PL224253B1 - Staliwny element skrzyżowania lub rozjazdu nawierzchni torowej, zwłaszcza blok krzyżownicy rozjazdu kolejowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element skrzyżowania lub rozjazdu nawierzchni torowej ze stopowego niskowęglowego staliwa o strukturze bainitycznej, a zwłaszcza blok krzyżownicy rozjazdu kolejowego.

Stały wzrost prędkości i natężenia ruchu pojazdów szynowych, przy coraz większym obciążeniu osi pojazdów, wymusza poszukiwanie rozwiązań mających na celu z jednej strony podniesienie twardości i zwiększenia tą drogą odporności elementów nawierzchni torowej na ścieranie przez przetaczające się obręcze kół, a z drugiej strony zachowanie ciągliwości, wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na obciążenia udarowe.

Do elementów nawierzchni torowej szczególnie narażonych na zużycie i uszkodzenia eksploatacyjne należą skrzyżowania i rozjazdy, a zwłaszcza ich zwrotnice oraz krzyżownice.

Od szeregu lat znane i stosowane są rozjazdy lub skrzyżowania kolejowe, w których krzyżownica jest wykonana w postaci monolitycznego bloku z austenitycznego staliwa manganowego i łączona metodą spawania z szynami ze stali węglowej. Powyższe rozwiązanie znane jest na przykład z opisów patentowych PL 122894, DE 2952079, PL 208441. Przeciwstawne właściwości wspomnianych wyżej materiałów powodują znaczne trudności podczas łączenia za pomocą spawania krzyżownic z austenitycznego staliwa manganowego z szynami ze stali węglowej, używanej zwykle na szyny kolejowe. Dlatego znane rozwiązania przewidują wkładkę lub warstwę pośrednią ze stali nisko węglowej, na przykład stali austenitycznej Cr-Ni-Mn, pomiędzy krzyżownicą a przyspawaną do niej szyną.

Znanym tworzywem o podwyższonej odporności na zużycie oraz na zmęczenie przy styku tocznym jest stopowa stal bainityczna, z której wykonuje się szyny kolejowe, tramwajowe, dźwigowe oraz węzły i elementy skrzyżowań czy rozjazdów kolejowych.

Przykładowo, w opisie patentowym PL 183930 (analog WO 97/44563) ujawniono kombinowany blok krzyżownicy, zawierający dziób o budowie warstwowej. Jego główka jest uformowana z wysokowytrzymałej stali martenzytycznej, zaś trzon dziobu z bainitycznej stali stopowej ma postać bloku bainitycznego, tworzącego przedni obszar bloku krzyżownicy, który wyjściowo znajduje się w stanie walcowniczym.

Odcinek główki z wysokowytrzymałej stali martenzytycznej ma postać wkładki, która jest połączona z blokiem bainitycznym za pomocą spawania, na skurcz lub połączenie zaciskowe. Zespół złożony z bloku bainitycznego i wkładki ze stali martenzytycznej jest poddawany wspólnej obróbce ciepl₂ nej, tak że stal bainityczna ma po tej obróbce granicę plastyczności w zakresie 950-1100 N/mm . Wspomniana wspólna obróbka cieplna obejmuje wyżarzanie dyfuzyjne (ujednorodniające) w temperaturze 400-600°C przez 1 do 7 godzin.

Z kolei w opisie patentowym PL 184601 przedstawiono wyrób walcowany w postaci szyny tramwajowej lub kolejowej ze stopu na bazie żelaza, węgla, krzemu, manganu, ewentualnie chromu, pierwiastków tworzących specjalne węgliki oraz pierwiastków wpływających na przemianę materiału i/lub dodatków mikrostopowych, a ponadto dodatków technologicznych i typowych zanieczyszczeń. Stop ten zawiera 0,93% wag. krzemu i 0,06% wag. glinu, przy czym łączna zawartość krzemu i glinu jest mniejsza niż 0,99% wagowych. Wyrób walcowany z tego stopu ma co najmniej częściowo w przekroju strukturę utworzoną poprzez izotermiczną przemianę austenitu w obszarze dolnego bainitu.

