Wybrane aspekty kształtowania mikrostruktury stali szynowej oraz jej wpływ na odporność na zużycie ścierne

Transkrypt

1 2007 r. Hutnik Wiadomości hutniczes s. 251 Dr hab. inż. Jerzy Herian, prof. nzw. w Politechnice Śląskiej UKD : Katedra Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej : Politechnika Śląska, Katowice Mgr inż. Krzysztof Aniołek Katedra Transportu Szynowego Politechnika Śląska, Katowice Wybrane aspekty kształtowania mikrostruktury stali szynowej oraz jej wpływ na odporność na zużycie ścierne Select aspects of shaping of a rail steel microstructure and its influence on a resistance to abrasive wear Przeprowadzono ocenę jakości walcowanych kształtowników klockowych ze stali gat. R260, które stosowane są w rozjazdach kolejowych. Przedstawiono związki pomiędzy odpornością na zużycie ścierne a morfologią perlitu i warunkami eksploatacyjnymi dla perlitycznej stali szynowej. Ocenę ilościową morfologii perlitu przeprowadzono dla stanu stali po gorącym walcowaniu i po fizycznym modelowaniu procesu wyżarzania izotermicznego. Stwierdzono, że w badanych procesach można uzyskiwać strukturę perlityczną o znacząco zróżnicowanej morfologii. Badania odporności na ścieranie w zależności od czynników eksploatacyjnych określono dla stanu po gorącym walcowaniu. Wykazano, że ze wzrostem obciążenia i poślizgu następuje intensywne zużycie ścierne stali. There was estimated a quality of block rolled sections from steel of R260 grade, which are used in turnouts. It was presented a dependence of resistance to abrasive wear of pearlite rail steel from pearlite morphology and exploational conditions. The quantity evaluation of pearlite morphology was realized for steel state after hot rolling and after a manual modelling of isothermal annealing process. It was stated that in research processes it can be obtain the pearlite structure with a significantly diversified morphology. Research of the resistance to abrasion in dependence of exploational factors were defined for state after hot rolling. It was proved that with a growth of load and spin follow an intensive abrasive wear of steel. Słowa kluczowe: kształtowniki klockowe, rozjazdy, morfologia perlitu, zużycie ścierne, wyżarzanie izotermiczne Key words: block sections, switch, pearlite morphology, abrasive wear, isothermal annealing 1. Wstęp. Głównym składnikiem kolejowego systemu transportowego są drogi kolejowe, składające się z odcinków prostych, łukowych i rozjazdów. Rozjazdy umożliwiają pojazdom szynowym zmianę kierunku jazdy w miejscach krzyżujących się toków szynowych. Powszechnie stosowanym typem jest rozjazd zwyczajny, składający się ze zwrotnicy, szyn łączących, krzyżownicy, podrozjazdnic oraz urządzeń nastawczych. Ważnym elementem składowym rozjazdów kolejowych jest krzyżownica, umożliwiająca przejazd zestawom kołowym pojazdów szynowych przez miejsce krzyżowania się szyn. Do budowy niektórych typów krzyżownic stosuje się kształtowniki klockowe, wytwarzane metodą walcowania na gorąco w walcowniach bruzdowych. Warunki eksploatacyjne rozjazdów (kształtowników klockowych) charakteryzują wysokie obciążenia dynamiczne, które są spowodowane nieciągłością toru, występującą w miejscu krzyżowania się szyn, oraz zmianą kierunku jazdy pojazdów szynowych. W wyniku oddziaływania obciążeń pochodzących od kół pojazdów szynowych, powierzchnia toczna kształtowników klockowych ulega szybkiemu zużyciu. Wysokie koszty eksploatacji rozjazdów skłaniają do poszukiwania metod powodujących zwiększenie odporności na zużycie ścierne i zmęczeniowe kształtowników szynowych. Takimi kierunkami rozwojowymi są opracowania technologii wytwarzania nowych materiałów lub kształtowanie struktury perlitycznej stali, węglowo-manganowej w procesach obróbki cieplno-plastycznej lub cieplnej. Zmieniając