PL178079B1

PL178079B1 - Sposób i urządzenie do obróbki cieplnej profilowych wyrobów walcowanych oraz profilowy wyrób walcowany

Info

Publication number: PL178079B1
Application number: PL95309657A
Authority: PL
Inventors: Georg Prskawetz; Peter Pointner; Alfred Moser
Original assignee: Voest Alpine Schienen Gmbh
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 2000-02-29
Also published as: AT402941B; JPH08170120A; AU2334995A; HRP950386B1; BR9503367A; HU9502162D0; EP0693562B1; JP3811865B2; TW300920B; UA34469C2; RU2101369C1; ATE191241T1; CA2154090A1; CA2154090C; SK282161B6; SK90195A3; CZ186195A3; CN1123331A; SI9500230B; HRP950386A2

Abstract

1 Sposób obróbki cieplnej profilowych wyrobów walcowanych, zwlaszcza szyn jezdnych lub kolejowych, ze zwiekszona predkoscia odprowadzania ciepla z czesci powierzchni profilu przy chlodzeniu z obszaru gamma materialu na bazie zelaza, przy czym w zadanym obszarze lub zadanych obszarach przekroju po- przecznego, w szczególnosci w obszarze glówki szyny, nastepuje przemiana w mikrostrukture drobnoperlityczna o zwiekszonej wytrzymalosci, zwlaszcza zwiekszonej odpornosci na scieranie i zwiekszonej twardosci, a w danym przy- padku ulega zmniejszeniu, korzystnie zas w zasadzie wyeliminowaniu, od- ksztalcenie lub przegiecie wskutek uwarunkowanego cieplnie wypaczenia sie wyrobu walcowanego, zwlaszcza szyny, prostopadle do osi wzdluznej przy ochladzaniu do temperatury otoczenia, w szczególnosci po przemianie mikrostruktury w silnie ochlodzonym obszarze lub w silnie ochlodzonych obsza- rach przekroju poprzecznego, oraz osiaga sie zwiekszona sztywnosc i wytrzy- malosc zmeczeniowa przy przemiennym zginaniu materialu walcowanego, znamienny tym, ze wyrób walcowany, zwlaszcza szyne, o sredniej temperatu- rze co najwyzej 1100°C, korzystnie co najwyzej 900°C, jednak co najmniej 750°C, wyprostowuje sie w jej kierunku wzdluznym przy plastycznym nada- waniu ksztaltu, w wyprostowanym stanie przemieszcza sie w kierunku poprze- cznym i przytrzymuje, a w pierwszej fazie chlodzenia wyrobu walcowanego lub szyny pozostawia sie ten wyrób walcowany do ochlodzenia wyrównawcze- go do temperatury ponizej 860°C, korzystnie ok 820°C, zwlaszcza od 5 do 120°C powyzej temperatury Ar3 stopu, przy stalej miejscowej intensywnosci chlodzenia, korzystnie w zasadzie przez promieniowanie w spokojnym po- wietrzu, po czym w drugiej fazie chlodzenia od wyrobu walcowanego odpro- wadza sie cieplo w kierunku wzdluznym przy lokalnie w zasadzie stalej w przekroju poprzecznym, a obwodowo róznej intensywnosci, która to intensy- wnosc chlodzenia zwieksza sie w co najmniej jednej strefie na obwodzie pro- filowego wyrobu walcowanego, przy czym wieksza intensywnosc chlodzenia lub wieksze intensywnosci chlodzenia przyporzadkowuje sie obszarowi lub obszarom o duzym stosunku przekroju poprzecznego do obwodu lub o duzym udziale objetosci w stosunku do powierzchni albo o duzym stezeniu masy i/lub obszarom o lokalnie wysokiej tem peraturze....................................... Fig 1 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej profilowych wyrobów walcowanych, zwłaszcza szynjezdnych lub kolejowych, ze zwiększonąprędkościąodprowadzania ciepła z części powierzchni profilu przy chłodzeniu z obszaru gamma materiału na bazie żelaza, przy czym w żądanym obszarze lub żądanych obszarach przekroju poprzecznego, w szczególności w obszarze główki szyny, następuje przemiana w mikrostrukturę drobnoperliiycznąo zwiększonej wytrzymałości, zwłaszcza zwiększonej odporności na ścieranie i zwiększonej twardości, a w danym przypadku ulega zmniejszeniu, korzystnie zaś w zasadzie wyeliminowaniu, odkształcenie lub przegięcie wskutek uwarunkowanego cieplnie wypaczenia się wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, prostopadle do osi wzdłużnej przy ochładzaniu do temperatury otoczenia, w szczególności po przemianie mikrostruktury w silnie ochłodzonym obszarze lub w silnie ochłodzonych obszarach przekroju poprzecznego oraz osiąga się zwiększoną sztywność i wytrzymałość zmęczeniową przy przemiennym zginaniu materiału walcowanego.

Ponadto przedmiotem wynalazku jest urządzenie do obróbki cieplnej profilowych wyroodkształcenie lub przegięcie wskutek uwarunkowanego cieplnie wypaczenia się wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, prostopadle do osi wzdłużnej przy ochładzaniu do temperatury otoczenia, w szczególności po przemianie mikrostruktury w silnie ochłodzonym obszarze lub w silnie ochłodzonych obszarach przekroju poprzecznego, oraz osiąga się zwiększoną sztywność i wytrzymałość zmęczeniową przy przemiennym zginaniu materiału walcowanego.bów walcowanych, zwłaszcza szyn jezdnych lub kolejowych, złożone w zasadzie z co najmniej jednego obszaru przygotowania materiału walcowanego na samotoku, z urządzeniem do ustawiania materiału walcowanego, z obszarem obróbki chłodzeniowej, z urządzeniami do częściowego odprowadzania ciepła z dużym natężeniem z górnej powierzchni materiału walcowanego i z obszarem końcowego chłodzenia tego materiału do temperatury otoczenia, a także środki do odkładania, przenoszenia poprzecznego, przytrzymywania i manipulowania.

