CZ227797A3

CZ227797A3 - Zlepšené bezuhlíkaté bainitické oceli a způsoby výroby takových ocelí

Info

Publication number: CZ227797A3
Application number: CZ972277A
Authority: CZ
Inventors: Harshad Kumar Dharamshi Hansraj Bhadeshia; Vijay Jerath
Original assignee: British Steel Limited
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 1998-03-18
Also published as: PL321366A1; FI111854B; BG101785A; EE9700156A; GB2297094A; RO116650B1; EP0804623B1; PL186509B1; CA2210797A1; IN192266B; CN1175980A; ATE262599T1; DE69631953T2; AU703809B2; GB9501097D0; US5879474A; DE69631953D1; GB2297094B; AU4351896A; JP4416183B2

Description

(57) Anotace:

Způsob výroby bezuhlíkaté bainitické oceli, odolné vůči opotřebení a únavě z valivého styku, jejíž mikrostruktura v podstatě neobsahuje karbidy, se skládá z kroků válcování za tepla oceli, která obsahuje v procentech hmotnostních 0,05 až 0,50 % uhlíku, 1,00 až 3,00 % křemíku a/nebo hliníku, 0,50 až 2,50 % manganu a 0,25 až 2,50 % chrómu, zbytek tvoří železo a náhodné nečistoty, a spojitého ochlazování oceli z válcovací teploty buď přirozeně nebo na vzduchu nebo zrychleným ochlazováním.

^GB_25lídd

JAJ.D iNiSVlA , OHjAOiSÁWOyd způsoby ^y-^y bainitické oceli

Z§

01§0Q ocelí

Zlepšené bezuhlíki takových ocelí.

Oblast techniky ^!

Vynález se týká bezuhlíkových bainitických způsobů výroby takových ocelí. Vynález se týká žváste bezuhlíkových bainitických ocelí, které mají zvýŠTírapu odolnost vůči opotřebení a únavě z valivého styku, zé^Tcterých se mohou vyrábět mezi jinými také traťové a jeřábové kolejnice, výhybky a křížení, železniční kola a zvláštní opotřebení odolné části a desky.

Dosavadní stav techniky

Většina traťových kolejnic se dosud vyrábí z perlitických ocelí. Poslední výzkumy naznačují, že nároky kladené na perlitické oceli pro výrobu traťových kolejnic se již blíží k dosažitelným mezím jejich materiálových vlastností. Vyvstala tedy potřeba hledání alternativních typů ocelí, které mají dobrou odolnost vůči opotřebení a únavě z valivého styku ve spojení s dobrou houževnatostí a svařitelností.

EP 0612852A1 přináší způsob pro výrobu kolejnic z vysokopevnostní bainitické oceli s dobrou odolností vůči únavě z valivého styku, kdy hlava kolejnice je podrobena programu nespojitého ochlazování, který zahrnuje zrychlené ochlazování z austenitické oblasti na teplotu prodlevy 500 až

300°C rychlostí 1 až 10°C za sekundu a další ochlazování hlavy kolejnice do oblasti ještě nižší teploty. Kolejnice vyrobené tímto způsobem se opotřebovávají snadněji než obvyklé perlitické kolejnice a tedy vykazují zvýšenou odolnost vůči únavě z valivého styku. Zvýšená rychlost opotřebování, kterou vykazuje povrch hlavy kolejnice,. totiž zaručuje, že kumulovaná únavou způsobená poškození budou

GB-25 odstraněna dříve,' než způsobí poruchu. Fyzikálních vlastností, které tyto kolejnice vykazují, se částečně dosáhne výše popsaným režimem zrychleného ochlazování.

Řešení navrhované v EP 0612852A1 se významně odlišuje od 5 způsobu podle vynálezu, při kterém se v kolejnicové oceli dosahuje podstatně zvýšené odolnosti vůči opotřebení spolu s vynikající odolností vůči únavě z valivého styku. Ve srovnání s perlitickými ocelemi vykazují tyto oceli rovněž zvýšenou rázovou houževnatost a tažnost. Způsob podle vynálezu také odstraňuje potřebu složitého režimu nespojitého ochlazování podle EP 0612852A1.

Dalšími podobnými dokumenty, ve kterých jsou popsány složité režimy nespojitého ochlazování, jsou GB 2132225, GB 207144, GB 1450355, GB 1417330, US 5108518 a EP 0033600.

