RO119237B1

RO119237B1 - Profile laminate şi procedeu de realizare a acestora

Info

Publication number: RO119237B1
Application number: RO97-02312A
Authority: RO
Inventors: Joller Albin; Peter Pointner; Herbert Adolf Schifferl
Original assignee: Voest-Alpine Schienen Gmbh
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2004-06-30
Also published as: DK0849368T3; CZ411197A3; SI0849368T1; JPH10195604A; RU2136767C1; PT849368E; EP0849368B1; CN1185359A; CA2225240A1; ES2216123T3; ATE265549T1; ATA222296A; US6086685A; CN1101856C; AU4848597A; PL184601B1; HUP9702498A3; AU728635B2; JP4039474B2; PL323703A1

Abstract

Invenţia se referă la nişte profile laminate, în special şine de rulare sau de cale ferată, realizate dintr-un aliaj de fier şi având în secţiune o structură obţinută, cel puţin în parte, prin răcire accelerată, şi la un procedeu de fabricare a acestor laminate. Profilele laminate sunt realizate din aliaj de fier cu siliciu, mangan şi eventual crom, având un conţinut de siliciu plus aluminiu sub 0,99% şi prezintă o structură obţinută, în principal, prin transformarea izotermă a austenitei în zona treptei bainitice inferioare. Această structură se obţine cu un procedeu ce stabileşte domeniul transformării funcţie de comportarea aliajului pe parcursul procedeului de transformare termică şi realizează tratarea termică a laminatelor, cel puţin în parte, la o temperatură cuprinsă între punctul martensitic şi o temperatură ce depăşeşte cu cel mult 250°C acest punct. ŕ

Description

Invenția se referă la niște profile laminate și la un procedeu de obținere a acestor profile, fiind aplicate în special la obținerea șinelor de rulare sau de cale ferată.

Sunt cunoscute profile obținute din oțel, de exemplu șine de cale ferată (US 4933024), a cărui compoziție chimică, în procente de greutate, este formată din: 0,50...0,85% carbon, 0,50...1,50% mangan, 0,035% sau mai puțin sulf, 0,10...1,00% siliciu, 0,035% sau mai puțin fosfor, 0,050% sau mai puțin aluminiu, iar restul fier și impurități întâmplătoare.

Oțelul respectiv, după ce a fost turnat sub forma unor lingouri sau sub forma altor produse similare, se supune unor operații de prelucrare la cald, prin laminare, pentru a rezulta un profil laminat, profil care, în continuare, se supune unui tratament termic pentru a conferi profilului respectiv proprietăți mecanice corespunzătoare condițiilor în care urmează să lucreze.

Profilele obținute, de exemplu șinele de cale ferată, după laminare, sunt supuse unei încălziri, pentru a transforma structura oțelului respectiv într-o structură austenitică, la o temperatură peste punctul Ac₃ corespunzător oțelului respectiv. în continuare, șinele de cale ferată sunt supuse unui procedeu de răcire într-un domeniu de temperatură cuprins între 300 și 700’C, răcire care se face cu viteze diferite pentru părțile componente ale șinei.

în urma tratamentului termic aplicat, se obține o structură perlitică cu o duritate ridicată.

Produsele obținute cu ajutorul acestor procedee nu prezintă o duritate ridicată în zona ciupercii șinei, zonă care este supusă intensiv unei uzuri prin abraziune.

în publicația AT 399346 B se prezintă un procedeu care prevede ca, plecând din zona austenitică a aliajului, ciuperca șinei să fie imersată într-un mediu de răcire cu adaosuri de agenți de răcire sintetici, până când temperatura suprafeței șinei atinge valori cuprinse între 45 și 550’C, și apoi este extrasă, obținându-se astfel, în zona ciupercii, o structură perlitică cu granulație fină, ce conferă materialului o duritate crescută.

în publicația EP 186373 B1 este prezentat un procedeu de tratament termic al șinelor de cale ferată cu ajutorul unor duze prin care se asigură pulverizarea agentului de răcire și deci răcirea accelerată a șinei. Distanța între grupurile de duze și ciuperca șinei se stabilește în funcție de duritatea ce se urmărește a se realiza în zona ciupercii și de echivalentul în carbon al respectivului oțel.

Un alt procedeu cunoscut, prezentat în publicația EP 693562 A, urmărește formarea, în special în zona ciupercii, a unei structuri perlitice cu granulație fină, care să conducă la o duritate și la rezistență la abraziune ridicate.

în procedeul din publicația EP 136613 se prevede ca după laminare și răcire în aer până la temperaturi cuprinse între 810 și 800°C, șina de cale ferată să fie supusă unei austenitizări urmată de o răcire accelerată.

Procedeul este condus astfel, încât în zona ciupercii să se formeze o structură perlitică cu granulație fină, iar în zona tălpii șinei să se obțină o structură martensitică, zonă care ulterior este supusă unui tratament termic de revenire.