Wreszcie przedmiotem wynalazku jest profilowy wyrób walcowany, zwłaszcza szyna jezdna lub kolejowa, złożona z główki o przynajmniej częściowo perlitycznej strukturze, ze stopy oraz z szyjki pomiędzy główką szyny a jej stopą.

Profilowe wyroby walcowane, zwłaszcza szyny jezdne lub kolejowe, wytwarza się najczęściej ze stopów na bazie żelaza, o zawartości wagowej od 0,4 do 1,0%C, od 0,1 do 1,2% Si, od 0,5 do 3,5% Mn, w danym przypadku do 1,5%o Cr, a także z innymi składnikami stopowymi o stężę178 079 niach poniżej 1 %, przy czym resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia, uwarunkowane procesem wytwarzania. Ze względu na stosowane zazwyczaj wymiary, np. przy ciężarze od 30 do 100 kg/m i wynikającym stąd stosunku przekroju poprzecznego szyn do ich obwodu, następuje przy ochłodzeniu materiału walcowanego od temperatury odkształcania przy spokojnym powietrzu, np. na łożach chłodzących itp., wskutek powolnego chłodzenia przemiana struktury z austenitycznej na gruboperlityczną, wykazującą zawartość ferrytu. Wymienione na wstępie materiały o podanej powyżej strukturze mają przy tym twardość w granicach od 250 do 350 HB.

Wzrost wielkości ruchu i większe obciążenie na oś oraz dążenie do zwiększenia trwałości szyn kolejowych w praktyce eksploatacyjnej przyczyniło się do wysunięcia szeregu propozycji dotyczących zwiększenia wytrzymałości materiału i jego odporności na zużycie. Korzystniejsze lub ulepszone właściwości materiału o twardości 400 HB i więcej można przy tym uzyskać przez obróbkę cieplną i/lub za pomocą środków techniki stopowej.

Szyny powinny być jednak dobrze spawalne na przęśle, m.in. w celu utworzenia bezuderzeniowych długości szlakowych lub wielokrotnych, tak, iż środki techniki stopowej do zwiększenia twardości lub wytrzymałości i odporności na obciążenia dynamiczne materiału są możliwe do zastosowania najczęściej jedynie w ograniczonym zakresie ze względu na problemy spawalnicze i są celowe w przypadku obróbki cieplnej, dopasowanej do składu stali (DE-C 3. 446. 794, EP-B-0.187.904, EP-B-0.186.373). Również z przyczyn ekonomicznych tego rodzaju metody nie sprawdziły się w większej skali.

Aby poprawić właściwości użytkowe szyn i części rozjazdów z wymienionych na wstępie materiałów, możliwe jest - jak wie o tym fachowiec - uzyskanie drobnoperlitycznej struktury materiału przez obróbkę, polegającąna ulepszaniu cieplnym. Ważne jest przy tym, aby przy chłodzeniu od temperatury austenityzacji ustalić odpowiednie warunki lub parametry chłodzenia. W opisie patentowym EP-B-0.293.002 proponuje się np. w tym celu, aby przeprowadzać praktycznie izotermiczną przemianę struktury materiału przy temperaturze ok. 530°C po okresie początkowo dużej intensywności chłodzenia. Z opisu patentowego wyłożeniowego DE-OS-2.820.784 jest ponadto znane hartowanie szyn o określonym składzie we wrzącej wodzie oraz uzyskiwanie za pomocądodatków, a także środków ruchowych żądanej intensywności chłodzenia, w celu osiągnięcia drobnoperlitycznego stanu struktury.

Według austriackiego opisu patentowego AT-PS-323.224 proponowano wytwarzanie szyn o jednorodnej drobnoperlitycznej strukturze przy odpowiednio dobranym stopie przez zastosowanie określonych parametrów chłodzenia, np. szybkości chłodzenia od 10 do 20°C/s, aż do temperatury co najwyżej 550°C. Powyższe środki mają jednak tę wspólną wadę, że ta sama intensywność chłodzenia może powodować - w zależności od stężenia masy w walcowanym profilu - rozmaite szybkości chłodzenia i otrzymywane struktury w strefach, bliskich powierzchni, oraz że często należy podejmować kosztowne zabiegi, aby uniknąć w obciążonych przede wszystkim na zginanie częściach szyny niepożądanych miejscowych stanów struktury lub właściwości materiału, zwłaszcza nadmiernej twardości i kruchości.

Proponowano także wielokrotnie docelowe uzyskiwanie niejednorodnej mikrostruktury w przekroju poprzecznym szyny, mianowicie odpowiednio do każdorazowych obciążeń. Z opisu patentowego DE-C-3.006.695 znany jest np. sposób, według którego powoduje się w całym przekroju poprzecznym przemianę przez chłodzenie szyny od temperatury walcowania, po czym główkę szyny poddaje się reaustenityzacji, zwłaszcza przez nagrzewanie indukcyjne, a bezpośrednio potem hartowaniu. Dalej proponowano według publikacji WO 94/02652 chłodzenie główki szyny w chłodziwie o specjalnie nastawionej intensywności chłodzenia aż do temperatury powierzchni w granicach od 450 do 550°C i uzyskiwanie w ten sposób w tej ostatniej drobnoperlitycznej strukturze. Do tego rodzaju obróbki nadaje się urządzenie do zawieszeniowego hartowania szyn zgodnie z opisem patentowym DE-C-4.003.363.

Chłodzenie profilowych wyrobów walcowanych, niejednorodne wzdłuż przekroju poprzecznego, może jednak powodować skrzywienia lub odchylenia od prostoliniowości w temperaturze otoczenia. W celu uniknięcia tej wady zaproponowano (DE-A-4.237.991), aby szyny przenosić na złoże chłodzące lub chłodzić w stanie zawieszenia, korzystnie główką w dół, przy

178 079 czym jednak raczej niemożliwe jest docelowe wytworzenie niejednorodnej mikrostruktury wzdłuż przekroju poprzecznego.