Traťové kolejnice vyráběné z bainitické oceli, která obsahuje karbid železa, byly navrhovány již dříve. Zatímco jemné destičky feritu (~0.2 až 0.8 μιη široké) a vysoká hustota dislokací spojitě ochlazovaného bainitu dává ocelím vysokou pevnost, přítomnost karbidů mezi a v destičkách feritu způsobuje zvýšené křehnutí, které dosud do značné míry znemožňovalo komerční využívání takových ocelí.

Je známo, že problémům, které působí přítomnost škodlivých karbidů, lze do značné míry předcházet relativně velkými přídavky křemíku a/nebo hliníku (-1-2%) do nízkolegovaných ocelí. Za předpokladu, že rozptýlený nepřetvořený austenit je jak tepelně tak mechanicky stabilní, podporuje přítomnost křemíku a/nebo hliníku v ocelích spojitě transformovaných na bainit vznik oblastí tažného uhlíkem obohaceného austenitu namísto v destičkách feritu rozptýlených vrstev křehkého cementitu. Bylo ukázáno, že nepřetvořený austenit, který zůstane po spojitém ochlazování

GB-25 v oblasti teplot bainitické přeměny, se vyskytuje buď ve formě jemně rozptýlených tenkých vrstev uvnitř destiček nebo vytváří oblasti bloků mezi částicemi. Zatímco morfologie tenkých vrstev má velmi vysokou tepelnou a mechanickou stabilitu, bloky se mohou přetvořit do uhlíkem obohaceného martenzitu, který příliš nepřispívá k vysoké houževnatosti při lomu. Pro zaručení dobré houževnatosti je třeba, aby poměr mezi morfologiemi tenkých vrstev a bloků byl vyšší než 0.9, toho lze dosáhnout pečlivým výběrem složení oceli a tepelného zpracování. Výsledkem je v podstatě bezuhlíková mikrostruktura horního bainitu složená z bainitického feritu, zbytkového austenitu a uhlíkem obohaceného martenzitu.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je přinést bezuhlíkové bainitické oceli s podstatně zlepšenými parametry tvrdosti, takové, které vykazují zřejmé výhody nad dosud známými ocelemi pro traťové kolejnice.

Podle prvního význaku přináší vynález způsob výroby výrobku z bainitické oceli odolné vůči opotřebení a únavě z valivého styku, jehož mikrostruktura v podstatě neobsahuje karbidy, způsob zahrnuje kroky válcování za tepla oceli, která obsahuje hmotnostních 0.05 až 0.50 % uhlíku, 1.00 až 3.00 % křemíku a/nebo hliníku, 0.50 až 2.50 % manganu a 0.25 až 2.50 % chrómu, zbytek tvoří železo a náhodné nečistoty, a spojitého ochlazování oceli z válcovací teploty přirozeně na vzduchu nebo spojitým zrychleným ochlazováním.

Ocel může dále obsahovat jednu nebo více z následujích přísad: - do hmotnostních 3.00% niklu; do 0.025% síry; do

1.00% wolframu; do 1.00% molybdénu; do 3.00% mědi; do 0.10% titanu; do 0.50% vanadu a do 0.005% bóru.

GB-2 5

Obsah uhlíku	přednostních	složení oceli	může být	od
hmotnostních	0.10	do 0.35%.	Obsah křemíku	může být	od
hmotnostních	1.00	do 2.50%. Rovněž obsah manganu může být	od
hmotnostních	1.00	do 2.50%,	obsah chrómu může být mezi
hmotnostními	0.35	a 2.25% a	obsah molybdénu	může být	od
hmotnostních	0.15	do 0.6%.

Podle druhého význaku vynález přináší vůči opotřebení a únavě z valivého styku odolnou ocel vyrobenou procesy popsanými v předcházejících třech odstavcích.

Podle dalšího význaku vynález přináší za tepla válcovanou nebo zlepšeným způsobem ochlazovanou kolejnici z bainitické oceli odolné vůči únavě z valivého styku a opotřebení, která má mikrostrukturu bez karbidu železa, kde se kolejnice po válcování za tepla ochlazuje spojitě přirozeně na vzduchu nebo zrychleným ochlazováním.

Oceli podle vynálezu vykazují zvýšené úrovně meze únavy z valivého styku, tažnosti, ohybové únavové životnosti a houževnatosti při lomu ve spojení s obdobnou nebo lepší odolností vůči opotřebení z valivého styku, než mají stávající tepelně zpracované perlitické kolejnice.