Toate aceste procedee nu pot asigura propietățile necesare pentru ca șina de cale ferată să se comporte corespunzător în cazul în care este utilizată la viteze mari și la o greutate sporită pe cap de osie.

Un alt procedeu cunoscut supune șina de cale ferată, dintr-un oțel eutectoid sau slab aliat cu compoziția chimică, în procente de greutate formată din 0,82% carbon până la

1,70% mangan, până la 0,9% siliciu, până la 1,3% crom, opțional elemente de finisare a granulației structurii, unei răciri până la temperatura mediului ambiant, după laminarea la cald, după care șina respectivă este supusă unui tratament termic adecvat.

RO 119237 Β1

Tratametul termic constă din supunerea șinei de cale ferată unei încălziri continue și unei răciri corespunzătoare pentru obținerea unei structuri perlitice fine. în timpul trecerii 50 continue a șinei de cale ferată prin mijlocul de încălzire, fiecare secțiune transversală a șinei este supusă unui ciclu termic care, în prima fază, realizează o încălzire la 500...600’C a întregii secțiuni transversale. Mijloacele de încălzire realizează o încălzire mai rapidă a părții inferioare a șinei și a părții de legătură. în etapa următoare, secțiunea transversală a șinei trece printr-o zonă de egalizare, fază în care are loc o scădere ușoară a temperaturii supra- 55 fețelor exterioare, în timp ce miezul șinei va avea o temperatură cu puțin mai ridicată, din cauza transferului de căldură.

Următoarea fază a procedeului constă în supunerea secțiunii transversale a șinei unei noi încălziri, pentru a aduce toate punctele cuprinse în secțiunea transversală a șinei de cale ferată la o temperatură mai ridicată decât temperatura sfârșitului de transformare 60 austenitică corespunzătoare oțelului din care este confecționată șina respectivă. încălzirea din această fază are ca scop obținerea unei structuri austenitice în întreaga secțiune transversală a șinei, încălzire care durează câteva minute. De regulă, în mai puțin de 5 min temperatura de sfârșit de transformare austenitică este cu cel puțin 100’C mai mare decât temperatura de transformare Ac₃. în continuare, se aplică o fază de egalizare a temperaturii 65 în întreaga secțiune transversală a șinei, în special în partea de legătură și în talpa șinei, pentru a se obține o structură austenitică omogenă, fără a fi nevoie de a supune întreaga șină la o temperatură mai mare, temperatură care ar duce la mărirea granulației. Durata totală a acestei etape de reâncălzire este, preferabil, mai mare de 4 min.

Procedeul se continuă cu o altă fază de încălzire în care șina de cale ferată este 70 supusă unei supraâncălziri numai pe partea superioară a acesteia, astfel încât temperatura pe întreaga secțiune a acestei părți să fie cu cel puțin 40’C mai mare decât temperatura părții de legătură și a tălpii șinei, dar fără a depăși 1050*0, pentru a nu provoca o mărire excesivă a grăunților de austenită. După egalizarea temperaturii, șina de cale ferată este supusă unei operații de răcire rapidă, când are loc o răcire mai intensă a ciupercii șinei decât 75 a tălpii și a părții de legătură. După efectuarea acestei răciri rapide, temperatura secțiunii transversale a ciupercii șinei este mai mică decât temperatura părții de legătură și a tălpii șinei supuse tratamentului termic.

Viteza de răcire și temperaturile sunt de așa manieră stabilite, încât structura obținută este o structură perlitică fină și cu duritate ridicată, fără urme de bainită sau martensită. 80

Problema care apare în cazul utilizării liniilor de cale ferată la trenuri de mare viteză și de un tonaj mai mare este combaterea uzurii prin abraziune a suprafeței de contact dintre roată și șina respectivă.

Un obiectiv al prezentei invenții este de a obține o structură în secțiunea profilului laminat, care să confere produselor respective o rezistență sporită la abraziune, respectiv 85 la uzare, cu o tenacitate și o duritate ridicată, concomitent cu asigurarea unei durabilități corespunzătoare la oboseala prin contact.

