Wpływ obróbki cieplnej na właściwości tribologiczne szynowej stali perlitycznej

Transkrypt

1 BĄKOWSKI Henryk 1 Wpływ obróbki cieplnej na właściwości tribologiczne szynowej stali perlitycznej WSTĘP Transport kolejowy dąży do poprawy technicznych i ekonomicznych warunków przewozów oraz bezpieczeństwa i wygody pasażerów. Zwiększanie ładowności pociągów towarowych i prędkości jazdy pociągów pasażerskich wymaga stosowania nawierzchni kolejowej coraz wyższej jakości. Stale szynowe powinny spełniać wysokie wymagania. Dotyczy to szczególnie ich właściwości wytrzymałościowych, odporności na ścieranie i wytrzymałości zmęczeniowej. Zmiany zachodzące w strukturze materiałów podczas eksploatacji są niezwykle istotne z punktu widzenia zwiększenia czasu pracy w torze. Podczas eksploatacji szyn kolejowych występuje niebezpieczne w swoich skutkach zużycie zmęczeniowe. Aby przeciwdziałać zużyciu zmęczeniowemu należy poznać jego mechanizm powstawania, a w szczególności zmiany, jakie powoduje w niszczonych materiałach [4]. Elementami nawierzchni, bezpośrednio współpracującymi z kołami pojazdów kolejowych, są szyny. Ich stan decyduje w dużym stopniu o bezpieczeństwie przewozów kolejowych. O stanie szyn decydują między innymi procesy zużywania i dobór odpowiednich do warunków eksploatacji materiałów na ich produkcję [5]. Stosowanie niewłaściwych materiałów na szyny powoduje wzrost ich zużywania, a co za tym idzie pogorszenie bezpieczeństwa na drogach kolejowych i znaczące koszty ponoszone przez koleje w wyniku przeprowadzania napraw [3]. Obecnie największym problemem jest zachowanie równowagi pomiędzy zużyciem ściernym (zużyciem pionowym i bocznym występującym w szynach kolejowych) oraz zużyciem zmęczeniowym, które występuje w postaci uszkodzeń kontaktowo-zmęczeniowych prowadzących do wykruszeń na powierzchni, a nawet pęknięć poprzecznych [2]. Analiza produktów powstających w styku toczno-ślizgowym są ważnymi narzędziami w badaniu i wyjaśnianiu mechanizmów zużywania. Pozwala ona szybko zidentyfikować mechanizm zużycia i ocenić stopień zużycia systemu tribologicznego. Rys. 1. Zanurzenie główki szyny w polimerowym roztworze [8] Najczęściej stosowanymi materiałami na szyny kolejowe są stale perlityczne. Związane jest to z możliwością przeprowadzenia prostej i taniej modyfikacji struktury stali perlitycznych mającej na celu podwyższenie jej odporności na zużycie. Do podwyższenia właściwości stosuje się zabieg 1 Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, ul. Krasińskiego Katowice, tel

2 hartowania główki szyn poprzez zanurzenie w polimerowym roztworze (rys. 1). Celem obróbki cieplnej jest zwiększenie twardości i polepszenie właściwości tribologicznych, tzn. zwiększenie odporności na zużycie a tym samym zwiększeniu czasu bezawaryjnej eksploatacji. Reasumując celem niniejszej pracy stanowi próba wyjaśnienia związku przyczynowo-skutkowego wpływu parametrów eksploatacyjnych na zużycie strefy styku koło-szyna, w której inicjowane są procesy zmęczeniowe. W ten sposób poznanie i zdefiniowanie natury zjawiska, umożliwia określenie niezawodności pracy elementu (właściwy dobór materiału w zależności od warunków eksploatacji). Aby osiągnąć postawione cele posłużono się badaniami laboratoryjnymi, w których odzwierciedlono najbardziej istotne parametry eksploatacyjne, występujące w obiekcie rzeczywistym, wpływające na trwałość skojarzenia koło-szyna [6]. Badania przeprowadzono na stanowisku Amslera pracującego w układzie rolka-rolka w styku toczno-ślizgowym. Aby odwzorować warunki eksploatacyjne występujące w obiekcie rzeczywistym tego celu posłużono się analizą wymiarową odwzorowującą warunki rzeczywiste panujące w tym newralgicznym miejscu, jakim jest styk koło-szyna. Cechą szczególną badań laboratoryjnych jest większa możliwość kontroli bezpośredniego wpływu jednego wyselekcjonowanego czynnika, niż to ma miejsce w warunkach rzeczywistych [12]. 