Uprawniony z patentu: British Steel Corporation, Londyn (Wielka Bry¬ tania), British Railways Board, Londyn (Wielka Brytamia) Stal stopowa, zwlaszcza do wytwarzania szyn kolejowych Przedmiotem wynalazku jest stal stopowa, zwla¬ szcza do wytwarzania szyn kolejowych.Znane stale stopowe do wytwarzania szyn ko¬ lejowych zawieraja przewaznie okolo 0,5% wegla oraz okolo 1% manganu. Przed montazem szyny ze stali walcowanej sa wzmacniane i obrabiane.Typowe rodzaje takich szyn opisane sa miedzy innymii w normach brytyjskich, francusko/eh i amerykanskich. Zgodnie z warunkami tam poda¬ nymi, szyny kolejowe (posiadaja odpowiednia wy¬ trzymalosc na rozciaganie (nie mniejsza niz 69 KG/mm2) i odpornosc na zuzycie. Jednakze, struktura tej stali jest struktura gruboziarnista, perlityczna odznaczajaca sie bardzo mala wytrzy¬ maloscia na uderzenia w temperaturze pokojowej (1,39 KGm) wedlug próby Charpy'ego próbki na¬ cietej 2 mm w ksztalcie litery „V". Stal zwykle ma pierwotnie ziarna austenityczne o wielkosci okolo A.S.T.M.3 oraz ferrytyczne o wielkosci okolo A.S.T.M.4.W ciezkich warunkach pracy, wystepowac mo¬ ga w szynie pekniecia wywolane zmeczeniem ma¬ terialu, zwlaszcza przy otworach na sruby lub w srodku szyny, oraz pekniecia spowodowane wada¬ mi materialu.Gelem wynalazku jest opracowanie skladu stali stopowej, zwlaszcza do wytwarzania szyn, która nie ma wad stali znanych ze stanu techniki.Cel wynalazku zostal osiagniety przez to, ze stal zawiera co najmniej jeden z dodatków utwardza¬ lo 15 30 jacych, takich jak mangan w ilosci od 0,5 do 2,5%, krzem od 0 do 1,5%, chrom od 0 do 1,5%, nikiel od 0 do 1,0% i molibden od 0 do 0,6% w ilosci calkowitej nie przekraczajacej 5%, co naj¬ mniej jeden z nastepujacych dodatków rozdrab¬ niajacych, takich jak aluminium od 0,015 do 0,1%, wanad od 0,05 do 0,2% niob od 0,01 do 0,1% ty¬ tan od 0,015 do 0,3%, cyrkon od 0,15 do 0,3% oraz azot w ilosci od 0,003 do 0,030% zasadniczo w stosunku stechiometrycznym do ilosci dodatków rozdrabniajacych oraz zanieczyszczenia. Stal pod¬ dawana jest albo normalizowaniu albo kontrolo¬ wanemu walcowaniu.Zgodnie z wynalazkiem stal stopowa do wytwa¬ rzania szyn kolejowych zawiera dodatki rozdrab¬ niajace oraz dodatki utwardzajace, przy czym stal ta poddawana jest zarówno normalizowaniu lub walcowaniu kontrolowanemu dla uzyskania struk¬ tury drobnoziarnistej o czasteczkach ferrytu mniej¬ szych niz A.S.T.M.8, a korzystnie mniejszej niz A.S.T.M.9.Uzyty powyzej termin normalizowania stanowi proces obróbki cieplnej, w którym stal jest pod¬ grzewania do temperatury powyzej jej górnego punktu krytycznego, a nastepnie jest ochladzana.Górny punkt krytyczny tej stali wynosi okolo 850°C. Termin kontrolowany odnosi sie do walco¬ wania stali przeprowadzonego w temperaturze 700°C do 900°C, zamiast w temperaturze okolo 1000°C normalnego walcowania koncowego. 