Stale bainityczne do zastosowań w infrastrukturze kolejowej

Jakie są aktualne wyzwania związane z zieloną transformacją w sektorze transportu kolejowego, a także w procesach wytwarzania stali? Jak zmiany struktury wpływają na właściwości stali bainitycznych?

Z artykułu dowiesz się:

• jak zachowują się stale bainityczne po procesie zgrzewania iskrowego;
• jakie zmiany strukturalne zachodzą w tym materiale pod wpływem procesu spajania;
• jakie rozwiązania mogą być proponowane w kontekście przeciwdziałania negatywnym zjawiskom zachodzącym w strukturze takiej stali.

Biorąc pod uwagę emisję CO₂, kolej uznawana jest za ekologiczny sposób transportu ludzi i towarów, co znajduje odzwierciedlenie w liczbie inwestycji na rynku UE. Strategia Unii Europejskiej na rzecz Zrównoważonej i Inteligentnej Mobilności przewiduje, że do 2030 r. zarówno ruch kolejowy dużych prędkości, jak i towarowy wzrośnie o 50%, natomiast do 2050 r. transport kolejowy dużych prędkości wzrośnie o 300%, a z kolei transport towarowy o 100%. Infrastruktura kolejowa jest jednym z głównych odbiorców przedsiębiorstw hutniczych.

Co więcej, sam przemysł stalowy odpowiada za 25% przemysłowej emisji CO₂, co dowodzi, że problem śladu węglowego w sektorze stalowym odgrywa kluczową rolę. Z tego względu istotnym wyzwaniem jest zwiększenie cyklu życia, jak również niezawodności szyn kolejowych, szczególnie w odniesieniu do wymagających torów kolei dużych prędkości, jak i torów przemysłowych pracujących w trudnych warunkach pracy. Odpowiedzią na te wyzwania są nowe rozwiązania materiałowe związane z projektowaniem nowych gatunków stali o wysokich właściwościach mechanicznych i użytkowych.

Nowoczesne stale bainityczne w infrastrukturze kolejowej: badanie struktury

Od ponad dwóch dekad bezwęglikowe stale bainityczne o submikrometrycznych wymiarach struktury stanowią konkurencyjne rozwiązanie materiałowe w odniesieniu do konwencjonalnych stali perlitycznych stosowanych na linie kolejowe. Tory kolejowe dużych prędkości muszą spełniać wysokie wymagania dotyczące właściwości mechanicznych (granicy plastyczności, odporności na pękanie, wytrzymałości zmęczeniowej, twardości), a także użytkowych (spawalność, odporność na zużycie, zmęczenie toczne).

Charakterystyka stali bainitycznych

Wielu autorów w literaturze przedmiotu wskazuje, że stale bainityczne charakteryzują się wyższymi właściwościami mechanicznymi i użytkowymi:

• Wytrzymałością na rozciąganie przekraczającą 1250 MPa, jeśli nie są obrabiane cieplne, oraz 1879 MPa po dodatkowej obróbce cieplnej [1]. Natomiast konwencjonalne stale perlityczne znajdują się w zakresie od 660 MPa (dla gatunku R200) do 1280 MPa (dla gatunku R400HT);
• Wyższą kontaktową wytrzymałością zmęczeniową (RCF) [2-5];
• Wyższą odpornością na zużywanie w porównaniu do struktury perlitycznej [5-12];
• Odpornością na pękanie rzędu w zakresie 52-59 MPa√m [13-15], kiedy dla stali perlitycznej osiągają około 41 MPa√m [13, 14, 16];
• Szybkość wzrostu pęknięcia zmęczeniowego jest niższa w porównaniu do stali perlitycznych [17, 18].

Z drugiej strony, stwierdzono, że szybkość wzrostu pęknięcia zmęczeniowego stali bainitycznej jest porównywalna z komercyjną stalą perlityczną R260 [19].

Wysokie właściwości mechaniczne stali bainitycznych stanowią obiecującą perspektywę zwiększenia długości cyklu życia szyn kolejowych. Możliwości aplikacyjne tej grupy materiałów są jednak ograniczone przez aspekt spajalności. Nowe materiały powinny charakteryzować się zadowalającym poziomem spawalności, który umożliwi wykorzystanie powszechnych metod spawalniczych stosowanych w infrastrukturze kolejowej.

Ocena zmian struktury stali bainitycznej po zgrzewaniu iskrowym doczołowym

Literatura przedmiotu obejmuje prace związane z symulacją cykli termicznych w wybranych substrefach połączeń spawanych szyn bainitycznych. Badania eksperymentalne nadal stanowią lukę badawczą. Występują dwie zasadnicze metody łączenia szyn: zgrzewanie iskrowe doczołowe (FBW), a także spawanie termitowe (aluminotermiczne). Lesage i in. [20] opisali zmiany strukturalne stali bainitycznej poddanej spawaniu termitowemu. W ramach tej pracy przedstawiono proces zgrzewania iskrowego doczołowego szyny bainitycznej o profilu 60E1 (zaprojektowanej przez Sieć Badawczą Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny).

Materiałem badań była stal bainityczna o składzie chemicznym (wag.%) Fe-0,3C-2,5(Cr+Mn)-(min. 0,8)Si, która została poddana procesom ciągłego chłodzenia bezpośrednio po obróbce cieplnej na gorąco (bez dodatkowej obróbki cieplnej). Struktura materiału rodzimego składała się z ferrytu bainitycznego o listwowej morfologii, austenitu szczątkowego o morfologii blokowej (blocks, γ_b) i warstwowej (films, γ_f), a także składnika martenzyt/austenit (M/A) – rys. 1. Grubość listew ferrytu bainitycznego mieściła się w zakresie submikrometrycznym. Zawartość austenitu szczątkowego wynosiła 13 ± 3%, natomiast składnika M/A około 5,5-7,5%. Wytrzymałość na rozciąganie przekraczała 1250 MPa.

Galeria

Zobacz więcej