badania zgrzein pierwszych polskich szyn bainitycznych

ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA
NAUKOWO – TECHNICZNA
„SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH
- JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ,
BEZPIECZEŃSTWO”
MIKROSTRUKTURA I WŁASNOŚCI NOWEGO STALIWA
BAINITYCZNEGO NA KRZYŻOWNICE KOLEJOWE
Jerzy Pacyna, Piotr Bała
1. WSTĘP
Poszukiwania nowego tworzywa na szyny kolejowe trwają od około 20 lat. Początkowo
impulsem do tych poszukiwań było osiągnięcie maksimum możliwości aplikacyjnych stali
o mikrostrukturze płytkowego perlitu. Przykładem wspomnianego wyżej kresu górnego
możliwości aplikacyjnych były szyny obrobione cieplnie o mikrostrukturze drobnego perlitu. Ich
wielka twardość sięgająca nawet 400 HBW i wytrzymałość do 1200 MPa nie spełniły jednak
oczekiwań użytkowników takich szyn. Wzrostowi twardości i wytrzymałości tych szyn
towarzyszył bowiem wzrost ich odporności na ścieranie. Tworzące się na powierzchni
eksploatowanych szyn wady, głównie w rejonie jej główki, stały się praktycznie nieusuwalne.
Ratunkiem było okresowe szlifowanie powierzchni główki szyn w torach co w praktyce musiało
być ograniczone tylko do głównych szlaków komunikacyjnych. Na pozostałych
(nieszlifowanych) ale silnie obciążanych ciągach komunikacyjnych zaczęły nagminnie tworzyć
się wady eksploatacyjne typu squat, head-checking, które po osiągnięciu mechanizmem
zmęczeniowym długości krytycznej rozwijały się katastroficznie na cały przekrój szyny. Należy
podkreślić, że w/w wady występują zawsze w wysokowytrzymałych szynach perlitycznych
nawet przy nieskazitelnej ich czystości metalurgicznej. Są to typowe wady eksploatacyjne
związane z wysoką odpornością na ścieranie mikrostruktury drobnego perlitu a ściślej, z brakiem
możliwości samoserwisowania się powierzchni główki szyn poprzez ścieranie.
Wiele ośrodków naukowych świata doszło wówczas do przekonania, że nowych materiałów
na szyny kolejowe należy szukać wśród materiałów wystarczająco twardych
i wysokowytrzymałych ale o mniejszej odporności na ścieranie. Wybór padł na niskowęglowe
stale bainityczne. W Polsce, jak dotychczas, opracowano dwa gatunki takich stali
o następujących własnościach:
Tabela 1. Własności mechaniczne nowych stali bainitycznych na wysokoobciążone szyny kolejowe
HBW
Rm, MPa
Rp0,2, MPa
A, %
KCV+20°C, J
KIc, MPa·m1/2
R370B
372
1211
843
12,2
32
41,3
R390B
390
1350
829
13,9
36
62,0
Gatunek stali

prof. dr hab. inż. Jerzy Pacyna, dr inż. Piotr Bała - Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Akademia Górniczo – Hutnicza w
Krakowie
Pierwsza z tych stali R370B (gdzie R = stal szynowa: ang. rail = szyna, 370- wymagana
minimalna twardość w jednostkach HBW, B – wyróżnik stali bainitycznej: ang. bainitic steel=
stal bainityczna) opanowana technologicznie jeszcze w Hucie Katowice S.A. (2003 r.) została
zastosowana (2004 r.) w postaci szyn S49 w torze wyjazdowym z tej Huty, które pracują
bezawaryjnie do chwili obecnej (rys. 1 i 2). Wyniki pomiarów ich zużycia i obserwacje
o charakterze jakościowym wskazują, że szyny ze stali bainitycznej R370B znakomicie nadają
się na prostoliniowe odcinki torów (brak jakichkolwiek wad eksploatacyjnych na ich
powierzchni), natomiast w łukach, zgodnie z przewidywaniami, ulegają łatwiejszemu ścieraniu.