Wszystkim znanym dotychczas sposobom i urządzeniom wspólna jest ta wada, że wprawdzie dają one przy wytwarzaniu profilowych wyrobów walcowanych na ograniczonych obszarach lub odnośnie do poszczególnych operacji technologicznych niewątpliwie celowe rozwiązanie, że jednak nie można wskazać zadowalającego opanowania całej problematyki ekonomicznego wytwarzania wysoko-jakościowych długości szyn o szczególnych właściwościach użytkowych.

Celem wynalazku jest opracowanie - przy usunięciu wad znanych rodzajów wytwarzania nowego sposobu, za pomocą którego można wytwarzać profilowe wyroby walcowane o szczególnie korzystnych właściwościach użytkowych. Ponadto zadaniem wynalazku jest przygotowanie urządzenia zwłaszcza do stosowania tego sposobu oraz opracowanie wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, na największe obciążenia.

Cel ten osiąga się sposobem wymienionego rodzaju dzięki temu, że wyrób walcowany, zwłaszcza szynę, o średniej temperaturze co najwyżej 1100°C, korzystnie co najwyżej 900°C, jednak co najmniej 750°C, wyprostowuje się w jej kierunku podłużnym przy plastycznym nadawaniu kształtu w wyprostowanym stanie przemieszcza się w kierunku poprzecznym i przytrzymuje, a w pierwszej fazie chłodzenia wyrobu walcowanego lub szyny pozostawia się do ochłodzenia wyrównawczego do temperatury poniżej 860°C, korzystnie ok. 820°C, zwłaszcza od 5 do 120°C powyżej temperatury Ar₃ stopu, przy jednakowej miejscowej intensywności chłodzenia, korzystnie w zasadzie przez promieniowanie w spokojnym powietrzu, po czym w drugiej fazie chłodzenia od wyrobu walcowanego odprowadza się ciepło w kierunku podłużnym przy miejscowo w zasadzie stałej w przekroju poprzecznym, a obwodowo różnej intensywności, którą to intensywność zwiększa się w co najmniej jednej strefie na obwodzie profilowego wyrobu walcowanego, przy czym większą intensywność chłodzenia lub większe intensywności chłodzenia przyporządkowuje się obszarowi lub obszarom o dużym stosunku przekroju poprzecznego do obwodu lub o dużym udziale objętości w stosunku do powierzchni albo o dużym stężeniu masy i/lub obszarom o miejscowo wysokiej temperaturze wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, oraz obszar lub obszary z tak zwiększoną szybkością chłodzenia doprowadza się do temperatury przemiany, w których to warunkach chłodzenia powstaje bezmartenzytowa drobnoperlityczna mikrostruktura, po czym w następnej fazie przeprowadza się chłodzenie do temperatury otoczenia ze stałą miejscową intensywnością chłodzenia, np. w spokojnym powietrzu.

Ważne jest to, aby nastąpiło wyprostowanie wyrobu walcowanego podczas plastycznego nadawania kształtu i aby było to przeprowadzane w zakresie temperatur od 750°C do 1100°C. Temperatury, niższe od 750°C, mogą przyczyniać się - jak to stwierdzono - do częściowo sprężystego wygięcia z odchyleniami od wyprostowania prostoliniowego, a w efekcie do niejednorodnej intensywności chłodzenia w kierunku podłużnym szyny. Temperatury wyrobu walcowanego powyżej 1100°C powodująnajczęściej wzrost ziaren austenitu lub tworzenia się struktury gruboziarnistej, co może w rezultacie mieć ujemny wpływ na właściwości materiału.

W przypadku wyrównanego prostoliniowo wyrobu walcowanego dla wytworzenia równomiernie w kierunku podłużnym ukształtowanego drobnoperlitycznego obszaru przekroju poprzecznego ważne okazało się to, aby wyrób walcowany był utrzymywany i w pierwszej fazie chłodzenia wyrównawczego był pozostawiony do ochłodzenia do temperatury poniżej 860°C przy stałej miejscowej intensywności chłodzenia. Miejscową nierównomierność rozkładu temperatur w kierunku podłużnym, która w danym przypadkujest wywołana przez przyleganie miejscami na urządzeniu do transportu poprzecznego, można przy tym z jednej strony wyrównać, z drugiej zaś strony uzyskuje się symetryczny względem osi i względem środka rozkład temperatur w przekroju poprzecznym profilowego wyrobu walcowanego i dzięki temu stabilizuje się jego prostoliniowość. Szczególnie korzystne jest przeprowadzanie tego chłodzenia wyrównawczego do temperatury od 5 do 120°C powyżej temperatury A3 stopu, aby uzyskać korzystne warunki częściowej przemiany mikrostruktury do postaci drobnoperlitycznej w częściach przekroju poprzecznego. Temperatura A^jest przy tym taką temperaturą, przy której rozpoczyna się przemiana sieci gamma stopu w jego sieć alfa, przy szybkości chłodzenia 3°C/min.

178 079

Chłodzenie wyrobu walcowanego z intensywnością odprowadzania ciepła, stałą w zasadzie w kierunku podłużnym, a różną obwodowo w przekroju poprzecznym, jestjako takie znane. Ważne jest jednak odpowiednie przyporządkowanie obszarów o zwiększonej intensywności chłodzenia powierzchniowego stężenia masy w wyrobie walcowanym. W połączeniu z wyrównaniem prostoliniowym, chłodzeniem wyrównawczym i uzyskaniem symetrycznego rozkładu temperatur oraz przyporządkowaniem obszarów chłodzenia można utrzymywać w zasadzie stałą szybkość chłodzenia w kierunku podłużnym, która jest różna wzdłuż obszarów przekroju poprzecznego. Ważne jest przy tym nastawianie za pomocą znanych zabiegów wielkości szybkości chłodzenia, z jaką doprowadza się zadany obszar wyrobu walcowanego do temperatury przemiany. Jak to jest uwidocznione na fig. 3 na zrozumiałym dla fachowca wykresie przemiany stopu o określonym składzie we współrzędnych czas-temperatura, przy wyższych od temperatury Ar₃parametrach chłodzenia - np. dla krzywych c i d - powstają w mikrostrukturze składniki martenzytowe, wskutek czego materiał uzyskuje wprawdzie większą twardość, jednak traci znacznie na sprężystości i wykazuje większe ryzyko pęknięć, tak, iż przewidziane zastosowanie nie jest już możliwe. Niskie parametry chłodzenia, np. krzywa h, powodują gruboperlityczną, miękką mikrostrukturę. Ważne jest zatem przyjmowanie tak wysokich miejscowych parametrów chłodzenia, aby każdorazowo uniknąć powstawania martenzytu podczas przemiany, jednak w obszarze zwiększonej intensywności chłodzenia powstaje drobnoperlityczna mikrostruktura. Po całkowitej przemianie mikrostruktury wyrób walcowany doprowadza się do temperatury otoczenia przy stałej miejscowej intensywności chłodzenia, w celu zmniejszenia lub w zasadzie wyeliminowania jego przegięcia.