Szyna odporna na ścieranie i zmęczenie przy styku tocznym, zwłaszcza kolejowa, z bezwęglikowej stali bainitycznej, walcowana jest według wynalazku PL 186509 (analog WO 96/22396) ze stali zawierającej węgiel w ilości 0,05-0,50% wag., krzem i lub glin w ilości 1,0-3,0% wag,, mangan w ilości 0,50-2,50% wag., chrom w ilości 0,25-2,50% wag., nikiel w ilości do 3,0% wag., siarkę w ilości do 1% wag, wolfram w ilości do 1% wag., molibden w ilości do 1% wag., miedź w ilości do 3% wag., tytan w ilości do 0,10% wag., wanad w ilości do 0,50% wag., i bor w ilości 0,001 do 0,005% wag., oraz żelazo bilansowe i nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym po walcowaniu szyna jest chłodzona w sposób ciągły i równomierny od temperatury walcowania do temperatury otoczenia w powietrzu, albo chłodzona w sposób wymuszony z prędkością 2°C/sek.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P-364511 znana jest stal o strukturze bainitycznej, zwłaszcza na szyny kolejowe, zawierająca do 0,40% wag. krzemu, do 0,025% wag. fosforu, do 0,018% wag. siarki, do 0,30% wag. niklu, 0,10 do 0,20% wag. wanadu do 0,02%wag. glinu oraz węgiel, mangan, chrom i molibden, przy czym resztę stanowi żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. Stal charakteryzuje się tym, że zawiera 0,10 do 0,25% wag. węgla, 1,85 do 2,15% wag. manganu 1,4 do 1,75% wag. chromu i 0,3 do 0,4% wag. molibdenu.

PL 224 253 B1

W opisie wzoru użytkowego CZ 14602(U1) i w opisie patentowym PL 213115 ujawniono stop żelaza na odlewy krzyżownic rozjazdów kolejowych i tramwajowych o zwiększonej odporności na obciążenia eksploatacyjne, który oprócz żelaza zawiera węgiel w ilości 0,15-0,25% wag., mangan w ilości 1,00-1,80% wag., krzem w ilości 1,00-1,60% wag., chrom w ilości 1,50-2,50% wag., nikiel w ilości 2,50-3,50% wag., molibden w ilości 0,40-0,70% wag. i bor w ilości 0,0025-0,005% wag. Korzystnie, odlew z tego stopu poddaje się dwuetapowej obróbce cieplnej dla nadania struktury bainitycznej i uzyskania elementu o granicy plastyczności co najmniej 1100 MPa, wytrzymałości na rozciąganie co najmniej 1400 MPa, udarności co najmniej 20 J i odporności na pękanie co najmniej 100 MPa-m^1/2.

Ponadto w opisie patentowym US 7374622 ujawniono sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego ze stopu żelaza z węglem, który oprócz żelaza zawiera węgiel w ilości 0,15-0,25% wag., mangan w ilości 1,00-1,80% wag., krzem w ilości 1,00-1,60% wag., chrom w ilości 1,50-2,50% wag., nikiel w ilości 2,50-3,50% wag., molibden w ilości 0,40-0,70% wag. i bor w ilości 0,0025-0,005% wag. Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego obejmuje wykonanie odlewu ze wspomnianego stopu żelaza i hartowanie izotermiczne (hartowanie z przemianą izotermiczną) dla utworzenia struktury bainitycznej we wspomnianym elemencie. Wspomniane hartowanie izotermiczne obejmuje: nagrzewanie wspomnianego odlewu do temperatury, przy której wspomniany odlew wykaże fazę austenityczną, szybkie chłodzenie wspomnianego odlewu do niższej temperatury - poniżej zakresu formowania się perlitu i powyżej zakresu formowania się martenzytu, wytrzymywanie wspomnianego odlewu we wspomnianej niższej temperaturze aż wykaże on strukturę bainityczną, i chłodzenie odlewu do temperatury pokojowej, przy której wspomniany element konstrukcyjny ma w wyniku tej obróbki odporność

1/2 na pękanie co najmniej 100 MPa-m . Wspomnianym sposobem można otrzymać element konstrukcyjny stanowiący krzyżownicę.

