PL184601B1

PL184601B1 - Wyrób walcowany kształtowy i sposób jego wytwarzania

Info

Publication number: PL184601B1
Application number: PL97323703A
Authority: PL
Inventors: Jöller@Albin; Pointner@Peter; Schifferl@Herbert@Adolf
Original assignee: Voest Alpine Schienen Gmbh
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2002-11-29
Also published as: AU728635B2; JPH10195604A; DE59711569D1; EP0849368A1; HUP9702498A2; RO119237B1; RU2136767C1; HU220124B; AT407057B; PL323703A1; AU4848597A; CA2225240C; ATA222296A; ES2216123T3; US6086685A; DK0849368T3; CZ295574B6; UA41454C2; BR9706423A; SI0849368T1

Abstract

1. Wyrób walcowany ksztaltowy, zwlaszcza szyna tramwajowa lub kolejowa, ze sto- pu na bazie zelaza, zawierajacego wegiel, krzem, mangan, ewentualnie chrom, pierwiastki tworzace specjalne wegliki oraz pierwiastki wplywajace na przemiane materialu i/lub do- datki mikrostopowe, a w pozostalej czesci zelazo oraz technologiczne i typowe zanie- czyszczenia, o strukturze przekroju, utworzonej co najmniej czesciowo za pomoca przy- spieszonego chlodzenia z obszaru austenitycznego, znamienny tym, ze stop na bazie zela- za zawiera maksimum 0,93, korzystnie 0,21 do 0,69% wagowych krzemu, maksimum 0,06, korzystnie ponizej 0,03% wagowych glinu, zas laczna zawartosc krzemu i glinu jest niniejsza niz 0,99% wagowych, przy czym wyrób walcowany, co najmniej w czesciowych obszarach przekroju, na calej swej dlugosci, ma strukture utworzona poprzez izotermiczna przemiane austenitu w obszarze dolnego bainitu. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wyrób walcowany kształtowy i sposób jego wytwarzaniu.

Dotyczy to zwłaszcza szyny tramwajowej lub kolejowej ze stopu na bazie żelaza, zawierającego węgiel, krzem, mangan, ewentualnie chrom, pierwiastki tworzące specjalne węgliki oraz pierwiastki wpływające na przemiany materiałowe i/lub dodatki mikrortopowe oraz w pozostałej części żelazo i typowe zanieczyszczenia, o strukturze przekroju, utworzonej co najmniej częściowo za pomocą przyspieszonego chłodzenia z obszaru austenitycznego. Przy wytwarzaniu takich wyrobów walcowanych kształtowych co najmniej do części powierzchni wyrobu doprowadza się chłodziwo lub umieszcza się te części powierzchni w chłodziwie.

Wyrób walcowany podlega jako element konstrukcyjny różnym obciążeniom, zależnie od swego przeznaczenia, przy czym z uwagi na ogólne własności materiałowe najwyższe obciążenie jednostkowe narzucą wymiar wyrobu i/lub określa jego trwałość. Ze względów technicznych, u także ekonomicznych, korzystne jest, . jeżeli profil własności elementu konstrukcyjnego jest dostosowany do wymagań względnie jeżeli wyrób mu lokalnie szczególne wysokie parametry materiałowe, odpowiednio do obciążeń jednostkowych.

Nu przykładzie szyn tramwajowych lub kolejowych można wyraźnie stwierdzić złożoność obciążeniu materiału. W ruchu torowym szyny powinny wykazywać z jednej strony wysoką odporność na ścieranie w obszarze główki względnie nu powierzchniach, stykających się z kołami, z drugiej zaś strony, z uwagi na obciążenia zginające w torze, powinny wykazywać wysoką ciągliwość, wytrzymałość i odporność nu pękanie w pozostałej części przekroju.

Aby poprawić parametry użytkowe szyn przy wzroście natężeniu ruchu i coraz większym obciążeniu osi, zaproponowano wiele rozwiązań, mających nu celu zwiększenie twardości główki.

Z austriackiego zgłoszeniu patentowego nr AT-399346-B znany jest sposób, w którym główkę szyny zanurza się w chłodziwie zawierającym syntetyczny dodatek chłodzący, obni4

184 601 żając temperaturę jej powierzchni z zakresu austenitycznego aż do temperatury od 450 do 550°C, a następnie wyjmuje z chłodziwa, wytwarzając w obszarze główki drobnoperlityczną strukturę o zwiększonej twardości z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP 441166-A znane jest urządzenie do realizacji tego sposobu, które w prosty sposób umożliwia zanurzanie główki szyny w zbiorniku zanurzeniowym, zawierającym ciecz chłodzącą.

Z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-186373-B1 znany jest inny sposób wytwarzania stabilnej struktury perlitycznej w szynach, w którym do przyspieszonego chłodzenia szyny stosuje się układ dysz z chłodziwem, przy czym odstęp pomiędzy układem dysz i główką szyny reguluje się w zależności od żądanej twardości główki szyny i równoważnika węglowego stali.