Druga z opracowanych stali bainitycznych w gatunku R390B ze względu na nieznacznie
zwiększoną w jej składzie zawartość niklu wykazuje wyraźnie większą plastyczność (A)
i odporność na pękanie (KCV i KIc) zarówno przy temperaturze pokojowej jak i przy
temperaturach obniżonych. Jej skład chemiczny został opracowany z myślą o zastosowaniu
w torach budowanych w strefach klimatycznych o niskich temperaturach (Syberia, Alaska).
Właśnie tę stal R390B (dane w tabeli 1 są dla stanu przerobionego plastycznie) postanowiono
użyć do wykonania odlewanych, monoblokowych krzyżownic kolejowych nowej generacji,
łatwo spajalnych z tradycyjnymi szynami perlitycznymi.
Technologie odlewania krzyżownic monoblokowych opracował Wydział Odlewnictwa
Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie. Odlew krzyżownicy i jej obróbkę cieplną
wykonała Odlewnia Ostrowiec Sp. z o.o. w Ostrowcu Świętokrzyskim. Natomiast
wykańczającą obróbkę mechaniczną i zgrzewanie z szynami o mikrostrukturze perlitycznej
wykonały Kolejowe Zakłady Nawierzchniowe „Bieżanów” Sp. z o.o. w Krakowie.
Rys. 1. Pierwsze polskie szyny bainityczne pracujące od czerwca 2004r w torze wyjazdowym z Huty
Mittal Steel Poland SA w Dąbrowie Górniczej: a) widok ogólny łuku toru we wrześniu 2005r, b) fragment
szyny bainitycznej eksploatowanej w łuku, c) fragment szyny bainitycznej eksploatowanej na odcinku
prostoliniowym toru. Fot. wykonał J. Kasprowicz z Mittal Steel Poland SA.
Rys. 2. Szyny bainityczne pracujące od czerwca 2004r do października 2008r w torze wyjazdowym
z Huty ArcelorMittal Steel Poland SA w Dąbrowie Górniczej: a) widok ogólny łuku torów, b) fragment
szyny bainitycznej eksploatowanej w łuku, c) fragment szyny bainitycznej eksploatowanej na odcinku
prostym toru
2. MATERIAŁ I OBRÓBKA CIEPLNA
Na rysunku 3a zamieszczono fotografię zgładu metalograficznego badanego staliwa w stanie
nietrawionym na których ujawniono wtrącenia niemetaliczne i pory.
a)
b)
Rys. 3. Mikrostruktura nowego staliwa bainitycznego na krzyżownice kolejowe w stanie lanym: a) zgład
nietrawiony, b) trawiono 2 % nitalem
Jak widać przeznaczony do badań wytop (wlewek) zawierał dość duże ilości porów i wtrąceń
niemetalicznych. Na podstawie uwidocznionej w wyniku wytrawienia 2% nitalem
mikrostruktury badanego staliwa pokazanej na rysunku 3b stwierdzono, iż jest to typowe staliwo
bainityczne. Cechy morfologiczne listew bainitu wskazują, iż w mikrostrukturze wlewka
przeważa bainit górny. Dlatego już teraz można przewidywać, że wykonane z tego staliwa
rozjazdy będą musiały być poddane wysokiemu odpuszczaniu celem koagulacji węglików
wydzielonych na granicach listew ferrytu bainitycznego. Na rysunku 4 zamieszczono wykres
CTPc nowego staliwa przeznaczonego na krzyżownice kolejowe. Jak widać, jest tworzywo
typowo bainityczne o bardzo wysokiej temperaturze Ms = 330 C i względnie wysokiej
temperaturze Bs sięgającej 500 C. Z wykresu CTPc widać, że dla osiągnięcia żądanej przez
użytkowników rozjazdów twardości minimalnej 340 HBW (358 HV30) krzyżownica wykonana
z tego staliwa musi być chłodzona z szybkością większą niż 1 C/s. Na podstawie zmierzonych
doświadczalnie szybkości chłodzenia w powietrzu szyny typu UIC60 o tej samej długości,
rozjazdy powinny być chłodzone nadmuchem powietrza aby mieć pewność osiągnięcia
oczekiwanej twardości 340 HBW na ich powierzchni.
