MIKROSTRUKTURA I WŁASNOŚCI NOWEGO STALIWA BAINITYCZNEGO NA KRZYŻOWNICE KOLEJOWE

Transkrypt

1 ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO TECHNICZNA SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH - JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO MIKROSTRUKTURA I WŁASNOŚCI NOWEGO STALIWA BAINITYCZNEGO NA KRZYŻOWNICE KOLEJOWE Jerzy Pacyna, Piotr Bała 1. WSTĘP Poszukiwania nowego tworzywa na szyny kolejowe trwają od około 20 lat. Początkowo impulsem do tych poszukiwań było osiągnięcie maksimum możliwości aplikacyjnych stali o mikrostrukturze płytkowego perlitu. Przykładem wspomnianego wyżej kresu górnego możliwości aplikacyjnych były szyny obrobione cieplnie o mikrostrukturze drobnego perlitu. Ich wielka twardość sięgająca nawet 400 HBW i wytrzymałość do 1200 MPa nie spełniły jednak oczekiwań użytkowników takich szyn. Wzrostowi twardości i wytrzymałości tych szyn towarzyszył bowiem wzrost ich odporności na ścieranie. Tworzące się na powierzchni eksploatowanych szyn wady, głównie w rejonie jej główki, stały się praktycznie nieusuwalne. Ratunkiem było okresowe szlifowanie powierzchni główki szyn w torach co w praktyce musiało być ograniczone tylko do głównych szlaków komunikacyjnych. Na pozostałych (nieszlifowanych) ale silnie obciążanych ciągach komunikacyjnych zaczęły nagminnie tworzyć się wady eksploatacyjne typu squat, head-checking, które po osiągnięciu mechanizmem zmęczeniowym długości krytycznej rozwijały się katastroficznie na cały przekrój szyny. Należy podkreślić, że w/w wady występują zawsze w wysokowytrzymałych szynach perlitycznych nawet przy nieskazitelnej ich czystości metalurgicznej. Są to typowe wady eksploatacyjne związane z wysoką odpornością na ścieranie mikrostruktury drobnego perlitu a ściślej, z brakiem możliwości samoserwisowania się powierzchni główki szyn poprzez ścieranie. Wiele ośrodków naukowych świata doszło wówczas do przekonania, że nowych materiałów na szyny kolejowe należy szukać wśród materiałów wystarczająco twardych i wysokowytrzymałych ale o mniejszej odporności na ścieranie. Wybór padł na niskowęglowe stale bainityczne. W Polsce, jak dotychczas, opracowano dwa gatunki takich stali o następujących własnościach: Tabela 1. Własności mechaniczne nowych stali bainitycznych na wysokoobciążone szyny kolejowe Gatunek stali HBW R m, MPa R p0,2, MPa A, % KCV +20 C, J K Ic, MPa m 1/2 R370B , ,3 R390B , ,0 prof. dr hab. inż. Jerzy Pacyna, dr inż. Piotr Bała - Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie

2 Pierwsza z tych stali R370B (gdzie R = stal szynowa: ang. rail = szyna, 370- wymagana minimalna twardość w jednostkach HBW, B wyróżnik stali bainitycznej: ang. bainitic steel= stal bainityczna) opanowana technologicznie jeszcze w Hucie Katowice S.A. (2003 r.) została zastosowana (2004 r.) w postaci szyn S49 w torze wyjazdowym z tej Huty, które pracują bezawaryjnie do chwili obecnej (rys. 1 i 2). Wyniki pomiarów ich zużycia i obserwacje o charakterze jakościowym wskazują, że szyny ze stali bainitycznej R370B znakomicie nadają się na prostoliniowe odcinki torów (brak jakichkolwiek wad eksploatacyjnych na ich powierzchni), natomiast w łukach, zgodnie z przewidywaniami, ulegają łatwiejszemu ścieraniu. Druga z opracowanych stali bainitycznych w gatunku R390B ze względu na nieznacznie zwiększoną w jej składzie zawartość niklu wykazuje wyraźnie większą plastyczność (A) i odporność na pękanie (KCV i K Ic ) zarówno przy temperaturze pokojowej jak i przy temperaturach obniżonych. Jej skład chemiczny został opracowany z myślą o zastosowaniu w torach budowanych w strefach klimatycznych o niskich temperaturach (Syberia, Alaska). Właśnie tę stal R390B (dane w tabeli 1 są dla stanu przerobionego plastycznie) postanowiono użyć do wykonania odlewanych, monoblokowych krzyżownic kolejowych nowej generacji, łatwo spajalnych z tradycyjnymi szynami perlitycznymi. Technologie odlewania krzyżownic monoblokowych opracował Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie. Odlew krzyżownicy i jej obróbkę cieplną wykonała Odlewnia Ostrowiec Sp. z o.o. w Ostrowcu Świętokrzyskim. Natomiast wykańczającą obróbkę mechaniczną i zgrzewanie z szynami o mikrostrukturze perlitycznej wykonały Kolejowe Zakłady Nawierzchniowe Bieżanów Sp. z o.o. w Krakowie. Rys. 1. Pierwsze polskie szyny bainityczne pracujące od czerwca 2004r w torze wyjazdowym z Huty Mittal Steel Poland SA w Dąbrowie Górniczej: a) widok ogólny łuku toru we wrześniu 2005r, b) fragment szyny bainitycznej eksploatowanej w łuku, c) fragment szyny bainitycznej eksploatowanej na odcinku prostoliniowym toru. Fot. wykonał J. Kasprowicz z Mittal Steel Poland SA.

