FI111854B - Karbidivapaa bainiittinen teräskisko ja menetelmä sellaisen valmistamiseksi - Google Patents

Description

111854

Karbidivapaa bainiittinen teräskisko ja menetelmä sellaisen valmistamiseksi Tämä keksintö koskee karbidivapaita bainiittisia teräskiskoja ja me-5 netelmiä tällaisten teräskiskojen valmistamiseksi. Tarkemmin sanoen, muttei yksinomaan tämä keksintö koskee karbidivapaita bainiittisia teräksiä, joilla on parantunut kulutuskesto ja vierintäkosketuksesta johtuvan väsymisen kesto, joista ominaisuuksista mm. rata- ja nosturikiskot, rautatievaihteet ja -risteykset kärsivät.

10 Useimmat ratakiskot on tähän saakka valmistettu perliittisistä teräk sistä. Viimeaikaisissa katsauksissa on mainittu, että perliittiset teräkset lähestyvät materiaaliominaisuuksiensa kehityksen rajaa ratakiskojen kannalta. Tämän vuoksi on tarvetta arvioida vaihtoehtoisia terästyyppejä, joilla on hyvä kulutuksen ja vierintäkosketuksesta johtuvan väsymisen vastustuskyky yhdistet-15 tynä parantuneisiin muokkaussitkeyden ja hitsattavuuden tasoihin.

Patenttijulkaisussa EP 0 612 852 A1 selostetaan menetelmää erittäin lujien bainiittisten teräskiskojen valmistamiseksi, joilla on hyvä vierintäkosketuksesta johtuvan väsymisen vastustuskyky, jossa menetelmässä kuuma-valssatun kiskon yläosa saatetaan epäjatkuvan jäähdytysohjelman alaiseksi, 20 johon liittyy kiihdytetty jäähdytys austeniittialueelta jäähdytyksen lopetuslämpö-. . tilaan 500 - 300°C nopeudella 1-10 °C/s ja sen jälkeen yläosan jäähdytys : edelleen alemmalle lämpötilavyöhykkeelle. Bainiittinen teräs, josta kiskot val- mistetaan, ei ole karbidivapaa. Tällä menetelmällä valmistettujen kiskojen ha-v..: valttiin kuluvan helpommin kuin tavanomaisten perliittisten kiskojen ja niillä oli : '.· 25 parantunut vierintäkosketuksesta johtuva väsymisen vastustuskyky. Näin ollen näiden kiskojen yläpintojen kulumisnopeuden kasvu varmisti, että kertynyt vä-symisvaurio kului pois ennen kuin vahinkoja tapahtui. Näiden kiskojen fysikaa- » liset ominaisuudet saavutetaan osaksi edellä mainitulla kiihdytetyllä jäähdytys-ohjelmalla.

j..’, 30 Patenttijulkaisussa EP 0 612 852 A1 ehdotettu ratkaisu eroaa mer- • · kittävästi esillä olevan keksinnön menetelmästä, jolla ratakiskoille saavutetaan » oleellisesti parantunut kulutuskesto yhdessä erinomaisen vierintäkosketukses-:., ’: ta johtuvan väsymisen vastustuskyvyn kanssa. Näillä teräksillä on myös paran- tunut iskusitkeys ja muokattavuus verrattuna perliittisiin kiskoihin. Esillä olevan [!!! 35 keksinnön menetelmässä vältetään myös patenttijulkaisussa EP 0 612 852 A1 määritellyn monimutkaisen epäjatkuvan jäähdytysohjelman tarve.

111854 2

Muita vastaavia dokumentteja, joissa määritellään monimutkaisia epäjatkuvia jäähdytysohjelmia, ovat GB 2 132 225, GB 207 144, GB 1 450 355, GB 1 417 330, US 5 108 518 ja EP 0 033 600.

Ratakiskoja, jotka on valmistettu rautakarbidia sisältävistä bainiitti-5 sista teräksistä, on ehdotettu aikaisemmin. Vaikka jatkuvasti jäähdytetyn bai-niitin hieno ferriittisälekoko (leveys ~ 0,2 - 0,8 pm) ja suuri dislokaatiotiheys yhdessä tekevät teräksistä hyvin vahvoja, säleiden välisten ja sisäisten karbidien mikrorakenteen läsnäolo johtaa kasvaneeseen haurauteen, joka on suuressa määrin ollut esteenä tällaisten terästen kaupalliselle hyödyntämiselle.