Sposób i urządzenie do prowadzenia obróbki cieplnej wyrobów walcowanych kształtowych, zwłaszcza szyn, są znane z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-693562-A, przy czym zwłaszcza w główce szyny wytwarza się drobnoperlityczną strukturę o zwiększonej twardości i wytrzymałości na ścieranie. Kolejny sposób wytwarzania drobnoperlitycznej struktury w obszarze główki szyny jest znany z europejskiego opisu patentowego nr EP-293002. Główkę szyny chłodzi się tu strumieniem gorącej wody do 420°C, a następnie obrabia strumieniem powietrza.

Z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-358362-A znany jest sposób, w którym główkę szyny chłodzi się intensywnie z obszaru austenitycznego tak, że temperatura powierzchni pozostaje nad punktem przemiany martenzytycznej. Po osiągnięciu żądanej temperatury ogranicza się działanie chłodzące, powodując całkowitą przemianę izotermiczną w dolnym obszarze perlitu, to znaczy w obszarze austenit-drobny perlit. Odpowiednio do składu chemicznego stali przemiana strukturalna powinna przebiegać bez wytwarzania bainitu.

Szynę o wysokiej wytrzymałości na ścieranie w obszarze główki oraz wysokiej odporności na pękanie w obszarze stopki wytwarza się sposobem, znanym z europejskiego zgłoszenia patentowego nr EP-136613-A względnie niemieckiego zgłoszenia patentowego nr DE-33 36 006-A, w którym szynę po walcowaniu i chłodzeniu w powietrzu austenityzuje się w temperaturze 810 do 890°C, a następnie szybko chłodzi. Chłodzenie prowadzi się przy tym tak, że w obszarze główki powstaje struktura drobnego perlitu, zaś w obszarze stopki struktura martenzytyczna, którą następnie się odpuszcza.

Aby otrzymać wyrób walcowany o korzystnych własnościach mechanicznych, korzystnie szynę tramwajową lub kolejową o wysokiej wytrzymałości na ścieranie, zwłaszcza w obszarze główki, oraz wysokiej ciągliwości w pozostałych obszarach, według stanu techniki należy wytworzyć w materiale strukturę drobnego perlitu, unikając jednocześnie struktury bainitycznej, zawierającej ewentualnie fragmenty martenzytyczne.

Powyższe jest również uzasadnione naukowo, ponieważ przy przemianie perlitycznej, w której następuje dyfuzja atomów, wraz ze spadkiem temperatury zwiększa się szybkość zarodkowania faz płytkowych węglika i ferrytu, wskutek czego struktura staje się coraz drobniejsza, a zatem przy większej ciągliwości coraz twardsza i bardziej wytrzymała na ścieranie. Tworzenie perlitu następuje zatem poprzez powstawanie i wzrost zarodków, które to procesy są określone przez intensywność chłodzenia i szybkość dyfuzji, zwłaszcza atomów węgla i żelaza.

Jeżeli będzie się nadal zwiększać szybkość chłodzenia względnie obniżać temperaturę przemiany, wówczas zawierające węgiel, niskostopowe materiały na bazie żelaza ulegną przemianie wbainit. Chociaż w dalszym ciągu brakuje przekonującego wyjaśnienia naukowego, przyjęto, że w przypadku przemiany bainitycznej atomy sieci podstawowej ulegają zamrożeniu, zaś zmiana struktury następuje w wyniku przemiany bezdyfuzyjnej, przy czym atomy węgla mogą nadal dyfundować, tworząc w następstwie tego węgliki. Struktura utworzona bezpośrednio poniżej zakresu temperatur przemiany w drobny płytkowy perlit, a zatem w wyniku przemiany sieciowej, ma znacznie większe ziarna. Również powstałe węgliki są wyraźnie większe i usytuowane pomiędzy płytkami ferrytu, w związku z czym pogarszają znacznie ciągliwość materiału i czynią go bardziej podatnym na zmęczenie oraz zwiększają niebezpieczeństwo pękania części, zwłaszcza przy obciążeniach udarowych. Z uwagi na to struktura szyn nie powinna zawierać bainitu.

184 601

Pozbawiona węglików stal bainityczna o wyższej odporności na ścieranie i lepszej wytrzymałości na zmęczenie kontaktowe jest znana z międzynarodowego zgłoszenia patentowego nr WO 96/22396. Za pomocą krzemu i/lub glinu w ilości od 1,0 do 3,0% wagowych w stali niskostopowej, to jest zawierającej 0,05 do 0,5% wagowych węgla oraz 0,5 do 2,5% wagowych manganu i 0,25 do 2,5% wagowych chromu, należy w wyrobie walcowanym wytworzyć, w zasadzie pozbawioną węglików, mikrostrukturę typu górnego bainitu, to znaczy strukturę mieszaną, złożoną z ferrytu bainitycznego, austenitu szczątkowego i martenzytu o wysokiej zawartości węgla. W niższych temperaturach i/lub przy naprężeniach mechanicznych co najmniej część austenitu szczątkowego może ulec przemianie bezdyfuzyjnej, tworząc martenzyt i/lub tak zwany martenzyt zgniotowy, co zwiększa niebezpieczeństwo inicjowania pęknięć na granicach faz.