Un alt obiectiv al invenției este de a elabora un procedeu pe baza căruia să poată fi îmbunătățită comportarea în exploatare a profilelor laminate cu adaosuri de elemente de aliere determinate pe criterii de economicitate. 90

Problema a fost rezolvată și obiectivele au fost atinse pornind de la un oțel a cărui compoziție chimică, în procente de greutate, este alcătuită din maxim 0,93%, de preferință între 0,21 și 0,69% siliciu, din maxim 0,06%, preferabil sub 0,03% aluminiu, din 0,41 până la 1,30%, preferabil între 0,51 și 0,98% carbon, din 0,31 la 2,25%, preferabil, între 0,91 și 1,95% mangan. Oțelul respectiv mai poate cuprinde în compoziția sa, tot în procente de 95 greutate, până la 0,88%, preferabil până la 0,49% molibden, până la 1,69%, preferabil, până la 0,95% wolfram, până la 0,39%, preferabil până la 0.19% vanadiu și în afară de aceste elemente oțelul mai poate avea în compoziția sa niobiu și / sau tantal și/sau hafniu și/sau titan, separat sau însumate, până la 0,28, preferabil la 0,19%, precum și nichel până la 0,004%, restul fiind fier și impurități întâmplătoare.

100

RO 119237 Β1 între conținuturile de carbon, siliciu, aluminiu, trebuie să fie relația: 2,75 x (% Si + Al)

- %C< 2,2, iar suma dintre conținutul de siliciu și conținutul de aluminiu să fie mai mică de

0,99%.

Procedeul conform invenției, pentru obținerea profilelor laminate, în special a șinelor de cale ferată, constă în supunerea șinelor respective, imediat după laminare și utilizînd căldura din timpul operației de laminare, unei operații de îndreptare în sens axial și apoi unui procedeu de răcire rapidă, fie prin aplicarea unor agenți de răcire pe șinele respective, fie prin imersarea șinelor într-un mediu adecvat de răcire. într-o primă etapă, șina de cale feriată, în stare laminată, este imersată într-un volum corespunzător de lichid de răcire atunci când, într-o zonă a suprafeței, a fost atinsă o temperatură cu cel puțin 2’C, de regulă, însă, cu aproximativ 160’C deasupra punctului de transformare martensitică. Răcirea este efectuată între punctul de transformare martensitică al aliajului respectiv și o valoare ce îl depășește cu cel mult 250‘C, preferabil cu cel mult 190’0, de regulă până la o temperatură cuprinsă între 5 și 110’C deasupra punctului de transformare martensitică, permițând structurii să parcurgă o transformare, practic, izotermă. Această transformare se produce într-o gamă de temperaturi de cel mult ± 110’C, preferabil de cel mult ± 60’C. într-o a doua etapă, numai zona cu volum masic ridicat, eventual, este imersată, temporar, în mediul de răcire, până când temperatura suprafeței ciupercii șinei a atins valoarea de 290’C. Un asemenea mod de răcire necesită, eventual, o răcire intermediată, respectiv segmentată pe intervale de răcire cel puțin în zonele din apropierea suprafețelor șinei respective.

Șinele astfel răcite au fost apoi dirijate, într-o a treia etapă a procedeului conform invenției, către un cuptor sau cameră de menținere la cald, la o temperatură în jur de 340’C, unde au fost lăsate să parcurgă procesul de transformare metalurgică, după care au fost lăsate să se răcească până la temperatura mediului ambiant.

în urma procedeului aplicat, șinele de cale ferată au avut o structură bainitică inferioară, iar în zona ciupercii șinei s-a obținut o duritate de 475HB.

Avantajele obținute prin aplicarea invenției sunt:

- produsele obținute prezintă caracteristici mecanice ridicate;

- nu necesită aliaje metalice cu preț de cost ridicat;

- se obțin aceleași proprietăți mecanice în condiții ușoare.

Invenția va fi prezentată în continuare în legătură și cu fig. 1...6, care reprezintă:

- fig. 1, diagrama dilatometrică timp-temperatură pentru o temperatură de austenitizare de 860°C;

- fig. 2, diagrama dilatometrică timp-temperatură pentru o temperatură de austenitizare de 1050’C;

- fig. 3, diagrama de transformare timp-temperatură pentru temperaură de austenitizare de 860’C;

- fig. 4, diagrama de transformare timp-temperatură pentru o temperatură de austenitizare de 1050’C:

- fig. 5, diagrama de transformare timp-temperatură pentru un oțel cu 0.30% carbon și la o temperatură de austenitizare de 850°C;

- fig. 6, diagrama de transformare timp-temperatură pentru un oțel cu 0.30% carbon și la o temperatură de 1050’C.

Profilele laminate, conform invenției, sunt din oțel carbon slab aliat, a cărui compoziție chimică, în procente greutate, este alcătuită din maxim 0,93%, preferabil din 0,21 la

0,69% siliciu, maxim 0,06%, preferabil 0,03% aluminiu, din 0,41 până la 1,30%, preferabil între 0,51% și 0,98% carbon, din 0,31 și 2,55%, preferabil între 0,91 și 1,95% mangan.

