WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA PĘKANIE ROZJAZDÓW KOLEJOWYCH INFLUENCE OF SELECTED FACTORS ON CRACKING OF RAILWAY CROSSOVER

Transkrypt

1 ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO TECHNICZNA SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH - JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA PĘKANIE ROZJAZDÓW KOLEJOWYCH Edmund Tasak, Aneta Ziewiec, Sławomir Parzych Streszczenie: W artykule przedstawiono zjawiska zachodzące w warstwie wierzchniej w czasie obróbki wiórowej i ich wpływ na pękanie. Ustalono, że obróbka nie zaostrzonymi narzędziami powoduje powstawanie popękanej białej warstwy i powierzchniowych naderwań, które mogą być przyczyną pękania szyn w czasie prostowania, montażu lub eksploatacji. Wykazano również, że zbyt wysoka temperatura hartowania i duża grubość stery nagrzanej do hartowania są przyczyną powstawania pęknięć poprzecznych na powierzchni główki rozjazdu. Słowa kluczowe: pękanie szyn, biała warstwa, wady obróbki cieplnej INFLUENCE OF SELECTED FACTORS ON CRACKING OF RAILWAY CROSSOVER SUMMARY: The paper presents the phenomena occurring in the surface layer during the machining and their influence on cracking. It has been established that the machining with use of non-sharpened cutting tools causes formation of cracks on the white layer and surfacial pulls that can cause cracks of rails during the straightening operation, assembly and exploitation. It has been proven that the excessive austenitizing temperature as well as too large austenitizing zone cause the transverse cracks on the surface of railway crossover head. Keywords: rails cracking, white layer, heat treatment effects. 1. WSTĘP Trwałość i niezawodność w czasie eksploatacji rozjazdów kolejowych zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to: materiał odkuwki, jego struktura i ewentualne wady metalurgiczne, jakość obróbki mechanicznej, obróbka cieplna główki szyn rozjazdu. Ponieważ jakość materiału odkuwki i ewentualne wady metalurgiczne nie zależą od wytwórcy rozjazdu dlatego w niniejszym artykule zagadnienie to będzie pominięte. Omówiony natomiast zostanie wpływ obróbki mechanicznej powierzchni szyn i ich obróbka cieplna na pękanie rozjazdów w czasie wytwarzania, montażu względnie eksploatacji. Prof. dr hab. inż. Edmund Tasak, dr inż. Aneta Ziewiec, mgr inż. Sławomir Parzych - Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie

2 1.1. Zjawiska zachodzące w warstwie wierzchniej i czasie obróbki wiórowej i ich wpływ na pękanie Po obróbce wiórowej metodą strugania obserwuje się niekiedy na powierzchni główki szyny duże rozrzuty twardości, przy czym lokalne wzrosty twardości mogą przekraczać dopuszczalne wartości. Aby wyjaśnić ten problem przeprowadzono badania mikroskopowe i fraktograficzne obrobionej powierzchni główki szyny. Schemat główki szyny z naniesionymi powierzchniami, na których przeprowadzono badania pokazano na rysunku 1 Rys. 1. Schemat usytuowania zgładów wyciętych z główki szyny Rys. 2. Wygląd przekroju poprzecznego próbki. Widoczne białe warstwy na powierzchni struganej Badania mikroskopowe wykazały, że przy powierzchni główki szyny występują są białe warstwy (rys. 2). Ponieważ grubość warstw była niewielka nie można było na nich zmierzyć twardości wykonano więc zgłady równolegle do powierzchni skrawanej. Na tym zgładzie w miejscach występowania wyraźnych zatarć i rys występowały białe warstwy. Wygląd tych warstw w obszarze zatarcia powierzchni główki pokazano na rysunkach 3 i 4. Większa szerokość białych warstw pozwoliła na pomiar ich twardości. Twardość ich dochodzi do około 750HV. Duża twardość warstw powoduje, że w procesie ich tworzenia powstają pęknięcia widoczne na rysunku 4. Występujące w białej warstwie pęknięcia, w procesie dalszej eksploatacji mogą się dalej rozwijać prowadząc do pęknięcia szyny. Rys. 3. Wygląd powierzchni struganej po zeszlifowaniu bardzo cienkiej warstwy. Widoczne zagłębienia będące pozostałością zatarcia w procesie skrawania, w których znajduje się biała warstwa. Na rysunku zaznaczono mikrotwardość HV0,1 Rys. 4. Biała warstwa z widocznymi pęknięciami. Na rysunku zaznaczono mikrotwardość HV0,1