Zgodnie z wynalazkiem, staliwny element skrzyżowania lub rozjazdu nawierzchni torowej, zwłaszcza blok krzyżownicy rozjazdu kolejowego, ze stopu na bazie żelaza, węgla i składników stopowych jak Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Cu, Ti, Al, mający w całym przekroju strukturę bainityczną utworzoną poprzez przemianę austenitu, charakteryzuje się tym, że stanowi go odlew ze stopu zawierającego węgiel w ilości 0,18-0,24% wag., korzystnie powyżej 0,20% wag., mangan w ilości 1,60-1,90% wag., krzem w ilości do 0,50% wag., korzystnie do 0,35% wag., chrom w ilości 1,60 do 1,90% wag., nikiel w ilości 0,30-0,50% wag., korzystnie 0,40% wag., molibden w ilości 0,30-0,40% wag., wanad 0,10 -0,20% wag., miedź do 0,20% wag., tytan do 0,04% wag., glin 0,02-0,06% wag., a ponadto fosfor w ilości nie większej niż 0,025% wag., siarkę w ilości nie większej niż 0,02% wag., oraz żelazo bilansowe i nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym odlew po wybiciu z formy i wystudzeniu wyżarza się normalizująco w temperaturze 930-950°C przez 2 do 5 godz., po czym studzi (hartuje) w powietrzu do temperatury otoczenia. Następnie odlew ponownie nagrzewa do temperatury 590-610°C, celem odpuszczenia, i wygrzewa w tej temperaturze co najmniej 2 godz., po czym studzi w powietrzu.

W efekcie takiej dwuetapowej obróbki cieplnej odlanego staliwnego elementu skrzyżowania lub rozjazdu, uzyskuje się w pierwszym etapie przemianę austenitu w bainit w warunkach ciągłego chłodzenia w powietrzu po normalizowaniu, co w porównaniu ze znanym rozwiązaniem pozwala na znaczne obniżenie energochłonności i czasochłonności procesu przemiany austenit-bainit, przy jednoczesnym uproszczeniu operacji dzięki wyeliminowaniu hartowania z przemianą izotermiczną i zastąpieniu go ciągłym chłodzeniem w powietrzu. Natomiast w wyniku drugiego etapu obróbki cieplnej, tj. odpuszczania, następuje poprawa parametrów eksploatacyjnych odlanego staliwnego elementu o strukturze bainitycznej, a zwłaszcza wzrost jego odporności na pękanie, co jest szczególnie ważne w przypadku elementów nawierzchni torowej.

Wynalazek objaśniono szczegółowo poniżej w przykładzie wykonania krzyżownicy rozjazdu kolejowego. Przykład ten obrazuje wykonanie odlewu krzyżownicy rozjazdu z niskowęglowego staliwa bainitycznego wraz z obróbką cieplną odlewu.

Rozjazd kolejowy jest odlewem trudnym technologicznie ze względu na geometrię. Jego szerokość jest niewielka, natomiast długość sięga z reguły 6 metrów. Wymaga to wykonania specjalnych skrzyń formierskich.

Oprzyrządowanie w postaci modeli i rdzennic wykonano w oparciu o rysunek surowego odlewu oraz rysunek technologiczny krzyżownicy.

Na masę formierską zastosowano sypką masę samoutwardzalną ze szkłem wodnym w technologii estrowej. Masy tego rodzaju dają gwarancję wysokiej sztywności umożliwiającej utrzymanie niskiej

PL 224 253 B1 deformacji odlewów. Przy produkcji odlewów o wysokiej smukłości - takich jak krzyżownica - jest to bardzo ważne.

Jako masę rdzeniową zastosowano sypką masę samoutwardzalną z żywicą syntetyczną. Masy tego rodzaju zapewniają wierne odtwarzanie wewnętrznych kształtów odlewów, dużą dokładność wymiarową i gładkość odlewów, a także łatwość wybijania i oczyszczenia odlewów.

Staliwo do zalewania formy krzyżownicy wytopiono w zasadowym elektrycznym piecu łukowym.

Przed zalaniem formę wypełniono argonem. Zalewania dokonano strumieniem ciągłym bez regulacji jego wielkości. Czas zalewania formy wyniósł 43 s. Skutkiem szybkiego zalewania była bardziej równomierna temperatura metalu w momencie końca zalewania. Szybszy przepływ metalu nie spowodował mechanicznych uszkodzeń układu wlewowego ani też wnęki formy.

Po zalaniu odlew krzyżownicy pozostawiono w formie na 72 godz., a następnie wybito, wstępnie oczyszczono i odcięto palnikiem nadlewy oraz układ wlewowy.

Z wlewu rozprowadzającego odcięto walcowe próbki przeznaczone do badania składu chemicznego staliwa oraz własności mechanicznych.