3 Rys. 2. Szyny bainityczne pracujące od czerwca 2004r do października 2008r w torze wyjazdowym z Huty ArcelorMittal Steel Poland SA w Dąbrowie Górniczej: a) widok ogólny łuku torów, b) fragment szyny bainitycznej eksploatowanej w łuku, c) fragment szyny bainitycznej eksploatowanej na odcinku prostym toru 2. MATERIAŁ I OBRÓBKA CIEPLNA Na rysunku 3a zamieszczono fotografię zgładu metalograficznego badanego staliwa w stanie nietrawionym na których ujawniono wtrącenia niemetaliczne i pory. a) b) Rys. 3. Mikrostruktura nowego staliwa bainitycznego na krzyżownice kolejowe w stanie lanym: a) zgład nietrawiony, b) trawiono 2 % nitalem Jak widać przeznaczony do badań wytop (wlewek) zawierał dość duże ilości porów i wtrąceń niemetalicznych. Na podstawie uwidocznionej w wyniku wytrawienia 2% nitalem

4 mikrostruktury badanego staliwa pokazanej na rysunku 3b stwierdzono, iż jest to typowe staliwo bainityczne. Cechy morfologiczne listew bainitu wskazują, iż w mikrostrukturze wlewka przeważa bainit górny. Dlatego już teraz można przewidywać, że wykonane z tego staliwa rozjazdy będą musiały być poddane wysokiemu odpuszczaniu celem koagulacji węglików wydzielonych na granicach listew ferrytu bainitycznego. Na rysunku 4 zamieszczono wykres CTPc nowego staliwa przeznaczonego na krzyżownice kolejowe. Jak widać, jest tworzywo typowo bainityczne o bardzo wysokiej temperaturze M s = 330 C i względnie wysokiej temperaturze B s sięgającej 500 C. Z wykresu CTPc widać, że dla osiągnięcia żądanej przez użytkowników rozjazdów twardości minimalnej 340 HBW (358 HV30) krzyżownica wykonana z tego staliwa musi być chłodzona z szybkością większą niż 1 C/s. Na podstawie zmierzonych doświadczalnie szybkości chłodzenia w powietrzu szyny typu UIC60 o tej samej długości, rozjazdy powinny być chłodzone nadmuchem powietrza aby mieć pewność osiągnięcia oczekiwanej twardości 340 HBW na ich powierzchni. Rys. 4. Wykres CTPc nowego staliwa na krzyżownice kolejowe W tabeli 2 zestawiono ważniejsze własności mechaniczne badanego staliwa w stanie lanym. Próbki pobierano z warstwy wierzchniej wlewka o masie ok. 30 kg. Jak widać (tab. 2), przy twardości 336 HV30, która wg PN 93/H odpowiada 320HBW, nowe staliwo nawet w stanie bezpośrednio po odlaniu charakteryzuje się wysoką umowną granicą plastyczności R p0,2 = 745 MPa oraz wysoką wytrzymałością na rozciąganie R m = 1084 MPa przy wydłużeniu A 5 = 7,6%. Wiadomo jednak, że materiał ten będzie poddawany dodatkowej obróbce cieplnej polegającej na wyżarzaniu normalizującym, które w przypadku tego tworzywa będzie odpowiadało hartowaniu w powietrzu na bainit. Tabela 2. Wybrane własności mechaniczne staliwa na rozjazdy kolejowe w stanie po odlaniu Twardość 336 HV 30 Udarność KCV 12,8 (+20 C), 11,6 (-20 C), 7,3 (-40 C) J/cm 2 Praca złamania 9,7 (+20 C), 9,3 (-20 C), 6,04 (-40 C) J K Ic 55,9 (+20 C), 47,2-54,4 (-20 C) MPa m 1/2 R m R p0, MPa 745 MPa A 5 7,6 % Z 10,3 %