Jest szczególnie korzystne, jeśli po odkształceniu cieplnym materiału walcowanego przeprowadza się obróbkę cieplną od temperatury odkształcania cieplnego przy stopniu odkształcania od 1,8 do 8%, korzystnie od 2 do 5%, w końcowej fazie w temperaturze co najmniej 750°C, a co najwyżej 1050°C. Odkształcenie końcowe o stopniu odkształcenia lub zmniejszenia powierzchni przekroju poprzecznego od 1,8 do 8% powoduje korzystne zmniejszenie ziarnistości austenitu wówczas, gdy odkształcanie następuje w zakresie temperatur od 770 do 1050°C. Mniejsze od 1,8% stopnie odkształcenia wywołują, jak się okazało, miejscami szczególnie dużągruboziarnistość lub wzrost wielkości ziaren, natomiast większe od 8% odkształcenia powodują znaczny wzrost temperatury w obszarach środkowych lub wewnętrznych, najwidoczniej wskutek uwalniającej się energii odkształcania, co może spowodować miejscowe niejednorodności mikrostruktury oraz wady jakościowe.

W aspekcie uzyskiwania wyrównanego prostoliniowo lub prostoosiowego wyrobu walcowanego po ochłodzeniu do temperatury otoczenia, a zwłaszcza w aspekcie wykazywania przez szyny większej sztywności i wytrzymałości zmęczeniowej przy przemiennym zginaniu jest bardzo korzystne, jeśli w drugiej fazie chłodzenia jego intensywność zostaje zwiększona w dwóch lub więcej strefach na obwodzie profilowego wyrobu walcowanego. Dzięki temu można osiągnąć w szeregu przypowierzchniowych obszarów w powierzchni przekroju poprzecznego większą twardość i większą wytrzymałość materiału wskutek drobniejszej struktury perlitycznej mikrostruktury. Przy obciążaniu wyrobu walcowanego na zginanie, przy którym strefy przekroju poprzecznego, położone najdalej od włókna neutralnego lub linii zerowej, wykazują największe naprężenia, jest teraz możliwe uzyskanie przynajmniej dwóch z tych stref obwodowych o większej wytrzymałości. Jak stwierdzono, w przypadku szyny można przy tym również zwiększyć odporność materiału na zarysowanie przy obciążeniach dynamicznych w obszarze stopy.

Zaleca się chłodzenie tej części wyrobu walcowanego, która wykazuje największe stężenie masy, np. główki szyny, metodą zanurzeniową, czyli przez zanurzenie w cieczy chłodzącej, przy czym jednocześnie od części wyrobu walcowanego, przeznaczonej lub przeznaczonych nadal do wzmocnionego chłodzenia, o mniejszym stężeniu masy, np. od stopy szyny, odprowadza się ciepło za pomocą środków o mniejszej intensywności chłodzenia, np. sprężonego powietrza lub natrysku powietrzno-wodnego. Za pomocą takiego sposobu postępowania można przeciwdziałać silnemu wewnętrznemu stanowi naprężenia i wypaczaniu się cieplnemu wyrobu walcowanego.

178 079

Aby w przypadku wymienionych na wstępie stopów na bazie żelaza uniknąć niekorzystnego tworzenia się martenzytu i uzyskać drobnoperlityczną mikrostrukturę, korzystne jest, jeśli wielkość intensywności chłodzenia, zwłaszcza skład cieczy chłodzącej do chłodzenia zanurzeniowego, jest tak dobrana, że w zakresie temperatur od 800 do 450°C uzyskuje się chłodzenie strefy przypowierzchniowej, w szczególności części zanurzonej, w zasadzie z szybkościąod 1,6 do 2,4°C/s, korzystnie ok. 2,0°C/s. Taka szybkość chłodzeniajest zalecana również ze względów ekonomicznych, ponieważ do osiągnięcia żądanej jakości wyrobu walcowanego wymagany jest w drugiej fazie krótki czas chłodzenia, a tym samym osiągalna jest duża przepustowość.

Dla minimalizacji skrzywienia okazało się korzystne, jeśli w przypadku profilowego wyrobu walcowanego z teowym obszarem przekroju poprzecznego, jak to ma miejsce np. w stopie szyny kolejowej, strefę lub powierzchnię, przeciwległą szyjce, chłodzi się ze zwiększoną intensywnością, korzystnie za pomocą sprężonego powietrza lub za pomocą mieszaniny powietrzno-wodnej. W celu poprawienia właściwości trwałości okazało się, przy tym jako szczególnie korzystne, jeśli przeciwległa względem szyjki strefa powierzchniowa o zwiększonej intensywności chłodzenia jest ukształtowana w zasadzie symetrycznie względem osi szyjki i wykazuje ograniczenie boczne.

Jeżeli dalej unika się zwiększonej intensywności chłodzenia tych obszarów przekroju poprzecznego profilowego wyrobu walcowanego, które są oddalone od stężenia masy lub ujścia szyjki, obszary te , chroni się przed silniejszym odprowadzaniem ciepła albo nagrzewa się przynajmniej krótkotrwale, to możliwe jest uzyskanie na krawędziach wyrobu walcowanego mikrostruktury, o takiej samej lub mniejszej wytrzymałości materiału. W zaskakujący sposób ulega przez to zmniejszeniu niebezpieczeństwo pęknięć, zwłaszcza w przypadku obciążenia udarowego i/lub przemiennego obciążenia trwałego materiału walcowanego.

