RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 180537 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 316127 (22) Data zgłoszenia: 18.09.1996 (51) IntCl7 B23P 17/00 C21D 9/04 E01B 31/18 (54) Sposób obróbki cieplnej stalowej szyny kolejowej (30) Pierwszeństwo: 20.09.1995,FR,9510986 ( 7 3 ) Uprawniony z patentu: SOGERAIL (Société Anonyme), Hayange, FR (43) Zgłoszenie ogłoszono: 01.04.1997 BUP 07/97 ( 72) Twórcy wynalazku: Jean L. Perrin, Bertrange, FR (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2001 WUP 02/01 (7 4 ) P ełnomocnik: Ginter Marek, GINTER & GINTER, Kancelaria Rzecznikowska s.c. PL 180537 B1 (57) 1. Sposób obróbki cieplnej stalowej szyny kolejowej zawierającej główkę, szyjkę i stopkę, znam ienny tym, ze ogrzewa się wstępnie kolejno lub jednocześnie, każdy przekrój poprzeczny szyny (1) do temperatury wyższej od temperatury końca przemiany metalurgicznej przy nagrzewaniu stali, z której jest wykonana szyna tak, aby jednocześnie lub kolejno w każdym przekroju poprzecznym szyny, stal miała jednorodną strukturę austenityczną, po czym przegrzewa się kolejno lub jednocześnie, część każdego przekroju poprzecznego szyny (1), odpowiadającą główce (2) tak, ze średnia temperatura tej części każdego przekroju poprzecznego szyny, jest wyższa o co najmniej 40 C od średniej temperatury części tego samego przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej stopce (4), nie przekraczając temperatury 1050 C, a korzystnie 1000 C, a następnie chłodzi się kolejno lub jednocześnie, każdy przekrój poprzeczny szyny (1) do temperatury niższej od temperatury końca przemiany przy chłodzeniu stali, z której wykonana jest szyna tak, aby otrzymać drobną strukturę perlityczną w całym przekroju poprzecznym szyny, i ewentualnie umożliwia się stygnięcie, jednocześnie lub kolejno, każdego przekroju poprzecznego szyny (1), aż do temperatury otoczenia. Fig 1
Sposób obróbki cieplnej stalowej szyny kolejowej Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób obróbki cieplnej stalowej szyny kolejowej zawierającej główkę, szyjkę i stopkę, znamienny tym, że ogrzewa się wstępnie kolejno lub jednocześnie, każdy przekrój poprzeczny szyny (1 ) do temperatury wyższej od temperatury końca przemiany metalurgicznej przy nagrzewaniu stali, z której jest wykonana szyna tak, aby jednocześnie lub kolejno w każdym przekroju poprzecznym szyny, stal miała jednorodną strukturę austenity c zn ą po czym przegrzewa się kolejno lub jednocześnie, część każdego przekroju poprzecznego szyny (1), odpowiadającą główce (2) tak, że średnia temperatura tej części każdego przekroju poprzecznego szyny, jest wyższa o co najmniej 40 C od średniej temperatury części tego samego przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej stopce (4), nie przekraczając temperatury 1050 C, a korzystnie 1000 C, a następnie chłodzi się kolejno lub jednocześnie, każdy przekrój poprzeczny szyny ( 1) do temperatury niższej od temperatury końca przemiany przy chłodzeniu stali, z której wykonana jest szyna tak, aby otrzymać drobną strukturę perlityczną w całym przekroju poprzecznym szyny, i ewentualnie umożliwia się stygnięcie, jednocześnie lub kolejno, każdego przekroju poprzecznego szyny (1 ), aż do temperatury otoczenia. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy końcu wstępnego ogrzewania, we wszystkich punktach każdego przekroju poprzecznego szyny (1) temperatura jest wyższa od AC3 + 100 C, przy czym AC3 jest temperaturą przemiany podczas nagrzewania z małą prędkością stali, z której wykonana jest szyna (1). 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przy końcu ogrzewania dodatkowego, średnia temperatura części każdego przekroju poprzecznego szyny ( 1), odpowiadającej główce (2) jest wyższa o co najmniej 80 C od średniej temperatury części tego samego przekroju poprzecznego odpowiadającego stopce (4). 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wstępne ogrzewanie każdego przekroju poprzecznego szyny (1) prowadzi się przez co najmniej 4 minuty. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że wstępne ogrzewanie zawiera przemienne etapy wstępnego ogrzewania częściowego i ujednoradniania tak, że przy końcu wstępnego ogrzewania otrzymuje się możliwie najbardziej jednorodny rozkład temperatur w każdym przekroju poprzecznym szyny (1 ). 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas chłodzenia, prędkość chłodzenia naskórka szyny (1) po przekroczeniu temperatury 700 C, jest niższa od 10 C/s. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że prędkość chłodzenia naskórka szyjki (3) i stopki (4) szyny (1) po przekroczeniu temperatury 700 C, jest niższa od 5 C/s. 8. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że przy końcu chłodzenia, temperatura naskórka główki (2) szyny (1), jest niższa lub równa 400 C. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną szyny (1) przeprowadza się przemieszczając j ą kolejno przez elementy do ogrzewania wstępnego (7), elementy do przegrzewania (8 ) i elementy do chłodzenia (9). 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że elementami do ogrzewania wstępnego (7) są elementy do ogrzewania przez indukcję o częstotliwości wyższej lub równej 2000 Hz. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że elementy do ogrzewania wstępnego (7) zawierają wiele stref ogrzewania rozdzielonych strefami wyrównywania. 12. Sposób według zastrz. 9 albo 10 albo 11, znamienny tym, że elementami do przegrzewania (8 ) są elementy do przegrzewania przez indukcję o częstotliwości wyższej lub równej 1000 Hz.
180 537 3 13. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że elementy do chłodzenia (9) utworzone są co najmniej z dwóch, a korzystnie z wielu kolektorów (14, 15, 16) usytuowanych równolegle do szyny, zaopatrzonych w wiele dysz (17) nadmuchujących powietrze lub mgłę, sterowanych niezależnie względem siebie lub grupami. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej stalowej szyny kolejowej o w y- sokiej zawartości węgla lub niskostopowej. Szyna kolejowa jest wyrobem profilowanym ze stali walcowanej, o dużej długości, zawierającym główkę, po której toczą się koła pociągów, stopkę do mocowania szyny do ziemi za pośrednictwem podkładów i szyjkę, która łączy główkę ze stopką. Główka powinna mieć dużą twardość, aby wytrzymać zużycie wywołane przez zetknięcie się z kołami, zaś szyjka i stopka powinny mieć wystarczającą wytrzymałość mechaniczną do zapewnienia dobrego trzymania główki, przy czym cała szyna powinna być prostoliniowa co najmniej przed montażem na torze, aby zapewnić dobrą jakość toczenia. Na ogół, szyna jest poddana wewnętrznym naprężeniom szczątkowym, których rozkład ma bardzo duże znaczenie dla zabezpieczania przed pęknięciem kruchym. Można wymienić wiele cech szyn wyróżniających się, zwłaszcza