Wzrost natężenia ruchu na trasach kolejowych oraz coraz większe obciążenia osiowe wymagają coraz wyższej jakości materiałów, a także lepszych parametrów użytkowych szyn.

Znany dotychczas wyrób walcowany z niskostopowych materiałów na bazie żelaza oraz sposób, zwłaszcza sposób obróbki cieplnej, wytwarzania wyrobu walcowanego o polepszonych parametrach użytkowych z niskostopowych materiałów na bazie żelaza, mają tę wadę, że w ramach stanu techniki dalszy wzrost wytrzymałości na ścieranie i ciągliwości materiału można osiągnąć jedynie za pomocą kosztownych rozwiązań technicznych.

Zadaniem wynalazku jest zaproponowanie wyrobu walcowanego kształtowego, zwłaszcza szyny, charakteryzującej się optymalną kombinacją wysokiej wytrzymałości względnie odporności na ścieranie oraz zwiększonej ciągliwości i twardości materiału, a także odporności na zmęczenie kontaktowe. Ponadto zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu, umożliwiającego poprawę parametrów użytkowych wyrobu walcowanego kształtowego przy racjonalnym wsadzie stopowym.

Wyrób walcowany kształtowy, zwłaszcza szyna tramwajowa lub kolejowa, ze stopu na bazie żelaza, zawierającego węgiel, krzem, mangan, ewentualnie chrom, pierwiastki tworzące specjalne węgliki oraz pierwiastki wpływające na przemianę materiału i/lub dodatki mikrostopowe, a w pozostałej części żelazo oraz technologiczne i typowe zanieczyszczenia, o strukturze przekroju, utworzonej co najmniej częściowo za pomocą przyspieszonego chłodzenia z obszaru austenitycznego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stop na bazie żelaza zawiera maksimum 0,93, korzystnie 0,21 do 0,69% wagowych krzemu, maksimum 0,06, korzystnie poniżej 0,03% wagowych glinu, zaś łączną zawartość krzemu i glinu jest mniejsza niż 0,99% wagowych, przy czym wyrób walcowany, co najmniej w częściowych obszarach przekroju, na całej swej długości, ma strukturę utworzoną poprzez izotermiczną przemianę austenitu w obszarze dolnego bainitu.

Korzystnie stop na bazie żelaza zawiera 0,41 do 1,3, korzystnie 0,51 do 0,98% wagowych węgla, 0,31 do 2,55, korzystnie 0,91 do 1,95% wagowych manganu i jako resztę żelazo.

Korzystnie stop na bazie żelaza zawiera 0,21 do 2,45, korzystnie 0,38 do 1,95% wagowych chromu, ewentualnie do 0,88, korzystnie do 0,49% wagowych molibdenu, do 1,69, korzystnie do 0,95% wagowych wolframu, do 0,39, korzystnie do 0,19 wanadu, ponadto niob i/lub tantal i/lub cyrkon i/lub hafn i/lub tytan, których zawartość oddzielnie lub łącznie wynosi do 0,28, korzystnie do 0,19% wagowych oraz do 2,4, korzystnie do 0,95% wagowych niklu i do 0,006, korzystnie do 0,004% wagowych boru.

Korzystnie stop na bazie żelaza zawiera krzem, glin i węgiel w takiej ilości, że różnica 2,5-krotnej ilości Si i/lub Al w procentach wagowych oraz ilości węgla w procentach wagowych jest równa co najwyżej 2,2.

Korzystnie wyrób walcowany kształtowy, zwłaszcza szyna kolejowa, składająca się z główki, stopki i łączącej te obszary szyjki, ma co najmniej w jednym obszarze przekroju, zwłaszcza w główce szyny, strukturę utworzoną w obszarze dolnego bainitu, której głębokość wynosi co najmniej 10 mm, korzystnie co najmniej 15 mm, od powierzchni wyrobu.

Korzystnie wyrób walcowany kształtowy, zwłaszcza szyna kolejowa, ma obszary przekroju o strukturze dolnego bainitu rozmieszczone symetrycznie względem osi wyrobu.

Korzystnie w co najmniej jednym obszarze o strukturze dolnego bainitu ma twardość co najmniej 350 HB, korzystnie co najmniej 400 HB, zwłaszcza od 420 do 600 HB.