Rys. 4. Wykres CTPc nowego staliwa na krzyżownice kolejowe
W tabeli 2 zestawiono ważniejsze własności mechaniczne badanego staliwa w stanie lanym.
Próbki pobierano z warstwy wierzchniej wlewka o masie ok. 30 kg. Jak widać (tab. 2), przy
twardości 336 HV30, która wg PN93/H-04357 odpowiada 320HBW, nowe staliwo nawet
w stanie bezpośrednio po odlaniu charakteryzuje się wysoką umowną granicą plastyczności R p0,2
= 745 MPa oraz wysoką wytrzymałością na rozciąganie Rm = 1084 MPa przy wydłużeniu A5 =
7,6%. Wiadomo jednak, że materiał ten będzie poddawany dodatkowej obróbce cieplnej
polegającej na wyżarzaniu normalizującym, które w przypadku tego tworzywa będzie
odpowiadało hartowaniu w powietrzu na bainit.
Tabela 2. Wybrane własności mechaniczne staliwa na rozjazdy kolejowe w stanie po odlaniu
Twardość
Udarność KCV
Praca złamania
KIc
Rm
Rp0,2
A5
Z
336 HV 30
12,8 (+20 °C),
9,7 (+20 °C),
55,9 (+20 °C),
1084 MPa
745 MPa
7,6 %
10,3 %
11,6 (-20 °C), 7,3 (-40 °C) J/cm2
9,3 (-20 °C), 6,04 (-40 °C) J
47,2-54,4 (-20 °C) MPam1/2
Z danych zamieszczonych w tabeli 2 widać, że w stanie lanym oceniono również odporność
na pękanie badanego staliwa za pomocą współczynnika intensywności naprężeń K Ic. Warto
odnotować, że dla temperatury pokojowej uzyskano wartość KIc = 55,9 MPam1/2 a dla
temperatury -20 C wynik badań współczynnika intensywności naprężeń K Ic = 47,2  54,4
MPam1/2. Od materiału na szyny kolejowe w gatunku R350LAHT wymaga się wartości
współczynnika KIc min = 29 MPam1/2 przy temperaturze pokojowej. W przypadku badanego
staliwa bainitycznego wartość współczynnika intensywności naprężeń przy temperaturze
pokojowej jest prawie dwukrotnie większa, chociaż tworzywo bainityczne było w stanie lanym
(nie poddanym przeróbce plastycznej).
Na rysunku 5 pokazano graficznie wpływ temperatury badania na udarność KCV badanego
staliwa w stanie lanym. Jak widać, udarność zaczyna wyraźnie się zmniejszać (do 7,29 J/cm2)
dopiero przy -40 C.