3 Rys. 5. Wgniecione w powierzchnię fragmenty narostu z białą warstwą Rys. 6. Powierzchnia skrawanej główki szyny. Widoczne charakterystyczne naderwania powierzchni Aby wyjaśnić mechanizm powstawania białych warstw powierzchnię skrawaną poddano również obserwacji w elektronowym mikroskopie skaningowym. Rysunki 6 8 przedstawiają wygląd skrawanej powierzchni z wyraźnymi zatarciami i naderwaniami. W procesie skrawania w na ostrzu noża tworzy się tzw. narost. Narost jest to klinowe przedłużenie ostrza narzędzia skrawającego zbudowane z materiału obrabianego zgrzanego do powierzchni natarcia narzędzia. Ponieważ w procesie skrawania między powierzchnią natarcia narzędzia a wiórem wytwarza się wysoka temperatura, przygrzany materiał osiąga temperaturę wyższą od Ac 3. Przygrzany i silnie odkształcony materiał obrabiany jest szybko chłodzony poprzez odprowadzenie ciepła do narzędzia, co powoduje jego zahartowanie. Ponieważ obszar ten jest silnie odkształcony a chłodzenie jest szybkie, nie zdąży zrekrystalizować. Utworzony martenzyt przejmując zatem wszystkie defekty struktury jest bardzo twardy. Twardość jego może osiągać wartości nawet powyżej 1000HV. Martenzyt z duża gęstością defektów struktury trawi się trudniej, zatem na tle struktury materiału warstwy martenzytu są jasne i nazywane są białymi warstwami lub martenzytem bezpostaciowym. Rys. 7. Naderwania powierzchni powstałe w czasie skrawania Rys. 8. Wgniecenie popękanego narostu w skrawaną powierzchnię W procesie skrawania powstały na narzędziu narost ulega odrywaniu i spływa z wiórem lub może być wgnieciony do powierzchni materiału obrabianego. Przykład wgniecionych do powierzchni obrabianej fragmentów narostu z białymi warstwami pokazano na rysunku 5, natomiast na rysunkach 6 8. przedstawiono wygląd powierzchni główki szyny z

4 popękanymi narostami wgniecionymi w obrabianą powierzchnię. W przypadku niezbyt ostrego narzędzia i niewłaściwych parametrów, proces skrawania nie przebiega prawidłowo. Występuje wówczas nie skrawanie, a zacieranie powierzchni przemieszczanym materiałem obrabianym przed ostrzem narzędzia skrawającego. W tych warunkach na obrabianej powierzchni tworzy się popękana biała warstwa o wysokiej twardości. Można zatem postawić tezę, że obecność białych warstw na obrabianej powierzchni jest czynnikiem obniżającym trwałość elementów toru kolejowego. Aby wykazać słuszność postawionej tezy przeprowadzono badania przyczyn pęknięcia rozjazdu. 1.2.Analiza przyczyn pęknięcia rozjazdu kolejowego Analizie poddano dwa przypadki pęknięć rozjazdów przy czym w pierwszym przypadku pękły obydwie szyny (rys. 9), natomiast w drugim przypadku pękła i odpadła tylko jedna szyna (rys. 10). Wygląd skorodowanej części pęknięcia na rysunku 11 wskazuje, że pękanie rozpoczęło się od szczeliny przy stopce. Charakterystyczną cechą jaką stwierdzono w czasie badań wizualnych były nacięcia w szczelinie między szynami pokazane na rysunku 10. Szczegółowa analiza miejsca rozpoczęcia pękania w elektronowym mikroskopie skaningowym wykazała, że w rowku od którego rozpoczyna się pękanie występują liczne zatarcia i wgniecenia narostu w powierzchnię (rys. 12). Badania zgładów na mikroskopie optycznym potwierdziły obecność drobnych pęknięć w rowku (rys. 13). Obok pęknięć występuje silnie zdeformowany perlit (rys. 14) co wskazuje, że pęknięcia mogły powstać w procesie obróbki mechanicznej dna rowka lub też w czasie odkształcania (np. prostowania lub rozwierania szyn). Badania mikroskopowe potwierdziły również obecność białej warstwy na powierzchni (rys. 15) i liczne wgniecenia narostu w powierzchnię rowka (rys. 16). Potwierdzona została więc postawiona teza, że niewłaściwa jakość obrobionej powierzchni może istotnie obniżyć trwałość elementów toru kolejowego i być jedną z przyczyn pękania szyn. Oprócz pęknięć szyn na końcach rozjazdu wystąpiły również pęknięcia na główce szyny skrzydłowej rozjazdu. Wygląd pęknięcia pokazano na rysunku 17. Główki szyn były powierzchniowo hartowane i odpuszczane z uwagi na zbyt wysoką twardość po hartowaniu. Rys. 11. Wygląd skorodowanego pęknięcia bloku rozjazdu Rys. 12. Wgniecenie narostu w skrawaną powierzchnię rowka między szynami

