WŁASNOŚCI ODLEWANYCH MONOBLOKOWYCH KRZYŻOWNIC WYKONANYCH ZE STALIWA BAINITYCZNEGO

Transkrypt

1 ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO TECHNICZNA SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH - JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO WŁASNOŚCI ODLEWANYCH MONOBLOKOWYCH KRZYŻOWNIC WYKONANYCH ZE STALIWA BAINITYCZNEGO Sławomir Parzych, Edmund Tasak STRESZCZENIE: Niniejsza praca dotyczy analizy wpływu obróbki cieplnej na mikrostrukturę i własności odlewu próbnego przeznaczonego jako materiał na krzyżownice kolejowe. Dotychczasowe materiały stosowane w kolejnictwie na krzyżownice (staliwo manganowe oraz kuta stal perlityczna) nie spełniają rygorystycznych warunków eksploatacji nawierzchni kolejowych. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie staliw o mikrostrukturze bainitycznej lub bainityczno-martenzytycznej, co umożliwia uzyskanie ich wysokich własności wytrzymałościowych (R m =1400 MPa, R p0,2 =900 MPa, twardości do 400 HBW). W celu doboru parametrów obróbki cieplnej metodami dylatometrycznymi wyznaczono temperatury krytyczne na podstawie których zaprojektowano obróbkę cieplną polegającej na wyżarzaniu normalizującym, przygotowującą go do dalszego procesu zgrzewania. Wykonano badania pozwalające ocenić wpływ obróbki cieplnej na własności odlewu oraz zgrzeiny. Na podstawie wyników stwierdzono, że proces zgrzewania niekorzystnie wpływa na mikrostrukturę i własności w strefie złącza i dlatego niezbędna jest dalsza niezbędna obróbkę cieplna. PROPERTIES OF MONOBLOCK FROGS MADE OF BAINITIC CAST STEEL This work deals with influence of heat treatment on microstructure and properties of sample cast assigned as a material used for frogs in railway crossover. Materials used in railway industry for frogs (manganese cast steel and forged pearlitic steel) do not fulfil strict conditions of exploitation of railway. One of the solutions is using cast steel with bainitic or bainite-martensite microstructure, what allows to gain high resistance properties (R m = 1400 MPa, R p0,2 = 900 MPa, hardness to 400 HBW). In order to set the parameters of heat treatment, the critical temperatures were determined by dilatometric methods determined. This heat treatment consisted of normalizing that prepared it to the farther process of resistance welding. In order to evaluate the influence of heat treatment on properties of cast and weld, the exams were performed. On the basis of the results it was found that resistance welding process influence in a negative way the microstructure and properties in the weld area, therefore the further heat treatment is essential. mgr inż. Sławomir, prof. dr hab. Inż. Edmund Tasak - Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie

2 1. WSTĘP W ostatnich latach nastąpił bardzo szybki rozwój ruchu kolejowego charakteryzujący się wzrostem prędkości, nacisków osi, natężenia przewozów oraz wydłużenia czasu eksploatacji szyn kolejowych. Zmusiło to producentów do poszukiwania stali o nowych, lepszych właściwościach. Dotychczasowe stale szynowe o strukturze perlitycznej uzyskiwane bezpośrednio po walcowaniu, opracowane w latach 70-tych (np. 900A) nie spełniają ww. wymagań. Pierwszym sposobem zwiększenia własności mechanicznych była ich obróbka cieplna. Obrobione cieplne szyny cechowały się dużo lepszymi własnościami mechanicznymi od szyn w stanie surowym [1]. Dodatek manganu, chromu, krzemu i wanadu w celu zwiększenia wytrzymałości szyn o strukturze perlitycznej uzyskiwanych po procesie walcowania, pozwolił podnieść wytrzymałość R m do wartości około 1000MPa. Wyjściem do dalszego rozwoju okazały się szyny charakteryzujące się strukturą bainityczną, dla których w stanie surowym możliwe jest osiągniecie R m do 1400MPa oraz twardości do 400HBW, czyniąc je coraz częstszym materiałem na szyny wysokoobciążone [2]. Stal stosowana na rozjazdy kolejowe powinna odznaczać się dużą odpornością na ścieranie. Dlatego w zależności od rodzaju i konstrukcji rozjazdu stosuje się stal kutą o strukturze perlitycznej (900A) oraz staliwo Hadfielda L120G13 [3]. Jednak łączenie materiałów różnorodnych różniących się właściwościami mechanicznymi, elektrycznymi i przewodnością cieplną nastręcza wiele problemów, między innymi brakiem stabilności mikrostruktury [4]. Różny skład chemiczny w strefie złącza powoduje, że w czasie obróbki cieplnej istnieje niebezpieczeństwo powstania w obszarze linii wtopienia niejednorodności strukturalnych takich jak wystąpienie gruboziarnistej strefy odwęglenia z jednej strony linii wtopienia i twardej strefy nawęglonej z drugiej strony. Aby zapobiec ww. problemom połączenie wykonuje się z przekładką stopiwa ze stali austenitycznej, stopów Fe-Ni lub czystego niklu [5]. Wyjściem z tej sytuacji było zastosowanie stali o strukturze bainitycznej na rozjazdy kolejowe w postaci monolitycznych bloków odlewanych [6]. Odlewy staliwne, których budowa jest ukształtowana poprzez krystalizacje struktury pierwotnej w czasie krzepnięcia oraz krystalizacji wtórnej w stanie stałym podczas jego stygnięcia do temperatury otoczenia nie jest jednorodna. Dodatkowo różnice w grubości ścianek, powodują nierównomierne krzepniecie co skutkuje naprężeniami w odlewach. Dlatego wszystkie odlewy staliwne poddaje się obróbce cieplnej, która ma na celu ujednorodnienie, ulepszenie struktury, usunięcia naprężeń oraz uzyskanie określonych właściwości mechanicznych i użytkowych. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Materiałem do badań było odlew próbny staliwa bainitycznego, którego skład chemiczny zmodyfikowano na podstawie pracy [20]. Odlew wykonano w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie. Odlew był odlany w kształcie równoległościanu o wymiarach około 100 x 100 x 5000 mm i masie około 50 kg. Analizę wytopową badanego staliwa podano w tabeli 1. Próbki do procesu zgrzewania były wycięte wzdłuż dłużej krawędzi odlewu. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa (% masowe) C Mn Si P S Cr Ni Mo Ti 0,17 0,57 0,28 0,014 0,013 1,70 2,60 0,46 0,03