trwałością powierzchniową główki oraz własnościami mechanicznymi szyjki i stopki, a także rozłożeniem wewnętrznym naprężeń szczątkowych. Te różne cechy są dobierane zależnie od przeznaczenia torów dla kolei mniej lub bardziej ciężkich lub mniej lub bardziej szybkich. Aby wytworzyć szynę przeznaczoną dla kolei ciężkich lub szybkich, stosuje się stal eutektoidalną o wysokiej zawartości węgla lub niskostopową, której skład chemiczny zawiera wagowo, jak to określono w normie 860-0 M iędzynarodowego Związku Dróg Żelaznych, do 0,82% węgla, do 1,7% manganu, do 0,9% krzemu, do 1,3% chromu, ewentualne pierwiastki rozdrabniające ziarno, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z obróbki. Szyna jest otrzymana przez walcowanie półproduktu, a następnie obrabiana cieplnie częściowo lub całkowicie i ewentualnie jest prostowana. Obróbka cieplna powinna zapewnić co najmniej główce, drobną strukturę p erlityczną o dużej twardości. Zgodnie z jedną technologią, po walcowaniu i chłodzeniu, główka jest częściowo austenityzowana w wyniku podgrzewania do około 900 C a następnie chłodzona przez nadmuch powietrza lub natrysk wody. Ta technologia ma podwójną niedogodność tworzenia w strefach podgrzewanych między punktami przemiany A c1 i Ac3 stref o mniejszej wytrzymałości, a zwłaszcza powodowania bardzo znacznego odkształcania szyny, która wymaga prostowania wywołującego naprężenia szczątkowe, bardzo niekorzystne dla eksploatacji szyny. Aby zapobiec tym niedogodnościom zaproponowano zwłaszcza we francuskim opisie patentowym nr 2 603 306, uzupełnienie obróbki cieplnej główki przez przeprowadzoną jednocześnie obróbkę cieplną stopki tak, że odkształcenia wywołane obróbką cieplną stopki w yrównują odkształcenia wywołane obróbką cieplną główki. Nie jest już wówczas konieczne prostowanie szyny. Jednakże w tej technologii, szyjka nie jest obrabiana a strefy łączące szyjkę i główkę oraz szyjkę i stopkę są łamliwe ponieważ są podgrzewane między punktami przemiany A c1i AC3, a to powoduje zmiękczenie metalu. Zgodnie z inną technologią, opisaną zwłaszcza we francuskim opisie patentowym nr 2 109 121, szyna jest obrabiana w całości, aby otrzymać strukturę o bardzo dobrym i twardym perlicie, poprzez przyspieszone chłodzenie bądź po austenityzacji ujednoradniającej przez podgrzewanie stopniowe, bądź bezpośrednio podczas walcowania na gorąco. Tak obrobiona szyna ma jednorodną strukturę i nie ma stref osłabionych w szyjce lub na połączeniu szyki z główką lub ze stopką. Jednakże, podczas stosowania tej technologii stwierdzono, że szyna jest odkształcona przez obróbkę cieplną chociaż była ona jednorodna,
4 180 537 a więc z założenia zrównoważona, i że wymaga prostowania. To prostowanie wywołuje naprężenia szczątkowe, które osłabiają szyjkę szyny. Naprężenie szczątkowe spowodowane prostowaniem zbyt znacznie osłabiają szyjkę szyny ułatwiając rozprzestrzenianie się pęknięć wzdłużnych m ających tendencję do otwierania się. Aby ocenić wrażliwość szyjki szyny na rozprzestrzenianie się pęknięć, wykonano próbę, która polegała na wykonaniu nacięcia na jednym końcu szyny, za pomocą piły, i na zmierzeniu odstępu krawędzi nacięcia. Wówczas, gdy odstęp między krawędziami nacięcia jest większy od grubości śladu piły, to naprężenia szczątkowe m ają tendencję do ułatwiania powiększania się pęknięć, w przeciwnym przypadku, naprężenia szczątkowe przeciwstaw iają się rozszerzaniu