10 On tunnettua, että haurausongelmaa, joka esiintyy haitallisten kar bidien läsnäolosta johtuen, voidaan suuressa määrin lievittää käyttämällä suhteellisen suuria pii- ja/tai alumiinilisäyksiä (~ 1 - 2 %) niukasti lejeerattuihin teräksiin. Piin ja/tai alumiinin läsnäolo teräksisissä, joita muutetaan jatkuvasti bainiitiksi edistää muokattavien, runsashiilisten austeniittialueiden säilymistä 15 hauraiden säleensisäisten sementiittikalvojen muodostumisen sijasta ja riippuu edellytyksestä, että dispergoidun, säilyneen austeniitin olisi oltava sekä termisesti että mekaanisesti stabiili. On osoitettu, että säilynyt austeniitti, joka seuraa jatkuvaa jäähdytysmuutosta bainiittisella lämpötila-alueella, esiintyy joko hienojakoisina ohuina säleensisäisinä kalvoina tai "kokkaremaisten” pakettien 20 välisten alueiden muodossa. Vaikka ohuella kalvomorfologialla on erittäin suuri . . terminen ja mekaaninen stabiilisuus, kokkaremainen tyyppi voi muuttua run- » » » sashiiliseksi martensiitiksi, joka edistää vähemmän hyvää murtumissitkeyttä. Ohutkalvo- ja kokkaremaisen morfologian välistä suhdetta > 0,9 vaaditaan hy-vän sitkeyden varmistamiseen ja tämä voidaan saavuttaa teräskoostumuksen : V 25 ja lämpökäsittelyn huolellisella valinnalla. Tämä johtaa olennaisesti karbidiva-paan ’’ylemmän bainiitti”-tyypin mikrorakenteeseen, joka perustuu bainiittiseen :T; ferriittiin, jäännösausteniittiin ja runsashiiliseen martensiittiin.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on saada aikaan karbidivapaita bainiittisia teräksiä, joilla on oleellisesti parantuneet kovuusalueet ja jotka ’ · · ·, 30 omaavat selviä etuja tunnettuihin ratakiskoteräksiin verrattuna.

• I

Esillä olevan keksinnön mukaisesti sen eräässä kohdassa aikaan-•\.v saadaan menetelmä kulumista ja vierintäkosketuksen aiheuttamaa väsymistä vastustavan karbidivapaan bainiittisen teräskiskon valmistamiseksi, jolle menetelmälle on tunnusomaista, että se käsittää vaiheet, joissa kuumavalssataan 35 muotoon terästä, jonka painokoostumus sisältää 0,05 - 0,50 % hiiltä, 1,00 - 3,00 % piitä ja/tai alumiinia, 0,5 - 2,50 % mangaania, 0,25 - 2,50 % kromia, 0 - 111854 3 3,00 % nikkeliä, 0 - 0,025 % rikkiä, 0-1,00 % wolframia, 0 - 1,00 % molybdeenia, 0 - 3 % kuparia, 0 - 0,10 % titaania, 0-0,50 % vanadiinia ja 0 - 0,005 % booria, loput rautaa ja satunnaisia epäpuhtauksia ja jäähdytetään jatkuvasti kiskoa sen valssauslämpötilasta ympäristön lämpötilaan luonnollisella tavalla 5 ilmassa tai kiihdytetyllä jäähdytyksellä vaadittavan kulutusta ja vierintäkoske-tuksen aiheuttamaa väsymistä vastustavan karbidivapaan bainiittia olevan te-räskiskon valmistamiseksi.

Edullisten teräskoostumusten hiilipitoisuus voi olla 0,10 - 0,35 pai-no-%. Piipitoisuus voi olla 1,00 - 2,50 paino-%. Samoin mangaanipitoisuus voi 10 olla 1,00 - 2,50 paino-%, kromipitoisuus voi olla 0,35 - 2,25 paino-% ja molyb-deenipitoisuus, voi olla 0,15 - 0,60 paino-%.

