(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 186509 (21) Numer zgłoszenia: 321366 (22) Data zgłoszenia. 11.01.1996 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego 11.01.1996, PCT/GB96/00034 (87) Data 1 numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 25.07.1996, W096/22396, PCT Gazette nr 34/96 (13) B1 (51) IntCl7 C21D 9/04 C 22C 38/00 (54) Sposób wytwarzania szyny (30) Pierwszeństwo: 20.01.1995,GB,9501097.1 ( 73) Uprawniony z patentu: Corus UK Limited, Londyn, GB (43) Zgłoszenie ogłoszono: 08.12.1997 BUP 25/97 (72) Twórcy wynalazku: Harshad K.D.H. Bhadeshia, Camberton, GB Vijay Jerath, Sheffield, GB (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.01.2004 WUP 01/04 (74) Pełnomocnik: Ostrowska Elżbieta, POLSERVICE PL 186509 B1 ( 57) 1. Sposób wytwarzania szyny z odpornej na ścieranie i zmęczenie przy styku tocznym stali bainitycznej zawierającej węgiel, glin i/lub krzem, mangan, chrom, nikiel, siarkę, molibden, tytan, wanad, żelazo bilansowe oraz przypadkowe zanieczyszczenia, polegający na kształtowaniu szyny przez walcowanie na gorąco stali stopowej i chłodzeniu szyny, znamienny tym, że szynę kształtuje się z bezwęglikowej stali zawierającej węgiel w ilości 0,05-0,50% wagowo, krzem i/lub glin w ilości 1,00-3,00%, mangan w ilości 0,50-2,50% wagowo, chrom w ilości 0,25-2,50% wagowo, nikiel w ilości do 3,00% wagowo, siarkę w ilości do 0,025% wagowo, wolfram w ilości do 1,00% wagowo, molibden w ilości do 1,00%, miedź w ilości do 3% wagowo, tytan w ilości do 0,10% wagowo, wanad w ilości do 0,50% wagowo i bor w ilości 0,001-0,005%, a po walcowaniu chłodzi się szynę w sposób ciągły i równomierny od jej temperatury walcowania do temperatury otoczenia w naturalnym powietrzu albo chłodzi się ją w sposób wymuszony z prędkością 2 C/sekundę FIG. 1