3 3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Metodami dylatometrycznymi wyznaczono temperatury krytyczne (Ac 1s =690 C, Ac 1f =760 C oraz Ac 3 =850 C), na podstawie których zaprojektowano obróbkę cieplną polegającej na wyżarzaniu normalizującym (930 C/30min). Na rysunku 1 zamieszczono fotografie mikrostruktury w badanego staliwa w stanie surowym (po odlaniu). Studzenie odlewu w trakcie jego krzepnięcia do temperatury otoczenia pozwala na otrzymanie mikrostruktury bainitu (rys. 1). Studzenie po wyżarzaniu normalizującym z zakresu jednorodnego austenitu (930 C) do temperatury otoczenia wywołuje ponowne jego zahartowanie na bainit (rys. 2). W wyniku zróżnicowanej intensywności trawienia w mikrostrukturze (rys. 2a) widoczne są miejsca segregacji utworzone podczas krystalizacji. W porównaniu ze stanem po odlaniu (rys. 1) mikrostruktura uległa rozdrobnieniu oraz pojawia się jasno trawiąca się siatka wytworzona głównie wzdłuż pierwotnych granic ziaren byłego austenitu. Pojawienie się jasno trawiących miejsc spowodowane jest zwiększoną szybkością chłodzenia po wyżarzaniu normalizującym w porównaniu do wolno chłodzonego masywnego odlewu. Szybkie chłodzenie obszarów wzdłuż pierwotnych granic austenitu obszarów wzbogaconych w węgiel i pierwiastki stopowe nie pozwalają na wydzielanie węglików. W obszarach tych temperatura M S jest obniżona co prowadzi do pozostania w nich większej ilości austenitu szczątkowego po chłodzeniu (rys. 2). Wolne chłodzenie skutkuje wydzielaniem się węglików z przesyconego ferrytu bainitycznego zubażając w węgiel obszary segregacji po pierwotnych granicach austenitu (rys. 1). Stwierdzono niewielką obecność wtrąceń niemetalicznych w miejscach nie ulegających tak silnemu wytrawieniu (rys. 2a). Oprócz mikrostruktury bainitycznej w obszarach segregacji można zauważyć niewielką ilość martenzytu (rys. 2a,b). Otrzymanie niewielkiej ilości martenzytu w mikrostrukturze jest wynikiem większej szybkości chłodzenia próbek laboratoryjnych w stosunku do masywnego odlewu. a) b) Rys. 1. Mikrostruktura staliwa bainitycznego w stanie surowym po odlaniu. Trawiono 4%nital.