1 WARUNKI I MATERIAŁY WYKORZYSTANE W BADANIACH W badaniach wykorzystano próbki wykonane z perlitycznej stali szynowej w gatunku R260 o składzie chemicznym i własnościach mechanicznych zgodnych z normą UIC 860 po obróbce cieplnej. Ulepszanie cieplne miało na celu zróżnicowanie morfologii perlitu, a w szczególności zmianę twardości oraz odległości międzypłytkowej jako najważniejszego parametru mikrostrukturalnego decydującego o właściwościach mechanicznych stali perlitycznych (tab. 1, 2). Strukturę stali szynowej stanowiła stal perlityczna, przy czym odległość międzypłytkowa dla stali po obróbce cieplnej wyniosła ok. 0,1 µm, w przeciwieństwie do stali bez obróbki gdzie odległość wynosi ok. 0,4 µm [10]. Tab. 1. Właściwości mechaniczne stali R260 [] Rodzaj stali Rm [MPa] Re [MPa] A5 [%] KCU2 [J/cm2] HB Obrobiona cieplnie , Bez obróbki cieplnej Tab. 2. Analiza wytopowa szyny UIC 860 ze stali R260 Stal C % Mn % Si % P % S % Cr % Ni % Cu % Al. % R260 0,730 1,040 0,300 0,019 0,013 0,020 0,010 0,030 0,003 Mikrostrukturę stali perlitycznej po obróbce cieplnej cechuje mniejsza odległość międzypłytkowa i mniejsza wielkość kolonii perlitu, niż tylko po walcowaniu (rys. 2). Zmniejszenie odległości międzypłytkowych i wymiar ziarna austenitu po obróbce cieplnej, pozwala uzyskać lepsze właściwości wytrzymałościowe i plastyczne szyn, a także powoduje wzrost ich twardości. Szyny obrobione cieplnie cechują się wytrzymałością na rozciąganie powyżej 1080 MPa oraz granicą plastyczności powyżej 700 MPa. Takie właściwości stawiają szyny obrobione cieplnie na równi z szynami bainitycznymi [9]. Rys. 2. Mikrostruktura badanej stali szynowej 1588

3 Badania tribologiczne przeprowadzono na maszynie badawczej typu Amsler. Jest to urządzenie o skojarzeniu tribologicznym typu rolka - rolka i służy do badania zużycia przy tarciu tocznym, ślizgowym lub kombinacji obu tych rodzajów tarcia. Badania przeprowadzono zarówno w styku suchym jak i smarowanym (tzw. mokrym, tj. smarowanym wodą - 1 kropla co 2 sekundy) zgodnie z normą. Parametry eksploatacyjne zostały przedstawione w tabeli 3. Tab. 3. Wybrane czynniki eksploatacyjne i geometryczne w układzie toczno-ślizgowym Parametry eksploatacyjne Parametry geometryczne Rodzaj badań poślizg, pole pow. styku, szerokość styku, obciążenie prędkość % mm 2 mm P 1 = 500 N γ 1 = 0,3 n = 100 min. -1 1,5 0,15 Stanowiskowe P 2 = 1000 N γ 2 = 2,6 n = 200 min. -1 2,0 0,2 P 3 = 2000 N γ 3 = 5,0 n = 300 min. -1 3,0 0,3 Q W układzie 1 = N γ 1 = 0,3 v = 40 km/h 80,0 8,0 Q rzeczywistym 2 = 6,2 104 N γ 2 = 2,6 v = 70 km/h 100,0 10,0 Q 3 = N γ 3 = 5,0 v = 100 km/h 150,0 18,0 Dla P i Q: 1 obciążenie szyny podczas przejazdu pustego pociągu towarowego, 2 obciążenie szyny podczas przejazdu pociągu osobowego, 3 obciążenie szyny podczas przejazdu w pełni obciążonego pociągu towarowego; Dla γ: 1 oznacza tor prosty, 2 łuk, 3 łuk + wzniesienie/stromiznę, Podane prędkości odnoszą się do