Compoziția oțelului respectiv mai poate cuprinde, tot în procente de greutate, între 0,21 și

2,45%, preferabil între 0,38 și 1,95% crom, eventual până la 0,88%, preferabil până la 0,49%

RO 119237 Β1 molibden, până la 1,69%, preferabil până la 0.95% wolfram, până la 0,39, preferabil până 150 la 0,19% vanadiu. în afară de aceste elemente, compoziția chimică a oțelului respectiv mai conține niobiu și/sau tantal și/sau zirconiu și/sau hafniu și/sau titan, separat sau însumate până la 0,28%, preferabil până la 0,19%, precum și până la 2,40%, preferabil până la 0,95% nichel, până la 0,006%, preferabil până la 0,004% bor.

între conținuturile de siliciu, carbon și aluminiu trebuie să existe relația: 155

2,75 x (% Si + Al) - % Cs 2,2.

Profilele respective, în special șinele de cale ferată, după tratamentul termic aplicat, trebuie să prezinte, pe cel puțin o parte din secțiunea transversală, o structură de bainită inferioară. Grosimea stratului de bainită inferioară, măsurat de la suprafață, trebuie să fie de 10mm, preferabil de 15 mm. 160

Este necesar ca profilele respective să prezinte o structură bainitică cu distribuție simetrică în raport cu axa sau cu un punct.

Pentru o comportare bună în exploatare, zonele cu o structură de bainită inferioară vor prezenta o duritate de minim 350HB, preferabil, de minim 400HB și în mod normal între 420 și 600HB. 165

Procedeul pentru obținerea profilelor conform invenției, constă în prelucrarea la cald a produselor turnate din oțelul respectiv, prin laminare, conform practicilor de laminare cunoscute, iar după ultima trecere, la ultima treaptă de laminare, profilele respective sunt supuse unui tratament termic corespunzător, prin imersarea acestora într-un mediu adecvat de răcire sau prin stropirea, cu diferite intensități, a părților componente ale profilelor 170 respective.

Răcirea este condusă cu o intensitate adecvată pentru a obține, cel puțin pe o anumită parte a profilului respectiv, o structură de bainită inferioară.

Pentru o transformare cât mai completă a structurii aliajului de fier din care este făcut profilul respectiv în treaptă bainitică și evitarea formării unei structuri metalografice mixte, 175 se impune să fie respectate conținuturile de siliciu, aluminiu și carbon, așa cum s-a prezentat anterior.

Prin respectarea acestor limitări sau relații între elementele între elementele respective, se obține ca siliciul și aluminiul, care stau la baza formării feritei și carbonul, care determină în mod preponderent formarea austenitei, să fie legate și corelate reciproc pe criterii 180 de cinetică a transformărilor, în mod avantajos.

Atunci când un profil laminat, în special o șină de cale ferată formată dintr-o ciupercă, o talpă și o parte care asigură legătura dintre celelalte două părți componente ale șinei respective, prezintă, în cel puțin o zonă a secțiunii, în special în zona ciupercii, o structură bainitică inferioară și având o grosime de cel puțin 10 mm, preferabil de 15mm, sunt create 185 premisele ca cerințele de duritate să fie îndeplinite chiar și în acele porțiuni de suprafață ce sunt supuse unor condiții deosebit de dure.

Modul de conducere a regimului termic poate fi aplicat în condițiile ce intervin în practica de fabricație a profilelor respective. Acestea sunt impuse sau adaptate, plecând de la comportarea pe parcursul procedeului de transformare, respectiv de la temperatura 190 martensitică inițială a materialului.

Proprietăți deosebit de favorabile ale materialului se obțin atunci când transformarea structurală se desfășoară în regim izoterm, într-o gamă de temperaturi cu toleranță de cel mult plus - minus 110°C, preferabil de cel mult plus - minus 60’C. Aceasta conduce, pentru majoritatea oțelurilor utilizate în cazul laminatelor supuse la solicitări importante și, în special, 195 în cazul șinelor de cale ferată, la o temperatură de transformare de cel mult 450°C, preferabil de cel mult 400°C și, în mod special, cuprinse între 300 și 380°C atunci când se urmărește, în înțelesul prezentei invenții, obținerea unei structuri din domeniul bainitei inferioare.

RO 119237 Β1

Dacă cel puțin o anumită porțiune din secțiunea profilului laminat, și anume porțiunea cu o concentrație masică importantă, este supusă unui procedeu de răcire accelerată, este posibil să se obțină o răcire uniformă în raport cu axa longitudinală a profilului laminat. Răcirea uniformă în întreaga secțiune a profilului laminat poate fi îmbunătățită suplimentar, în special în cazul șinelor de cale ferată, dacă, într-o primă etapă, laminatul este imersat întrun volum corespunzător de lichid de răcire și apoi, cel puțin parțial, este extras din lichidul de răcire după ce a fost atinsă o temperatură cu cel puțin 2’C într-o zonă a suprafeței, însă, preferabil, cu circa 160’C deasupra punctului de transformare martensitică a aliajului respectiv, urmând ca într-o a doua etapă, doar porțiunea cu concentrație masică mai mare să fie, eventual, temporar imersată în baia de răcire sau introdusă la anumite intervale.