Esillä olevan keksinnön mukaisilla teräksillä on vierintäkosketuksen väsymislujuuden, muokattavuuden, taivutuseliniän ja murtumissitkeyden parantuneet tasot yhdistettynä vierintäkosketuksesta johtuvan kulumisen vastus-15 tuskykyyn, joka on samanlainen tai parempi kuin nykyisillä lämpökäsitellyillä perliittikiskoilla.

Tietyissä olosuhteissa katsotaan olevan edullista, että kiskolla on riittävän suuri kulumisnopeus, jotta kiskon yläosan pinnalle kertyneen vierintäkosketuksesta johtuvan väsymisvaurion olisi mahdollista kulua jatkuvasti pois. 20 Eräs ilmeinen tapa nostaa kiskon kulumisnopeutta on pienentää sen kovuutta.

. . Kiskon kovuuden merkittävä laskeminen aiheuttaa kuitenkin ankaran plastisen • · · : muodonmuutoksen tapahtumista kiskon yläosan pinnalla, mikä itsessään on '···* epämieluisaa.

«· ·

Uusi ratkaisu tähän ongelmaan piilee tämän vuoksi siinä, että kye-

• * I

: 25 tään valmistamaan riittävän suuren kovuuden/lujuuden omaava kisko, joka vastustaa liiallista plastista muodonmuutosta käytön aikana säilyttäen siten ha-lutun kiskon muodon, mutta jolla on kuitenkin kohtuullisen suuri kulumisnopeus vierintäkosketuksesta johtuvan väsymisvaurion jatkuvaksi poistamiseksi. Tämä on saavutettu esillä olevassa keksinnössä liittämällä harkitusti karbidi- • · ’···, 30 vapaaseen bainiittiseen mikrorakenteeseen pieni määrä pehmeää eutektoidia

• I

edistävää ferriittiä teräskoostumuksen tarkoituksenmukaisella säädöllä.

Eräs tämän keksinnön mukaisten luonnonilmajäähdytettyjen bainiit-tisten terästen prosessointietu verrattuna nykyisiin suurilujuuksisiin perliiittite-räskiskoihin on lämpötilakäsittelyoperaatioiden eliminoinnissa sekä kiskon 35 valmistuksen että sen myöhemmän hitsausliittämisen aikana.

I | I

111854 4

Toisessa kohdassaan tämä keksintö kohdistuu karbidivapaaseen vierintäkosketuksen aiheuttamaa kulutusta ja väsymistä vastustavaan bainiitti-seen bainiittiteräskiskoon. Teräskiskolle on tunnusomaista, että se on valmistettu kuumavalssaamalla muotoon terästä, jonka painokoostumus sisältää 5 0,05 - 0,50 % hiiltä, 1,00 - 3,00 % piitä ja/tai alumiinia, 0,50 - 2,50 % mangaa nia, 0,25 - 2,50 % kromia, 0 - 3,00 % nikkeliä, 0 - 0,025 % rikkiä, 0 - 1,00 % wolframia, 0-1,00 % molybdeenia, 0 - 3 % kuparia, 0 - 0,10 % titaania, 0 -0,50 % vanadiinia ja 0 - 0,005 % booria, loput rautaa ja satunnaisia epäpuhtauksia ja että se on jatkuvasti jäähdytetty sen valssauslämpötilasta ympäristön 10 lämpötilaan luonnollisella tavalla ilmassa tai kiihdytetyllä jäähdytyksellä.

Tätä keksintöä kuvataan nyt vain esimerkkinä viitaten oheisiin kaavamaisiin piirroksiin, joissa:

Kuvio 1 esittää tämän keksinnön mukaisen rautaa olevan karbidi-vapaan bainiittiteräskiskon kovuusprofiilia; 15 Kuvio 2 kaavamainen CCT-diagrammi tämän keksinnön mukaiselle karbidivapaalle bainiittiteräkselle;

Kuvio 3 on pyyhkäisyelektronimikroskooppivalokuva tämän keksinnön mukaisesta karbidivapaasta bainiittiteräksestä;