5 Rys. 13. Wygląd nacięcia w rowku miedzy szynami. Widoczne pęknięcia rozwijające się z dna rowka Rys. 14. Powiększone pęknięcie z rysunku 15. Widoczny silnie zdeformowany perlit obok pęknięcia Rys. 15. Biała warstwa na powierzchni rowka miedzy szynami Rys. 16. Wgniecenie narostu w powierzchnię rowka między szynami Zgodnie z instrukcją technologiczną obróbki cieplnej temperatura powierzchni główki szyny winna wynosić o C. Twardość powierzchni zahartowanej powinna zawierać się w zakresie HBW. W przypadku wystąpienia twardości powyżej 444 HBW lecz nie wyższej niż 514 HBW, można przeprowadzić zabieg odpuszczania. Przy twardości powyżej 514 HBW lub niższej od 301 HBW należy element poddać ponownemu hartowaniu. Badania przyczyny pęknięcia przeprowadzono na wycinku rozjazdu pokazanym na rysunku 18. Zbadani mikroskopowe wykazały, że pęknięcie ma charakter kruchy międzykrystaliczny i częściowo transkrystaliczny. Obok pęknięcia głównego przebiegającego na całą szerokość główki występuje siatka pęknięć (rys. 19, 20). Struktura materiału na powierzchni główki i w pobliżu powierzchni charakteryzuje się bardzo grubym ziarnem (rys. 21). Wielkość ziaren przekracza nawet 300 m. Analiza charakteru pęknięcia wskazuje, że jest to pęknięcie hartownicze powstałe w procesie intensywnego chłodzenia stali po austenityzowaniu. Przyczyną pęknięć są wysokie naprężenia występujące w czasie przemiany martenzytycznej. Wartość naprężeń zależy od gradientu temperatury oraz wielkości ziarna austenitu. Aby oszacować temperaturę do jakiej nagrzano główkę szyny przed hartowaniem, próbki materiału rozjazdu poddano hartowaniu z różnych temperatur. Próbki nagrzewano do temperatury zalecanej w instrukcji technologicznej to jest 850 o C oraz temperatury wyższej 925 i 1000 o C. Czas wytrzymania w tej temperaturze wynosił 20 minut. Po wygrzaniu próbki hartowano w wodzie. Wykonane zgłady trawiono w kwasie pikrynowym w celu ujawnienia granic ziaren. Wielkość byłego ziarna austenitu otrzymanego w tych temperaturach pokazano na rysunkach 22, 23 i 24.