pęknięć a nawet je zmniejszają. Celem wynalazku jest uniknięcie wymienionych niedogodności przez zastosowanie sposobu wytwarzania szyny ze stali eutektoidalnej, węglowej łub niskostopowej, która miałaby drobną strukturę perlityczną w całym przekroju szyny, i rozkład naprężeń szczątkowych, który miałby tendencję do przeciwstawiania się rozszerzaniu pęknięć wzdłużnych w szyjce szyny. Cel ten osiągnięto przez zastosowanie sposobu obróbki cieplnej stalowej szyny kolejowej zawierającej główkę, szyjkę i stopkę, w którym zgodnie z wynalazkiem, ogrzewa się wstępnie kolejno lub jednocześnie, każdy przekrój poprzeczny szyny do temperatury w yższej od temperatury końca przemiany metalurgicznej przy nagrzewaniu stali, z której jest wykonana szyna tak, aby jednocześnie lub kolejno w każdym przekroju poprzecznym szyny, stal miała jednorodną strukturę austenityczną, po czym przegrzewa się kolejno lub jednocześnie, część każdego przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającą główce tak, że średnia temperatura tej części każdego przekroju poprzecznego szyny, jest wyższa o co najmniej 40 C od średniej temperatury części tego samego przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej stopce, nie przekraczając temperatury 1050 C, a korzystnie 1000 C, a następnie chłodzi się kolejno lub jednocześnie, każdy przekrój poprzeczny szyny do temperatury niższej od temperatury końca przemiany przy chłodzeniu stali, z której wykonana jest szyna tak, aby otrzymać drobną strukturę perlityczną w całym przekroju poprzecznym szyny, i ewentualnie umożliwia się stygnięcie jednocześnie lub kolejno, każdego przekroju poprzecznego szyny aż do temperatury otoczenia. Korzystnie, przy końcu wstępnego ogrzewania, we wszystkich punktach każdego przekroju poprzecznego szyny temperatura jest wyższa od Ac3 + 100 C, przy czym Ac3 jest temperaturą przemiany podczas nagrzewania z m ałą prędkością stali, z której jest wykonana szyna. Przy końcu ogrzewania dodatkowego, średnia temperatura części każdego przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej główce jest wyższa o co najmniej 80 C od średniej temperatury części tego samego przekroju poprzecznego odpowiadającego stopce. Korzystnie, wstępne ogrzewanie każdego przekroju poprzecznego szyny prowadzi się co najmniej 4 minuty. Wstępne ogrzewanie zawiera przemienne etapy wstępnego ogrzewania częściowego i ujednoradniania tak, że przy końcu wstępnego ogrzewania otrzymuje się możliwie najbardziej jednorodny rozkład temperatur w każdym przekroju poprzecznym szyny. Korzystnie, podczas chłodzenia, prędkość chłodzenia naskórka szyny po przekroczeniu temperatury 700 C, jest niższa od 10 C/s, i ewentualnie prędkość chłodzenia naskórka szyjki i stopki szyny po przekroczeniu temperatury 700 C, je st niższa od 5 C/s. Korzystnie, przy końcu chłodzenia, temperatura naskórka główki szyny, jest niższa lub równa 400 C. Obróbką cieplną szyny przeprowadza się przemieszczając ją kolejno przez elementy do ogrzewania wstępnego, elementy do przegrzewania i elementy do chłodzenia. Elementy do nagrzewania wstępnego są elementami do ogrzewania przez indukcję o częstotliwości wyższej lub równej 2000 Hz. Elementy do ogrzewania wstępnego zawierają wiele stref ogrzewania rozdzielonych strefami wyrównywania. Elementami do przegrzewania są elementy do przegrzewania przez indukcję o częstotliwości wyższej lub równej 1000 Hz.