Sposób wytwarzania szyny Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania szyny z odpornej na ścieranie i zmęczenie przy styku tocznym stali bainitycznej zawierającej węgiel, glin i/lub krzem, mangan, chrom, nikiel, siarkę, molibden, tytan, wanad, żelazo bilansowe oraz przypadkowe zanieczyszczenia, polegający na kształtowaniu szyny przez walcowanie na gorąco stali stopowej i chłodzeniu szyny, znamienny tym, ż e szynę kształtuje się z bezwęglikowej stali zawierającej węgiel w ilości 0,05-0,50% wagowo, krzem i/lub glin w ilości 1,00-3,00%, mangan w ilości 0,50-2,50% wagowo, chrom w ilości 0,25-2,50% wagowo, nikiel w ilości do 3,00% wagowo, siarkę w ilości do 0,025% wagowo, wolfram w ilości do 1,00% wagowo, molibden w ilości do 1,00%, miedź w ilości do 3% wagowo, tytan w ilości do 0,10% wagowo, wanad w ilości do 0,50% wagowo i bor w ilości 0,001-0,005%, a po walcowaniu chłodzi się szynę w sposób ciągły i równomierny od jej temperatury walcowania do temperatury otoczenia w naturalnym powietrzu albo chłodzi się j ą w sposób wymuszony z prędkością 2 C/sekundę. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że szynę kształtuje się ze stali zawierającej węgiel w ilości 0,10-0,35% wagowo. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że szynę kształtuje się ze stali zawierającej krzem w ilości 1,00-2,50% wagowo. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że szynę kształtuje się ze stali zawierającej wagowo mangan w ilości 1,00-2,50%, chrom 0,35-2,25% i molibden 0,15-0,60%. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania szyny, zwłaszcza kolejowej, z bezwęglikowej stali bainitycznej. Dokładniej, przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania szyny z bezwęglikowej stali bainitycznej o podwyższonej odporności na ścieranie oraz na zmęczenie przy styku tocznym, przy czym sposobem tym, między innymi, można wytwarzać szyny dźwigowe, węzły i przejazdy kolejowe, koła kolejowe oraz specjalne sekcje i płyty odporne na zużycie ścierne. Większość szyn torów kolejowych wykonywano dotychczas ze stali perlitycznych. Ostatnie doniesienia wykazały, że stale perlityczne osiągnęły już swoją granicę właściwości materiałowych. Stąd istnieje potrzeba oceny innych alternatywnych typów stali o dobrej odporności na ścieranie i zmęczenie przy styku tocznym, w połączeniu z podwyższonym poziomem wiązkości plastycznej i spawalności. Z europejskiego opisu patentowego nr EP-0612852A1 znany jest sposób wytwarzania wysoko wytrzymałych szyn ze stali bainitycznej, o wysokiej odporności na zmęczenie przy styku jezdnym, w którym główka szyny walcowanej na gorąco poddawana jest przerywanemu programowi chłodzenia, pociągającymi za sobą wymuszone chłodzenie od obszaru austenitycznego do temperatury zatrzymania chłodzenia od 500 do 300 C z szybkością od 1 do 10 C na sekundę, a następnie dalsze chłodzenie główki szyny do jeszcze niższej strefy temperaturowej. Ustalono, że szyny wytwarzane takim sposobem ścierają się łatwiej niż konwencjonalne stale perlityczne i przejawiają zwiększoną odporność na zmęczenie przy styku tocznym. Zatem wzrost szybkości ścierania, jaki przejawiają powierzchnie główek takich szyn zapewniał, że nagromadzone uszkodzenia wskutek zmęczenia ścierały się przed pojawieniem się defektów. Właściwości fizyczne, jakie m ają te szyny, osiągnięto częściowo przez reżim wymuszonego chłodzenia, opisany wyżej. Rozwiązanie znane z europejskiego opisu patentowego Nr EP 0612852A1 różni się znacznie od sposobu według niniejszego wynalazku, zgodnie z którym przy stalach szynowych zapewniona jest znacznie zwiększona odporność na ścieranie, jednocześnie z doskonałą

