popisu objasněn pomocí příkladů provedení a výsledků zkoušek materiálu vyrobených vývalků.

Vývalek s profilem v podstatě ve tvaru písmene H by měl být vyroben s tvrdostí mezi 550 a 600 HB a s co největší houževnatostí. Pro výrobu takového vývalku bylo použito slitiny na bázi železa, obsahující v hmotnostních množstvích 1,05 % uhlíku, 0,28 % křemíku, 0,35 % manganu a 1,55 % chrómu, přičemž zbytek tvořilo železo a nečistoty. Dilatometrickými zkouškami se stanovily jednak kontinuální grafy, zobrazující vztahy času, teploty a přeměny (kontinuální grafy typu čas-teplota-přeměna) při teplotě tvorby austenitu kolem 860 °C (obr. 1), 950 °C a 1050 °C (obr. 2), a jednak izotermické grafy určující vztahy mezi časem, teplotou a austenitizací slitiny při 860 °C (obr. 3), 950 °C a 1050 °C (obr. 4). Tyto grafy odpovídají grafům známým z literatury pro tento druh oceli.

U vzorků, které se chladily zrychleným chladicím procesem z teploty tvorby austenitu 860 °C (obr. 1), bylo dosažení požadované tvrdosti materiálu (v číselné hodnotě) od 530 do 600 HB odpovídajícím chlazením jen těžko možné, přičemž struktura materiálu je vytvořena jako smíšená struktura s podstatným podílem produktů horního mezistupně, spodního mezistupně a martenzitu a materiál má špatné hodnoty houževnatosti.

Zvýšením austenitizační teploty až na 1050 °C (obr. 2) se v podstatě zamezí mezistupňové přeměně struktury, takže struktura materiálu byla při plynulém chlazení do požadované oblasti tvrdosti vytvořena z perlitu a martenzitu a nepřinesla očekávanou vysokou houževnatost materiálu.

Vzorky vytvořené z uvedené slitiny, které byly urychleně ochlazovány z teploty kolem 860 °C (obr. 3) a podle vynálezu se v nich nechala proběhnout přeměna struktury při teplotě mezi 350 °C a 300 °C (viz šipku), tedy 155 °C, popřípadě 105 °C nad bodem tvorby martenzitu, mají reprodukovatelně dosažitelnou tvrdost materiálu od 550 do 600 HB, homogenní strukturu spodního mezistupně a také podstatně zlepšenou hodnotu houževnatosti.

Dále bylo zjištěno, že se stoupající austenitizační teplotou se přesouvá oblast přeměny perlitu v příslušném stupni mezistupňové přeměny k delším časovým úsekům, takže izotermická přeměna ve spodní mezistupňové oblasti podle vynálezu, při které je dosahována tvrdost materiálu mezi 550 a 600 HB, vyžaduje dobu mezi 20 a 340 minutami při teplotě 330 °C a 180 °C (viz šipku) a zajišťuje mimořádně vysoké hodnoty houževnatosti.

Z těchto zkoušek je zřejmé, že izotermická přeměna vývalku, zejména kolejnice, v oblasti spodního mezistupně slitiny přináší jednak vysokou tvrdost materiálu při vysoké houževnatosti a jednak se odpovídajícím průběhem teploty, popřípadě volbou teplot při stanovení výrobních podmínek, eventuálně potřebného časového průběhu při tvarování materiálu dosahuje zvláštních materiálních hodnot výrobku.

Dále byly z oceli obsahující v hmotnostních množstvích 0,30 % uhlíku, 0,30 % křemíku, 1,08 % manganu, 1,11 % chrómu, 0,04 % niklu, 0,09 % molybdenu, 0,15 % vanadu a 0,016 % hliníku, přičemž zbytek tvoří železo a průvodní prvky, vyrobeny železniční kolejnice, přičemž teplota povrchu na konci válcovacího procesu byla v průměru 1045 °C. Po válcování se vývalek vyrovnal do přesného osového podélného směru a kolejnice se přesunula v této poloze do chladicího zařízení. V tomto chladicím zařízení se provádělo v prvním stupni rovnoměrné ochlazování kolejnice po celém jejím obvodu s vyšší intenzitou tak dlouho, dokud teplota povrchu částí pro

-6CZ 295574 B6 fílu kolejnice, zejména obvodové oblasti patky kolejnice, nedosáhla hodnoty kolem 290 °C. Potom se v těchto oblastech přerušilo prudké ochlazování, popřípadě se ukončilo ostřikování povrchu vývalku chladicí látkou. V druhém stupni výrobního postupu pak probíhalo intenzivní chlazení jen v oblastech kolejnice s větší koncentrací materiálu a se srovnatelně vyšší teplotou, to znamená zejména v oblasti hlavy kolejnice, přičemž toto intenzivní chlazení, popřípadě urychlené ochlazování probíhalo tak dlouho, dokud povrchová teplota nedosáhla rovněž hodnoty 290 °C. Tento druh ochlazování vyžaduje přerušované chlazení, popřípadě chlazení probíhající v jednotlivých časových intervalech nebo regulaci intenzity ostřikování chladicí látkou pro alespoň vybrané oblasti povrchové plochy průřezu.