831393 83139 4 Dodatkami rozdrabniajacymi sa jeden lub kilka z podanych skladników, takich jak aluminium, niob, wanad, tyttan i cyrkon, korzystnie w propor¬ cji wagowej (odnoszacej sie od ogólnego ciezaru stali) 0,015% — 0,1% aluminium, 0,01, — 0,1% niobu lub 0,05% — 0,2% wanadu.Dodatkami Utwardzajacymi sa: krzem, mangan, chrom, iniMel i/lub molibden. Zawartosc krzemu wynosi w stosunku do calkowitego ciezaru stali okolo 0,05% — 1,5%, chromu od 0,25% do 1,5% oraz manganu od 0,5% do 1,5%.Zawartosc azotu wynosi zwykle okolo 0,003 do 0,030% korzystnie maksymalnie 0,025% wagowo w stosunku* d^cfclafu* oaB^owitego stali.Stal ma szyny kolejowe pa zwykle strukture au¬ stenityczna o wielkosci zi£rn okolo 3 wedlug skali A.S.TJ^; ^uk^fterfytjKi^na 'o ziarnach okolo 4 we¬ dlug As.t\m, ¦¦'*«¦•¦¦¦; Wedlug wynalazku w procesie walcowania nor¬ malizujacego lub sterowanego wytwarzana jest stal poczatkowo o strukturze austenityczno-ferrytycznej o wielkosci ziarn austenitu mniejszych niz 6 we¬ dlug ASTM, oraz ferrytu miniejsizydh niz 8 wedlug ASTM. Stosowanie dodatków rozdrabniajacych w polaczeniu z cieplna obróbka normalizujaca powo¬ duje rozdrobnienie ziaren ferrytu do wielkosci miniejszej oiz 10 lub nawet 12 wedlug ASTM.Zgodnie z wynalazkiem mozliwe jest uzyskanie ulepszonej stali, która jest bardziej odporna na pekniecia od stali obecnie stosowanej, zwlaszcza w niskich temperaturach, na przyklad ponizej 15°C przy równoczesnej wytrzymalosci na rozciaganie, zwlaszcza przy stosowaniu dodatków utwardzaja¬ cych, oraz przy zachowaniu odpornosci na sciera¬ nie, co jest niezwykle istotne dla stali na szyny kolejowe.Okazalo sie, ze zwiekszona odpornosc na pek¬ niecia, moze byc uzyskana przez zastosowanie do¬ datków rozdrabniajacych strukture stali w pola¬ czeniu z cieplna obróbka normalizujaca jak i kon¬ trolowanym walcowaniem.Wedlug wynalazku stal na szyny kolejowe za¬ wiera wagowo 0,2 — 0,85% wegla, maksimum 0,06% siarki, maksimum 0,06% fosforu i co naj¬ mniej jeden z ponizej podanych dodatków utwar¬ dzajacych, takich jak mangan w ilosci 0,5 — 2,5%, krzem 0 — 1,5%, chrom 0 — 1,5%, nikiel 0 — 1,0% i molibden 0 — 0,6%, przy czym calkowita ilosc dodatków utwardzajacych nie moze przekra¬ czac 5%, oraz co najmniej jeden z nizej wymie¬ nionych dodatków rozdrabniajacych, takich jak a- luminium w ilosci 0,015 — 0,1%, wanad 0,05 — 0,2%, niob 0,01 — 0,1% tytan 0,15 — 0,3% i cyr¬ kon 0,15 — 0,3%, które wraz z azotem w ilosci okolo 0,003 — 0,030% sa w zasadzie w proporcji stechiometrycznej do ilosci dodatków rozdrabnia¬ jacych i pozostaja w równowadze z zelazem i za¬ nieczyszczeniami. Stal na szyny kolejowe podda¬ wana normalizowaniu lub kontrolowanemu walco¬ waniu pozwala na uzyskanie struktury ziarnistej, ferrytycznej o wielkosci ziarna mniejszej od 8 w skali ASTM.Przykladowo, stopowa stal weglowa na