180 537 5 Elementy do chłodzenia utworzone są co najmniej z dwóch, a korzystnie z wielu kolektorów usytuowanych równolegle do szyny, zaopatrzonych w w iele dysz nadmuchujących powietrze lub mgłę, sterowanych niezależnie względem siebie lub grupami. Przedmiot wynalazku zostanie wyjaśniony przykładowo w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia szynę przemieszczaną w urządzeniu do obróbki cieplnej, w widoku perspektywicznym, a fig. 2 - wykres zmian temperatury w różnych punktach przekroju poprzecznego szyny, w zależności od czasu trwania obróbki cieplnej. Szyna 1 otrzymana przez walcowanie na gorąco półproduktu ze stali eutektoidalnej, węglowej lub niskostopowej, której skład chemiczny zawiera wagowo, do 0,82% węgla, do 1,7% manganu, do 0,9% krzemu, do 1,3% chromu, ewentualne pierwiastki rozdrabniające ziarno, reszta żelazo i zanieczyszczenia wynikające z obróbki, posiada główkę 2, szyjkę 3 i stopkę 4. Po walcowaniu, szyna 1 jest chłodzona do temperatury otoczenia, a następnie obrabiana cieplnie, aby nadać jej własności wymagane ostatecznie. Obróbkę cieplną prowadzi się, na przykład, przemieszczając szynę w urządzeniu 5 do ciągłej obróbki cieplnej, typu przedstawionego na fig. 1. Ta obróbka cieplna ma na celu nadanie szynie struktury perlitycznej drobnej i bardzo twardej głównie w główce, ale również w całej masie szyny. Ma ona na celu również wywołanie w szynie naprężeń szczątkowych przeciwstawiających się rozszerzaniu pęknięć wzdłużnych w szyjce. Urządzenie 5 do obróbki cieplnej, zawiera zwłaszcza na wejściu i wyjściu prowadzące rolki 6, rozmieszczone stopniowo elementy do wstępnego ogrzewania 7 całego przekroju szyny 1, oraz elementy do uzupełniającego przegrzewania 8 główki 2 i elementy do przyspieszonego chłodzenia 9 całego przekroju szyny 1. Elementy do wstępnego ogrzewania 7 są utworzone przez co najmniej jedną cewkę 10 ogrzewającą indukcyjnie, zasilaną prądem zmiennym o częstotliwości korzystnie większej lub równej 2000 Hz, usytuow aną w przestrzeni 11. Elementy do ogrzewania zawierają zatem kolejno na przemian strefy ogrzewania odpowiadające cewkom 10, i strefy wyrównywania odpowiadające przestrzeniom 11. Cewki są połączone z elektrycznymi elementami zasilającymi znanymi jako takie i tu nie przedstawionymi, które to cewki mogą być chłodzone strumieniem wody, jak w znanym stanie techniki. Elementy do przegrzewania 8 uzupełniającego są utworzone przez induktor 12 o kształcie litery U, Usytuowane wzdłużnie poniżej szyny i zasilane, w znany sposób, zmiennym prądem elektrycznym, którego częstotliwość jest korzystnie większa lub równa 1000 Hz. Za i przed induktorem 12 usytuowane są prowadzące rolki 13. Elementy do przyspieszonego chłodzenia 9 utworzone są przez co najmniej jeden kolektor 14 usytuowany wzdłużnie powyżej główki szyny, i przez co najmniej jeden kolektor 15 usytuowany wzdłużnie poniżej stopki szyny, oraz korzystnie wiele kolektorów 16 usytuowanych wzdłużnie z obydwu stron szyjki szyny. Każdy kolektor 14, 15, 16 jest zaopatrzony w wiele dysz 17 mogących wdmuchiwać powietrze lub mgłę natryskową. Dysze mogą być sterowane niezależnie od siebie lub grupowo z możliwością niezależnego regulowania mocy i długości czasu trwania chłodzenia główki, szyjki i stopki szyny. Aby dokonać obróbki cieplnej szyny 1, przemieszcza się szynę w urządzeniu 5 do obróbki cieplnej w kierunkach strzałki tak, że każdy przekrój poprzeczny szyny, który zawiera odpowiednią część główki, część szyjki i część stopki, przechodzi kolejno przez elementy do wstępnego ogrzewania środki do przegrzewania uzupełniającego 8 i elementy do przyspieszonego chłodzenia 