184 601

Sposób wytwarzania wyrobu walcowanego kształtowego, zwłaszcza szyny tramwajowej lub kolejowej, ze stopu na bazie żelaza, zawierającego węgiel, krzem, mangan, ewentualnie chrom, pierwiastki tworzące specjalne węgliki oraz pierwiastki wpływające na przemianę materiału i/lub dodatki mikrostopowe, a w pozostałej części żelazo oraz technologiczne i typowe zanieczyszczenia, o strukturze przekroju, utworzonej co najmniej częściowo za pomocą przyspieszonego chłodzenia z obszaru austenitycznego, przy czym co najmniej części powierzchni szyny znajdującej się w obszarze austenitycznym zasila się chłodziwem względnie w nim umieszcza, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dobiera się skład stopu w wąskich granicach, określa przebieg jego przemiany podczas chłodzenia z obszaru regularnej płasko centrowanej struktury atomowej względnie z obszaru austenitycznego i z dobranego stopu wytwarza się wyrób walcowany, po czym chłodzi się w kierunku wzdłużnym co najmniej części przekroju wyrobu walcowanego z obszaru austenitycznego do temperatury pomiędzy temperaturą przemiany martenzytycznej i temperaturą, przekraczającą ją co najwyżej o 250°C, korzystnie co najwyżej o 190°C, zwłaszcza do temperatury w przedziale od 5 do 110°C powyżej temperatury przemiany martenzytycznej, a następnie odpuszcza izotermicznie.

Korzystnie przemianę struktury prowadzi się izotermicznie w przedziale temperatur co najwyżej plus minus 110°C, korzystnie co najwyżej plus minus 60°C.

Korzystnie stosuje się temperaturę przemiany co najwyżej 450°C, korzystnie co najwyżej 400°C, zwłaszcza od 300 do 380°C.

Korzystnie co najmniej część przekroju wyrobu walcowanego kształtowego o większej koncentracji masy poddaje się przyspieszonemu chłodzeniu.

Korzystnie wyrób chłodzi się poprzez dopasowane do koncentracji masy doprowadzanie chłodziwa do jego powierzchni.

Korzystnie w pierwszym etapie zanurza się wyrób walcowany całkowicie w cieczy chłodzącej, następnie po osiągnięciu temperatury obszaru powierzchniowego co najmniej 2°C, zwłaszcza jednak powyżej 160°C nad temperaturą przemiany martenzytycznej, wyjmuje się co najmniej częściowo z chłodziwa, zaś w drugim etapie pozostawia się w kąpieli względnie w niej zanurza na pewien czas wyłącznie obszar o większej koncentracji masy.

Korzystnie wyrób walcowany prostuje się w osi bezpośrednio po obróbce plastycznej, wykorzystując przy tym ciepło walcowania, a następnie chłodzi się go, uzyskując szczególne własności materiału na całym jego przekroju poprzez przemianę w obszarze dolnego bainitu.

Korzystnie szynie kolejowej, zwłaszcza szynie przeznaczonej na odcinki o dużym natężeniu ruchu, nadaje się wysoką wytrzymałość na ścieranie, znaczną ciągliwość i wysoką wytrzymałość na zmęczenie kontaktowe przy dużym obciążeniu właściwym, przy czym po walcowaniu szyny i co najmniej częściowym termicznym wytworzeniu w niej struktury dolnego bainitu prostuje się ją, zwłaszcza poprzez gięcie w temperaturze otoczenia lub temperaturze nieznacznie podwyższonej, uzyskując szczególne własności materiału przy zachowaniu stabilnego wyprostowania szyny.

Korzyści osiągnięte za pomocą wynalazku polegają zwłaszcza na tym, że jak stwierdzono, wyrób walcowany o strukturze odpowiadającej przemianie w dolnym obszarze bainitu ma znacznie lepsze własności mechaniczne. Warunkiem osiągnięcia tego efektu jest ograniczona sztywno od góry zawartość krzemu i/lub glinu w materiale. Wyższe zawartości krzemu i/lub glinu w niskostopowych materiałach na bazie żelaza zwężają obszar gamma wykresu równowagi fazowej, w związku z czym prawie całkowita przemiana struktury austenitu w obszarze dolnego bainitu jest możliwa jedynie pod warunkiem zawartości krzemu co najwyżej 0,93% wagowych i zawartości glinu co najwyżej 0,06% wagowych przy łącznej zawartości krzemu i glinu poniżej 0,99% wagowych. Nieoczekiwanie duża poprawa własności materiału pomiędzy strukturą górnego i dolnego bainitu nie daje się dotychczas wystarczająco wytłumaczyć i jest przez część specjalistów uzasadniana naukowo tym, że w górnym zakresie temperatur przemiany bainitycznej, w której wprawdzie zamrożona jest samodyfuzja atomów sieci, węgiel może nadal lekko dyfundować. Powoduje to gruboziarniste, widoczne pod mikroskopem optycznym wtrącenia węglikowe, które leżą pomiędzy igłami ferrytu, co w efekcie pogarsza własności materiału. W zakresie temperatur dolnej przemiany bainitycznej

184 601 dyfuzja węgla wydaje się natomiast znacznie zmniejszona względnie również w dużym stopniu zamrożona, co powoduje tworzenie węglików w igłach ferrytu bainitycznego i tak drobne ich rozłożenie, że nie są one widoczne pod mikroskopem optycznym, lecz tylko pod mikroskopem elektronowym. To korzystne ukształtowanie i rozkład węglików w stukturzę dolnego bainitu prowadzi w sposób oczywisty do znacznej poprawy twardości i wytrzymałości, ciągliwości, odporności na pękanie, wytrzymałości na ścieranie i wysokiej wytrzymałości wyrobu walcowanego na zmęczenie kontaktowe.