szyny kolejowe zawiera wegiel w ilosci od 0,2 do 0,6°'.» oraz dodatki rozdrabniajace aluminium, wanad i/lub niob co pozwala na uzyskanie ferrytycznej struk¬ tury stali o ziarnach mniejszych niz 9 w skali ASTM.Stal wedlug wynalazku do wytwarzania szyn ko¬ lejowych ale zgodna z normami brytyjskimi win¬ na zawierac przykladowo wegiel w ilosci 0,4 — 0,6%, mangan 0,95 — 1,25%, siarke maksimum 0,06%, fosfor maksimum 0,06%, azot 0,003 — 10 0,030%, krzem 0,08 — 0,20% oraz aluminium 0,015 — 0,1% lub wanad 0,05 — 0,2% lub niob 0,01 — 0,1%.Zamiast wanadu, uzyte moze byc aluminium, wraz z niobem w ilosci 0,015 — 0,10% aluminium i 0,01 — 0,10% niobu w przypakdu, gdy stal ta jest poddawana kontrolowanemu walcowaniu.Podane powyzej stale, zawierajace dodatki, roz¬ drabniajace ich strukture, dodawane do stali o skladzie podanym w normie brytyjskiej BS 11.1959 oraz poddawane normalizowaniu lub kontrolowa¬ nemu walcowaniu, posiadaja odpornosc na ude¬ rzenia i pekniecia. Dalsze zwiekszenie odpornosci na uderzenia uzyskac mozna zgodnie z wynalaz¬ kiem przez zmniejszenie zawartosci wegla w stali, przykladowo od 0,28 — 0,39% wagowo. Na przy¬ klad, stal o zmniejszonej zawartosci wegla za¬ wiera wagowo wegiel w ilosci 0,28 — 0,39%, mangan 1,2 — 1,6%, siarke maksimum 0,06% fos¬ for maksimum 0,06%, azot 0,003 — 0,030%, krzem maksimum 0,35% oraz aluminium 0,015 — 0,10% lub wanad 0,05 — 0,20%.Najlepsze wlasnosci 'wykazywala stal o wartosci 0,02 — 0,06% wagowych aluminium, lub 0,10 — _ 0,15% wanadu i 0,010 — 0,15% azotu, która byla 35 poddawana normalizowaniu, lub zawierajaca 0,015 — 0,10% aluminium i dodatkowo 0,01 — 0,1% niobu, poddawana kontrolowanemu walcowaniu.Rozdrabnianie Stoukitury stali jak przedstawiono 40 powyzej izwlaszcza w polaczeniu z niska zawartos¬ cia perlitu, zwieksza odpornosc szyn na peknie¬ cia. Zmniejszanie zawartosci perlitu oraz zwiek¬ szenie zawartosci ferrytu uzyskuje sie dzieki mniej¬ szej zawartosci wegla. Powoduje to, niestety cza- 45 sami, zmniejszenie wytrzymalosci stali na rozcia¬ ganie i scieranie. Jednakze, zgodnie z wynalazkiem, wytrzymalosc na rozciaganie oraz odpornosc na scieranie moze byc zwiekszona przez wzmocnienie struktury fazy ferrytycznej przez utwardzanie roz- tworu stalego, to jest przez dodanie jednego lub kilku dodatków utwardzajacych, jak na przyklad krzemu, manganu, chromu, niklu lub molibdenu.Stal na szyny kolejowe wedlug wynalazku za¬ wiera wegiel w ilosci 0,28 — 0,39% oraz jako do- 55 datek utwardzajacy 1,2 — 2,5% wagowo manga¬ nu i/lub 0,8 — 1,2% wagowo krzemu. W stali znajdowac sie moga równiez inne dodatki utwar¬ dzajace, jak chrom, nikiel i molibden. Dodatkami rozdrabniajacymi strukture stali sa aluminium lub 60 wanad w przypadku, gdy stal ta jest noranaliizo- wana lub aluminium i niob, gdy stal jest walco¬ wana.Ponizej przedstawiono przykladowo procesy