ograniczeń występujących na PKP w Polsce Badania tribologiczne przeprowadzono na podstawie ustalonego planu doświadczeń (plan Hartley a). Plan eksperymentu wymagał wyznaczenia granicznych wartości wielkości wejściowych, dla których przeprowadza się pomiary wartości wielkości wyjściowych. Na podstawie planu eksperymentu, który zakładał trzy poziomy czynnika sterowanego, tj. minimalny oznaczony przez - 1, centralny 0 i maksymalny +1, przeprowadzono pomiary wartości wielkości wyjściowych. Otrzymane wyniki pomiarów zostały powtórzone trzykrotnie a następnie poddane analizie statystycznej stanowiącej podstawę do analizy merytorycznej. Wynikiem zrealizowania poprawnego planu eksperymentu są wielkości wyjściowe nazywane czynnikami wynikowymi. Analizę wyników pomiarów zrealizowanych na podstawie planu Hartley a przeprowadza się dokonując obliczeń współczynników aproksymującego wielomianu drugiego stopnia, weryfikując ich istotność oraz weryfikując adekwatność wielomianu. Współczynniki wielomianu oblicza się zgodnie z ogólnymi zasadami metody najmniejszych kwadratów, stosując rachunek macierzowy (układ równań normalnych) z uwzględnieniem elektronicznej techniki obliczeń. Zgodnie z warunkami eksploatacyjnymi panującymi na torach PKP obciążenie dla wagonu osobowego N/koło, natomiast dla wagonu towarowego pustego i załadowanego odpowiednio i N/koło [11]. W ten sposób określono wartość sił, a tym samym naprężeń powstających w styku toczno-ślizgowym w węźle tarcia. Porównując naprężenia ściskające powstające w strefie styku przy tarciu toczno-ślizgowym dwóch współpracujących ze sobą elementów zarówno w obiekcie rzeczywistym jak i laboratoryjnym można odwzorować z dużym przybliżeniem warunki panujące w obydwu strefach tarcia (tab. 4). Tab. 4. Zestawienie wartości naprężeń w zależności od rodzaju układu Obciążenie w warunkach Naprężenie w skojarzeniu Naprężenie w układzie rzeczywistych laboratoryjnych koło-szyna* rolka-rolka* 100 kn/koło 2000 N 836 MPa 875 MPa 62,5 kn/koło 1000 N 661 MPa 618 MPa 27 kn/koło 500 N 434 MPa 437 MPa * wartości naprężeń obliczone z wzorów Hertza 2 WYNIKI Podczas badań mierzono zużycie (Z), siłę tarcia (T), średnicę produktów zużycia (d) i ich grubość (h). Na podstawie uzyskanych wyników opracowano funkcje eksploatacji skojarzenia, tj. zależności zużycia i współczynnika tarcia od parametrów eksploatacji. Adekwatność równań i istotność 1589

4 współczynników wielomianów sprawdzono testami statystycznymi. Graficzne interpretacje funkcji eksploatacji zamieszczono na rysunkach 3 i 4. Styk suchy Styk mokry Rys. 3. Zależność ubytku masy i współczynnika tarcia w skojarzeniu toczno-ślizgowym po teście tribologicznym odpowiadającemu przejazdowi pociągu w łuku w różnych warunkach obciążenia i prędkości toczenia W styku suchym wzrost obciążenia taboru kolejowego powoduje również wzrost intensywności zużywania oraz wartości współczynnika tarcia Porównując styk suchy i mokry stwierdzono dużą zgodność z wynikami uzyskanymi w sposób empiryczny na obiekcie rzeczywistym [7], zużycie zmniejszyło się również ponad dwukrotnie dla pociągu towarowego nie załadowanego i ponad czterokrotnie dla pociągu towarowego maksymalnie załadowanego. Przy małym obciążeniu efekt wciskania się wody w szczelinę jest mniejszy, a tym samym ciśnienie w szczelinie jest mniejsze. Przy dużym obciążeniu ciśnienie jest na tyle duże, że powoduje niszczenie warstwy powierzchniowej