V třetím stupni výrobního procesu se potom takto ochlazená kolejnice uloží v peci nebo v udržovací komoře s teplotou kolem 340 °C, v jejím materiálu se nechá proběhnout přeměna struktury a kolejnice se potom ochladí na teplotu okolí.

Zde je třeba poznamenat, že při provádění předběžných zkoušek byly zjišťovány izotermické grafy zobrazující vzájemné vztahy času, teploty a přeměny struktury materiálu v závislosti na austenitizační teplotě 850 °C (obr. 5) a také 1050 °C (obr. 6) a byl také zjišťován bod začátku tvorby martenzitu této slitiny, který byl roven 300 °C, popřípadě 260 °C. Důsledkem těchto výsledků bylo stanovení chladicí technologie a teploty přeměny na 340 °C.

Následné zkoušky materiálu ukázaly následující výsledky:

V celém průřezu vývalku měla strukturní stavba strukturu spodního mezistupně, popřípadě bainitického stupně.

Tvrdost hlavy kolejnice byla 475 HB a v celém průřezu kolejnice se měnila jen v nepatrných mezích.

Houževnatost materiálu, měřená rázovou vrubovou zkouškou, je rovněž podstatně zlepšena.

Zkoušky zaměřené na zkoušky houževnatosti proti vzniku trhlinek přinesly hodnoty Kj_C kolem 2300 N/mm^3/2.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (15)

1. Profilový vývalek, zejména kolejnice pro tramvajové a železniční koleje, sestávající ze slitiny na bázi železa, obsahující uhlík, mangan a popřípadě chrom, prvky tvořící karbidy a také ovlivňující chování materiálu při přeměně a/nebo mikrolegovací přísady, zbytek je tvořen železem a obvykle se vyskytujícími a výrobou podmíněnými nečistotami, a mající strukturní stavbu vytvořenou alespoň v části svého příčného průřezu z austenitické oblasti slitiny urychleným zchlazením, vyznačující se tím, že slitina na bázi železa obsahuje v hmotnostním množství křemíku až 0,93 %, s výhodou 0,21 % až 0,69 %, hliníku až 0,06%, s výhodou až 0,03 %, 0,41 % až 1,3 % uhlíku, 0,31 % až 2,55 % manganu, přičemž alespoň v dílčích oblastech svého příčného průřezu má vývalek podél své délky strukturu, která je vytvořena při v podstatě izotermické přeměně struktury z austenitu v oblasti spodního mezistupně nebo spodního bainitického stupně.

2. Profilovaný vývalek podle nároku 1,vyznačující se tím, že slitina na bázi železa obsahuje v hmotnostních množstvích 0,51 % až 0,98 % uhlíku, 0,91 až 1,95 % manganu a zbytek je tvořen železem.

-7CZ 295574 B6

3. Profilovaný vývalek podle nároku 1 nebo 2, v y z n a č u j í c í se t í m, že slitina na bázi železa dále obsahuje v hmotnostních množstvích 0,21 % až 2,45 %, s výhodou 0,38% až 1,95 %, chrómu, popřípadě až 0,88 %, s výhodou až 0,49 %, molybdenu, až 1,69 %, s výhodou až 0,95 %, wolframu, až 0,39 %, s výhodou až 0,19 %, vanadu a dále niob a/nebo tantal a/nebo zirkon a/nebo hafnium a/nebo titan jednotlivě nebo v celkovém množství až 0,28 %, s výhodou 0,19 %, a také niklu až 2,4 %, s výhodou až 0,95 % a boru až 0,006, s výhodou 0,004 %.

4. Profilovaný vývalek podle nároků 1 až 3,vyznačující se tím, že slitina na bázi železa obsahuje křemík, hliník a uhlík v takových koncentracích, že hodnota vytvořená z 2,75násobku procent křemíku a/nebo hliníku minus procenta uhlíku je rovna nebo menší než2,2.