tech¬ nologiczne, w wyniku kltórych wytwarzana jest sital 65 na szyny kolejowe.83 139 6 Otrzymana stal zawierajaca przykladowo 0,2 — 0,85% wegla, minimum 0,5% manganu, maksimum 0,06% fosforu, maksimum 0,06% siarki oraz 0,003— 0,025% azotu oraz inne przypadkowe zanieczysz¬ czenia spuszczono do kadzi gdzie wprowadzono do¬ datki rozdrabniajace. Temperatura plynnej stali wynosi okolo 1600°C. Do stali w tym stadium mo¬ ga byc dodane równiez dodatki utwardzajace.Plynna stal odlano do wlewnic, a nastepnie po skrzepnieciu poddano jednemu z dwóch procesów walcowania w celu uksztaltowania pólfabrykatów hutniczych szyn kolejowych. W pierwszym proce¬ sie, wlewek podgrzano do temperatury okolo 1300°C, a nastepnie przewalcowano na zgniataczu do tem¬ peratury 950°C — 1050°C.Ksztaltowanie szyny dokonywane jest bezposre¬ dnio z wlewka bez posredniego podgrzewania, al¬ bo tez przewalcowany wlewek z walcowni — zgniatacza podgrzewany jest do temperatury po¬ wyzej 1300°C. W tym procesie walcowana szyna chlodzona jest do temperatury ponizej 700°C, nor¬ malizowana, to jest powtórnie ogrzewana do tem¬ peratury rzedu 850°C w celu rozdrobnienia ziarna i utworzenia osadów, które ograniczalyby rozrost ziaren, i nastepnie chlodzona w powietrzu.W drugim procesie stalowy wlewek lub kesisko z walcowni — zgniatacza chlodzone jest do co najmniej 700°C, a korzystnie do 500°C i nastepnie podgrzewane do temperatury w zakresie 1050°C do 1250°C, korzystnie do temperatury rzedu 1150°C i walcowane do chwili ostygniecia kesiska do temperatury rzedu 700°C do 900°C. Jest to tak zwane walcowanie sterowane lub kontrolowane.Powtórne podgrzewanie stali, zawierajacej dodatki rozdrabniajace ziarno, podczas walcowania pozwa¬ la na wytworzenie struktury drobnoziarnistej, po¬ dobnej do tej, jaka jest wytwarzana podczas nor¬ malizowania.Powyzsze sposoby moga byc przeprowadzane z pewnymi odmianami. Na przyklad nie dodaje sie dodatków stopowych w kadzi odlewniczej. Dodat¬ ki te wprowadzic mozna do pieca podczas wyta¬ piania stali lub w kilku porcjach do pieca, do ka¬ dzi i do wlewka. Stal wedlug wynalazku nie ko¬ niecznie musi byc odlewana w postaci wlewków.Moze byc takze wytwarzana w procesie odlewania ciaglego.W celu dokladniejszego przedstawienia wyna¬ lazku, w tablicach podane sa przyklady skladu 5 chemicznego stali oraz ich wlasnosci mechaniczne.Tablica I podaje sklad chemiczny stali oraz wy¬ miar ziarn a tablica II wlasnosci mechaniczne gotowego produktu.W przykladzie 1 wymieniona jest typowa stal 10 na szyny kolejowe (wedlug brytyjskiej normy BS 11: 1959) wytwarzana obecnie. Przyklad ten umieszczony zostal w tabeli jedynie dla porów¬ nania i nie stanowi ilustracji wynalazku. Nalezy zauwazyc niska udarnosc tej stali w porównaniu 15 z nastepnymi przykladami ilustrujacymi niniejszy wynalazek.Przyklady 2 do 10 opisuja stal na szyny