Szczególną stabilność kształtu można osiągnąć wówczas, gdy intensywność chłodzenia na powierzchni profilowego wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, dobiera się tak, iż strefy, w których podczas chłodzenia następuje przemiana mikrostruktury gamma, zostają ukształtowane w zasadzie równolegle symetrycznie i/lub równolegle do płaszczyzny obojętnej, korzystnie współśrodkowo względem linii środka masy lub środka masy powierzchni przekroju poprzecznego.

Aby uzyskać w kierunku podłużnym w zasadzie całkowicie stałąmiejscową intensywność chłodzenia i utrzymywać na stałym poziomie przepływ ciepła do czynnika chłodzącego, można w myśl wynalazku przewidzieć, że wyrób walcowany, którego część - w odniesieniu do przekroju poprzecznego - zanurza się do cieczy chłodzącej w basenie do zanurzania, jest przemieszczany podczas chłodzenia w tej cieczy w kierunku podłużnym względem zbiornika z cieczą chłodzącą lub basenu do zanurzania i/lub że przynajmniej w tym czasie, w którym część wyrobu walcowanego jest zanurzona w cieczy chłodzącej, tę ostatnią obciąża się drganiami lub nadaje sięjej drgania. Jak stwierdzono, środki te poprawiają zdecydowanie jednorodność uzyskiwanej jakości.

Urządzenie wymienionego na wstępie rodzaju do integralnego rozwiązania problemów wytwarzania profilowych wyrobów walcowanych, wykazujących szczególne właściwości, jest w myśl wynalazku znamienne tym, że samotok zawiera w obszarze przygotowawczym znane jako takie urządzenie do ustawiania wyrobu walcowanego oraz środki do prostoliniowego lub pokrywającego się z osią wyrównywania profilowego wyrobu walcowanego podczas jego kształtowania plastycznego, ma urządzenie do poprzecznego przenoszenia prostoliniowego lub pokrywającego się z osią wyrobu walcowanego w zasadzie prostopadle do jego osi od obszaru przygotowawczego do obszaru obróbki chłodzącej, w którym to obszarze umieszczone są: znane jako takie urządzenie do hartowania wyrobu walcowanego, zwłaszcza główki szyn, za pomocą cieczy chłodzącej w basenie do zanurzania z urządzeniami do przytrzymywania i manipulowania oraz regulowane urządzenie do chłodzenia dodatkowego, przeznaczone do wzmożonego chłodzenia co najmniej jednego dalszego obszaru wyrobu walcowanego, zwłaszcza stopy szyny, a obszar chłodzenia końcowego zawiera urządzenie do odkładania wyrobu walcowanego, w celu jego ochłodzenia do temperatury otoczenia.

178 079

Stwierdzono, że ważne jest prostoliniowe lub pokrywające się z osią wyrównywanie, zwłaszcza w przypadku częściowego lub przeprowadzanego w obszarach cząstkowych - w odniesieniu do przekroju poprzecznego - ulepszania cieplnego profilowego wyrobu walcowanego. Przez przeciwdziałanie skrzywieniu, występującemu na całej długości lub w jej obszarach cząstkowych, można utrzymywać na stałym poziomie zadane warunki chłodzenia lub intensywności chłodzenia wyrobu walcowanego, patrząc w kierunku osi, tak, iż wykluczone są różnice wytrzymałości lub twardości wzdłuż tworzącej profilu. Badania wykazały, że zróżnicowane odstępy od ścianki zbiornika z czynnikiem chłodzącym i/lub od osi chłodzenia natryskowego mogą powodować nieproporcjonalne odchylenia wartości twardości i wytrzymałości.

Przy wyrównaniu liniowym ważne jest ponadto, aby wyrób walcowany poddawać kształtowaniu plastycznemu za pomocą odpowiednich urządzeń, w celu uniknięcia sprężystych cofnięć do częściowo w danym przypadku zakrzywionego kształtu. Równoległe do osi przemieszczanie profilowego wyrobu walcowanego do obszaru chłodzenia za pomocą prostoliniowego przenoszenia poprzecznego ma duże znaczenie, w celu wyeliminowania urządzenia do dodatkowego wyrównywania. Oprócz tego w obszarze chłodzenia przewidziane jest urządzenie manipulacyjne, za pomocą którego można przeprowadzać przejmowanie i przytrzymywanie, zanurzanie do basenu z cieczą chłodzącą lub hartowanie obszarów cząstkowych wyrobu walcowanego, a także przekazywanie do obszaru chłodzenia końcowego. Do intensywnego chłodzenia innych obszarów przekroju poprzecznego można przy tym przewidzieć co najmniej jedno dodatkowe urządzenie chłodzące.

W dalszym rozwinięciu urządzenia korzystne jest, jeśli dodatkowe urządzenie chłodzące można przystawiać do wyrobu walcowanego i jeśli jego intensywność chłodzenia jest regulowana, a zatem jeśli można nastawiać dodatkowe lokalne odprowadzanie ciepła w zależności od sposobu postępowania.

Korzystnajest także postać wykonania, w której dodatkowe urządzenie chłodzące ma części do tworzenia lokalnego strumienia czynnika chłodzącego, nieprzerwanego w zasadzie w kierunku podłużnym lub osiowym, a ograniczonego w kierunku poprzecznym, oraz zawiera w danym przypadku środki do przeciwdziałania wzmożonemu odprowadzaniu ciepła z powierzchni, sąsiadującej lub sąsiadujących z powierzchnią chłodzoną. Dzięki temu możliwe jest uzyskiwanie ściśle ograniczonych stref chłodzenia oraz wyłączanie położonych obok obszarów ze strefy wzmożonego odprowadzania ciepła albo wytwarzanie w nich mniejszej twardości materiału, przy czym według następnej postaci wykonania dodatkowe urządzenie chłodzące jest wykonane jako przewidziane do chłodzenia obiegowego pod ciśnieniem lub natryskowego.