4 a) b) Rys. 2. Mikrostruktura staliwa bainitycznego w obróbce cieplnej. Trawiono 4%nital W tabeli 2 zestawiono ważniejsze własności mechaniczne badanego staliwa w stanie surowym (po odlaniu) jak i po wstępnej obróbce cieplnej. Staliwo przy twardości 336 HV30 w stanie bezpośrednio po odlaniu charakteryzuje się dość wysoką umowną granicą plastyczności R p0,2 = 556 MPa oraz wysoką wytrzymałością na rozciąganie R m = 1068 MPa przy wydłużeniu A 5 na poziomie 12%. Wiadomo jednak, że odlew przed zgrzewaniem będzie poddawany dodatkowej obróbce cieplnej polegającej na wyżarzaniu normalizującym. Chłodzenie tego tworzywa w spokojnym powietrzu, będzie odpowiadało hartowaniu na bainit. Jak widać twardość po wyżarzaniu normalizującym (tab. 2), wzrosła do 366 HV30. Wzrost twardości jest spowodowany powstaniem niewielkiej ilości martenzytu wzdłuż pierwotnych ziaren austenitu. Zabieg normalizowania zdecydowanie wpłynął na umowną granicę plastyczności oraz wytrzymałość na rozciąganie, zwiększając je odpowiednio R p0,2 do 667 MPa a R m do 1125 MPa. Podobnie jak w stanie pod odlaniu, materiał po normalizowaniu cechuje się wydłużeniem A 5 na poziomie 12 14%. Tabela 2. Wyniki badań mechanicznych dla staliwa w stanie surowym i po obróbce cieplnej Własności Stan surowy Po obróbce cieplnej HV30 336±9 366±5 KCV [J/cm 2 ] 23,9±4,3 24,9±0,7 R m [MPa] 1068±6 1125±4 R p0,2 [MPa] 556±7 667±25 A 5 [%] 12±1 14±1 Tak obrobione cieplnie próbki poddano procesowi zgrzewania doczołowego zwarciowego na zgrzewarce firmy ASPA model ZDZ-7. Po procesie zgrzewania próbki ponownie poddano wyżarzaniu normalizującemu (930 C/30min) oraz odpuszczaniu w przedziale temperatur od 350 do 650 C przez 1 godz. Następnie wykonano badania twardości wzdłuż zgrzeiny oraz udarności z karbem naciętym w zgrzeinie. Wykres z rozkładem twardości wzdłuż zgrzeiny przedstawiono na rysunku 3. Twardość na całym przekroju zgrzeiny po normalizowaniu utrzymuje się na poziomie 350HV30. Proces odpuszczania przy temperaturze 350 C powoduje spadek twardości do poziomu około 300HV30. Twardość po odpuszczaniu między C utrzymuje się na poziomie HV30. Odpuszczanie przy 650 C spowodowało spadek udarności do około 170HV30. Z wykresu można wywnioskować, że odpowiednią temperatura odpuszczanie jest 350 C, spadek twardości jest nieznaczny w

5 porównaniu do próbek tylko po normalizowaniu (około 50HV30). Na rysunku 4 przedstawiono wyniki badań udarności w różnych stanach obróbki cieplnej. W porównaniu z udarnością materiału rodzimego po normalizowaniu (24,9 J/cm 2 ), zgrzeina uzyskała wyższą udarność (31,3 J/cm 2 ). Wzrost udarności spowodowany jest dużym odkształceniem w zgrzeinie co spowodowało rozdrobnienie ziarna. Spadek udarności po odpuszczaniu w zakresie temperatur C najprawdopodobniej związany jest z destabilizacją termiczną austenitu szczątkowego lub wzrostem udziału wydzieleń fazy węglikowej. Wysokie odpuszczanie C spowodował wzrost udarności prawie dwukrotnie (71,1 J/cm 2 ). Jednakże wzrost udarności związany jest ze spadkiem twardości poniżej około 230HV30. Rys. 3. Rozkład twardości wzdłuż zgrzeiny Rys. 4. Wyniki badań udarności w różnym stanie obróbki cieplnej

6 5. LITERATURA [1] Pacyna J., Krawczyk J.: Mechanizm powstawania uszkodzeń typu wyboksowanie i zużycie faliste w szynach kolejowych. Materiały konferencyjne XIX Konferencji Naukowo-Technicznej Huty Katowice S.A. Szyny Kolejowe, Rogoźnik, Listopad 1990 [2] H.A. Aglan, Z.Y. Liu, M.F. Hassan, M. Fateh.: Mechanical and fracture behaviour of bainitic rail steel, Journal of materials processing technology 151 (2004) p [3] Nowoczesne konstrukcje rozjazdów kolejowych produkowanych w Hucie ANDRZEJ S.A. Materiały konferencyjne XIX Konferencji Naukowo-Technicznej Huty Katowice S.A., Szyny kolejowe, Rogoźnik [4] Tasak E., Żurek Z., Henel G.: Problemy jakości połączeń zgrzewanych rozjazdów kolejowych, Przegląd spawalnictwa, z. 6 (2007) str [5] Tasak E., Henel G., Żurek Z.: Technologia wytwarzania rozjazdów ze staliwa manganowego spajanego ze stalą węglową, Przegląd spawalnictwa, z. 5 (2007) str [6] M. Hotzman, I. Dlouhy, J. Zboril.: Mechanical properties and fracture behaviour of cast steel with bainitic microstructure and its use for cast crossings Hutnicke Listy, vol. 58, no 12 (2003) p