Aby osiągnąć w przybliżeniu całkowitą przemianę w obszarze dolnego bainitu przy jednoczesnym wyeliminowaniu struktur mieszanych, korzystne jest, jeżeli stop na bazie żelaza zawiera krzem, glin i węgiel w takich ilościach, że różnica 2,5-krotnej zawartości krzemu i/lub glinu w % wagowych oraz zawartości węgla w % wagowych jest co najwyżej równa 2,2. Dzięki temu ograniczeniu względnie zależności pierwiastki silnie ferrytotwórcze, to znaczy Si i Al, oraz pierwiastek austenitotwórczy, to znaczy C, są przyporządkowane względnie dopasowane do siebie wzajemnie pod względem kinetyki przemiany.

Jeżeli wyrób walcowany kształtowy, zwłaszcza szyna kolejowa, składająca się z główki, stopki i łączącej te obszary szyjki, w którym to wyrobie co najmniej w jednym obszarze przekroju, zwłaszcza w główce szyny, struktura utworzona w obszarze dolnego bainitu ma głębokość co najmniej 10 mm, korzystnie co najmniej 15 mm, od powierzchni, wówczas nawet wyjątkowo silnie obciążone obszary powierzchni mogą wykazywać nieoczekiwanie wysokie wytrzymałości.

Wyrób walcowany kształtowy, zwłaszcza szyna kolejowa, w którym to wyrobie obszary przekroju o strukturze dolnego bainitu są rozmieszczone symetrycznie względem osi, charakteryzuje się dodatkowymi zaletami w postaci znacznej trwałości kształtu i mniejszych naprężeń wewnętrznych.

Szczególnie korzystne z punktu widzenia parametrów użytkowych jest rozwiązanie, w którym wyrób walcowany kształtowy ma w obszarze względnie obszarach o strukturze dolnego bainitu twardość co najmniej 350 HB, korzystnie co najmniej 400 HB, zwłaszcza od 420 do 600 HB.

Korzyści osiągnięte za pomocą sposobu według wynalazku polegają zwłaszcza na tym, że umożliwia on dokładne zaplanowanie przebiegu wytwarzania i jakości wyrobu walcowanego kształtowego, przy czym znacznej poprawie ulegają jego własności mechaniczne. Z jednej strony można tutaj dobrać korzystny pod względem ekonomicznym, chemiczny skład stopu, który we wszystkich wypadkach zapewnia wymagany profil własności wyrobu, z drugiej zaś możliwe jest dokładne określenie względnie zastosowanie wybranej technologii wytwarzania i obróbki cieplnej. Jest to ważne, ponieważ procesy przemian podczas chłodzenia z obszaru austenitycznego zależą nie tylko od składu stopu, lecz również od wysokości temperatury walcowania końcowego i/lub austenityzowania, od stanu zarodków oraz szybkości zarodkowania faz, a także od mechanizmu przemiany sieciowej. Przy założeniu danego przebiegu przemiany względnie temperatury startu przemiany martenzytycznej materiału dla stanu, jaki występuje lub jaki można osiągnąć w praktycznym procesie wytwarzania, istnieje możliwość dopasowania charakterystyki temperaturowej przemiany według wynalazku.

Szczególnie korzystne własności materiałowe osiąga się wówczas, gdy przemiana struktury zachodzi izotermicznie w przedziale temperatur co najwyżej plus minus 110°C, korzystnie co najwyżej plus minus 60°C. Dla większości stali, stosowanych na podlegające wysokim obciążeniom produkty walcowane, zwłaszcza na szyny kolejowe, wynika stąd temperatura przemiany co najwyżej 450°C, korzystnie co najwyżej 400°C, zwłaszcza od 300 do 380°C, zapewniająca wytworzenie struktury dolnego bainitu według wynalazku.

Jeżeli co najmniej część przekroju wyrobu walcowanego kształtowego o większej koncentracji masy podda się przyspieszonemu chłodzeniu, osiąga się korzystne równomierne chłodzenie w odniesieniu do wzdłużnej osi wyrobu walcowanego.

Równomierność chłodzenia na przekroju można dodatkowo poprawić, zwłaszcza w profilach szynowych, jeżeli wyrób walcowany zanurza się całkowicie w pierwszym etapie w cieczy chłodzącej, następnie po osiągnięciu temperatury obszaru powierzchniowego co najmniej 2°C, zwłaszcza jednak powyżej 160°C nad temperaturą przemiany martenzytycznej,

184 601 wyjmuje się co najmniej częściowo z chłodziwa, zaś w drugim etapie wyłącznie obszar o większej koncentracji masy pozostawia się na pewien czas w kąpieli względnie zanurza w niej na pewien czas.

Jeżeli chłodzenie wyrobu walcowanego przeprowadza się za pomocą dopasowanego do profilu koncentracji masy, zasilania chłodziwem powierzchni wyrobu, wówczas technologię obróbki cieplnej można tak dopasować do typowych stopowych stali szynowych, że przemiana struktury w obszarze dolnego bainitu zachodzi w zasadzie na całym przekroju.