Jednorodność wartości twardości i wytrzymałości w kierunku podłużnym profilowego wyrobu walcowanego można dodatkowo zwiększyć, jeśli wyrób walcowany jest przemieszczalny w cieczy chłodzącej w kierunku podłużnym względem basenu do zanurzania i/lub względem dodatkowego urządzenia chłodzącego i/lub jeśli na basenie do zanurzania i/lub w samej cieczy chłodzącej umieszczone są urządzenia, za pomocą których można cieczy chłodzącej nadawać turbulentność i/lub drgania. Stwierdzono, że ruchy wzajemne, a także ruchy drgające lub fale ciśnieniowe pomiędzy czynnikiem chłodzącym a obrabianym przedmiotem wyrównują intensywność chłodzenia i stwarzają korzystne warunki ulepszania cieplnego.

Szyna według wynalazku, zwłaszcza wytworzona wymienionym powyżej sposobem, w danym przypadku wytworzona w opisanym powyżej urządzeniu, jest znamienna tym, że w swym przekroju poprzecznym wykazuje ona w górnym obszarze główki duże wartości wytrzymałości i twardości materiału, które to wartości są obniżone w dolnym obszarze główki, w szyjce oraz w obwodowych częściach stopy, a w środkowym obszarze na powierzchni podstawy stopy w porównaniu z częściami obwodowymi i z szyjką - występują zwiększone wartości twardości materiału, przy czym szczególnie równomierne cechy jakościowe osiąga się wówczas, gdy symetrycznie względem osi głównej profilu przekroju poprzecznego lub symetrycznie względem osi pionowej przekroju poprzecznego szyny dobrane są w zasadzie jednakowe wartości twardości materiału. Tego rodzaju szyna wykazuje lepsze właściwości użytkowe również w przypadku

178 079 zwiększonych naprężeń, np. dużych obciążeń na oś i/lub dużej częstotliwości użytkowania i/lub małych promieni krzywizny toru.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przebieg obróbki cieplnej szyn, fig. 2 - szynę w przekroju poprzecznym, a fig. 3 - wykresy przemiany materiału szyny we współrzędnych czas-temperatura.

Jak to jest przedstawione schematycznie na fig. 1, w obszarze przygotowawczym A samotoku 21 ustawia się za pomocą np. dosuwanego zderzaka itp. (nie uwidocznionego) profilowy wyrób walcowany, np. szynę. Zapomocąśrodkówukierunkowujących 22 i 23 wyrównuje się następnie szynę 1 prostoliniowo, przy czym korzystny jest centrujący kształt środków ukierunkowujących, który koryguje także pionową krzywiznę. Po wyrównaniu kierunkowym wyrobu walcowanego 1 następuje przeniesienie poprzeczne za pośrednictwem urządzenia odkładającego 2 do obszaru chłodzenia B i odebrania w urządzeniu manipulacyjnym ze środkami przytrzymującymi 24, przy czym należy przewidzieć podparcie przy przemieszczaniu tak, iż nie następuje przegięcie, poprzeczne względem osi podłużnej.

W znany jako taki sposób wyrób walcowany czyli szynę 1 umieszcza się za pomocą środków przytrzymujących 24 częściowo w cieczy chłodzącej 37, znajdującej się w basenie do zanurzania 38. Ważne jest przy tym, aby odstęp powierzchni szyny 1 od ścianki basenu do zanurzania był na całej długości jednakowy z obu stron, przy czym również w celu intensyfikacji, a zwłaszcza ujednolicenia intensywności chłodzenia powierzchni wyrobu walcowanego 1, ten ostatni może być w korzystny sposób przemieszczany w basenie do zanurzania 38 lub w czynniku chłodzącym 37 w kierunku podłużnym na odcinku np. 0,5 do 5 m. W czynniku chłodzącym 37 lub na basenie do zanurzania można zastosować również umieszczone tam generatory drgań (nie uwidocznione), które nadają czynnikowi chłodzącemu drgania o częstotliwości np. od 100 do 800 na minutę, wywierające korzystny wpływ na intensywność chłodzenia.

Na płaską część profilowego wyrobu walcowanego, w danym przypadku na stopę 13 szyny 1 może oddziaływać lub być doprowadzone dodatkowe chłodzenie 3. Tego rodzaju dodatkowe urządzenie chłodzące może zawierać doprowadzenie 32 wody i doprowadzenie 33 powietrza oraz wytwarzać strumień natryskowy 31, skierowany na pewną część powierzchniową wyrobu walcowanego lub stopę szyny. Aby w częściach obwodowych 132 uzyskiwać mniejszą intensywność chłodzenia i wytwarzać tylko w środkowym obszarze 131 powierzchni wyrobu walcowanego lub stopy szyny strefę o zwiększonej twardości materiału, może być korzystne zastosowanie np. odprowadzania czynnika chłodzącego, za pomocą urządzenia odsysającego.

Po ochłodzeniu części wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny 1 zanurzonej do czynnika chłodzącego 37, oraz w szczególności przeciwległej względem niej części tego wyrobu, poddanej działaniu strumienia natryskowego 31, poniżej temperatury przemiany materiału z intensywnością, wywołującą drobnoperlityczną mikrostrukturę, np. według fig. 3 do ok. 500°C, z szybkością chłodzenia, odpowiadającą krzywej f, można jądoprowadzić do obszaru C chłodzenia końcowego na urządzenie odkładające 25, w celu ochłodzenia do temperatury otoczenia.