Kuvio 4 esittää Charpyn V-lovi-iskumuutoskäyriä tämän keksinnön 20 mukaiselle valssatulle, rautaa olevalle karbidivapaalle bainiittiteräkselle verrat- . , tuna vastaaviin käyriin tavanmukaiselle lämpökäsitellylle hiiliperliittiteräkselle, • * · : jota nykyään käytetään rautatiekiskoissa;

Kuvio 5 on graafinen esitys laboratoriossa saadusta vierintäkoske-

« * I

tuksen kulumismäärästä sellaisten teräsnäytteiden kovuuden funktiona, jotka • 25 on valmistettu tämän keksinnön mukaisesti karbidivapaista bainiittiiteräksistä;

Kuvio 6 esittää tämän keksinnön mukaisten karbidivapaiden bainiit-:T; titerästen ja kaupallisesti saatavien kulutuskestoisten materiaalien hankausku- lutusikää pyöristettyä kvartsihankausainetta vastaan;

Kuvio 7 on graafinen esitys, joka kuvaa tämän keksinnön mukaisen • * 30 puskuhitsatun karbidivapaan bainiittiteräslevyn kovuusprofiilia; ja

Kuvio 8 on tämän keksinnön mukaisen valssatun karbidivapaan :, i.: bainiittiteräksen kerroksellinen karkaistuvuuskäyrä.

Esillä olevan keksinnön päätavoite on saada aikaan suurilujuuk-sinen kulutusta ja vierintäkosketuksesta johtuvaa väsymistä kestävä mikrora- 35 kenne, joka koostuu karbidivapaasta "bainiitista”, jossa on jonkin verran run-sashiilistä martensiittia ja säilynyttä austeniittia, kiskon yläosaan. Käytännössä 111854 5 on havaittu, että tätä suurilujuista mikrorakennetta on läsnä myös sekä valssatun kiskon kaula- että jalkaosissa. Tyypillinen Brinell-kovuuden (HB) profiili 56,1 kg/m:n kiskoprofiilille esitetään kuviossa 1.

Kiskon suurilujuiset ylä-, kaula- ja jalkaosat saavat aikaan hyvän 5 vierintäkosketuksesta ja taivutuksesta johtuvan väsymiskeston radan käytön aikana.

Nämä ja muut toivotut tavoitteet saavutetaan teräskoostumuksen huolellisella valinnalla ja joko jäähdyttämällä jatkuvasti terästä ilmassa tai kiihdytetyllä jäähdytyksellä kuumavalssauksen jälkeen ympäristön lämpötilaan.

10 Tämän keksinnön mukaisten terästen koostumusalueet esitetään seuraavassa taulukossa A:

Taulukko A

Alkuaine Koostumusalue (paino-%)

Hiili 0,05 - 0,50

Alumiini/pii 1,00-3,0

Mangaani 0,05 - 2,5

Nikkeli/kupari alle 3,0

Kromi 0,25 - 2,5

Wolframi alle 1,0

Molybdeeni alle 1,0

Titaani alle 0,10 ;* Vanadiini alle 0,50 : Boori alle0,0050 i Loput Rauta & satunnaiset epäpuhtaudet » > 15 Näiden alueiden puitteissa muutoksia voidaan tehdä riippuen mm.

vaaditusta kovuudesta, muokattavuudesta jne. Kaikki teräkset ovat kuitenkin I','. olennaisesti bainiittisia luonteeltaan ja ovat karbidivapaita. Näin ollen edullinen !··'. hiilipitoisuus voi osua välille 0,10 - 0,35 paino-%. Samoin piipitoisuus voi olla 1 • · T - 2,5 paino-%, mangaanipitoisuus 1 - 2,5 paino-%, kromipitoisuus 0,35 - 2,25 ·’.!. ·' 20 paino-% ja molybdeenipitoisuus 0,15 - 0,60 paino-%.

Tämän keksinnön mukaisten terästen kovuusarvot ovat yleensä vä-Iillä 390 - 500 Hv30, vaikka on myös mahdollista valmistaa teräksiä, joilla on » alemmat kovuustasot. Tyypilliset kovuusarvot, kulumisnopeudet, venymät ja 111854 6 muut fysikaaliset parametrit voidaan nähdä oheen liitetystä taulukosta B, joka luettelee yksitoista tämän keksinnön mukaista näyteterästä.