Zwłaszcza ze względu na równomierne doprowadzanie chłodziwa oraz przesunięcie początku przemiany stopu w kierunku dłuższych czasów, korzystne jest, jeżeli wyrób walcowany prostuje się w osi bezpośrednio po obróbce plastycznej, wykorzystując przy tym ciepło walcowania, a następnie chłodzi się go, zapewniając szczególne własności materiału na całym jego przekroju poprzez przemianę w obszarze dolnego bainitu.

Szczególnie korzystne jest zastosowanie sposobu według wynalazku wówczas, gdy szynom kolejowym, zwłaszcza przeznaczonym na odcinki o dużym natężeniu ruchu, nadaje się wysoką wytrzymałość na ścieranie, znaczną ciągliwość i wysoką wytrzymałość na zmęczenie kontaktowe przy dużym obciążeniu właściwym, przy czym po walcowaniu i co najmniej częściowym termicznym wytworzeniu struktury dolnego bainitu przeprowadza się prostowanie, zwłaszcza prostowanie przez gięcie w temperaturze otoczenia lub temperaturze nieznacznie podwyższonej, dla otrzymania szczególnych własności materiału przy zachowaniu stabilnego wyprostowania szyny.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres CTP dla temperatury austenityzacji 860°C, fig. 2 - wykres CTP dla temperatury austenityzacji 1050°C, fig. 3 - izotermiczny wykres przemian przy austenityzacji w temperaturze 860°C, fig. 4 - izotermiczny wykres przemian przy austenityzacji w temperaturze 1050°C, fig. 5 - izotermiczny wykres CTP dla temperatury austenityzacji 850°C, zaś fig. 6 - izotermiczny wykres CTP dla temperatury austenityzacji 1050°C.

W ramach badań, których wyniki są zilustrowane za pomocą wykresów, należało otrzymać wyrób walcowany o przekroju w kształcie litery H, twardości pomiędzy 550 i 600 HV i jak największej ciągliwości. W tym celu wytworzono i zbadano stop na bazie żelaza o następującym składzie, podanym w % wagowych: C=1,05, Si=0,28, Mn=0,35, Cr=1,55 reszta żelazo i zanieczyszczenia.

Za pomocą badania dylatometrycznego sporządzono wykresy CTP (czas-temperaturaprzemiana) dla temperatury austenityzacji 860°C (fig. 1); 950°C; 1050°C (fig. 2) oraz izotermiczne wykresy przemian przy austenityzacji, również w 860°C (fig. 3); 950°C; 1050°C (fig. 4). Wykresy te pokrywają się z wykresami, znanymi z literatury dla tego typu stali.

W próbkach, które poddano przyspieszonemu chłodzeniu od temperatury austenityzacji równej 860°C (fig. 1), osiągnięcie wymaganej twardości materiału (wartość liczbowa w kółku) równej 530-600 HV w wyniku odpowiedniego chłodzenia sprawiało trudności, przy czym uzyskana, struktura była strukturą mieszaną, zawierającą górny bainit, dolny bainit i martenzyt, zaś materiał wykazywał niską ciągliwość.

Poprzez podwyższenie temperatury austenityzacji do 1050°C (fig. 2) przemiana bainityczna uległa w zasadzie zahamowaniu, wskutek czego struktura uzyskana przy ciągłym chłodzeniu w żądanym obszarze twardości składała się z perlitu i martenzytu, a także nie wykazywała oczekiwanych wysokich wartości ciągliwości.

Próbki opisanego wyżej stopu, poddane przyspieszonemu chłodzeniu od temperatury 860°C (fig. 3) i odpuszczone według wynalazku w temperaturze pomiędzy 350 i 300°C (patrz strzałka), a zatem 155 względnie 105°C powyżej temperatury przemiany martenzytycznej, wykazywały powtarzalną twardość materiału od 550 do 600 HV, jednorodną strukturę dolnego bainitu oraz znacznie zwiększoną ciągliwość.

Stwierdzono ponadto, że wraz ze wzrostem temperatury austenityzacji obszary przemiany perlitycznej, zwłaszcza zaś obszary przemiany bainitycznej ulegały przesunięciu w kierunku dłuższych czasów, w związku z czym przemiana izotermiczna według wynalazku w obszarze dolnego bainitu, która dawała w efekcie twardość materiału od 550 do 600 HV,

184 601 w zakresie temperatur pomiędzy 330 i 280°C (patrz strzałka) trwa od 20 do 340 minut i powoduje wyjątkowo dużą ciągliwość materiału.

Z powyższych badań wyraźnie wynika, że przemiana izotermiczna według wynalazku wyrobu walcowanego, zwłaszcza szyn, w obszarze dolnego bainitu daje z jednej strony wysokie twardości materiału przy dużej jego ciągliwości, z drugiej zaś strony, poprzez odpowiednie doprowadzanie ciepła względnie dobór temperatury można uwzględnić parametry wytwarzania względnie przedziały czasowe wymagane przy przepływie materiału, aby zapewnić osiągnięcie szczególnych parametrów jakościowych wyrobu.