5 Z danych zamieszczonych w tabeli 2 widać, że w stanie lanym oceniono również odporność na pękanie badanego staliwa za pomocą współczynnika intensywności naprężeń K Ic. Warto odnotować, że dla temperatury pokojowej uzyskano wartość K Ic = 55,9 MPa m 1/2 a dla temperatury -20 C wynik badań współczynnika intensywności naprężeń K Ic = 47,2 54,4 MPa m 1/2. Od materiału na szyny kolejowe w gatunku R350LAHT wymaga się wartości współczynnika K Ic min = 29 MPa m 1/2 przy temperaturze pokojowej. W przypadku badanego staliwa bainitycznego wartość współczynnika intensywności naprężeń przy temperaturze pokojowej jest prawie dwukrotnie większa, chociaż tworzywo bainityczne było w stanie lanym (nie poddanym przeróbce plastycznej). Na rysunku 5 pokazano graficznie wpływ temperatury badania na udarność KCV badanego staliwa w stanie lanym. Jak widać, udarność zaczyna wyraźnie się zmniejszać (do 7,29 J/cm 2 ) dopiero przy -40 C. Rys. 5. Wpływ temperatury na udarność badanego staliwa w stanie dostawy 3. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Głównym celem tych badań była jednak ocena mikrostruktury uzyskanej w rezultacie zabiegu normalizowania. Bainityczny charakter nowego tworzywa powodował, że jego studzenie z zakresu jednorodnego austenitu w powietrzu do temperatury pokojowej pozwala na ponowne jego zahartowanie na bainit. Dlatego zaprojektowano 4 warianty obróbki cieplnej, których schematy przedstawiono na rysunku 6. Pierwszy z nich oznaczony jako I polegał na nagrzaniu w zakres jednorodnego austenitu (z szybkością 30 C/min) krótkim wytrzymaniu i oziębianiu w powietrzu (ok. 7 C/s). Drugi wariant polegał na dwukrotnym normalizowaniu celem zbadania wpływu krotności tego zabiegu na mikrostrukturę i twardość nowego tworzywa. Wariant III polegał na nagrzaniu do 930 C i następnym powolnym chłodzeniu 48 C/godz. do 650 C, wygrzaniu przy tej temperaturze przez 10 godzin i następnym bardzo wolnym chłodzeniu z szybkością 20 C/godz. do temperatury 250 C i dalej w spokojnym powietrzu do temperatury pokojowej. Podczas izotermicznego wytrzymania przy 650 C austenit powinien się przemienić w ferryt i ewentualnie w perlit. Jest to mikrostruktura zbliżona do stanu równowagi, która może być potraktowana jako właściwa mikrostruktura wyjściowa do ponownego nagrzewania do 930 C (jednorodnego austenitu) dla dokonania prawidłowego normalizowania ziarna, tzn. jego tworzenia z ferrytu i perlitu a nie z nierównowagowej mikrostruktury jaką jest bainit (por. wariant I i II). Ten ostatni wariant obróbki cieplnej polegający na dodatkowym nagrzaniu mikrostruktury ferrytyczno perlitycznej i studzeniu w spokojnym powietrzu oznaczono na rysunku 6 symbolem IV.

6 Rys. 6. Schematy wyżarzania normalizującego i uzyskane twardości (HV30) badanego staliwa o wyjściowej twardości (po odlaniu) 336 HV30 Na końcach linii ilustrujących przebiegi chłodzenia i nagrzewania zamieszczono wyniki pomiarów twardości (HV30) w ten sposób obrobionych cieplnie próbek badanego staliwa. Jak widać niezależnie od liczby zabiegów normalizowania i sposobu jego realizacji twardości próbek są w przybliżeniu równe i mieszczą się w przedziale HV30. Tylko dla wariantu III polegającego na wolnym chłodzeniu uzyskano niską twardość 181 HV30. Wskazuje to, że w przypadku decyzji o poddaniu krzyżownic z nowego staliwa wyżarzaniu normalizującemu wystarczy wykonanie jednego zabiegu nagrzania w zakres jednorodnego austenitu (około 930 C) i następnym jego ostudzeniu w spokojnym powietrzu lub za pomocą sztucznie wywołanego nadmuchu. Sztuczny nadmuch powinien umożliwić uzyskanie wystarczająco większych twardości od wymaganych 340 HBW i to dopiero po zastosowaniu następującego po ochładzaniu odpuszczania. Dla oceny wpływu temperatury odpuszczania po zastosowanych 4 wariantach normalizowania w tabeli 3 zestawiono twardości po odpuszczaniu przy 500, 550, 600 i 650 C przez 2 godziny. Jak widać, twardość badanego staliwa jest wysoka aż do temperatury 600 C za wyjątkiem wariantu III (z wyżarzaniem izotermicznym przy 650 C/10 godz.). Tabela 3 Twardości HV30 po zastosowaniu zabiegów normalizowania z rys. 6 i dodatkowym odpuszczeniu Po normalizowaniu Temperatura odpuszczania, C I II III IV