Dacă răcirea laminatului se realizează prin expunerea suprafeței la acțiunea unui agent de răcire corespunzător concentrației masice a profilului laminat, atunci tehnologia aplicată la tratamentul termic al tipurilor uzuale de oțeluri utilizate la fabricarea șinelor de cale ferată poate fi astfel dirijată, încât să se obțină, practic pe întreaga secțiune, o modificare structurală în zona bainitei inferioare.

Atunci când se urmărește, în mod deosebit, uniformizarea acțiunii exercitate de agentul de răcire, precum și deplasarea în timp a momentului în care începe procesul de transformare a aliajului, apare indicat ca imediat după deformare și în condițiile folosirii căldurii de laminare, laminatul să fie încadrat în direcție axială și dirijat către procesul de tratament de răcire în vederea obținerii anumitor proprietăți speciale pe întreaga secțiune, cu ajutorul unui proces de transformare desfășurat în zona de transformare bainitică inferioară a aliajului respectiv din care este fabricat profilul laminat.

Procedeul preconizat de prezenta invenție poate fi aplicat în condiții deosebit de avantajoase atunci când se urmărește realizarea șinelor de cale ferată, în special șine de mare performanță cu rezistență ridicată la abraziune și respectiv rezistență ridicată la uzare, tenacitate ridicată și oboseală prin contact redusă; în acest sens, după laminarea și aplicarea unui tratament termic prin care să se obțină, cel puțin parțial o structură bainitică inferioară, laminatele, așa cum s-a precizat anterior, vor fi supuse unei operații de îndreptare, în acest caz se aplică o îndreptare prin supunerea laminatului respectiv unor eforturi de încovoiere la temperatura camerei sau la o temperatură ușor ridicată, în vederea păstrării proprietăților speciale ale materialului în condițiile unei îndreptări stabilite a laminatului.

Exemplu de realizare

S-a pus problema realizării unui profil laminat având secțiunea transversală în formă de Ή” (sauT), a cărui duritate să fie cuprinsă între 550 și 600HB și o tenacitate maximă. în acest sens, s-a utilizat un oțel a cărui compoziție chimică, în procente de greutate , a fost alcătuită din: 1,05% carbon, 0,28% siliciu, 0,35% mangan, 1,55% crom, restul fiind fier și impurități întâmplătoare. în fig. 1, pe baza încercărilor dilatometrice, au fost trasate diagramele de transformare într-un sistem de coordonate timp- temperatură pentru temperatura de austenitizare de 860°C. în fig. 2, sunt prezentate aceleași diagrame dar pentru temperaturi de austenitizare de 950°C și de 1050°C. în fig. 3, sunt trasate diagramele izoterme, tot în coordonate timp-temperatură, pentru o temperatură de austenitizare de 850°C. în fig. 4 sunt trasate aceleași curbe, dar pentru temperaturi de austenitizare de 950°C și de 1050°C. Diagramele coincid cu cele cunoscute din literatura de specialitate pentru acest sortiment de oțel.

Epruvetele încercate la o temperatură de austenitizare de 860°C, fig. 1 și supuse unei răciri accelerate, au pus evidență faptul că, printr-o răcire corespunzătoare, este dificil să se atingă durități de 530...600 HV (valorile obținute sunt încercuite), că structura rezultată este o structură maximă, prezentând o zonă bainitică superioară și una inferioară, precum și o zonă martensitică, și că materialul are o tenacitate cu valori complet nesatisfăcătoare.

RO 119237 Β1

Prin ridicarea temperaturii de austenitizare la 1050’C, fig. 2, s-a blocat, în mare măsură, transformarea bainitică, așa fel încât, prin răcire continuă, s-a obținut o structură formată din perlită și martensită, situată în zona de duritate dorită, dar care totuși nu a permis atingerea unor valorilor ridicate ale caracteristicilor mecanice ale materialului.

Epruvetele prelevate din aliajul menționat, supuse unei răciri, rapide plecând de la temperatura de 860’C, conform fig. 3 și lăsate să parcurgă procesul de transformare, potrivit prevederilor prezentei invenții, în intervalul cuprins între 350 și 300‘C (a se vedea săgeata), adică la 155’C și respectiv, 105’C deasupra punctului martensitic, au pus în evidență o duritate reproductibilă a materialului de 550 până la 600HV, o structură omogenă în zona bainitei inferioare, precum și valori sensibil mai ridicate ale tenacității materialului.