186 509 3 odpornością na zmęczenie przy styku tocznym. Takie stale wykazują także lepszą wiązkość udarową i ciągliwość w porównaniu z szynami ze stali perlitycznych. Sposób według niniejszego wynalazku pozwala na uniknięcie konieczności złożonego, nieciągłego reżimu chłodzenia, tak jak to opisano w EP-0612852A1. Złożone, nieciągłe reżimy chłodzenia znane są z innych podobnych dokumentów, takich jak brytyjskie opisy patentowe o numerach GB-2132225, GB-207144, GB-1450355, GB-1417330, opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US-5108518 oraz europejskiego opisu patentowego nr EP-0033600. Szyny torowe wytwarzane ze stali bainitycznych, zawierających węglik żelaza, proponowano już wcześniej. Natomiast rozmiar drobnych kryształków ferrytycznych (~0,2-0,8 μm szerokości) oraz wysoka gęstość dyslokacji w bainicie chłodzonym w sposób nieciągły łączą się dając stale bardzo mocne, przy czym obecność w mikrostrukturze węglików międzyi wewnątrzkryształkowych prowadzi do zwiększonej kruchości, która w znacznym stopniu miała tendencję do zahamowania wykorzystania handlowego takich stali. Wiadomo, że problem kruchości, który pojawia się z powodu obecności szkodliwych węglików, można pomniejszyć przez zastosowanie w niskostopowych stalach dodatków o stosunkowo dużej zawartości krzemu i/lub glinu (~1-2%). Obecność krzemu i/lub glinu w stalach przekształcanych w sposób ciągły w bainit sprzyja zatrzymaniu ciągliwych wysokowęglowych obszarów austenitycznych z preferencją do tworzenia kruchych cementytowych błonek międzykryształkowych, pod warunkiem, że zdyspergowany austenit szczątkowy jest trwały zarówno termicznie, jak i mechanicznie. Wykazano, że austenit szczątkowy, w ślad za transformacją w warunkach chłodzenia ciągłego w bainitycznym zakresie temperatur, występuje albo jako drobno rozdzielone cienkie warstewki międzykryształkowe, albo w postaci blokowych obszarów interpakietowych. Podczas gdy morfologia cienkowarstewkowa zapewnia nadzwyczaj wysoką termiczną i mechaniczną stabilność, to typ blokowy może przekształcać się w wysoko węglowy martenzyt, prowadzący w mniejszym stopniu do dobrej wiązkości przełomu. Dla zapewnienia dobrej wiązkości wymagany jest stosunek cienkiej warstewki do morfologii blokowej > 0,9 i można to osiągnąć przez ostrożny dobór składu stali i obróbki cieplnej. Daje to w wyniku w zasadzie bezwęglikową mikrostrukturę typu górnego bainitu, opartą na ferrycie bainitycznym, szczątkowym austenicie i wysokowęglowym martenzycie. Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób wytwarzania szyny z bezwęglikowej stali bainitycznej o znacznie podwyższonych zakresach twardości, dających wyraźne korzyści w stosunku do szyn ze znanych stali. Sposób wytwarzania szyny z odpornej na ścieranie i zmęczenie przy styku tocznym stali bainitycznej zawierającej węgiel, glin i/lub krzem, mangan, chrom, nikiel, siarkę, molibden, tytan, wanad, żelazo bilansowe oraz przypadkowe zanieczyszczenia, polegający na kształtowaniu szyny przez walcowanie na gorąco stali stopowej i chłodzeniu szyny, według wynalazku polega na tym, że szynę kształtuje się z bezwęglikowej stali zawierającej węgiel w ilości 0,05-0,50% wagowo, krzem i/lub glin w ilości 1,00-3,00%, mangan w ilości 0,50-2,50% wagowo, chrom w ilości 0,25-2,50% wagowo, nikiel w ilości do 3,00% wagowo, siarkę w ilości do 0,025% wagowo, wolfram w ilości do 1,00% wagowo, molibden w ilości do 1,00%, miedź w ilości do 3% wagowo, tytan w ilości do 0,10% wagowo, wanad w ilości do 0,50% wagowo i bor w ilości 0,001-0,005%, a po walcowaniu chłodzi się szynę w sposób ciągły i równomierny od jej temperatury walcowania do temperatury otoczenia w naturalnym powietrzu albo chłodzi się j ą w sposób wymuszony z prędkością 2 C/sekundę. Korzystnie, w sposobie według wynalazku, szynę kształtuje się ze stali zawierającej węgiel w ilości 0,10-0,35% wagowych. Korzystnie, w sposobie według wynalazku, szynę kształtuje się ze stali zawierającej krzem w ilości 1,00-2,50% wagowych. Korzystnie, w sposobie według wynalazku, szynę kształtuję się ze stali zawierającej wagowo mangan w ilości 1,00-2,50%, chrom 0,35-2,25% i molibden 0,15-0,60%.