Jak to jest uwidocznione na fig. 2, szyna 1 według wynalazku ma trzy obszary o różnej mikrostrukturze lub twardości, przy czym przejścia między nimi są wykonane jako ciągłe. W główce 11 szyny znajduje się strefa drobnoperlityczną 111, z wartościami twardości, zawartymi w granicach od 340 do 390 HB, w danym przypadku do 425 HB, która ku dołowi przechodzi w strefę 112 o mniejszej twardości, np. od 300 do 340 HB. W przyległej szyjce 12, która w praktycznym zastosowaniu powinna wykazywać dużą odporność na obciążenia dynamiczne, dobiera się stosownie do tego wartości twardości od 280 do 320 HB. W stopie 13 szyny w obszarach obwodowych 132, podobnie jak w szyjce 12, występuje mikrostruktura perlityczna o grubszej ziarnistości lub ze strukturą płytkową oraz o twardości od 280 do 320 HB. Dzięki wytworzeniu się takiej mikrostruktury i właściwościom materiału z małymi wartościami twardości unika się w dużym stopniu inicjacji rys lub pęknięć. Pośrodku od strony podłoża w stopie 13 jest wytworzony obszar 131 o zwiększonej wytrzymałości materiału i o wartościach twardości od 300 do 350 HB i więcej. Tego rodzaju, powstały w myśl wynalazku, rozkład właściwości mechanicznych mate178 079 riału wzdłuż przekroju poprzecznego szyny sprawia, że - jak stwierdzono - uzyskuje się dużą stabilność i korzystne długotrwałe zachowanie się, zwłaszcza w utrudnionych warunkach

Temperatura

1300 ·

1200 ·

1100

1005

POO

500

700

500

500 <00

300

200

100 o

’ 10® 10¹ 10 ¹ 10 ’ 10* 10 ^ł 10® i < I u J5 «0 1 2 S 1·

Czas W S Wnyan < , , 4..,.1, ..1., 1-J Toga l 4 I U 14

Fig. 3

178 079

.Ch

LL

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki cieplnej profilowych wyrobów walcowanych, zwłaszcza szyn jezdnych lub kolejowych, ze zwiększoną prędkością odprowadzania ciepła z części powierzchni profilu przy chłodzeniu z obszaru gamma materiału na bazie żelaza, przy czym w żądanym obszarze lub żądanych obszarach przekroju poprzecznego, w szczególności w obszarze główki szyny, następuje przemiana w mikrostrukturę drobnoperlityczną o zwiększonej wytrzymałości, zwłaszcza zwiększonej odporności na ścieranie i zwiększonej twardości, a w danym przypadku ulega zmniejszeniu, korzystnie zaś w zasadzie wyeliminowaniu, odkształcenie lub przegięcie wskutek uwarunkowanego cieplnie wypaczenia się wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, prostopadle do osi wzdłużnej przy ochładzaniu do temperatury otoczenia, w szczególności po przemianie mikrostruktury w silnie ochłodzonym obszarze lub w silnie ochłodzonych obszarach przekroju poprzecznego, oraz osiąga się zwiększoną sztywność i wytrzymałość zmęczeniową przy przemiennym zginaniu materiału walcowanego, znamienny tym, że wyrób walcowany, zwłaszcza szynę, o średniej temperaturze co najwyżej 1100°C, korzystnie co najwyżej 900°C, jednak co najmniej 750°C, wyprostowuje się wjej kierunku wzdłużnym przy plastycznym nadawaniu kształtu, w wyprostowanym stanie przemieszcza się w kierunku poprzecznym i przytrzymuje, a w pierwszej fazie chłodzenia wyrobu walcowanego lub szyny pozostawia się ten wyrób walcowany do ochłodzenia wyrównawczego do temperatury poniżej 860°C, korzystnie ok. 820°C, zwłaszcza od 5 do 120°C powyżej temperatury Ar₃ stopu, przy stałej miejscowej intensywności chłodzenia, korzystnie w zasadzie przez promieniowanie w spokojnym powietrzu, po czym w drugiej fazie chłodzenia od wyrobu walcowanego odprowadza się ciepło w kierunku wzdłużnym przy lokalnie w zasadzie stałej w przekroju poprzecznym, a obwodowo różnej intensywności, którą to intensywność chłodzenia zwiększa się w co najmniej jednej strefie na obwodzie profilowego wyrobu walcowanego, przy czym większą intensywność chłodzenia lub większe intensywności chłodzenia przyporządkowuje się obszarowi lub obszarom o dużym stosunku przekroju poprzecznego do obwodu lub o dużym udziale objętości w stosunku do powierzchni albo o dużym stężeniu masy i/lub obszarom o lokalnie wysokiej temperaturze wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, oraz obszar lub obszary z tak zwiększoną szybkością chłodzenia doprowadza się do temperatury przemiany, w których to warunkach chłodzenia powstaje bezmartenzytowa drobnoperlityczną mikrostruktura, po czym w następnej fazie przeprowadza się chłodzenie do temperatury otoczenia ze stałą lokalną intensywnością chłodzenia, np. w spokojnym powietrzu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną przeprowadza się po odkształceniu cieplnym wyrobu walcowanego ze stopniem odkształcenia od 1,8 do 8%, korzystnie od 2 do 5%, w ostatniej fazie w temperaturze co najmniej 770°C i co najwyżej 1050°C od temperatury odkształcania cieplnego.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w drugiej fazie chłodzenia intensywność tego chłodzenia zwiększa się w dwóch lub więcej strefach na obwodzie profilowego wyrobu walcowanego.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ta część profilowego wyrobu walcowanego, która wykazuje największe stężenie masy, np. główka szyny, chłodzi się metodą zanurzeniową, czyli przez zanurzenie w cieczy chłodzącej, przy czym jednocześnie od części wyrobu walcowanego, przeznaczonej lub przeznaczonych dalej do wzmożonego chłodzenia, o mniejszym stężeniu masy, korzystnie od stopy szyny, odprowadza się ciepło za pomocą środków o mniejszej intensywności chłodzenia, korzystnie sprężonego powietrza lub natrysku powietrzno-wodnego.