5. Profilovaný vývalek podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je vytvořen ve formě železniční kolejnice, sestávající z hlavy kolejnice, patky kolejnice a stojiny kolejnice, spojující obě tyto krajní části, přičemž alespoň v jedné oblasti příčného průřezu vývalku, zejména v hlavě kolejnice, je do hloubky nejméně 10 mm, s výhodou nejméně do 15 mm od povrchu kolejnice, tvořen materiálem se strukturní stavbou vytvořenou ve spodním mezistupni, popřípadě ve spodní bainitické oblasti.

6. Profilovaný vývalek podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že v železniční kolejnici jsou oblasti se spodní mezistupňovou nebo spodní bainitickou strukturní stavbou uspořádány osově souměrně nebo středově souměrně.

7. Profilovaný vývalek podle nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že v nejméně jedné oblasti se spodní mezistupňovou nebo spodní bainitickou strukturou má tvrdost nejméně 350 HB, s výhodou nejméně 400 HB, především od 420 do 600 HB.

8. Způsob výroby profilovaného vývalku podle nároku 1, zejména kolejnice pro pouliční dráhy a železnice, ze slitiny na bázi železa obsahující uhlík, křemík, mangan, popřípadě chrom, prvky tvořící karbidy a také ovlivňující průběh přeměny materiálu a/nebo mikrolegovací přísady, přičemž zbytek tvoří železo a výrobou podmíněné a obvyklé nečistoty, urychleným ochlazováním ze strukturní stavby tvořící austenitickou oblast slitiny, přičemž alespoň části povrchové plochy kolejnice připravené v austenitické oblasti se ostřikují chladicí látkou nebo se do ní ponoří, vyznačující se tím, že složení slitiny se zvolí v úzkých mezích jeho průběhu přeměny při ochlazování z oblasti plošně centrované kubické atomové mřížky, popřípadě z austenitické oblasti a z vybrané slitiny se vytvoří vývalek, načež se v podélném směru ochladí alespoň části příčného průřezu vývalku z austenitické oblasti na teplotu mezi martenzitovou teplotou slitiny a hodnotou překračující tuto teplotu o nejvýše 250 °C, s výhodou nejvýše 190 °C, s výhodou na teplotu v oblasti 5 °C až 110 °C nad martenzitovou teplotou a struktura se nechá přeměnit v podstatě izotermicky.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že přeměna struktury slitiny se provádí v podstatě izotermicky v teplotní oblasti nejvýše +110 °C, s výhodou nejvýše +60 °C nad martenzitovou teplotou.

10. Způsob podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že se využije teplota přeměny nejvýše 450 °C, s výhodou nejvýše 400 °C, především 300 °C až 380 °C.

11. Způsob podle nároků 8 až 10, vy z n a č uj í c í se t í m , že se alespoň jedna část příčného průřezu profilového vývalku se zvýšenou koncentrací materiálu podrobí urychlenému ochlazování.

12. Způsob podle nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že se ochlazování provádí ostřikováním povrchu chladicí látkou, které je nastavené na koncentraci hmoty v profilu vývalku.

-8CZ 295574 B6

13. Způsob podle nároků 8 až 12, vyznačující se t í m , že vývalek se v prvním kroku ponoří celým svým objemem do chladicí tekutiny, po dosažení teploty povrchové oblasti nejméně o 2 °C, s výhodou však o 160 °C nad martenzitovou teplotou, se slitina alespoň částečně vyjme z chladicí látky a ve druhém kroku se ponechá popřípadě dočasně v ponořovací lázni pouze svou oblastí s vysokou koncentrací hmoty nebo se dočasně ponoří do ponořovací lázně.

14. Způsob podle nároků 8 až 13, vy z n a č u j í c í se t í m , že vývalek se bezprostředně po svém vytvarování s využitím válcovacího tepla vyrovná do směru své podélné osy a přivede se k chladicímu procesu, kterým se přeměnou materiálu ve spodním mezioperačním stupni, vyvolanou chladicím postupem nastaveným podél průřezu, vytvoří speciální vlastnosti materiálu v různých oblastech jeho průřezu.

15. Způsob podle nároků 8 až 14, vyznačující se tím, že se jím vytváří železniční kolejnice, zejména pro tratě s velkým provozním zatížením, mající velkou odolnost proti opotřebení, vysokou houževnatost a omezenou kontaktní únavu při vyšším specifickém zatížení, přičemž po válcování a po alespoň částečném termickém nastavení struktury spodního mezistupně se provádí následný rovnací proces, zejména ohybová vyrovnávací operace při teplotě okolí nebo při mírně zvýšené teplotě pro získání speciálních materiálových vlastností při stabilním narovnání kolejnice.