szyny. Dodatkowo, mniejsza prędkość powoduje dłuższy czas styku pomiędzy dwoma współpracującymi powierzchniami, co przyczynia się do utrwalenia efektu rozklinowania szczeliny zmęczeniowej i powiększania uszkodzeń RCF. Styk suchy Styk mokry Rys. 4. Zależność ubytku masy i współczynnika tarcia w skojarzeniu toczno-ślizgowym po teście tribologicznym odpowiadającemu obciążeniom szyny po obróbce cieplnej podczas przejazdu pociągu towarowego maksymalnie załadowanego; w różnych warunkach poślizgu i prędkości toczenia 1590

5 Obecność medium smarnego w postaci wody zarówno na odcinku prostym jaki w łuku, redukuje wartość zużycia ponad 2-4 krotnie. Nie zmienia to faktu, że przejazd pociągu w łuku w styku smarowanym przy niewielkiej prędkości może prowadzić do pojawiania się uszkodzeń typu RCF [7]. W styku suchym najbardziej niebezpiecznym zdarzeniem jest przejazd pociągu obciążonego (towarowego) przy dużej prędkości na odcinku prostym, gdyż zwiększa intensywność zużywania. Przejazd pociągu towarowego maksymalnie załadowanego w łuku przy niewielkiej prędkości prowadzi również do zwiększenia zużycia. W styku mokrym, na odcinku prostym przejazd pociągu towarowego nieobciążonego lub pasażerskiego może prowadzić do intensyfikacji procesu zużywania. Podobnie wygląda sprawa podczas przejazdu pociągu w łuku. Wraz ze zwiększeniem obciążenia pociągu wartość zużycia nieznacznie maleje, ale za to wartość współczynnika tarcia wzrasta i nie powoduje pojawiania się uszkodzeń RCF na powierzchni tocznej szyn. Wraz ze wzrostem prędkości zmniejsza się wartość zużycia zarówno w styku suchym jak i mokrym, jest to spowodowane tworzeniem się filmu elastohydrodynamicznego o nieznacznej grubości. Wpływ prędkości na mechanizm zużywania jest znaczący, gdyż zmienia wartość intensywności zużywania. Zaobserwowano również wysoką wartość zużycia w styku mokrym odzwierciedlającą przejazd pociągu pasażerskiego lub towarowego nieobciążonego przy niskiej wartości współczynnika tarcia. W takich warunkach intensywność zużywania nie jest zbyt duża i może prowadzić do występowania zjawiska powierzchniowego zmęczenia powierzchni tocznej. Najbardziej niepokojące sygnały płyną podczas badania tribologicznego odzwierciedlającego przejazd pociągu pasażerskiego lub towarowego na odcinku prostym przy prędkości maksymalnej. Wartość zużycia zbliżona jest do wartości maksymalnego zużycia. Może to prowadzić do pojawiania się zmęczeniowych uszkodzeń na powierzchni tarcia. Próbki po teście tribologicznym na stanowisku Amslera poddano badaniom mikroskopowym w celu wyjaśnienia mechanizmów zużywania i zaobserwowania różnic w styku suchym i mokrym Na powierzchni tarcia próbek po badaniach obserwowano różnice w procesie zużywania, które pokazują zmianę mechanizmu zużywania przy tych samych parametrach eksploatacyjnych, tj. obciążeniu, poślizgu i prędkości. Pojawiające się w styku mokrym pęknięcia prowadzą do występowania na powierzchni poszarpanych płatków zadartych ku górze (rys. 5). W przeciwieństwie do powierzchni w styku suchym gdzie nie występuje zjawisko zużycia w postaci gruzełkowego odłupywania się z powierzchni tarcia produktów zużycia. Powierzchnia tarcia w styku mokrym posiada wiele nierówności, w które może dodatkowo wnikać woda przyczyniając się do dalszej propagacji pęknięć na skutek efektu zamknięcia płynu w szczelinie. Ciśnienie wody jest tak duże, że powoduje rozklinowanie szczeliny prowadząc