178 079
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że wielkość intensywności chłodzenia, zwłaszcza skład cieczy chłodzącej do chłodzenia zanurzeniowego, reguluje się tak, iż w zakresie temperatur od 800 do 450°C uzyskuje się chłodzenie strefy przypowierzchniowej, zwłaszcza w części zanurzonej, w zasadzie z szybkością od 1,6 do 2,4°C/s, korzystnie ok. 2,0°C/s.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku profilowego wyrobu walcowanego z teowym obszarem przekroju poprzecznego, jak to ma miejsce w stopie szyny kolejowej, leżącą naprzeciw szyjki strefę lub powierzchnię chłodzi się ze zwiększoną intensywnością, korzystnie za pomocą sprężonego powietrza lub za pomocą mieszaniny powietrzno-wodnej.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że leżącą naprzeciw szyjki strefę powierzchniową o zwiększonej intensywności chłodzenia wykonuje się jako w zasadzie symetryczną względem osi szyjki i ogranicza się z boku.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że unika się zwiększonej intensywności chłodzenia tych obszarów przekroju poprzecznego profilowego wyrobu walcowanego, które są oddalone od stężenia masy lub ujścia szyjki, i/lub obszary te chroni się przed wzmożonym odprowadzaniem ciepła albo nagrzewa się przynajmniej krótkotrwale.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że intensywność chłodzenia powierzchni profilowego wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyny, reguluje się tak, iż strefy w których następuje przemiana mikrostruktury gamma podczas chłodzenia, wykonuje się w zasadzie równolegle symetrycznie i/lub równolegle do płaszczyzny obojętnej, korzystnie współśrodkowo względem linii środków masy lub względem środka masy powierzchni przekroju poprzecznego.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wyrób walcowany, którego część, odniesioną do przekroju poprzecznego, zanurza się w cieczy chłodzącej w basenie do zanurzania, przemieszcza się w niej podczas chłodzenia w kierunku wzdłużnym względem zbiornika z cieczą chłodzącą lub basenu do zanurzania. ,
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że przynajmniej w tym czasie, w którym część wyrobu walcowanego jest zanurzona w cieczy chłodzącej, część tego wyrobu obciąża się drganiami lub wprowadza się ją w drgania.
12. Urządzenie do obróbki cieplnej profilowych wyrobów walcowanych, zwłaszcza szyn jezdnych lub kolejowych, z podwyższonym odprowadzaniem ciepła z części powierzchni profilu podczas chłodzenia z obszaru gamma materiału na bazie żelaza, złożone w zasadzie z co najmniej jednego obszaru przygotowania wyrobu walcowanego na samotoku, z urządzeniem do ustawiania wyrobu walcowanego, z obszarem obróbki chłodzącej, z urządzeniami do częściowego odprowadzania ciepła z dużą intensywnością z powierzchni wyrobu walcowanego oraz z obszarem chłodzenia końcowego do ochładzania wyrobu walcowanego do temperatury otoczenia, a także ze środkami do przenoszenia poprzecznego, przytrzymywania i manipulowania, znamienne tym, że samotok (21) zawiera w obszarze przygotowawczym (A) znane jako takie urządzenie do ustawiania wyrobu walcowanego oraz środki (22,23) do prostoliniowego lub pokrywającego się z osią wyrównywania profilowego wyrobu walcowanego (1) podczas jego kształtowania plastycznego, ma urządzenie do poprzecznego przenoszenia prostoliniowego lub pokrywającego się z osią wyrobu walcowanego (1) w zasadzie prostopadle do jego osi od obszaru przygotowawczego (A) do obszaru (B) obróbki chłodzącej, w którym to obszarze (B) umieszczone są: znane jako takie urządzenie do hartowania wyrobu walcowanego, zwłaszcza główki szyn, za pomocą cieczy chłodzącej (37) w basenie do zanurzania (38) z urządzeniami (24) do przytrzymywania i manipulowania oraz regulowane dodatkowe urządzenie chłodzące (3), przeznaczone do wzmożonego chłodzenia co najmniej jednego dalszego obszaru wyrobu walcowanego, zwłaszcza stopy szyny, a obszar (C) chłodzenia końcowego zawiera urządzenie (25) do odkładania wyrobu walcowanego (1), w celu jego ochłodzenia do temperatury otoczenia.
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że dodatkowe urządzenie chłodzące (3) jest dostawialne do wyrobu walcowanego (1), a jego intensywność chłodzenia jest regulowana.
14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że dodatkowe urządzenie chłodzące (3) ma części do wytwarzania strumienia (31) czynnika chłodzącego, w zasadzie nieprzerwanego w kierunku podłużnym lub osiowym wyrobu walcowanego (1), a ograniczonego w kierunku poprze4

178 079 cznym, oraz zawiera w danym przypadku środki (34) do przeciwdziałania wzmożonemu odprowadzaniu ciepła z powierzchni, sąsiadującej lub sąsiadujących z powierzchnią chłodzoną.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że dodatkowe urządzenie chłodzące (3) jest przystosowane do chłodzenia sprężonym powietrzem lub natryskowego.
16. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że wyrób walcowany (1) jest przemieszczalny w cieczy chłodzącej (37) w kierunku wzdłużnym względem basenu do zanurzania (38) i/lub względem dodatkowego urządzenia chłodzącego (3).
17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że nabasenie do zanurzania (38) i/lub w samej cieczy chłodzącej (37) umieszczone są urządzenia, za pomocą których cieczy chłodzącej (37) nadaje się ruch turbulentny i/lub drgający.
18. Profilowy wyrób walcowany, zwłaszcza szyna jezdna lub kolejowa, złożona z główki, o przynajmniej częściowo drobnoperlitycznej mikrostrukturze, ze stopy i szyjki pomiędzy główką a stopą, znamienny tym, że w przekroju poprzecznym szyny (1) posiada ona w górnym obszarze (111) główki (11) dużątwardość materiału, której wartości malejąw dolnym obszarze (112) szyjki (12) oraz w obwodowych częściach (132) stopy (13), a w środkowym obszarze (131) na powierzchni podstawy stopy występują podwyższone wartości twardości materiału.
19. Profilowy wyrób walcowany według zastrz. 18, znamienny tym, że symetrycznie względem osi głównej profilu przekroju poprzecznego lub symetrycznie względem osi pionowej przekroju poprzecznego szyny dobrane sąw zasadzie jednakowe wartości twardości materiału.