kole¬ jowe wedlug wynalazku. We wszystkich przypad¬ kach zawartosc fosforu i siarki byla mniejsza od 20 0,06%, a wielkosc ziarna ferrytu byla mniejsza miz 8 w skali ASTM.Przyklady 2, 3 i 4 ilustruja typowe wyniki, ja¬ kie uzyskano po dodaniu dodatków rozdrabniaja¬ cych do typowej stali opisanej w normie brytyj- 25 skiej BS 11: 1959), i nastepnie normalizowanej i walcowanej. Przyklady 2A i 2B ilustruja doda¬ nie aluminium, przyklad 3 — wanadu, a przyklad 4 — niobu.Przyklady 5, 6, .7 i 8 ilustruja normalizowana 30 stal o dobrej udarnosci uzyskanej w wyniku mniej¬ szej zawartosci wegla a wyzszej zawartosci manga¬ nu wraz z dodatkami rozdrabniajacymi. W przy¬ kladach 5 i 6 jako dodatek rozdrabniajacy uzyto aluminium, a w przykladach 7 i 8 — wanad, w 35 przykladach 6 i 8 ponadto zwiekszono zawartosc krzemu w celu zwiekszenia odpornosci na sciera¬ nie.Przyklady 9 i 10 ilustruja stosowanie jako do¬ datków rozdrabniajacych aluminium wraz z nio- 40 bem przy czym stal wedlug tych przykladów pod¬ dana byla kontrolowanemu walcowaniu. Podana w przykladzie 9 stal ma sklad chemiczny odpo¬ wiadajacy stali znanej, przy czym dodano do tej stali dodatki rozdrabniajace, a stal podana w 45 przykladzie 10 posiada mniejsza zawartosc wegla przy wyzszej zawartosci manganu.Tablica I Przyklad nr 1 1 A B C 2 A B 3 4 5 6 A B 1 C Sklad chemiczny C% 2 0,45 0,50 0,59 0,46 0,55 0,45 0,45 0,39 0,34 0,36 0,40 Mn% 3 1,15 1,20 1,12 1,20 1,12 1,10 1,18 1,40 1,38 1,32 1,46 Si% 4 0,13 0,12 0,11 0,22 0,13 0,20 0,24 0,21 0,20 0,50 0,98 v% 5 — 0,16 — — — Al% 6 0,005 0,057 0,062 — — 0,045 0,042 0,052 0,038 N% 7 0,016 0,006 0,005 0,017 0,006 0,011 0,016 0,017 0,010 0,01'4 0,013 Nb% 8 — — — 0,048 — — Wielkosc ziaren w skali ASTM austenitu przed obróbka 9 4 3 3 8 7 10 6 10 8 9 7 ferrytu 10 14 12 13 1083139 7 8 A B C 9 10 0,35 0,30 0,33 0,36 0,46 0,36 1,43 1,47 1,31 1,43 1,15 1,47 0,21 1,28 0,90 1,00 0,17 0,33 0,15 0,14 0,10 0,19 — — — — 0,045 0,061 0,009 0,011 0,020 0,022 0,016 0,014 — — 0,048 0,050 10 9 10 9 7 7 14 13 14 12 10 9 Tablica II Przyklad nr 1 A B C 2 A B 3 4 5. 6 A B C 7 8 A B C 9 1 io Poczatkowa wytrzymalosc na rozciaganie kg/mm2 43,2 42,2 46,0 41,3 43,2 47,4 42,1 47,2 47,2 47,2 50,4 49,8 55,1 53,2 59,8 39,4 39,1 Wlasnosci mechaniczne Ostateczna wytrzymalosc na rozciaganie kg/mm2 81,0 78,7 79,1 69,9 81,3 71,7 72,3 71,2 70,9 72,4 80,0 69,3 73,4 73,7 78,7 69,3 65,8 Wydluzenie przy zerwaniu % 21,0 22,0 18,0 27,5 20,0 22,2 23,8 32,0 32,0 28,0 26,0 28,3 31,0 28,0 29,0 26,0 33,0 Zmniejszenie powierzchni ipnzekroju % 30,8 32,0 14,5 59,6 36,8 62,4 43,2 62,8 62,0 57,0 51,2 67,2 57,2 48,4 53,6 52,5 56,7 Próba udarnosci temp. 15°C KGm 0,4 0,4 0,3 1,4 3,0 0,3 3,9 4,7 4,0 2,2 5,0 3,2 3,2 2,8 1,7 3,2 2,76 KGm Temperatura przemiany izotermicznej + 120 + 130 + 120 —5 + 40 —20 + 85 —36 —42 —40 + 6 —60 —28 —30 —15 + 15 -23 | PL PL PL