Skład chemiczny staliwa określony na próbkach wyciętych z układu wlewowego był następujący: C = 0,24%, Si = 0,33%, Mn = 1,90%, P = 0,014%, S = 0,013%, Cu = 0,12%, Cr = 1,76%, Ni = 0,47%, Mo = 0,34%, Al = 0,051%, V = 0,15%, Ti = 0,03% oraz żelazo bilansowe i nieuniknione zanieczyszczenia (wszystkie wartości w % wagowych). Skład ten jest zgodny z przyjętymi założeniami.

Odlew krzyżownicy wraz z częścią próbek umieszczono w piecu komorowym i poddano nagrzewaniu z szybkością ok. 50°C/h do temperatury wyżarzania normalizującego 930°C. Czas normalizacji wyniósł 5 godz. Po tym czasie wysunięto odlew i próbki z pieca, aby studzenie następowało w spokojnym powietrzu. W przypadku zastosowanego staliwa charakter stopu powoduje, że jego studzenie w spokojnym powietrzu z zakresu jednorodnego austenitu (930°C) do temperatury pokojowej wywołuje zahartowanie odlanej krzyżownicy na bainit.

Po ostygnięciu odlewu i próbek do temperatury otoczenia odlew został przekazany do kontroli wymiarowej, badań nieniszczących i obróbki mechanicznej, a próbne wałki (próbki) do obróbki mechanicznej i wykonania badań własności mechanicznych.

Własności odlewu krzyżownicy w stanie po normalizowaniu oceniono w oparciu o wyniki badania próbek.

W stanie po normalizowaniu materiał cechuje się twardością 370 HBW (390 HV30), granicą plastyczności R_p0,₂ = 836 MPa, wytrzymałością na rozciąganie R_m = 1282 MPa, wydłużeniem A₅ = 7,4%, przewężeniem Z = 15% oraz udarnością KCV = 47 J/cm².

Zasadniczo parametry wytrzymałościowe po normalizowaniu pozwalałyby zastosować taką krzyżownicę w nawierzchni torowej, jednakże istnieją obawy co do jej małej odporności na pękanie.

Dlatego po normalizowaniu odlewu krzyżownicy w 930°C i hartowaniu w powietrzu na bainit dodatkowo zastosowano odpuszczanie bainitu w temperaturze 600°C.

Odlew i próbki umieszczono w piecu komorowym i nagrzewano z szybkością ok. 50°C/h do temperatury 600°C, wytrzymano w piecu przez 2 godz., po czym wysunięto z pieca i wystudzono w powietrzu.

Twardość badanego staliwa krzyżownicy po normalizowaniu w 930°C i odpuszczeniu przez 2 godz. w 600°C zmalała niewiele - do 361 HBW (380 HV30). Odpuszczenie spowodowało, iż wytrzymałość na rozciąganie (R_m) nie obniżyła się znacząco i wynosiła 1200 MPa, natomiast granica plastyczności (R_p0,₂) wzrosła do 1008 MPa. Jest to typowe dla materiałów ulepszanych cieplnie, w których miarą ulepszenia materiału jest iloraz R_p0,₂/R_m. Należy zwrócić uwagę, że odpuszczanie umożliwiło uzyskanie bardzo wysokiego ilorazu R_p0,₂/R_m, równego 0,9. Iloraz ten jest jednym ze wskaźników odporności na zmęczenie (im większa wartość tego ilorazu tym większa odporność materiału na zmęczenie).

Dodatkowo, po odpuszczeniu badany materiał krzyżownicy cechuje się wydłużeniem A₅ = 10,7%, ₂ przewężeniem Z = 24% oraz udarnością 35,1 J/cm . Biorąc pod uwagę twardość, dzięki odpuszczaniu uzyskano optymalną kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych.

Bardzo ważną cechą eksploatacyjną nawierzchni torowej jest odporność jej elementów na ścieranie, warunkująca trwałość.

Badania ścieralności materiału wytworzonej krzyżownicy wykonano na urządzeniu, w którym do płaskiej powierzchni próbki dociskana jest ze znaną siłą obracająca się stalowa tarcza (64 HRC) o znanym obwodzie (w badaniu zastosowano węzeł tarcia suchego - powierzchnia płaska nieruchomej próbki z powierzchnią wypukłą obracającej się tarczy).