morfologię perlitu można regulować w szerokim zakresie własności stali, np. twardość w przedziale HB. Podstawowym gatunkiem stali stosowanej do produkcji szyn i kształtowników typu klockowego są stale węglowo-manganowe o strukturze perlitycznej gat. R260. Stale szynowe charakteryzują się dużą zawartością węgla i są zaliczane do stali twardych o niskiej plastyczności. Wzrost zawartości węgla w stali szynowej wpływa korzystnie na zwiększenie własności wytrzymałościowych i twardości. Mangan z kolei obniża temperaturę przemiany perlitycznej, co sprzyja powstaniu rozdrobnionych kolonii perlitu. O trwałości kształtowników klockowych decydują czynniki materiałowe i eksploatacyjne. Właściwości perlitycznych stali szynowych zależne są od morfologii perlitu. Natomiast czynniki eks-

2 S. 252 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 5 ploatacyjne to głównie wielkość poślizgu, zależna od prędkości pojazdu i geometrii toru oraz obciążenie pochodzące od nacisku kół pojazdu szynowego, które wywołuje określony stan naprężeń w warstwie wierzchniej w miejscu styku. Głównym mechanizmem zużycia w przypadku kształtowników klockowych stosowanych w rozjazdach jest zużycie ścierne i zmęczeniowo-kontaktowe. Odporność na ścieranie zależy głównie od właściwości stali, obciążenia, prędkości pojazdu szynowego oraz od czystości i stanu powierzchni [4, 5]. Własności wytrzymałościowe perlitycznych stali szynowych są ściśle związane z kinetyką przemiany perlitycznej, o której decydują takie czynniki, jak: skład chemiczny stali, prędkość chłodzenia oraz wielkość ziarna austenitu w momencie zainicjowania przemiany [2]. Z kolei o własnościach mechanicznych stali szynowej decyduje głównie morfologia perlitu. Rozdrobnienie kolonii perlitu powoduje zmniejszenie odległości między płytkami cementytu powodując zwiększenie własności wytrzymałościowych stali. Równolegle ze zmniejszeniem odległości międzypłytkowej cementytu towarzyszy opóźnienie zarodkowania pęknięć zmęczeniowych i zwiększenie podatności płytek do odkształcenia plastycznego. Zmiana odległości pomiędzy płytkami cementytu w perlicie wpływa na intensywność zużywania się stali szynowych [1, 2, 3, 4, 5]. 2. Materiał do badań. Do badań wytypowano kształtowniki klockowe typu KL60 walcowane na gorąco ze stali szynowej gat. R260. Walcowanie przeprowadzono w zespole liniowym z wlewków z ciągłego odlewania stali. Temperatura końca walcowania wynosiła około 930 C. Chłodzenie przeprowadzono na chłodni w spokojnym powietrzu. Skład chemiczny stali i własności kształtowników ocenione w statycznej próbie rozciągania przedstawiono w tabl Makrostruktura kształtowników klockowych po walcowaniu na gorąco. Ocenę makrostruktury kształtownika klockowego KL 60 (rys. 1) przeprowadzono na próbkach poddanych głębokiemu trawieniu i próbie Baumanna. Po głębokim trawieniu na przekroju poprzecznym plastra wyciętego z kształtownika (rys. 1c) ujawniono występowanie osiowej porowatości. Po próbie Baumana na przekroju poprzecznym stwierdzono równomiernie rozłożone siarczki o wielkości odpowiadającej wzorcowi nr 3, określonemu przez Komisję ds. Stalowej Nawierzchni Kolejowej Centrum Naukowo-Technicznego Kolejnictwa. 4. Struktura stali po gorącym walcowaniu i wyżarzaniu izotermicznym. Badania strukturalne wykonano na próbkach pobranych z przekroju poprzecznego główki kształtownika klockowego po walcowaniu na gorąco. Stwierdzono występowanie struktury perlitycznej (rys. 2b) oraz odwęglenie powierzchniowe na powierzchni tocznej kształtownika klockowego (rys. 2a). Jego wartość wahała się w przedziale 0,6 1 mm i była większa niż wartość dopuszczalna dla szyn, która jest równa 0,5 mm. Występowanie w strukturze perlitycznej odwęglonej warstwy ferrytycznej obniża twardość materiału i zwiększa jej podatność do odkształceń