9. Podczas przechodzenia przez urządzenie 5 do obróbki cieplnej, każdy przekrój poprzeczny szyny jest poddany cyklowi cieplnemu przedstawionemu na fig. 2, na której oś odciętych oznacza czas, a oś rzędnych oznacza temperaturę. Krzywa 100 przedstawia cykl cieplny naskórka stopki i szyjki, a krzywa 101 przedstawia cykl cieplny punktów usytuowanych w rdzeniu stopki lub szyjki, natomiast krzywe 102 i 103 odnoszą się odpowiednio do naskórka i do rdzenia główki. Jeżeli rozważa się chwilę t = 0 dowolnego przekroju poprzecznego szyny wchodzącej w pierw szą cewkę 10 elementów do wstępnego ogrzewania 7, cykl cieplny, któremu jest
6 180 537 poddany przekrój poprzeczny szyny podczas całej obróbki cieplnej może być opisany następująco. Między t = 0 i chwilą t1, w której przekrój poprzeczny szyny wychodzi z pierwszej cewki 1 0, cały przekrój poprzeczny szyny jest ogrzewany do temperatury kilkuset stopni, na przykład, 500 C do 600 C, naskórek jest ogrzewany szybciej niż wnętrze przekroju, a ze względu na wybraną częstotliwość prądu zasilającego cewki, część przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającego szyjce i stopce, jest podgrzewana szybciej, a więc jest ogrzana do temperatury wyższej niż część przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca główce szyny. Między chwilami t1 i t2, przekrój poprzeczny szyny przechodzi przez pierwszą strefę wyrównywania 1 l, w której nie jest ogrzewany, a nawet temperatura naskórka nieco obniża się, zaś temperatury rdzenia nieco w zrastają z powodu dyfuzji ciepła do wnętrza szyny, natomiast w główce podobnie jak w szyjce i stopce, temperatury rdzenia zbliżają się do temperatur naskórka. Między chwilami t2 i t 3, przekrój poprzeczny szyny przechodzi przez drugą cewkę 10, która podgrzewa wszystkie miejsca przekroju do temperatury wyższej od temperatury końca przemiany austenitycznej przy podgrzewaniu stali, z której utworzona jest szyna, aby otrzymać w całym przekroju poprzecznym szyny strukturę austenityczną, przy czym podgrzewanie całkowite trwa kilka minut, na ogół co najmniej 5 minut, i w tych warunkach temperatura końca przemiany austenitycznej przy podgrzewaniu jest wyższa o co najmniej 100 C od temperatury AC3 końca przemiany austenitycznej przy podgrzewaniu wolnym, aby z tych samych powodów jak poprzednio, w chwili t3 temperatura średnia szyjki i stopki, była wyższa od średniej temperatury główki. Między chwilami t 3 i t 4przekrój poprzeczny szyny przechodzi przez drugą strefę wyrównania 1 l, a temperatury wyrównują się zarówno w części przekroju poprzecznego szyny odpowiadającej główce, jak i w części przekroju poprzecznego szyny odpowiadającej szyjce i stopce, aby otrzymać jednorodny austenit bez konieczności podgrzewania szyny do zbyt wysokiej temperatury, co powodowałoby nadmierny wzrost ziarna, przy czym całkowity czas podgrzewania, to jest czas, który upływa między t = 0 i t4 musi korzystnie być dłuższy niż 4 minuty. Między chwilami t4 i t5, przekrój poprzeczny szyny przechodzi pod elementami do przegrzewania 8 główki, a część przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca główce jest podgrzewana tak, że jej temperatura średnio osiąga temperaturę T 2 bądź temperaturę wyższą co najmniej o 40 C od temperatury średniej T 1 części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającego szyjce i stopce nie przekraczając jednakże 1050 C, a korzystnie 1000 C, aby nie powodować nadmiernego wzrostu ziarna austenitycznego. Między chwilami t5 i t 6, przekrój poprzeczny szyny przechodzi przez strefę wyrównywania, a następnie przez elementy do przyspieszonego chłodzenia 9 wychodząc z nich w