do pojawiania się na powierzchni coraz większych wyrw. Próbki po teście tribologicznym na stanowisku Amslera poddano badaniom mikroskopowym w celu wyjaśnienia mechanizmów zużywania i zaobserwowania różnic w styku suchym i mokrym Na powierzchni tarcia próbek po badaniach obserwowano różnice w procesie zużywania, które pokazują zmianę mechanizmu zużywania przy tych samych parametrach eksploatacyjnych, tj. obciążeniu, poślizgu i prędkości. Pojawiające się w styku mokrym pęknięcia prowadzą do występowania na powierzchni poszarpanych płatków zadartych ku górze. W przeciwieństwie do powierzchni w styku suchym gdzie nie występuje zjawisko zużycia w postaci gruzełkowego odłupywania się z powierzchni tarcia produktów zużycia. Powierzchnia tarcia w styku mokrym posiada wiele nierówności, w które może dodatkowo wnikać woda przyczyniając się do dalszej propagacji pęknięć na skutek efektu zamknięcia płynu w szczelinie. Ciśnienie wody jest tak duże, że powoduje rozklinowanie szczeliny prowadząc do pojawiania się na powierzchni coraz większych wyrw. 1591

6 Styk suchy Styk mokry Pęknięcia spowodowane występowaniem ferrytu na granicach Rys. 5. Powierzchnia próbek ze stali używanej na szyny po teście tribologicznym oraz jej warstwa wierzchnia [1] W celu dokładniejszego poznania mechanizmów zużywania badanych rolek przeprowadzono badania profilografometryczne płatkowych produktów zużycia. Płatkowe produkty zużycia są odzwierciedleniem zmian zachodzących napowierzchni tarcia skojarzenia (rys. 6). 1592

7 Spk = 20.7µm Sk = 10.3µm Svk = 3.62µm b) % Sr1 = 33.5 % Sr2 = 91.6 % Sa2 = µm3/µm2 Sa= Sa1 7,7 = µm, 3.47 µm3/µm2 Sz = 39,3 µm µm µm Rys. 6. Topografia powierzchni produktów zużycia z próbki ze stali po obróbce cieplnej: Spk - określa odporność powierzchni na zużycie ścierne, przy czym małe jego wartości świadczą o jej dużej odporności, Svk - jest miarą zdolności utrzymywania płynu przez powierzchnie współpracujące Styk suchy Styk mokry Rys. 7. Rozkład naprężeń zredukowanych wg von Misesa (MPa): etap propagacji pęknięcia Obecność wody zmniejsza wartość naprężeń, ale powoduje ich koncentrację u wierzchołka pęknięcia, co może przyczynić się do pęknięć na wskroś i w konsekwencji złamania szyny przy sprzyjających czynnikach eksploatacyjnych potęgujących zużycie zmęczeniowe (rys. 7). WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań tribologicznych, metalograficznych i profilografometrycznych stwierdzono, że: 1. Niszczenie warstwy powierzchniowej w skojarzeniu toczno-ślizgowym przybiera formę delaminacyjnego mechanizmu zużywania w postaci płatkowych produktów zużycia. 2. Odrywające się produkty zużycia posiadają kształt i wymiar, zależny od czynników materiałowych i eksploatacyjnych, wpływających na ich proces powstawania i propagacji. 3. Wymiar i kształt produktów zużycia są odzwierciedleniem stanu warstwy powierzchniowej, w wyniku sprawnie działającego systemu gromadzenia i identyfikacji produktów zużycia i stanu powierzchni tarcia można z powodzeniem monitorować stan techniczny obiektu. 4. W styku suchym istnieje zależność zużycia i współczynnika tarcia, prowadząca do wzrostu intensywności zużywania lub zmiany mechanizmu zużywania. 1593