în afară de cele de mai sus prezentate, s-a putut constata că, prin ridicarea temperaturii de austenitizare, zonele de transformare perlitică și în special cele de transformare bainitică se deplasează către durate mai lungi, în așa fel încât o transformare izotermică în zona bainitică inferioară potrivit prevederilor prezentei invenții, care conduce la obținerea de durități ale materialului cuprinse între 550 și 600 HV și are loc în gama de temperaturi cuprinse între 330 și 280°C (a se vedea săgeata), necesită 20 până la 340 min și asigură valori extrem de ridicate ale tenacității materialului.

Din cercetările prezentate anterior se desprinde cu claritate constatarea că o transformare izotermică la care sunt supuse laminatele și, în special, șinele de cale ferată, în zona bainitică inferioară a aliajului, potrivit prevederilor prezentei invenții, conduce, pe de o parte, la obținerea unei durități ridicate a materialului, asociată, de asemenea, cu o tenacitate ridicată și că, pe de altă parte, prin dirijarea corespunzătoare a aportului de căldură respectiv prin alegerea unor temperaturi adecvate, se pot controla parametrii procesului de fabricație, respectiv - intervalele de timp aferente fluxului de material, astfel încât să se garanteze obținerea unor produse cu anumiți parametri de calitate impuși.

în continuare, s-a procedat la fabricarea unor șine de cale ferată plecând de la un oțel cu compoziția chimică, în procente de greutate, alcătuit din: 0.30% carbon, 0,30% siliciu, 1,08% mangan, 1,11% crom, 0,04% nichel, 0,09% molibden , 0,15% vanadiu, 0,016% aluminiu, restul fiind fier și impurități, cu respectarea unei temperaturi de sfârșit de laminare de circa 1045’C, temperatură măsurată la suprafața laminatului. După laminare s-a procedat, într-o primă etapă, la îndreptarea de precizie a laminatelor, șinele fiind dirijate apoi spre o instalație de răcire. în această instalație s-a procedat la o răcire volumică intensivă a șinelor, răcire prelungită până când în anumite zone- respectiv în zonele periferice ale tălpii - s-a realizat o temperatură la suprafață de 290’C. în acest moment, în respectivele zone s-a procedat la o diminuare a intensității de răcire, adică s-a trecut la oprirea contactului cu agentul de răcire. Ulterior, într-o a doua etapă de tratament s-a continuat cu o răcire intensivă, respectiv, accelerată, a zonelor cu o puternică concentrare volumică și o temperatură relativ mai ridicată (referirea se face în special, la ciuperca șinei) și această răcire a fost menținută până când temperatura suprafeței a atins, de asemenea, valoare de 290’C. Un asemenea mod de răcire necesită, eventual o răcire intermitentă, respectiv fragmentată pe intervale de răcire, sau presupune o reglare a intensității de aplicare a agentului termic cel puțin în zonele din apropierea suprafeței.

Șinele de cale ferată, astfel răcite, au fost apoi dirijate, într-o a treia etapă către un cuptor sau cameră de menținere la cald, la o temperatură de circa 340°C, unde a fost lăsate pentru a parcurge procesul de transformare, după care au fost răcite până la temperatura mediului ambiant.

Mai trebuie menționat că. pe baza unor încercări preliminare, s-au determinat diagramele de transformare a aliajului prezentat antetrior, trasate apoi în sistemul de referință:

timp-temperatură, în funcție de o temperatură de austenitizare de 850°C (fig. 5) sau de

250

255

260

265

270

275

280

285

290

295

RO 119237 Β1

1050°C (fig. 6) și un punct de transformare martensitică situat la o temperatură de 300*C și respectiv, 260’C. Pe baza acestor rezultate au fost stabilite condițiile de răcire și temperaturi de transformare de 340’C.

Cercetările ulterioare privind caracteristicile materialului au demostrat că pe întreaga secțiune s-a constatat existența unei structuri aparținând treptei bainitice inferioare. în zona ciupercii șinei, s-a determinat o duritate de 475 HB, iar pe ansamblul secțiunii variațiile au fost nesemnificative. Tenacitatea materialului determinată prin încercări de reziliență a fost, de asemenea, sensibil îmbunătățită. încercările de rezistență la fisurare au condus la valori K₁₀ de peste 2300 N/mm^K.

Considerente ca elemente de construcție, profilele laminate sunt supuse unei game variate de solicitări dependente de condițiile specifice de utilizare, ținând seama de caracteristicile fizico-mecanice ale materialului; valoarea maximă a acestor solicitări individuale este avută în vedere la dimensionarea elementului și/sau constituie condiția care determină durabilitatea acestuia. Se consideră indicat, atât din punct de vedere tehnic, cât și din punct de vedere economic, ca ansamblul caracteristicilor specifice ale respectivului element de construcție să fie în concordanță cu cerințele impuse, respectiv să existe o corelare între solicitările individuale la care este supus elementul respectiv și nivelul deosebit de ridicat al proprietăților fizico-mecanice ale materialului din care este alcătuit acel element.