Za určitých okolností se považuje za výhodné, aby kolejnice měla příslušnou vysokou rychlost opotřebování, která umožňuje spojité odstraňování kumulovaných poškození z únavy z valivého styku na povrchu hlavy kolejnice. Zřejmým způsobem, jak zvýšit rychlost opotřebování kolejnice, je zmenšit její tvrdost. Významné snížení tvrdosti kolejnice však způsobí, že na povrchu hlavy kolejnice dochází k velkým plastickým deformacím, které jsou nežádoucí.

Nové řešení tohoto problému tedy leží ve schopnosti vyrobit kolejnici s dostatečně vysokou tvrdostí/pevností, která bude za provozu odolávat nadměrné plastické deformaci a

GB-25 tím zachovávat žádoucí tvar kolejnice, zároveň však bude vykazovat příslušně vysokou rychlost opotřebování pro spojité odstraňování poškození z únavy z valivého styku. Toho se podle vynálezu dosáhne pomocí vhodného složení oceli úmyslným vytvořením malé části měkkého pro-eutektidního feritu v v podstatě bezuhlíkové bainitické mikrostruktuře.

Jedna z výhod zpracování přirozeně vzduchem ochlazovaných bainitických ocelí podle vynálezu oproti stávajícím vysokopevnostním perlitickým ocelím tkví ve vypuštění operací tepelného zpracování v průběhu výroby kolejnic i následně po jejich spojení svařováním.

Přehled obrázků

Vynález bude nyní popsán na příkladu s odkazy na doprovodné výkresy, na nichž:

Na obr. 1 je průřez kolejnicí z bainitické oceli bez karbidu železa podle vynálezu s vyznačenými hodnotami tvrdosti;

Na obr. 2 je schématický CCT diagram (ARA anizotermický rozpad austenitu) pro bezuhlíkovou bainitickou ocel podle vynálezu;

Na obr. 3 je snímek z řádkového elektronového mikroskopu ukazující mikrostrukturu bezuhlíkové bainitické oceli podle vynálezu;

Na obr. 4 jsou křivky závislosti vrubové houževnatosti 25 na teplotě pro bainitickou ocel bez karbidu železa podle vynálezu po válcování ve srovnání s podobnými křivkami pro obyčejnou uhlíkovou tepelně zpracovanou perlitickou ocel, jaké se dosud užívá na traťové kolejnice;

GB-2 5

Na obr. 5 je laboratorně získaná závislost rychlosti opotřebení valivým stykem na tvrdosti pro ocelové vzorky vyrobené z bezuhlíkové bainitické oceli podle vynálezu;

Na obr. 6 jsou životnosti pro bezuhlíkovou bainitickou 5 ocel podle vynálezu a komerčně dostupné opotřebení odolné materiály při abrazívním působení kulatého křemenného brusivá;

Na obr. 7 je graf závislosti tvrdosti na vzdálenosti od odtavením natupo svařeného plechu z bezuhlíkové bainitické oceli podle vynálezu; a

Na obr. 8 je křivka prokalitelnosti pro bezuhlíkovou bainitickou ocel po válcování podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Prvotním cílem vynálezu je vytvořit v hlavě kolejnice 15 vysokopevnostní, opotřebení a únavě z valivého styku odolnou mikrostrukturu, která se skládá zejména z bezuhlíkového bainitu, jistého množství uhlíkem bohatého martenzitu a zbytkového austenitu. V praxi se však zjistilo, že taková vysokopevnostní mikrostruktura se nachází rovněž ve stojině a patce právě vyválcované kolejnice. Typický profil hodnot Brinellovy tvrdosti (HB) pro řez 113 lb/yd kolejnicí je ukázán na obr. 1.

Vysoká pevnost hlavy, stojiny i paty kolejnice zajišťuje při používání kolejnice vysokou odolnost vůči únavě z valivého styku a ohybové únavě.

Tohoto i dalších žádoucích cílů se dosáhne pečlivou volbou složení oceli a buď spojitým ochlazováním oceli na vzduchu nebo zrychleným ochlazováním po válcování za tepla.

GB-25

Rozmezí obsahů přísad pro oceli podle vynálezu jsou uvedena v tabulce A.