chwili t7, przy czym przechodząc przez elementy do przyspieszonego chłodzenia 9, część przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca główce jest chłodna w warunkach określonych przez temperaturę naskórka T 3 w chwili t7 i przez szybkość Vr chłodzenia po przekroczeniu temperatury 700 C naskórka, z tym, że część przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca stopce i szyjce jest chłodzona mniej energicznie niż część przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca główce tak, że na wyjściu elementów do przyspieszonego chłodzenia 9 jej temperatura średnia jest wyższa od temperatury średniej części przekroju poprzecznego szyny odpowiadającej główce. Poza chwilą t7 szyna jest chłodzona naturalnie w powietrzu, aż do temperatury otoczenia, przy czym na wejściu elementów do przyspieszonego chłodzenia 9, temperatura naskórka części przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca główce, jest nieco niższa niż temperatura rdzenia na początku naturalnego chłodzenia na powietrzu z tym, że obserwuje się podniesienie temperatury naskórka wynikające z wyrównywania temperatur w przekroju poprzecznym przez dyfuzję ciepła wewnętrznego. Prędkość chłodzenia Vr jak również temperatura T 3 są wybrane tak, aby otrzymana struktura byka drobnym perlitem, możliwie najtwardszym bez śladów bainitu lub martenzytu. W tym celu, prędkość chłodzenia V r musi być możliwie najwyższa, jednakże nie prze-
180 537 7 kraczając prędkości, która umożliwia otrzymanie struktury bainitycznęj lub m artenzytycznej, a temperatura T3 musi być wystarczająco niska, ale nie nazbyt, aby przemiana perlityczna była zupełna. Temperatura T 3 musi być niższa od temperatury końca przemiany przy chłodzeniu stali, z której jest wykonana szyna. Obróbka cieplna może być hartowaniem perlitycznym zupełnym, w którym to przypadku temperatura T3 jest temperaturą otoczenia, lub może być również obróbką quasi izotermiczną, w którym to przypadku temperatura T3 jest rzędu kilkuset stopni Celsjusza. Struktura i żądana twardość mogą być takie same dla stopki, szyjki i główki, a w takim przypadku średnia prędkość chłodzenia części przekroju poprzecznego szyny odpowiadającej szyjce i stopce, jest zbliżona do średniej prędkości chłodzenia części przekroju poprzecznego szyny odpowiadającej główce. Można natomiast zażyczyć sobie mniejszej twardości szyjki i stopki niż główki, jednakże wówczas należy nadać prędkość chłodzenia części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej stopce i szyjce, m niejszą niż prędkość chłodzenia części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej grzybkowi. Wreszcie, aby dostosować temperaturę końca przyspieszonego chłodzenia części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej szyjce i stopce, można zmniejszyć czas chłodzenia tej części wyłączając dysze umieszczone na wprost szyjki lub stopki szyny, od strony wyjścia urządzenia do przyspieszonego chłodzenia. Szczegółowe warunki przyspieszonego chłodzenia powinny być określone w funkcji szczegółowych cech wykresu przemiany przy ciągłym chłodzeniu stali, z której jest wykonana szyna. W praktyce, dla rozważanych stali, prędkość Vr chłodzenia naskórka części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającego główce powinna być niższa od 10 C/s, a korzystnie wyższa od 5 C/s, przy czym średnia prędkość chłodzenia części przekroju poprzecznego szyny odpowiadającej stopce i szyjce powinna korzystnie być niższa od 5 C/s, zaś temperatura T3, w której naskórek części przekroju poprzecznego szyny wychodzi poza średnią chłodzenia przyspieszonego, powinna być niższa od 400 