Ponadto ze stali o składzie (w % wagowych) C=0,30, Si=0,30, Mn=1,08, Cr=1,11, Ni=0,04, Mo=0,09, V=0,15, Al=0,16, reszta żelazo i pierwiastki towarzyszące, wykonano szyny kolejowe, przy czym końcowa temperatura walcowania wynosiła dla powierzchni średnio 1045°C. Po walcowaniu przeprowadzono dokładne prostowanie wyrobu walcowanego wzdłuż osi wzdłużnej oraz doprowadzono szynę do urządzenia chłodzącego. W urządzeniu chłodzącym w pierwszym etapie prowadzono pełne chłodzenie szyny z dużą intensywnością tak długo, aż osiągnęła ona częściowo - to jest w zewnętrznych obszarach stopki szyny - temperaturę powierzchni 290°C. Następnie w obszarach tych zmniejszono intensywność chłodzenia względnie odłączono dopływ chłodziwa. W drugim etapie sposobu intensywne względnie przyspieszone chłodzenie prowadzono jedynie w obszarze o dużej koncentracji objętości i stosunkowo wysokiej temperaturze, to znaczy zwłaszcza w główce szyny, tak długo, aż temperatura powierzchni w tych obszarach obniżyła się także do 290°C. Ten sposób chłodzenia wymaga w danym przypadku zastosowania chłodzenia przerywanego względnie pulsacyjnego lub regulacji intensywności dopływu chłodziwa co najmniej do powierzchniowych obszarów przekroju.

W trzecim etapie tak schłodzoną szynę umieszczano w piecu względnie komorze cieplnej o temperaturze rzędu 340°C, odpuszczano, a na zakończenie chłodzono do temperatury otoczenia.

W tym miejscu należy wspomnieć, że na podstawie badań wstępnych sporządzono izotermiczne wykresy CTP w zależności od temperatury austenityzacji równej odpowiednio 850°C (fig. 5) oraz 1050°C (fig. 6), a także wyznaczono temperaturę przemiany martenzytycznej dla powyższego stopu, wynoszącą 300 względnie 260°C. W oparciu o uzyskane wyniki ustalono temperaturę przemiany na poziomie 340°C.

Wymienione poniżej badania materiałowe przyniosły następujące rezultaty:

Na całym przekroju stwierdzono strukturę dolnego bainitu.

Twardość w główce szyny wynosiła 475 HB i na całym przekroju szyny wykazywała jedynie nieznaczne różnice.

Ciągliwość materiału, mierzona na próbkach udarnościowych z karbem, uległa również znacznej poprawie.

W badaniu ciągliwości przełomu uzyskano wartość Kic ponad 2300 N/mm².