Plecând de la exemplul șinelor de rulare sau al șinelor de cale ferată, se poate evidenția în mod clar, diversitatea de solicitări la care este supus materialul. în cazul transportului feroviar, se pune condiția ca șinele să prezinte o rezistență ridicată la uzare în zona ciupercii, respectiv, în dreptul suprafeței pe care se reazemă roțile; pe de altă parte însă, solicitările la încovoiere la care sunt supuse șinele de cale ferată impun asigurarea și a unor valori ridicate ale tenacității, rezistenței și ale siguranței la rupere în restul secțiunii.

în vederea îmbunătățirii comportamentului în regim de exploatare, în condițiile creșterii continue a intensității traficului feroviar, precum și a sarcinii pe osie, s-au făcut diverse încercări pentru ca produsele respective să corespundă din punct de vedere calitativ și economic.

Tehnologiile anterioare de realizare a șinelor de cale ferată au dus la formarea, ca structură de bază a materialului, în urma tratamentului termic aplicat, a unei structuri perlitice, în special în masa de material care formează ciuperca șinei respective.

Pentru obținerea unor laminate cu proprietăți mecanice ridicate, de preferință șine de cale ferată cu rezistență ridicată la abraziune în zona ciupercii și o tenacitate ridicată în celelalte zone, stadiul actual de dezvoltare a tehnicii consideră indicat ca materialul să prezinte o structură perilitică cu granulație fină, evitându-se obținerea de structuri bainitice cu eventuale incluziuni martensitice.

Fundamentarea teoretică, în susținerea obținerii unei structuri perilitice, constă în aceea că, în condițiile unei transformări perilitice însoțită de o difuzie atomică, o dată cu scăderea temperaturii are loc o creștere a vitezei de formare a nucleelor pentru formarea fazelor lamelare de carbură și ferită, ceea ce conduce la formarea unor structuri din ce în ce mai fine și deci la o creștere a durității și a rezistenței la abraziune, legate de o tenacitate ridicată. Formarea perlitei este, deci, un rezultat al formării și creșterii nucleelor care, la rândul lor, sunt determinate de nivelul subrăcirii și de viteza de difuzie, a atomilor de carbon și fier, în special.

La creșterea în continuare a vitezei de răcire, respectiv la o scădere continuă a temperaturii de transformare, intervine transformarea la o structură bainitică. Cu toate că la transformarea bainitică are loc înghețarea atomilor din rețeaua cristalină fundamentală și că modificarea de structură se datorează unei modificări a rețelei, permițând difuzia atomilor de carbon și deci formarea carburilor. Structurile formate în gama de temperaturi situate

RO 119237 Β1 imediat sub temperaturile de transformare cu trecere la perlita de echilibru, astfel încât o transformare structurală completă a austenitei în timpul răcirii în zona treptei bainitice inferioare devine posibilă numai la un conținut de siliciu de maximum 0,93% și de aluminiu de maximum 0,06% respectiv, de siliciu plus aluminiu sub 0,99%.

îmbunătățirea importantă a caracteristicilor mecanice ale materialului obținut în urma 350 aplicării unui tratament termic care să ducă la obținerea bainitei superioare și inferioare ar avea o explicație prin care în zona superioară de temperaturi, la care are loc transformarea bainitică, în care se oprește autodifuzia atomilor rețelei, carbonul mai poate totuși difuza cu ușurință. Aceasta conduce la o sedimentare grosieră a carburilor, vizibile la microscopul optic și dispersate în masa de ferită aciculară, ceea ce are influiențe negative asupra pro- 355 prietății materialului. Pe de altă parte însă, în zona de temperaturi la care se desfășoară transformarea bainitică inferioară, difuzia carbonului este sensibil diminuată sau încetinită, ceea ce are drept urmare o dispersie atât de fină a carburilor în masa aciculară de ferită bainitică, încât acestea nu mai sunt vizibile la microscopul optic și pot fi detectate numai cu microscopul electronic. Acest mod favorabil de formare și dispersie a carburilor în structura 360 bainitică inferioară conduce, evident, la o îmbunătățire sensibilă a rezistenței, tenacității, siguranței la rupere, rezistenței la abraziunea și uzare și asigură o durabilitate ridicată la oboseală prin contact.

Se pot obține laminate cu caracteristici fizico-mecanice deosebit de favorabile atunci când aliajul fier-carbon are o proporție determinată de siliciu și aluminiu. 365

Pentru o transformare cât mai completă a aliajului în treapta bainitică inferioară și evitarea formării de structuri mixte, apare indicat ca relația dintre carbon siliciu și aluminiu, prezentată anterior, să nu depășească valoarea de 2,2.