Rys. 5. Wpływ temperatury na udarność badanego staliwa w stanie dostawy
3. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA
Głównym celem tych badań była jednak ocena mikrostruktury uzyskanej w rezultacie zabiegu
normalizowania. Bainityczny charakter nowego tworzywa powodował, że jego studzenie
z zakresu jednorodnego austenitu w powietrzu do temperatury pokojowej pozwala na ponowne
jego zahartowanie na bainit. Dlatego zaprojektowano 4 warianty obróbki cieplnej, których
schematy przedstawiono na rysunku 6. Pierwszy z nich oznaczony jako „I” polegał na nagrzaniu
w zakres jednorodnego austenitu (z szybkością 30 C/min) krótkim wytrzymaniu i oziębianiu
w powietrzu (ok. 7 C/s). Drugi wariant polegał na dwukrotnym normalizowaniu celem zbadania
wpływu krotności tego zabiegu na mikrostrukturę i twardość nowego tworzywa. Wariant III
polegał na nagrzaniu do 930 C i następnym powolnym chłodzeniu 48 C/godz. do 650 C,
wygrzaniu przy tej temperaturze przez 10 godzin i następnym bardzo wolnym chłodzeniu
z szybkością 20 C/godz. do temperatury 250 C i dalej w spokojnym powietrzu do temperatury
pokojowej. Podczas izotermicznego wytrzymania przy 650 C austenit powinien się przemienić
w ferryt i ewentualnie w perlit. Jest to mikrostruktura zbliżona do stanu równowagi, która może
być potraktowana jako właściwa mikrostruktura wyjściowa do ponownego nagrzewania do
930 C (jednorodnego austenitu) dla dokonania prawidłowego normalizowania ziarna, tzn. jego
tworzenia z ferrytu i perlitu a nie z nierównowagowej mikrostruktury jaką jest bainit (por.
wariant I i II). Ten ostatni wariant obróbki cieplnej polegający na dodatkowym nagrzaniu
mikrostruktury ferrytyczno – perlitycznej i studzeniu w spokojnym powietrzu oznaczono na
rysunku 6 symbolem „IV”.
Rys. 6. Schematy wyżarzania normalizującego i uzyskane twardości (HV30) badanego staliwa o
wyjściowej twardości (po odlaniu) 336 HV30
Na końcach linii ilustrujących przebiegi chłodzenia i nagrzewania zamieszczono wyniki
pomiarów twardości (HV30) w ten sposób obrobionych cieplnie próbek badanego staliwa. Jak
widać niezależnie od liczby zabiegów normalizowania i sposobu jego realizacji twardości próbek
są w przybliżeniu równe i mieszczą się w przedziale 358÷365 HV30. Tylko dla wariantu „III”
polegającego na wolnym chłodzeniu uzyskano niską twardość 181 HV30. Wskazuje to, że
w przypadku decyzji o poddaniu krzyżownic z nowego staliwa wyżarzaniu normalizującemu
wystarczy wykonanie jednego zabiegu nagrzania w zakres jednorodnego austenitu (około
930 C) i następnym jego ostudzeniu w spokojnym powietrzu lub za pomocą sztucznie
wywołanego nadmuchu. Sztuczny nadmuch powinien umożliwić uzyskanie wystarczająco
większych twardości od wymaganych 340 HBW i to dopiero po zastosowaniu następującego po
ochładzaniu odpuszczania.
Dla oceny wpływu temperatury odpuszczania po zastosowanych 4 wariantach
normalizowania w tabeli 3 zestawiono twardości po odpuszczaniu przy 500, 550, 600 i 650 C
przez 2 godziny. Jak widać, twardość badanego staliwa jest wysoka aż do temperatury 600 C za
wyjątkiem wariantu „III” (z wyżarzaniem izotermicznym przy 650 C/10 godz.).
Tabela 3 Twardości HV30 po zastosowaniu zabiegów normalizowania z rys. 6 i dodatkowym
odpuszczeniu
Po normalizowaniu
I
II
III
IV
358
365
181
361
500
346
356
176
358
Temperatura odpuszczania, C
550
600
358
347
358
356
186
182
358
350
650
281
284
172
287
Warianty I, II i IV dały zbliżone wartości twardości do twardości w stanie po odlaniu.
Ponieważ skomplikowane cykle nagrzewania nie zmieniły drastycznie twardości, wystarczające
jest tylko jednokrotne nagrzanie materiału do temperatury normalizowania.
Na podstawie wyżej przedstawionych wyników badań zaprojektowano technologię obróbki
cieplnej (normalizowanie, które dla badanego staliwa oznacza hartowanie na bainit + wysokie
odpuszczanie) tak aby maksymalnie zwiększyć udarność badanego staliwa.