Kuvio 2 esittää kaavamaista CTT-diagrammia. Boorin lisäys toimii hidastaen muutosta ferriitiksi niin, että jatkuvan jäähdytyksen aikana bainiittia 5 muodostuu laajalla jäähdytysnopeuksien alueella. Lisäksi bainiittikäyrän yläosa on tasainen niin, että muutoslämpötila on olennaisesti vakio laajalla jäähdytys-nopeuksien alueella, mikä johtaa vain pieniin lujuusvaihteluihin suhteellisen suurten ilmajäähdytettyjen tai kiihdytetysti jäähdytettyjen profiilien poikki.

Taulukossa B luetellut teräkset valssattiin 30 mm paksuiksi levyiksi 10 (30 mm paksun levyn jäähtymisnopeudet ovat lähellä kiskon yläosan keskuk sen jäähtymisnopeuksia) sivultaan -125 mm olevista neliömäisistä harkoista ja jäähdytettiin normaalilla ilmalla -1 000°C:n loppuvalssauslämpötilasta ympäristön lämpötilaan. Näin kehittyneet valssatut mikrorakenteet koostuvat olennaisesti karbidivapaan bainiitin ja säilyneen austeniitin seoksesta, jossa on 15 vaihtelevia määriä runsashiilistä martensiittia, kuten kuviossa 3 esitetään.

Valssatuilla, 30 mm paksuilla bainiittisilla koeteräslevyillä saavutettujen useiden mekaanisten ominaisuuksien vertaaminen niihin, jotka tyypillisesti saadaan nykyisin valmistetuilla valssilämpökäsiteilyillä (MHT) kiskoilla, esitetään seuraavassa: 20 • · • * * * Kisko-tyyppi 0,2% PS TS E1 RofA HV30 CVN(J) Ki% Kulumismäärä

t i I

*. ί. * (N/mm2) (N/mm2) (%) (%) 20°C:ssa -20°C mg/m liukuma . *' ’. % •,,,1 MPam (kosketusrasitus ; 750 N/mm2) • * MHT 800-900 1150-1300 9-13 20-25 360-400 3-5 30-40 20-30

Bainiitti 730-1230 1250-1600 14-17 40-55 400-500 20-39 45-60 3-38 » | f » < · · * · ’’y Valssattujen 30 mm paksujen bainiittisten teräslevyjen ominaisuu- det edustavat merkittävää lujuus- ja kovuustasojen kohoamista verrattuna lämpökäsitellyn perliittisen kiskon ominaisuuksiin, mistä seuraa Charpy-isku- *!t 25 energiatason parannus 4 J:sta tyypillisesti 35 J:een 20°C:ssa. Charpy V-lovi- iskun muutoskäyrät kahdelle valssatulle bainiittiselle kiskoteräskoostumukselle ’···’ (0,22 % C, 2 % Cr, 0,5 % Mo, B-vapaa ja 0,24 % C, 0,5 % Cr, 0,5 % Mo ja 7 111854 0,0025 % B) ja pelkkää hiiltä sisältävälle valssilämpökäsitellylle perliittikiskolle esitetään kuviossa 4. Näiden kahden bainiittikiskoteräksen voidaan myös nähdä säilyttävän suuren iskusitkeyden aina - 60°C:n lämpötiloihin asti.

Valssattujen 30 mm paksujen bainiittiteräslevyjen laboratoriossa to-5 detun vierintäkosketuksesta johtuvan kulumisen suorituskyvyn 750 N/mm2:n kosketusrasituksessa havaittiin olevan merkittävästi parempi kuin nykyisten perliittisten lämpökäsiteltyjen kiskojen suorituskyvyn, kuten kuviossa 5 graafisesti esitetään.

Tämän keksinnön mukaisilla teräksillä suoritetut kokeet ovat myös 10 osoittaneet bainiittisten teräskoostumusten tarjoavan hyvän kulutuskeston hankaavissa olosuhteissa suhteellisten kulumisikien ollessa noin 5,0 verrattuna hiiliterässtandardiin pyöristettyä kvartsiainesta vastaan. Kuvio 6 osoittaa, että nämä kulumisikäarvot ovat ylivoimaisia monien kaupallisesti saatavien ku-lutuskestoisten materiaalien arvoihin verrattuna, mukaan lukien Abrazo 450 -15 ja 13 % Cr sisältävä martensiittinen teräs.