7 Warianty I, II i IV dały zbliżone wartości twardości do twardości w stanie po odlaniu. Ponieważ skomplikowane cykle nagrzewania nie zmieniły drastycznie twardości, wystarczające jest tylko jednokrotne nagrzanie materiału do temperatury normalizowania. Na podstawie wyżej przedstawionych wyników badań zaprojektowano technologię obróbki cieplnej (normalizowanie, które dla badanego staliwa oznacza hartowanie na bainit + wysokie odpuszczanie) tak aby maksymalnie zwiększyć udarność badanego staliwa. W tabeli 4 zestawiono ważniejsze własności mechaniczne badanego staliwa po ww. obróbce cieplnej. Jak widać udarność jest bardzo wysoka 78,02 J/cm 2. Po obróbce cieplnej twardość staliwa maleje do 256 HBW, co w odniesieniu do perlitycznych szyn kolejowych R260 jest twardością zbliżoną [1]. Na rysunku 7 zamieszczono fotografię mikrostruktury nowego staliwa po takiej obróbce cieplnej. Mikrostruktura zbliżona jest do sferoidytu o bardzo drobnych węglikach. Staliwo bo obróbce cieplnej cechuje się bardzo dobrymi własnościami plastycznymi, mechanicznymi oraz wystarczającą twardością. Wyniki te zachęcają autorów do wykonania prób eksploatacyjnych badanego staliwa. Tabela 4 Wybrane własności mechaniczne staliwa na rozjazdy kolejowe w stanie po obróbce cieplnej R p0,2 R m A Z KV +20 C KV -20 C KV -40 C K Ic+20 C K Ic -20 C MPa MPa % % J J J MPa m 1/2 MPa m 1/ ,1 62,3 78,0 43,4 15, HBW Rys. 7. Mikrostruktura badanego staliwa po zastosowaniu obróbki cieplnej 4. PODUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie wykonanych w niniejszej pracy badań można wysunąć następujące wnioski : Krzyżownice kolejowe odlane z badanego staliwa bainitycznego powinny wykazywać jednorodną mikrostrukturę bainityczną na całym przekroju. Przy niskiej zawartości węgla Mn i Mo nie zdołały wyeliminować z mikrostruktury badanego staliwa bainitu górnego znanego z bardzo małej odporności na pękanie. W stanie lanym badane staliwo Mn-Cr-Mo-V wykazuje dość małą udarność KCV (12,08 J/cm 2 ). Pomimo niskiej udarności, w tym stanie dopiero temperatura -40 C powoduje dalsze zmniejszenie udarności. Niezależnie od mikrostruktury wyjściowej do normalizowania badane staliwo cechuje się twardością na zbliżonym poziomie, a spadek twardości z temperaturą odpuszczania po normalizowaniu jest nieznaczny. Znaczny spadek twardości wywołuje dopiero odpuszczanie przy wysokich temperaturach. W przypadku badanego staliwa bainitycznego wartość współczynnika intensywności naprężeń (K Ic ) przy temperaturze pokojowej jest prawie dwukrotnie większa, od

8 wymaganej dla materiału na szyny kolejowe w gatunku R350LAHT wartości współczynnika K Ic min 29 MPa m 1/2 (przy temperaturze pokojowej), chociaż tworzywo bainityczne było w stanie lanym (nie poddanym przeróbce plastycznej). Staliwo po nowo zaprojektowanej obróbce cieplnej cechuje się bardzo dobrymi własnościami plastycznymi, mechanicznymi oraz wystarczającą twardością. Mikrostruktura zbliżona jest do sferoidytu o bardzo drobnych węglikach. Wyniki te zachęcają autorów do wykonania prób eksploatacyjnych badanego staliwa. PODZIĘKOWANIA Praca finansowana przez MNiSW w ramach projektu Nr R LITERATURA [1] Pacyna J.: Pierwsze polskie szyny bainityczne. Polska Metalurgia w latach Komitet Metalurgii PAN, s [2] Pacyna J., Skrzypek T.: Kinetyka przemian przechłodzonego austenitu stali bainitycznych przeznaczonych na szyny kolejowe do budowy torów wysokoobciążonych. Kraków, 2006 (niepublikowane)