W tabeli 4 zestawiono ważniejsze własności mechaniczne badanego staliwa po ww. obróbce
cieplnej. Jak widać udarność jest bardzo wysoka 78,02 J/cm2. Po obróbce cieplnej twardość
staliwa maleje do 256 HBW, co w odniesieniu do perlitycznych szyn kolejowych R260 jest
twardością zbliżoną [1]. Na rysunku 7 zamieszczono fotografię mikrostruktury nowego staliwa
po takiej obróbce cieplnej. Mikrostruktura zbliżona jest do sferoidytu o bardzo drobnych
węglikach. Staliwo bo obróbce cieplnej cechuje się bardzo dobrymi własnościami plastycznymi,
mechanicznymi oraz wystarczającą twardością. Wyniki te zachęcają autorów do wykonania prób
eksploatacyjnych badanego staliwa.
Tabela 4 Wybrane własności mechaniczne staliwa na rozjazdy kolejowe w stanie po obróbce cieplnej
HBW
256
Rp0,2
MPa
666
Rm
MPa
777
A
%
18,1
Z
%
62,3
KV+20°C
J
78,0
KV-20°C
J
43,4
KV-40°C
J
15,2
KIc+20°C
MPa·m1/2
80-90
KIc -20°C
MPa·m1/2
79-92
Rys. 7. Mikrostruktura badanego staliwa po zastosowaniu obróbki cieplnej
4. PODUMOWANIE I WNIOSKI
Na podstawie wykonanych w niniejszej pracy badań można wysunąć następujące wnioski :

Krzyżownice kolejowe odlane z badanego staliwa bainitycznego powinny wykazywać
jednorodną mikrostrukturę bainityczną na całym przekroju. Przy niskiej zawartości węgla
Mn i Mo nie zdołały wyeliminować z mikrostruktury badanego staliwa bainitu górnego
znanego z bardzo małej odporności na pękanie.

W stanie lanym badane staliwo Mn-Cr-Mo-V wykazuje dość małą udarność KCV (12,08
J/cm2). Pomimo niskiej udarności, w tym stanie dopiero temperatura -40 °C powoduje
dalsze zmniejszenie udarności.

Niezależnie od mikrostruktury wyjściowej do normalizowania badane staliwo cechuje się
twardością na zbliżonym poziomie, a spadek twardości z temperaturą odpuszczania po
normalizowaniu jest nieznaczny. Znaczny spadek twardości wywołuje dopiero
odpuszczanie przy wysokich temperaturach.

W przypadku badanego staliwa bainitycznego wartość współczynnika intensywności
naprężeń (KIc) przy temperaturze pokojowej jest prawie dwukrotnie większa, od

wymaganej dla materiału na szyny kolejowe w gatunku R350LAHT wartości
współczynnika KIc min 29 MPam1/2 (przy temperaturze pokojowej), chociaż tworzywo
bainityczne było w stanie lanym (nie poddanym przeróbce plastycznej).
Staliwo po nowo zaprojektowanej obróbce cieplnej cechuje się bardzo dobrymi
własnościami plastycznymi, mechanicznymi
oraz wystarczającą twardością.
Mikrostruktura zbliżona jest do sferoidytu o bardzo drobnych węglikach. Wyniki te
zachęcają autorów do wykonania prób eksploatacyjnych badanego staliwa.
PODZIĘKOWANIA
Praca finansowana przez MNiSW w ramach projektu Nr R07 007 02.
[1]
[2]
LITERATURA
Pacyna J.: Pierwsze polskie szyny bainityczne. Polska Metalurgia w latach 2002÷2006.
Komitet Metalurgii PAN, s. 651÷656.
Pacyna J., Skrzypek T.: Kinetyka przemian przechłodzonego austenitu stali bainitycznych
przeznaczonych na szyny kolejowe do budowy torów wysokoobciążonych. Kraków, 2006
(niepublikowane)