6 Próbki hartowane z temperatury 850 o C miały średnią wielkość ziaren 18 m, z temperatury 925 o C - 27 m, natomiast hartowane z temperatury 1000 o C około 90 m. Rys. 17. Pęknięcie w główce szyny w rozjeździe Rys. 18. Wygląd pęknięcia, które zostało poddane badaniom Rys. 19. Siatka pęknięć obok pęknięcia głównego na powierzchni główki szyny rozjazdu Rys. 20. Międzykrystaliczny charakter pęknięcia obok pęknięcia głównego. Widoczna duża wielkość ziaren Rys. 21. Struktura w pobliżu powierzchni główki. Strzałką zaznaczono wielkość ziarna (powyżej 300 m) Rys. 22. Wielkość byłego ziarna austenitu po hartowaniu z temperatury 850 o C. Średnia wielkość ziaren około 18 m

7 Twardość HV 30 Rys. 23. Wielkość byłego ziarna austenitu po hartowaniu z temperatury 925 o C. Średnia wielkość ziaren około 27 m Rys. 24. Wielkość byłego ziarna austenitu po hartowaniu z temperatury 1000 o C. Średnia wielkość ziaren około 90 m Odległość od powierzchni, mm Rys. 25. Rozkład twardości od powierzchni główki rozjazdu Porównanie tych wielkości ziaren z ziarnem w pobliżu pękniętej główki, którego wielkość przekraczała 300 m wskazuje, że temperatura hartowania znacznie przekraczała 1000 o C. Tak wysoka temperatura hartowania oraz związany z tym duży gradient temperatury przy intensywnym chłodzeniu mgłą wodną spowodował powstanie pęknięć na hartowanej powierzchni. Pęknięcia hartownicze cechują się tym, że występują w postaci siatki po granicach ziaren połączonych pęknięciami transkrystalicznymi poprzez ziarna. Mogą one powstać w czasie hartowania lub też po hartowaniu jako pęknięcia zwłoczne nawet po kilku godzinach. O nadmiernym przehartowaniu świadczy duża głębokość warstwy zahartowanej. Na rysunku 25 przedstawiono rozkład twardości. Pod powierzchnią na głębokości do 10 mm twardość wynosi powyżej 450 HV30, a poziom twardości 300 HV30 występuje dopiero na głębokości 24 mm. 2. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wykazały, że lokalne wysokie twardości na obrabianej powierzchni są wynikiem niewłaściwych parametrów skrawania i niewłaściwego zaostrzenia narzędzia. W procesie skrawania na powierzchni natarcia narzędzia tworzy się narost, który utrudnia skrawanie i powoduje zacieranie powierzchni obrabianej. W wyniku zatarcia i

8 nagrzania powierzchni obrabianej tworzy się na niej warstwa martenzytu (biała warstwa) o wysokiej twardości. Szybkie zmiany temperatury, i duże naprężenia w czasie powstawania martenzytu powodują pękanie białej warstwy. Oprócz zacierania powierzchni i tworzenia się białej warstwy następuje również wbijanie się w powierzchnię obrabianą spływającego narostu o wysokiej twardości. Proces ten również utrudnia skrawanie, gdyż wbite w powierzchnie twarde cząstki narostu powodują szybkie zużywanie się narzędzi, a tym samym sprzyjają powstawaniu zatarć na obrabianej powierzchni. Analiza przyczyn pęknięcia szyn w rozjeździe wykazała, że w procesie obróbki skrawaniem szczeliny miedzy szynami na obrabianej powierzchni powstały zatarcia i miejscami utworzyła się biała warstwa. Jej obecność z ewentualnymi pęknięciami znacznie ułatwia zarodkowanie pęknięć w procesie prostowania, transportu czy też dopasowywania (rozwierania) szyn przy montażu. Analiza pęknięć na powierzchni główki w rozjeździe wykazała, że przed hartowaniem powierzchnia była nagrzana do temperatury wyższej niż 1000 o C. Zbyt wysoka temperatura hartowania i duża głębokość warstwy nagrzanej oraz intensywne chłodzenie spowodowały powstanie pęknięć hartowniczych. Powstały one bezpośrednio po hartowaniu lub też w czasie relaksacji naprężeń przy odpuszczaniu. Nie wyklucza się również możliwości powstania pęknięć w czasie prostowania rozjazdu lub transportu.