plastycznych pod wpływem obciążenia, pochodzącego od kół pojazdów szynowych. W celu otrzymania struktury perlitycznej o zróżnicowanej morfologii perlitu, przeprowadzono symulację fizyczną procesu wyżarzania izotermicznego na symulatorze Gleeble. Tak zamodelowany proces zapewniał dużą dokładność pomiarów i re- Rys. 1. Makrostruktura na przekroju poprzecznym kształtownika klockowego KL 60: a kształt i wymiary kształtownika klockowego KL60, b próba Baumanna, c próba głębokiego trawienia Fig. 1. Macrostructure on cross-section of block section KL 60: a shape and dimension of KL 60 block section, b Baumann priting, c deep etch test Ta b l i c a 1. Skład chemiczny i własności mechaniczne stali szynowej Ta b l e 1. Chemical constitution and mechanical quality of rail steel Skład chemiczny stali % R m min MPa A 5 % Twardość pow. tocz. HB Gatunek C Mn Si P S Cr Al V R 260 0,74 1,08 0,30 0,013 0,018 0,040 0,003 0, MPa 11,4 273

3 2007 r. Hutnik Wiadomości hutniczes s. 253 Rys. 2. Mikrostruktura kształtownika klockowego przy powiększeniu 50 : a siatka ferrytu w warstwie powierzchniowej, b struktura na przekroju poprzecznym Fig. 2. Microstructure of block section by enlargement 50 : a ferrite network in surface layer, b structure on cross-section Rys. 3. Mikrostruktura stali gat. R260 w stanie po gorącym walcowaniu przy powiększeniu 2000 : a przekrój poprzeczny, b przekrój wzdłużny Fig. 3. Microstructure of R260 grade steel in a state after hot rolling by enlargement 2000 : a cross-section, b longituadinal section Ta b l i c a 2. Odległość międzypłytkowa w koloniach perlitu Ta b l e 2. Interlamellar distance in pearlite colonies Odległość międzypłytkowa l, µm minimalna maksymalna średnia Stan surowy 0,184 0,461 0,286 OC 620 C 0,136 0,333 0,266 OC 570 C 0,101 0,260 0,162 OC 520 C 0,096 0,186 0,129 gulacji temperatury austenityzacji, stałą temperaturę przemiany perlitycznej w czasie oraz stałą szybkość chłodzenia. Próbki cylindryczne ø 6 mm ze stali gat. R260 nagrzewano do temperatury 800 C, wygrzewano, a następnie chłodzono do temperatury wytrzymania izotermicznego 620, 570 i 520 C. Badania cech geometrycznych struktury po gorącym walcowaniu i izotermicznym wyżarzaniu przeprowadzono na skaningowym mikroskopie elektronowym HITACHI S-3400N przy powiększeniu Liczba analizowanych kolonii perlitu wynosiła 32, tak dla wariantu pochodzącego ze stanu po gorącym walcowaniu, jak i po izotermicznym wyżarzaniu. W każdej kolonii zliczano przecięcia z płytkami na jednej siecznej przyłożonej prostopadle do płytek cementytu. Stosowano różne długości Rys. 4. Fragment układu płytek cementytu dla stanu surowego, powiększenie Fig. 4. Fragment of cementite plate for raw state, enlargement siecznych w zależności od ułożenia płytek w danej kolonii perlitu. Rzeczywistą odległość międzypłytkową obliczano na podstawie zależności: a l = n

4 S. 254 Hutnik Wiadomości hutniczen nr 5 Rys. 5. Wielkość zużycia stali gat. R260 w zależności od liczby cykli dla różnych wartości nacisku (p o ) i poślizgu (γ) Fig 5. Volume of stell wear of R260 grade in dependence of the number of cycles for a different values of stress (p o ) and slide (γ) gdzie: a długość zastosowanej siecznej, µm, n ilość przecięć siecznej z płytkami cementytu. Mikrostruktury stali w stanie po gorącym walcowaniu przedstawiono odpowiednio na rys. 3 i 4. Wyniki pomiarów średniej odległości między płytkami cementytu zestawiono w tabl. 2. Mikrostruktura stali po walcowaniu na gorąco jest perlityczna, o ułożeniu płytek w koloniach perlitu w różnych kierunkach (rys. 3). Średnia odległość międzypłytkowa dla stali w stanie po walcowaniu na gorąco wyniosła 0,286 µm. Fragment układu płytek cementytu dla stali po walcowaniu na gorąco przedstawiono na rys. 4. Mikrostruktury po wyżarzaniu izotermicznym