PL 224 253 B1

Jako miarę odporności materiału na ścieranie przyjęto ubytek masy próbki po określonej drodze tarcia, obliczanej na podstawie ilości obrotów stalowej tarczy. Po próbie ścierania badaną próbkę dokładnie płukano w płuczce ultradźwiękowej oraz suszono i ważono za pomocą wagi laboratoryjnej.

Badania wykonano przy temperaturze otoczenia, stosując poniższe warunki: obciążenie 10 N, średnica stalowej tarczy trącej 125 mm, prędkość obrotu tarczy trącej 33 obr/min.

Dokonano porównania ścieralności dla próbki (H) - ze staliwa Hadfielda, próbki (N) - ze staliwa bainitycznego, z którego odlano krzyżownicę, po normalizowaniu w opisanych wyżej warunkach, i próbki (O) - ze staliwa bainitycznego, z którego odlano krzyżownicę, po normalizowaniu i odpuszczaniu w opisanych wyżej warunkach.

Wyniki zestawiono w tabeli poniżej.

Próbka	Masa próbki [g]	Ubytek masy próbki [g]
po 2500 [m]	po 5000 [m]	po 7500 [m]	po 10000 [m]
H	24,6728	0,0056	0,0102	0,0156	0,0204
N	23,3719	0,0269	0,0560	0,0584	0,0513
0	23,2685	0,0215	0,0369	0,0384	0,0378

Różnica w zużyciu materiału maleje z wydłużeniem czasu badań. Po pierwszych 2500 m staliwo bainityczne krzyżownicy odpuszczone przy 600°C wykazuje blisko czterokrotnie większe zużycie niż staliwo Hadfielda, lecz po 10000 m różnica ta jest mniej niż dwukrotna. Tłumaczy się to zdolnością staliwa bainitycznego krzyżownicy do samoczynnej regeneracji powstających pęknięć i wykruszeń. Zdolność ta wynika z charakteru bainitu i wysokiej plastyczności zaprojektowanego gatunku staliwa. Bardzo istotna jest też obserwacja, że szybkość zużywania się maleje wskutek odpuszczania.

Na podstawie wyników wykonanych badań oraz uwzględniając bardzo wysokie żądania odbiorców dotyczące krzyżownic kolejowych, ich odlewanie ze staliwa bainitycznego o składzie wskazanym w niniejszym wynalazku oraz obróbka cieplna odlewu, złożona z dwóch etapów tj. wyżarzania normalizującego w temperaturze 930-950°C (czas wyżarzania 2-5 godz.) z chłodzeniem w powietrzu, a następnie odpuszczania w 590-610°C (czas wygrzewania min. 2 godz.) z chłodzeniem na powietrzu, pozwala uzyskać po odpuszczaniu staliwną krzyżownicę o twardości bieżni w granicach 330-380 HBW oraz własnościach mechanicznych nie mniejszych niż: R_m = 1000 MPa, R_p0,₂ = 850 MPa, A₅ = 8%, Z = 18%, KCV = 30 J/cm². ’

Claims (1)

1. Staliwny element skrzyżowania lub rozjazdu nawierzchni torowej, zwłaszcza blok krzyżownicy rozjazdu kolejowego, ze stopu na bazie żelaza, węgla i składników stopowych jak Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Cu, Ti, Al, mający w całym przekroju strukturę bainityczną utworzoną poprzez przemianę austenitu, znamienny tym, że stanowi go odlew ze stopu zawierającego węgiel w ilości 0,18-0,24% wag., korzystnie powyżej 0,20% wag., mangan w ilości 1,60-1,90% wag., krzem w ilości do 0,50% wag., korzystnie do 0,35% wag., chrom w ilości 1,60 do 1,90% wag., nikiel w ilości 0,30-0,50% wag., korzystnie 0,40% wag., molibden w ilości 0,30-0,40% wag., wanad 0,10-0,20% wag., miedź do 0,20% wag., tytan do 0,04% wag., glin 0,02-0,06% wag., a ponadto fosfor w ilości nie większej niż 0,025% wag., siarkę w ilości nie większej niż 0,02% wag., oraz żelazo bilansowe i nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym odlew po wybiciu z formy i wystudzeniu wyżarza się normalizująco w temperaturze 930 -950°C przez 2 do 5 godz., po czym studzi w powietrzu do temperatury otoczenia, a następnie ponownie nagrzewa do temperatury 590-610°C i wygrzewa w tej temperaturze przez co najmniej 2 godz., po czym studzi w powietrzu.