Valssattujen 30 mm paksujen bainiittisten teräslevyjen halkeamis-sitkeyden (olemassa olevan murtuman etenemisen vastustuskyky) on havaittu olevan merkittävästi suurempi välillä 45 - 60 MPam1/2.

Valssattujen 30 mm paksujen teräslevyjen havaittiin olevan helposti 20 puskuhitsattavissa kovuustasojen normaalilla ilmalla jäähdytettyjen, puskuhit- . . sattujen levyjen kriittisillä hitsisauman HAZ-alueilla ollessa joko yhtä suuret tai • · · hieman korkeammat kuin peruslevymateriaalilla, kuten kuviossa 7 esitetään. *·:·1’ Valssatuilla 30 mm paksuilla bainiittisilla koeteräslevyillä oli hyvät karkaistuvuudet, kuten kuviossa 8 esitetään lähes vakiokovuustasojen kehitty-: V 25 essä 1,5 - 50 mm:n etäisyyksille äkkijäähdytetystä päästä, mikä vastaa 700°C:ssa jäähdytysnopeuksia välillä 225 - 2°C/s.

• 1 · • » · * ♦ ♦ • · • » • » · • 1 » * t »

Claims (5)

111854

1. Menetelmä kulutusta ja vierintäkosketuksen aiheuttamaa väsymistä vastustavan karbidivapaan bainiittia olevan teräskiskon valmistamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa kuuma-5 valssataan muotoon terästä, jonka painokoostumus sisältää 0,05 - 0,50 % hiiltä, 1,00 - 3,00 % piitä ja/tai alumiinia, 0,5 - 2,50 % mangaania, 0,25 - 2,50 % kromia, 0 - 3,00 % nikkeliä, 0 - 0,025 % rikkiä, 0 -1,00 % wolframia, 0 -1,00 % molybdeenia, 0 - 3 % kuparia, 0 - 0,10 % titaania, 0 - 0,50 % vanadiinia ja 0 -0,005 % booria, loput rautaa ja satunnaisia epäpuhtauksia ja jäähdytetään jat-10 kuvasti kiskoa sen valssauslämpötilasta ympäristön lämpötilaan luonnollisella tavalla ilmassa tai kiihdytetyllä jäähdytyksellä vaadittavan kulutusta ja vierintäkosketuksen aiheuttamaa väsymistä vastustavan karbidivapaan bainiittia olevan teräskiskon valmistamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että kiskon hiilipitoisuus on 0,10 - 0,35 paino-%.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että piipitoisuus on 1,00 - 2,50 paino-%.

4. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mangaanipitoisuus on 1,00 - 2,50 paino-%, 20 kromipitoisuus on välillä 0,35 - 2,25 paino-% ja molybdeenipitoisuus on 0,15 -0,60 paino-%.

• > · : 5. Karbidivapaa, vierintäkosketuksen aiheuttamaa kulutusta ja vä- :..v symistä vastustava bainiittinen teräskisko, tunnettu siitä, että se on val- mistettu kuumavalssaamalla muotoon terästä, jonka painokoostumus sisältää j V 25 0,05 - 0,50 % hiiltä, 1,00 - 3,00 % piitä ja/tai alumiinia, 0,50 - 2,50 % mangaa-nia, 0,25 - 2,50 % kromia, 0 - 3,00 % nikkeliä, 0 - 0,025 % rikkiä, 0 - 1,00 % wolframia, 0 - 1,00 % molybdeenia, 0 - 3 % kuparia, 0 - 0,10 % titaania, 0 - * 0,50 % vanadiinia ja 0 - 0,005 % booria, loput rautaa ja satunnaisia epäpuhta-uksia ja että se on jatkuvasti jäähdytetty sen valssauslämpötilasta ympäristön • · ‘ _ 30 lämpötilaan luonnollisella tavalla ilmassa tai kiihdytetyllä jäähdytyksellä. • · » I t 111854