charakteryzują się mniejszą grubością płytek cementytu i mniejszą odległością międzypłytkową (tabl. 2). Najmniejszą średnią odległość między płytkami cementytu równą 0,129 µm uzyskano w przypadku próbki wyżarzanej izotermicznie w temperaturze 520 C. Dla wyższej temperatury 620 C odległość ta jest dwukrotnie większa i wynosi 0,266 µm. 5. Modelowanie zużycia ściernego w warunkach tarcia toczno-ślizgowego. Odporność na ścieranie wskutek zużycia ubytkowego jest podstawowym kryterium oceny trwałości kształtowników szynowych. Zależna jest ona od czynników eksploatacyjnych, obciążenia i poślizgu. Obciążenie zależy od masy pojazdów szynowych, natomiast poślizg od prędkości pojazdu, geometrii toru i tarcia [4, 5]. Badania modelowe zużycia przeprowadzono na stanowisku Amslera o skojarzeniu tribologicznym rolka-rolka. W badaniach wykorzystano próbki w stanie po gorącym walcowaniu ze stali gat. R260 pobrane z kształtownika klockowego KL60. Wartość poślizgu pomiędzy próbką a przeciwpróbką regulowano poprzez dobór średnicy przeciwpróbki. Prędkość obrotową przyjęto 200 obr./min, co odpowiada średniej prędkości rzeczywistej pociągu ok. 40 km/h. Obciążenie przyjęto tak, aby maksymalne naciski Hertza odpowiadały naciskom rzeczywistym koła na kształtownik klockowy dla pociągu osobowego i towarowego. W badaniach zużycia wykorzystywano jako przeciwpróbkę stal P60, która stosowana jest na obręcze kół kolejowych. Masę próbki pierścieniowej mierzono z dokładnością do 0,001 g. Na rys. 5 przedstawiono wyniki zużycia ściernego stali dla stanu po gorącym walcowaniu, w zależności od liczby cykli dla różnych wartości nacisków obliczonych według zależności Hertza (p o ) i poślizgu (γ). Dla małej wartości poślizgu wynoszącej 0,1 % i nacisku 661,3 MPa nie zaobserwowano zużycia w zakresie do cykli. Dla wartości nacisku 901,2 MPa zaobserwowano w początkowym etapie niewielkie zużycie próbki. Wraz z narastającą liczbą cykli rejestrowano wzrost intensywności zużycia stali. Należy zauważyć, że przy mniejszych wartościach nacisku wystąpił niewielki przyrost masy próbki. Efekt ten może być spowodowany utlenianiem lub też przeniesieniem produktów zużycia z przeciwpróbki na próbkę. Obecność tlenków zmienia warunki tarcia, skutkiem czego intensywność zużycia maleje. Zwiększenie poślizgu z 0,1 % do 1 % intensyfikuje proces zużycia. Przy porównywalnych warunkach obciążenia i liczbie cykli, zwiększenie poślizgu powoduje znaczący wzrost zużycia ściernego. W początkowej fazie zaobserwowano niewielki przyrost masy próbki spowodowany przeniesieniem produktów zużycia z przeciwpróbki na próbkę. Powyżej cykli zużycie przyjmuje charakter ustalony zbliżony do liniowego. Wzrost intensywności zużycia spowodowany wzrostem poślizgu i obciążenia znajduje swoje potwierdzenie w danych eksploatacyjnych. 6. Podsumowanie. Wzrastające prędkości pojazdów szynowych oraz ich wysokie i ciągle rosnące obciążenia są czynnikami wymuszającymi zwiększanie odporności na zużycie ścierne i zmęczeniowokontaktowe kształtowników klockowych. Jednym z kierunków rozwoju jest modyfikowanie perlitycznej struktury, polegające na zmniejszeniu odległości

5 2007 r. Hutnik Wiadomości hutniczes s. 255 między płytkami cementytu. Uzyskane wyniki badań potwierdzają, że skutecznie można kształtować mikrostrukturę stali szynowej w procesie walcowania na gorąco i w procesie wyżarzania izotermicznego. Struktury po wyżarzaniu izotermicznym charakteryzowały się rozdrobnionymi koloniami perlitu, mniejszą grubością płytek cementytu i mniejszymi odległościami międzypłytkowymi w stosunku do struktury perlitycznej dla stanu po walcowaniu na gorąco. Obniżenie temperatury wyżarzania izotermicznego zmniejsza odległość międzypłytkową cementytu. Badania modelowe zużycia przeprowadzone dla stali w stanie po gorącym walcowaniu