C. Stwierdzono, że podczas obróbki cieplnej, szyna odkształca się, ale, że wówczas, gdy pożądane jest otrzymanie jednakowej twardości w całej szynie, to wówczas chłodzi się z porównywalnymi prędkościami cały przekrój szyny, a jeśli część przekroju poprzecznego szyny odpowiadająca główce została podgrzana o 40 C do 80 C w stosunku do części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej stopce i szyjce, to po powrocie do temperatury otoczenia, szyna została trochę odkształcona, a po ewentualnym niewielkim prostowaniu, szyjka była poddana naprężeniom szczątkowym ułatwiającym zamykanie się pęknięć. Stwierdzono również, że aby otrzymać ten wynik utwardzając bardziej główkę niż szyjkę lub stopkę, ogrzewanie musi być wyższe o 80 C, a korzystnie zawarte w granicach od 100 C do 200 C. W opisanym przykładzie wykonania, wstępne ogrzewanie następuje na dwóch odcinkach, ale może być ono dokonane bezpośrednio lub więcej niż na dwóch odcinkach. Stopka zawiera bardzo cienkie brzegi, które chłodzą się naturalnie bardzo szybko podczas faz ujednorodnienia, zatem, może być użyteczne przeprowadzenie ogrzewania uzupełniającego części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej stopce, na przykład, podczas ogrzewania dodatkowego części przekroju poprzecznego szyny, odpowiadającej główce. Opisany przykład wykonania jest ciągłą obróbką cieplną, w której różne przekroje poprzeczne szyny są poddawane kolejno obróbce cieplnej. Ale ta obróbka cieplna może być wykonana przez podgrzewanie całej szyny, na przykład, w piecu a następnie przez przegrzewanie całej stopki, a następnie przez chłodzenie całej szyny. W takim przypadku, różne przekroje poprzeczne szyny są obrabiane jednocześnie. Tytułem przykładu, wytworzono szynę stalową, której skład chemiczny, wagowo, był następujący: C - 0,78%, Mn - 1,04%, Si - 0,44%, Cr - 0,22%, reszta żelazo i zanieczyszczenia wynikające z obróbki. Przy końcu wstępnego ogrzewania, które trwało 4 minuty i 30 sekund, średnia temperatura szyjki i stopki wynosiła 880 C. Przy końcu przegrzewania, średnia temperatura główki wynosiła 985 C. Naskórek stopki był chłodzony z prędkością 9 C/s, aż do temperatury 380 C, przy czym stopka i szyjka były chłodzone z prędkością 2 C/s.
8 180 537 Po powrocie do temperatury otoczenia, szyna była bardzo mało prostowana. W całym przekroju szyna miała drobną strukturę perlityczną, twardość główki wynosiła 377 HBW, a twardość szyjki lub stopki wynosiła 340 HBW. Otwarcie szyjki mierzone po próbie przecięcia piłą wynosiło około - 1,2 mm, podczas, gdy dla takiej samej szyny obrabianej sposobem według stanu techniki, otwarcie szyjki wynosiło + 2,2 mm. Tytułem drugiego przykładu, wytworzono szynę stalową, której skład chemiczny, wagowo, był następujący: C - 0,77%, Mn - 0,91 %, Si - 0,66%, Cr - 0,49% reszta żelazo i zanieczyszczenia wynikające z obróbki. Przy końcu wstępnego ogrzewania, które trwało 4 minuty i 30 sekund, średnia temperatura szyjki i stopki wynosiła 890 C. Przy końcu przegrzewania, średnia temperatura główki wynosiła 940 C. Naskórek stopki był chłodzony z prędkością 7 C/s, aż do temperatury 350 C, przy czym stopka i szyjka były chłodzone z prędkością 6 C/s. Po powrocie do temperatury otoczenia szyna była bardzo mało prostowana. W całym przekroju szyna miała drobną strukturę perlityczną zaś twardość główki, szyjki i stopki wynosiła 390 HBW. Otwarcie szyjki mierzone po próbie przecięcia piłą wynosiło około -0,9 mm podczas, gdy dla takiej samej szyny obrabianej sposobem według stanu techniki, otwarcie szyjki wynosiło + 2,4 mm.
180 537 Fig 2
180 537 Fig 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.