8 5. W styku mokrym istnieje odwrotnie proporcjonalna korelacja zużycia i współczynnika tarcia, prowadząca do pojawiania się uszkodzeń RCF na powierzchni tocznej. 6. W styku mokrym na odcinku prostym zmienia się mechanizm zużywania dla maksymalnych wartości prędkości i obciążenia, co może prowadzić do pojawiania się uszkodzeń zmęczeniowokontaktowych. Streszczenie Rosnące obciążenia szyn kolejowych zmuszają producentów szyn do zwiększania właściwości mechanicznych tradycyjnych stali szynowych. Pierwszym sposobem jest obróbka cieplna, mimo wzrostu kosztów produkcji, szyny obrobione cieplnie cechują się dużo lepszymi właściwościami mechanicznymi od szyn w stanie surowym, wykonanych tradycyjnie. Współczesna obróbka cieplna szyn nie jest prowadzona w całej objętości, ograniczając ją do przyśpieszonego chłodzenia samej główki szyny, wykorzystując ciepło po zakończeniu walcowania bądź nagrzewa się powtórnie tylko warstwy zewnętrzne główki szyn metodą indukcyjną. Wykorzystuje się zabieg normalizacji perlitu przez przyspieszone chłodzenie w ośrodku chłodzącym. Przeprowadzenie badań tribologicznych oraz symulacyjnych za pomocą Metody Elementów Skończonych umożliwiło określenie głównych kierunków kształtowania się zużycia i rozkładów naprężeń w modelu 3D badanej mikrostruktury.. Influence of heat treatment on the tribological properties of pearlitic steel rail Abstract The growing loads of the railway rails are forcing manufacturers to increase the mechanical properties of conventional rail steels. The first way is use to heat treatment, despite an increase in production costs, heat treated rails have a much better mechanical properties of the rails than without heat treatment, made traditionally. Modern rail heat treatment is not conducted in the whole volume, limiting it to the same accelerated cooling the rail head after the use of heat or hot rolling only to repeat external layer of the rail by induction method. It uses a normalization procedure perlite by accelerated cooling in the cooling medium. Tribological testing and simulation using Finite Element Method determine the main directions of development of the wear and stress distribution in the 3D model of the microstructure of the test. BIBLIOGRAFIA 1. Bąkowski H., Krupa M.: Możliwości wydłużenia czasu pracy szyn kolejowych w wybranych warunkach eksploatacji. V Konferencja Naukowa PRACA ZDROWIE ŚRODOWISKO, Szczyrk 2008, Monografia, s ISBN Bogacz R., Świderski Z.: Uszkodzenia eksploatacyjne szyn kolejowych wywołane wzajemnym, dynamicznym oddziaływaniem pojazdów szynowych z torem. Problemy kolejnictwa, CNTK, z.136, 2002, Böhmer A. i inni: Beanspruchungen von Schienen unter statischen, dynamischen und Thermishen belastungen. Glasers Annalen 127 3,4/2003, Bolton P. J., Clayton P.: Rolling-sliding wear damage in rail and tyre steels. Wear, 93 (1984), s Clayton P.: The relations between wear behaviour and basic material properties for pearlitic steels. Wear, 60 (1980) s Gallardo-Hernandez E.A., Lewis R.: Twin disc assessment of wheel/rail adhesion. Wear 265 (2008), Hiroyuki M., Satohb Y., Kanematsub Y., Iwafuchib K.: On-site investigation and analysis of flaking damage leading to rail break. Wear 271 (2011), Kristan J., Sawley K.: Track wear tests of bainitic and pearlitic rails. Railway Track & Structures, 4/2002,

9 10. Kuziak R., Molenda R.: Nowa metoda umacniania cieplnego główki profili szynowych. Hutnik nr 2, 2003, Massel A.: Faliste zużycie szyn a warunki eksploatacyjne. Problemy Kolejnictwa, CNTK z.127, Warszawa 1998, Zakharov S., Komarovsky I., Zharov I.: Wheel flange/rail head wear simulation. Wear 215, 19981,