wykazały, że trwałość kształtowników klockowych z perlitycznej stali R260 zależy od czynników eksploatacyjnych, wielkości obciążenia i poślizgu. Przy małych wartościach obciążenia i poślizgu zużycie materiału jest nieznaczne dla małej liczby cykli. Wzrost liczby cykli i obciążenia powoduje przyspieszenie procesu zużycia. Zużycie ścierne kształtowników klockowych o strukturze perlitycznej jest tym intensywniejsze, im większe jest obciążenie i poślizg. L i t e r a t u r a 1. Clayton P.: Predicting the wear of rails on curves from laboratory data. Wear (1995), s Kuziak R.: Modelowanie zmian struktury i przemian fazowych zachodzących w procesach obróbki cieplno-plastycznej stali. Instytut Metalurgii Żelaza. Gliwice Clayton P: The relations between wear behaviour and basic material properties for pearlitic steels. Wear, 60 (1980) s Herian J., Aniołek K., Krupa M.: Wpływ czynników eksploatacyjnych na zużycie szyn ze stali o strukturze perlitycznej. Międzynarodowa Konferencja Naukowa Nowe technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej, Częstochowa 2 czerwca Herian J., Aniołek K., Krupa M.: Czynniki decydujące o trwałości kształtowników o strukturze perlitycznej stosowanych w budowie torów kolejowych. XVII Konferencja Naukowa Pojazdy szynowe 2006, Kazimierz Dolny września 2006 Dr inż. MONIKA HYRCZA-MICHALSKa UKD :532: : Politechnika Śląska, Katedra Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej ul. Krasińskiego 8, Katowice Monika.Hyrcza-Michalska@polsl.pl Hydroforming jako nowoczesna metoda kształtowania elementów karoserii samochodowej Hydroforming as the new method of auto body parts forming Hydroforming stanowi jedną z nowoczesnych metod kształtowania elementów karoserii samochodów. Metoda ta pozwala na wytwarzanie wyrobów tłoczonych o wysokiej jakości powierzchni i złożonej geometrii. Istotnym zadaniem jest opanowanie i wdrożenie hydroformingu w tłoczniach krajowych. Stąd w Katedrze Modelowania Procesów i Inżynierii Medycznej Politechniki Śląskiej rozpoczęto badania podstawowe w zakresie hydroformingu blach, wsadów spawanych laserowo oraz wsadów rurowych spawanych laserowo. W tym celu zaprojektowano i zbudowano stanowisko badawcze do wybrzuszania wsadów rurowych spawanych laserowo. W artykule przedstawiono pierwsze rezultaty kształtowania rur spawanych laserowo metodą hydroformingu. Hydroforming is one of the new methods of auto body parts forming. This method allowed producing workpieces with very high quality of surfaces and complex geometry. The fundamental task is to take control and apply hydroforming at national, local stamping industry. Thence, basic researches on hydroforming of sheet metals, tailor welded blanks and tubular blanks start up at Department of Process Modelling and Medical Engineering of the Silesian University of Technology. The laboratory stand for tubular blanks hydro-bulging has been designed and built. The paper presents first results of laser welded tubes hydroforming. Słowa klucze: hydroforming, wybrzuszanie cieczą, wsady spawane laserowo, wsady rurowe spawane laserowo Key words: hydroforming, hydro-bulging, tailor welded blanks, tubular blanks Wprowadzenie. Hydroforming stanowi jedną z nowoczesnych metod kształtowania elementów karoserii samochodów. Metoda ta łączy zalety kształtowania przy zastosowaniu klasycznych narzędzi do tłoczenia z możliwością uzyskania wysokiej jakości powierzchni wyrobów tłoczonych o złożonej geometrii, których wykonanie tradycyjnymi metodami jest bardzo skomplikowane. Hydroforming to proces hydromechanicznego kształtowania wsadów w postaci blach, wsadów spawanych laserowo (typu tailored blanks) lub profili zamkniętych (np. rur tubular blanks). Wyroby kształtowane w tym procesie, np. metodą wybrzuszania od środka cieczą w zamkniętych matrycach,