4 186 509 Rozwiązanie według wynalazku zapewnia szynę wykonaną ze stali odpornej na zmęczenie przy styku tocznym, wytworzoną sposobami wymienionymi w poprzednich czterech akapitach. A zatem, rozwiązanie według wynalazku zapewnia walcowaną na gorąco lub intensywnie chłodzoną szynę ze stali bainitycznej, odpornej na ścieranie i zmęczenie przy styku tocznym, mającą, mikrostrukturę bezwęglikową, przy czym szynę po walcowaniu na gorąco chłodzono w sposób ciągły naturalnym powietrzem albo w sposób wymuszony. Stale, które stosuje się w sposobie według niniejszego wynalazku mają lepsze zakresy wytrzymałości na zmęczenie przy styku tocznym, plastyczność, trwałość zmęczeniową przy zginaniu oraz wiązkość przełomu, połączoną z odpornością na ścieranie przy styku tocznym porównywalną z lub lepszą od wytrzymałości aktualnych szyn perlitycznych, poddawanych obróbce cieplnej. W pewnych okolicznościach uważa się za korzystne, aby szyna miała odpowiednio wysoką ścieralność, aby umożliwić ciągłe wycieranie się nagromadzonych uszkodzeń na powierzchni główki szyny, powstałych z powodu zmęczenia przy styku tocznym. Oczywistym sposobem zwiększenia ścieralności szyny jest obniżenie jej twardości. Znaczna redukcja twardości szyny powoduje jednakże pojawienie się poważnego odkształcenia plastycznego na powierzchni główki szyny, które samo w sobie nie jest pożądane. Nowe rozwiązanie tego problemu polega zatem na możliwości wytworzenia szyny o dostatecznie wysokiej twardości/wytrzymałości na nadmierne odkształcenie plastyczne w czasie pracy, to jest na zachowaniu wymaganego kształtu szyny, a ponadto na posiadaniu racjonalnie wysokiej ścieralności dla ciągłego usuwania defektów powstałych w wyniki zmęczenia przy styku tocznym. W niniejszym wynalazku osiągnięto to przez celowe wprowadzenie do w zasadzie bezwęglikowej mikrostruktury bainitycznej małej ilości miękkiego proeutektoidowego ferrytu, poprzez właściwe nastawienie składu stali. Jedna z korzyści obróbki przy stalach bainitycznych chłodzonych naturalnym powietrzem według wynalazku w porównaniu z aktualnymi szynami ze stali perlitycznej o wysokiej wytrzymałości polega na wyeliminowaniu operacji obróbki cieplnej zarówno podczas produkcji szyn, jak i kolejnym łączeniu przez spawanie. Wynalazek wyjaśniono przykładowo na załączonych rysunkach, na których: Figura 1 przedstawia profil twardości szyny kolejowej z bezwęglikowej stali bainitycznej według wynalazku, Figura 2 - schemat CCT dla bezwęglikowej stali bainitycznej według wynalazku, Figura 3 - skaningową mikrofotografię elektronową bezwęglikowej stali bainitycznej według wynalazku, Figura 4 - krzywe prób udarnościowych Charpy'ego z karbem trójkątnym, w stanie walcowanym, dla stali bainitycznej bez węglika żelaza według wynalazku w porównaniu z podobnymi krzywymi dla węglowej stali perlitycznej poddanej obróbce cieplnej, stosowanej aktualnie do torów szynowych, Figura 5 - diagram szybkości ścierania przy styku tocznym w warunkach laboratoryjnych względem twardości próbek stali, wyprodukowanych z bezwęglikowej stali bainitycznej według wynalazku, Figura 6 - odporność na zużycie ścierne bezwęglikowych stali bainitycznych według wynalazku, jak również dostępnych w handlu materiałów odpornych na ścieranie względem ścierniwa z zaokrąglonego kwarcu, Figura 7 - diagram pokazujący profil twardości płyty z bezwęglikowej stali bainitycznej, spawanej doczołowo, według wynalazku, oraz Figura 8 - krzywa twardości Jominego dla bezwęglikowej stali bainitycznej, w stanie walcowanym, według wynalazku. Głównym przedmiotem niniejszego wynalazku jest wytwarzanie szyny ze stali, która wykazuje mikrostrukturę odporną na zmęczenie przy styku tocznym i o wysokiej wytrzymałości na ścieranie, obejmującej przede wszystkim bezwęglikowy bainit z pewną zawartością wysokowęglowego martenzytu i szczątkowego austenitu w główce szyny. W praktyce ustalono, że taka wysoko wytrzymała mikrostruktura obecna jest także zarówno w szyjce, jak