Un profil laminat, bun pentru a fi utilizat corespunzător, în special o șină de cale ferată formată dintr-o ciupercă, o talpă și o parte care asigură legătura între primele două, 370 trebuie să prezinte, în cel puțin o zonă a secțiunii, o structură formată în zona bainitei inferioare. în acest scop este necesar a se respecta menținerea unor anumite limite strânse în ceea ce privește compoziția aliajului, astfel încât să se asigure o anumită comportare pe parcursul transformărilor ce au loc la răcire, plecând din zona cu o structură atomică cubică, cu fețe centrate, respectiv din zona austenitică. 375

Avantajele obținute prin aplicarea invenției constau în aceea că se poate aplica o proiectare riguroasă a calității și a tehnologiei de fabricare a produsului laminat.

Claims

Revendicări

380

1. Profile laminate, în special șine de cale ferată, formate dintr-o ciupercă și o talpă legate între ele printr-o parte de legătură, din aliaj de fier a cărui compoziție chimică cuprinde carbon, siliciu, mangan, eventual crom și alte elemente de aliere care formează carburi, caracterizate prin aceea că cel puțin o anumită porțiune a secțiunii, în special ciuperca, prezintă o structură din domeniul bainitei inferioare. 385
2. Profile laminate, conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că zonele din secțiunea cu structură realizată în domeniul bainitei inferioare sunt astfel dispuse, încât să asigure o distribuție simetrică în raport cu o axă sau un punct.
3. Profile laminate, conform revendicărilor 1și 2, caracterizate prin aceea că, în zona sau zonele cu o structură bainitică inferioară se realizează o duritate de minimum 350 390

HB, preferabil de minimum 400 HB, în special cuprinse între 420 și 600 HB.

RO 119237 Β1
4. Procedeu de realizare a profilelor, conform revendicării 1, în special a șinelor de cale ferată, din aliaj de fier, care cuprinde, în procente de greutate, între 0,41 și 1,30%, preferabil între 0,51 și 0,98% carbon, între 0,31 și 2,55% preferabil între 0,91 și 1,95% mangan, maximum 0,93%, preferabil 0,21 până la 0,69% siliciu, maximum 0,06%, preferabil sub 0,03% aluminiu, caracterizat prin aceea că aliajul respectiv mai cuprinde, tot în procente de greutate, între 0,21 până la 2,45%, preferabil 0,38 până la 1,95% crom, eventual până la 0,88%, preferabil 0,49% molibden, până la 1,69%, preferabil până la 0,95% wolfram, până la 0,39%, preferabil până la 0,19% vanadiu, în afară de aceste elemente aliajul respectiv cuprinzând și până la 2,40%, preferabil până la 0,95% nichel, până la 0,006%, preferabil până la 0,004% bor, separat sau însumate, până la 0,28%, preferabil până la 0,19% niobiu și/sau tantal și/sau zirconiu și/sau hafniu și/sau titan, restul fiind fier și impurități întâmplătoare, iar cel puțin în anumite zone ale secțiunii laminatelor, realizânduse, pe întreaga lungime, o structură obținută, în principal, prin transformarea izotermă a austenitei în domeniul bainitei inferioare, plecând de la o structură austenitică cub cu fețe centrate, supunând, cel puțin anumite porțiuni din secțiunea laminatelor respective, în direcția longitudinală, unei răciri din domeniul austenitic până la o temperatură situată între punctul de transformare martensitică a oțelului respectiv și o valoare care nu depășește 250‘C, preferabil de cel mult 190°C, de regulă până la o temperatură aflată cu 5 până la 110’C deasupra liniei de transformare martensitică, permițând structurii să parcurgă o transformare practic izotermă.
5. Procedeu conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că, între conținuturile de siliciu, aliminiu și carbon este relația 2,76 x (% Si + Al) -% C< 2,2.
6. Procedeu conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că structura bainitică inferioară are o grosime măsurată de la suprafața ciupercii șinei, de minimum 10mm, preferabil de minimum 15 mm.
7. Procedeu conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că se aplică o temperatură de transformare de cel puțin 450’C, preferabil de cel puțin 400’C și, în special, o temperatură cuprinsă între 300 și 380’C.
8. Procedeu conform revendicărilor 4...7, caracterizat prin aceea că răcirea se realizează prin expunerea suprafeței zonei de concentrație masică a profilului la acțiunea agentului de răcire.
9. Procedeu conform revendicărilor 4...8, caracterizat prin aceea că, într-o primă etapă, laminatul este imersat într-un volum corespunzător de lichid de răcire apoi, cel puțin parțial, este extras din lichidul de răcire atunci când, într-o zonă a suprafeței, a fost atinsă o temperatură cu cel puțin 2’C, de regulă însă cu circa 160’C deasupra punctului martensitic al aliajului, iar într-o a doua etapă, numai zona cu concentrație masică ridicată este, eventual, imersată în baia de răcire sau introdusă temporar în aceasta.