Tabulka A

Prvek	Rozmezí obsahu (hmot.%)
Uhlík	0.05 až 0.50
Hliník/Křemík	0.50 až 3.0
Mangan	0.05 až 2.5
Nikl/Měď	do 3.0
Chróm	0.25 až 2.5
Wolfram	do 1.0
Molybdén	do 1.00
Titan	do 0.10
Vanad	do 0.5
Bór	do 0.0050
Zbytek	Železo & Náhodné nečistoty

V rámci výše uvedených rozmezí se mohou obsahy jednotlivých přísad měnit v závislosti, mezi jiným, na požadované tvrdosti, tažnosti atd. Všechny oceli jsou však přirozeně bainitické a neobsahují karbidy. Tedy, přednostní obsah uhlíku může spadat do rozmezí hmotnostních 0.10 až

0.35%. Obsah křemíku může být od hmotnostních 1 do 2.5%, obsah manganu od hmotnostních 1 do 2.5%, obsah chrómu od hmotnostních 0.35 a 2.25% a obsah molybdénu od hmotnostních 0.15 do 0.6%.

Oceli podle vynálezu obecně vykazují hodnoty tvrdosti mezi 390 až 500 HV30, je však také možné vyrobit oceli s tvrdostmi menšími. Typické hodnoty tvrdosti, rychlosti opotřebování, poměrných prodloužení a dalších fyzikálních parametrů lze pro jedenáct vzorků ocelí podle vynálezu nalézt v připojené tabulce B.

GB-25

Na obrázku 2 je schématický CCT (ARA) diagram. Přídavek bóru zpomaluje přeměnu austenitu na ferit, takže se při spojitém ochlazování bainit tvoří v širokém rozmezí ochlazovacích rychlostí. Navíc má křivka bainitu plochý vrchol, takže teplota přeměny je téměř konstantní v širokém rozmezí ochlazovacích rychlostí. Výsledkem jsou jen malé odchylky pevnosti nad relativně velkými, vzduchem ochlazovanými nebo zrychleně ochlazovanými, oblastmi.

Oceli uvedené v tabulce B byly vyválcovány do 30 mm 10 silných desek (rychlosti ochlazování 30 mm desek jsou blízké rychlostem ochlazování ve středu hlavy kolejnice) ze čtvercových ~125 mm ingotů a volně vzduchem ochlazeny z konečné válcovací teploty ~1000°C na teplotu okolí. Takto vzniklá mikrostruktura se, jak je ukázáno na obr. 3, skládá v podstatě ze směsi bezuhlíkového bainitu a zbytkového austenitu s proměnným množstvím uhlíkem bohatého martenzitu.

Srovnání některých mechanických vlastností dosažených na 30 mm silných zkušebních deskách z bainitické oceli po válcování s typickými hodnotami současně vyráběných tepelně zpracovávaných (MHT -milí heat treated) kolejnic je uvedeno v následující tabulce:

Typ kolej nice	Rp0.2 [N/mm² 3	Rm [N/mm²]	Prodl. [ % ]	Zmenšení průřezu [%]	HV30	CVN při 20°C [J]	Kic při -20°C [MPam^1/2]	Rychl .opotřebení [mg/m skluzu] (stykové napětí 750 N/mm²)
MHT	800-900	1150- 1300	9-13	20-25	360-400	3-5	30-40	20-30
Bainitické	730-1230	1250- 1600	14-17	40-55	400-500	20-39	45-60	3-36

Vlastnosti 30 mm silné desky z válcování se oproti tepelně zpracované vyznačují významným zvýšením mezí doprovázené rovněž zvýšením vrubové oceli po kolejnici tvrdosti (CVN bainitické perlitické pevnosti a houževnatosti

GB-25

Charpy V-notch, Charpyho zkouška, V-vrub) ze 4 J na typických 35 J při 20°C. Závislosti vrubové houževnatosti CVN pro dvě složeni vyválcované bainitické oceli (0.22% C, 2% Cr, 0.5% Mo, bez B; a 0.24% C, 0.5% Cr a 0.0025% B) spolu s obyčejnou uhlíkovou, tepelně zpracovanou perlitickou kolejnicí jsou na obr. 4. Je zřejmé, že obě bainitické oceli si zachovávají vysokou vrubovou houževnatost až k teplotám okolo -60°C.

Opotřebení z valivého styku 30 mm silných desek z bainitické oceli po válcování při laboratorních zkouškách při stykovém napětí 750 N/mm² se jeví významně menší než u stávajících perlitických tepelně zpracovaných kolejnic, jak je ukázáno na obr. 5.