186 509 5 i w obszarach stopki szyny w stanie walcowanym. Typowa twardość w skali Brinella (HB) dla odcinka szyny 56 kg/m pokazana jest na fig. 1. Wysoko wytrzymałe obszary główki, szyjki i stopki szyny zabezpieczają dobry styk toczny oraz osiągi przy zmęczeniu zginającym podczas pracy toru. Ten i inne pożądane cele osiąga się przez ostrożny wybór składu stali oraz przez albo ciągłe chłodzenie stali na powietrzu albo przez wymuszone chłodzenie po walcowaniu na gorąco. Zakresy składu dla stali według niniejszego wynalazku przedstawione są niżej w tabeli A Tabela A Pierwiastek Zakres składu (% wagowe) Węgiel 0,05 do 0,50 Glin/krzem 0,50 do 3,0 Mangan 0,05 do 2,5 Nikiel/miedź do 3,0 Chrom 0,25 do 2,5 Wolfram do 1,0 Molibden do 1,00 Tytan do 0,10 Wanad do 0,50 Bor do 0,0050 Bilans Żelazo + zanieczyszczenia przypadkowe W ramach tych zakresów można poczynić zmiany miedzy innymi w zależności od wymaganej twardości, plastyczności i tym podobnych. Wszystkie stale są w zasadzie z natury bainityczne i bezwęglikowe. Korzystna zawartość węgla może leżeć zatem w zakresie od 0,10 do 0,35% wagowych. Także i zawartość krzemu może wynosić od 1 do 2,5% wagowych, manganu od 1 do 2,5% wagowych, chromu od 0,35 do 2,25% wagowych, a molibdenu od 0,15 do 0,60% wagowych. Stale stosowane w sposobie według niniejszego wynalazku mają w ogólności twardość od 390 do 500 Hv30, jakkolwiek możliwe jest wytworzenie stali o twardościach niższych. Typowe twardości, ścieralności, wydłużenie i inne parametry fizyczne widoczne są w załączonej tabeli B, w której wyszczególniono jedenaście próbek stali stosowanej w sposobie według wynalazku. Na figurze 2 przedstawiono schematycznie diagram CTT. Dodatek boru służy do opóźnienia przemiany w ferryt, tak że w czasie ciągłego chłodzenia bainit tworzy się w szerokim zakresie szybkości chłodzenia. Krzywa bainitu ma ponadto płaski wierzchołek, tak że temperatura przemiany jest rzeczywiście stała w szerokim zakresie szybkości chłodzenia, dając w wyniku tylko małe zmiany wytrzymałości w stosunkowo dużych sekcjach, chłodzonych powietrzem lub chłodzonych w sposób wymuszony. Stale wymienione w tabeli B walcowano na płyty o grubości 30 mm (szybkości chłodzenia płyty o grubości 30 mm są zbliżone do szybkości chłodzenia w środku główki szyny), z -125 mm wlewków, i normalnie chłodzono powietrzem od temperatury końcowej walcowania ~1000 C do temperatury otoczenia. Mikrostruktury w stanie walcowanym wytworzone w ten sposób zawierają dzięki temu w zasadzie mieszaninę bezwęglikowego bainitu, szczątkowego austenitu o różnych proporcjach wysokowęglowego martenzytu, tak jak przedstawiono na fig. 3. Porównanie właściwości mechanicznych uzyskanych w doświadczalnych płytach ze stali bainitycznych o grubości 30 mm stanie walcowanym z właściwościami mechanicznymi uzyskanymi typowo w szynach (MHT) poddanych w walcowni obróbce cieplnej podano poniżej:

6 186 509 Tabela B Typ szyny 0,2% PS (N/mm4) TS (N/mm2) El (%) RofA (%) HV30 CYN (J) w 20 C Klcw -20 C MP cm2 Ścieralność, mg/m poślizgu (naprężenie stykowe 750 N/mm4) MHT 800-900 1150-1300 9-13 20-25 360-400 3-5 30-40 20-30 Bainit 730-1230 1250-1600 14-17 40-55 400-500 20-39 45-60 3-36 Właściwości płyt ze stali bainitycznej o grubości 30 mm, w stanie walcowanym, wykazują znaczny wzrost wytrzymałości i twardości w porównaniu z właściwościami szyny ze stali perlitycznej poddanej obróbce cieplnej, z jednoczesnym polepszeniem udamości Charpy'ego od 4 do typowo 35J w temperaturze 20 C. Krzywe przejściowe udamości Charpy'ego z karbem trójkątnym dla dwóch składów bainitycznych stali szynowych, w stanie walcowanym (0,22%C, 2%Cr, 0,5%Mo, brak boru oraz 0,24%C, 0,5%Cr, 0,5%Mo i 0,0025%B), wraz z szyną z perlitycznej stali węglowej poddanej obróbce cieplnej w walcowni, przedstawiono na fig. 4. Widać także, że dwie bainityczne stale szynowe zachowują wysoką wiązkość udarnościową aż do temperatur rzędu -60 C. Ustalono, że laboratoryjne wyniki ścieralności przy styku tocznym dla 30 mm płyt ze stali baninitycznej, w stanie walcowanym, w warunkach naprężenia stykowego 750 N/mm2, okazały się znacznie lepsze niż wyniki dla aktualnych szyn ze stali perlitycznej, poddanej obróbce cieplnej, co przedstawiono graficznie na fig. 5. Próby przeprowadzone na stalach stosowanych w sposobie według wynalazku wykazały, że składy stali bainitycznych zapewniają wysoką odporność na ścieranie w warunkach ściernych, z odpornościami na zużycie ścierne około 5,0 w porównaniu z łagodnym standardem stali, względem agregatów z zaokrąglonego kwarcu. Na fig. 6 pokazano, że takie wartości długotrwałości są wyższe niż dla wielu dostępnych w handlu materiałów odpornych na ścieranie, włącznie z Abrazo 450 i stalą martenzytyczną o zawartości 13% chromu. Ustalono, że wiązkość przełomu (odporność na rozchodzenie się ju ż istniejących pęknięć) płyt ze stali bainitycznej o grubości 30 mm, w stanie walcowanym, jest znacznie wyższa przy od 45 do 60 M Pam l/2 niż dla szyn ze stali perlitycznej poddanej obróbce cieplnej, o typowych wartościach od 30 do 40 MPaml/2. Stwierdzono, że płyty ze stali o grubości 30 mm są łatwo zgrzewalne iskrowo z twardością, w krytycznych obszarach wpływu ciepła, normalnie chłodzonych powietrzem płyt zgrzewanych iskrowo, albo pasującą do albo nieznacznie wyższą niż dla materiału płyty macierzystej, jak pokazano na fig. 7. Doświadczalne płyty ze stali bainitycznej, o grubości 30 mm, w stanie walcowanym, miały wysoką hartowność, jak przedstawiono na fig. 8, przy czym prawie stałe poziomy twardości ukształtowały się na odległościach od 1,5 do 50 mm od hartowanego końca, co odpowiada szybkościom chłodzenia przy 700 C od 225 do 2 C/sekundę. Jakkolwiek wynalazek opisano w szczególnym odniesieniu do szyn, to rozważa się również inne zastosowania tych stali, takie jak szyny dźwigowe, węzły kolejowe, przejazdy kolejowe (zarówno w stanie lanym, jak i przetworzonym), koła kolejowe, specjalne odcinki i płyty odporne na zużycie ścierne oraz specjalne zastosowania konstrukcyjne.

186 509

186 509

186 509

186 509

186 509

186 509 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.