184 601

temperatura w C temperatura

czas min

184 601

Yeaęeratnra anatenityzaćji USUT czai wytrzymywania: 5 mn nagrzewanie w 3 min

temperatura w °C --- temperatura

184 601

temperatura w “C temperatura

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Wyrób walcowany kształtowy, zwłaszcza szyna tramwajowa lub kolejowa, ze stopu na bazie żelaza, zawierającego węgiel, krzem, mangan, ewentualnie chrom, pierwiastki tworzące specjalne węgliki oraz pierwiastki wpływające na przemianę materiału i/lub dodatki mikrostopowe, a w pozostałej części żelazo oraz technologiczne i typowe zanieczyszczenia, o strukturze przekroju, utworzonej co najmniej częściowo za pomocą przyspieszonego chłodzenia· z obszaru austenitycznego, znamienny tym, że stop na bazie żelaza zawiera maksimum ,0,93, korzystnie 0,21 do 0,69% wagowych krzemu, maksimum 0,06, korzystnie poniżej 0,03% wagowych glinu, zaś łączna zawartość krzemu i glinu jest mniejsza niż 0,99% wagowych, przy czym wyrób walcowany, co najmniej w częściowych obszarach przekroju, na całej swej długości, ma strukturę utworzoną poprzez izotermiczną przemianę austenitu w obszarze dolnego bainitu.
2. Wyrób według zastrz. 1, znamienny tym, że stop na bazie żelaza zawiera 0,41 do 1,3, korzystnie 0,51 do 0,98% wagowych węgla, 0,31 do 2,55, korzystnie 0,91 do 1,95% wagowych manganu i jako resztę żelazo.
3. Wyrób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stop na bazie żelaza zawiera 0,21 do 2,45, korzystnie 0,38 do 1,95% wagowych chromu, ewentualnie do 0,88, korzystnie do 0,49% wagowych molibdenu, do 1,69, korzystnie do 0,95% wagowych wolframu, do 0,39, korzystnie do 0,19 wanadu, ponadto niob i/lub tantal i/lub cyrkon i/lub hafn i/lub tytan, których zawartość oddzielnie lub łącznie wynosi do 0,28, korzystnie do 0,19% wagowych oraz do 2,4, korzystnie do 0,95% wagowych niklu i do 0,006, korzystnie do 0,004% wagowych boru.
4. Wyrób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stop na bazie żelaza zawiera krzem, glin i węgiel w takiej ilości, że różnica 2,5-krotnej ilości Si i/lub Al w procentach wagowych oraz ilości węgla w procentach wagowych jest równa co najwyżej 2,2.
5. Wyrób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej w jednym obszarze przekroju, zwłaszcza w główce szyny, struktura utworzona w obszarze dolnego bainitu ma głębokość co najmniej 10 mm, korzystnie co najmniej 15 mm, od powierzchni wyrobu.
6. Wyrób według zastrz. 1 albo 5, zwłaszcza szyna kolejowa, znamienny tym, że obszary przekroju o strukturze dolnego bainitu są rozmieszczone symetrycznie względem osi wyrobu.
7. Wyrób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że w co najmniej jednym obszarze o strukturze dolnego bainitu ma twardość co najmniej 350 HB, korzystnie co najmniej 400 HB, zwłaszcza od 420 do 600 HB.
8. Sposób wytwarzania wyrobu walcowanego kształtowego, zwłaszcza szyny tramwajowej lub kolejowej, ze stopu na bazie żelaza, zawierającego węgiel, krzem, mangan, ewentualnie chrom, pierwiastki tworzące specjalne węgliki oraz pierwiastki wpływające na przemianę materiału i/lub dodatki mikrostopowe, a w pozostałej części żelazo oraz technologiczne i typowe zanieczyszczenia, o strukturze przekroju, utworzonej co najmniej częściowo za pomocą przyspieszonego chłodzenia z obszaru austenitycznego, przy czym co najmniej części powierzchni szyny znajdującej się w obszarze austenitycznym zasila się chłodziwem względnie w nim umieszcza, znamienny tym, że dobiera się skład stopu w wąskich granicach, określa przebieg jego przemiany podczas chłodzenia z obszaru regularnej płasko centrowanej struktury atomowej względnie z obszaru austenitycznego i z dobranego stopu wytwarza się wyrób walcowany, po czym chłodzi się w kierunku wzdłużnym co najmniej części przekroju wyrobu walcowanego z obszaru austenitycznego do temperatury pomiędzy temperaturą przemiany martenzytycznej i temperaturą, przekraczającą ją co najwyżej o 250°C, korzystnie co najwyżej o 190°C, zwłaszcza do temperatury w przedziale od 5 do 110°C powyżej temperatury przemiany martenzytycznej, a następnie odpuszcza izotermicznie.

184 601
9. Sposób według zastrz . 8, znamienny tym, że przemianę struktury prowadzi się izotermicznie w azęeaztuly temperatur co najwyżej plus mtkur 110°C, korzystnie co najwyżej plus minur 60°C.
10. Sporób według zurtrz. 8 albo 9, znamienny tym, że rtoruje rię temperaturę przemiany co najwyżej 450°C, korzystnie co najwyżej 400°C, zwłarzcza oa 3θ0 ao 380°C.
11. Sporób według zartrz. 8, znamienny tym, że co najmniej część przekroju wyrobu walcowanego kształtowego o więkrzej koncentracji mary poddaje rię przyspieszonemu chłodzeniu.
12. Sporób według zastrz. 8, znamienny tym, że wyrób chłodzi rię poprzez dortorowane do koncentracji mary doprowadzanie chłodziwa do jego powierzchni.
13. Sporób według zartrz. 8, znamienny tym, że w pierwrzym etapie zanurza rię wyrób walcowany całkowicie w cieczy chłodzącej, następnie po oriągnięciu temperatury obrzaru powierzchniowego co najmniej 2°C, powyżej 160°C nad temperaturą przemiany martenzytycznej, wyjmuje rię częściowo z chłodziwa, zaś w drugim etapie pozortawia rię w kąpieli względnie w niej zanurzą na pewien czas wyłącznie obrzar o wtękrzej koncentracji mary'.
14. Sporób według zastrz. 8, znamienny tym, że wyrób walcowany prostuje rię w osi bezpośrednio po obróbce plastycznej, wykorzystując przy tym ciepło walcowania, a następnie chłodzi rię go, uzyskując szczególne własności materiału na całym jego przekroju poprzez przemianę w obszarze dolnego bainitu.
15. Sporób według zastrz. 8, znamienny tym, że szynie kolejowej, zwłaszcza szynie przeznaczonej na odcinki o dużym natężeniu ruchu, nadaje rię wysoką wytrzymałość na ścieranie, znaczną ciągliwość i wysoką wytrzymałość na zmęczenie kontaktowe przy dużym obciążeniu właściwym, przy czym po walcowaniu szyny i co najmniej częściowym termicznym wytworzeniu w niej struktury dolnego baimtu prostuje rię ją, zwłaszcza poprzez gięcie w temperaturze otocęeniu lub temperaturze nieznacznie podwyższonej, uzyskując szczególne własności materiału przy zachowaniu stabilnego wyprostowania szyny.