Zkoušky provedené v souvislosti s ocelemi podle vynálezu dále ukázaly, že složení bainitických ocelí zaručuje také vysokou odolnost proti opotřebení při abrazi, ve srovnání se standardem z měkké oceli proti kulatému křemennému brusivu s relativními životnostmi okolo 5.0. Obr. 6 naznačuje, že takové životnosti jsou lepší než životnosti mnohých komerčně dostupných materiálů odolných vůči opotřebení, jako jsou

Abrazo 450 a 13% Cr martenzitická ocel.

Zjistilo se, že houževnatost při lomu (odolnost vůči šíření již existující praskliny) 30 mm silných desek z bainitické oceli po válcování je významně vyšší, mezi 45 a 60 MPam^1/2, než u tepelně zpracovaných perlitických kolejnic, u nichž se tato hodnota obvykle pohybuje v rozmezí 30-40 MPam^1/2.

Jak je ukázáno na obr. 7, jsou vyválcované 30 mm silné desky z bainitické oceli snadno svařitelné odtavením natupo, kdy tvrdosti v kritických ovlivněných (HAZ) oblastech svaru přirozeně vzduchem ochlazených, odtavením natupo svařených

GB-2 5 desek odpovídají tvrdosti základního materiálu, případně jsou i mírně vyšší.

Jak vyplývá z diagramu na obr. 8, mají 30 mm silné desky z bainitické oceli po válcování vysokou prokalitelnost s téměř konstantní tvrdostí v rozmezí vzdáleností od kaleného čela mezi 1.5 a 50 mm, což odpovídá rychlostem ochlazování mezi 225 a 2°C/s při 700°C.

Ačkoliv byl vynález popsán se zvláštním zřetelem ke kolejnicím, další doporučené oblasti použití pro oceli podle vynálezu zahrnují jeřábové kolejnice, železniční výhybky a křížení (jak lité, tak obrobené), železniční kola, zvláštní vůči abrazívnímu opotřebení odolné části a desky a zvláštní nosné konstrukce.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY (ZMĚNĚNÉ)

1. Způsob výroby bezuhlíkové bainitické oceli odolné vůči opotřebeni a únavě z valivého styku, vyznačující se tím, že se skládá z kroků vyválcováni do tvaru za tepla oceli, jejíž

5 hmotnostní složení zahrnuje od 0.05 do 0.50% uhlíku, od 1.00 do 3.00% křemíku a/nebo hliníku, od 0.50 do 2.50% manganu, od 0.25 do 2.50% chrómu, od 0 do 3.00% niklu, od 0 do 0.025% síry, od 0 do 1.00% wolframu, od 0 do 1.00% molybdénu, od 0 do 3% mědi, od 0 do 0.1% titanu, od 0 do 0.50% vanadu a od 0

10 do 0.005% bóru, zbytek tvoří železo a náhodné nečistoty; a kroku spojitého ochlazování kolejnice z válcovací teploty na teplotu okolí přirozeně na vzduchu nebo zrychleným ochlazováním.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsah

15 uhlíku v kolejnici je od hmotnostních 0.10 do 0.35%.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsah křemíku je od hmotnostních 1.00 do 2.50%.
4. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že obsah manganu je od hmotnostních 1.00 do 2.50%, obsah

20 chrómu je mezi hmotnostními 0.35 do 2.25% a obsah molybdénu je od hmotnostních 0.15 do 0.60%.
5. Kolejnice z bezuhlíkové bainitické oceli, vyznačující se tím, že byla vyrobena vyválcováním do tvaru za tepla z oceli, jejíž hmotnostní složení zahrnuje od 0.05 do 0.50% uhlíku, od

25 1.00 do 3.00% křemíku a/nebo hliníku, od 0.50 do 2.50% manganu, od 0.25 do 2.50% chrómu, od 0 do 3.00% niklu, od 0 do 0.025% síry, od 0 do 1.00% wolframu, od 0 do 1.00% molybdénu, od 0 do 3% mědi, od 0 do 0.1% titanu, od 0 do

0.50% vanadu a od 0 do 0.005% bóru, zbytek tvoří železo a

30 náhodné nečistoty; a spojitým ochlazením kolejnice z

12 GB-25 válcovací teploty na teplotu okolí přirozeně na vzduchu nebo zrychleným ochlazováním.