ZVYŠOVÁNÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ VYSOKOUHLÍKOVÝCH MATERIÁLŮ NAVAŘOVÁNÍM

Transkript

1

2 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Ing. Ivo Hlavatý, Ph.D. ZVYŠOVÁNÍ UŽITNÝCH VLASTNOSTÍ VYSOKOUHLÍKOVÝCH MATERIÁLŮ NAVAŘOVÁNÍM Teze habilitační práce ke jmenování docentem v oboru Strojírenská technologie Ostrava

3 Ivo Hlavatý ISBN

4 Obsah: Obsah: Úvod Současný stav problematiky Stávající materiály pro výrobu kolejnic Vývojové trendy kolejnicových ocelí Přehled nejčastěji se vyskytujících vad kolejnic v provozu... 9 Odlupování materiálu z pojížděné hrany shelling... 9 Šikmé trhliny pojížděné hrany - head checking... 9 Šikmé trhliny pojížděné plochy squats Přehled používaných technologií pro navařování kolejnic Studium teplotního pole při navařování Rozdělení a výpočet teplotního pole Výpočet teplotního pole metodou konečných prvků Zhodnocení teoretické části Cíle habilitační práce a postup řešení Experimentální část práce Vliv parametrů navařování na chemické složení návarů Vliv parametrů navařování na změny v tepelně ovlivněné oblasti Vliv parametrů navařování na vznik trhlin v návarech a TOO Ověření navržené technologie navařování Diskuse výsledků a shrnutí Vědecký přínos pro rozvoj oboru strojírenské technologie a poznatky práce pro využití v praxi Závěr Abstract Vybraná literatura Seznam vybraných publikovaných prací vztahujících se k tématu habilitační práce

5 1. Úvod Kolejová doprava patří k neodmyslitelným složkám celkového dopravního systému v České republice i ve světě. Řadíme k ní vlakovou, tramvajovou dopravu a metro. Tak jako v každém odvětví techniky i zde existují problémy vzniklé provozem zařízení. U tramvajové i vlakové dopravy dochází k opotřebení kolejnic v exponovaných místech tratí jako jsou výhybky, oblouky, přechody apod. S ohledem na ekonomiku jejich provozu je nutné provádět renovace opotřebovaných míst tratí navařováním s cílem zvýšit jejich životnost a spolehlivost. Pro výrobu kolejnic se používají materiály, podle předpisu UIC (v USA a Kanadě podle standardu AREA a ve Velké Británii podle BS), jehož hlavním parametrem je minimální zaručovaná pevnost v rozsahu MPa, zejména v závislosti na obsahu uhlíku. Při zvyšování provozní únosnosti se vychází ze dvou kriterií, na straně jedné jde o opotřebení v systému kolo - kolejnice (abrazivní opotřebení a kontaktně únavové namáhání) a na straně druhé pak požadavek dobré svařitelnosti. Z tohoto důvodu se v současné době uplatňují ve výrobě kolejnic dva směry: mikrolegování ocelí nebo tepelné zpracování s cílem zvýšit hodnoty mechanických vlastností. Jednou z možností zvýšení životnosti standardních kolejnic z feriticko - perlitických ocelí je jejich navařování vysokolegovanými materiály, které po zpevnění dosahují podstatně vyšších tvrdostí. Jednou z aplikací navařování vysokolegovaných materiálů je provádění návarů ještě před zabudováním dílů do tratí, přímo ve výrobě. V zahraničí jsou obdobné principy předmětem relativně úzce aplikovaných patentů (Německo, Švýcarsko). V našich podmínkách tato cesta nebyla doposud podrobněji řešena. Podmínky pro její uplatnění se nabízejí především v městské kolejové dopravě. Pro řešení problematiky zvyšování životnosti dílů kolejového svršku byly jako základ použity výsledky doktorské disertační práce Svařitelnost ocelí s vysokým obsahem uhlíku používaných pro výrobu kolejnic. Praktickým výstupem habilitační práce je návrh a praktické odzkoušení technologie navařování kolejnic bez předehřevu automatem pod tavidlem při použití různých kombinací přídavných materiálů s důrazem na výsledné užitné vlastnosti návarů

6 2. Současný stav problematiky 2.1 Stávající materiály pro výrobu kolejnic Vývoj kolejnicových materiálů postupoval od ocelí pevnosti minimálně 600 MPa (asi do roku 1934) s relativně nízkým obsahem C (0,40 až 0,50%), stopovým obsahem křemíku a obsahem manganu do 1%. Pro výrobu se používala Thomasova ocel. Nízký obsah křemíku v této oceli svědčí o tom, že ingoty nebyly dezoxidovány ferosiliciem, tzn. byly odlity z oceli neuklidněné. Dosahovaly velmi nízkou vrubovou houževnatost, především za záporných teplot (KCU2 při teplotě 20 C cca 5 až 10 J.cm -2 ). Po roce 1950 byly do tratí ČSD zabudovávány kolejnice z oceli jakosti , a o nejmenší pevnosti 650 MPa, 750 MPa a 800 MPa v závislosti na obsahu uhlíku. Plné zvládnutí techniky vakuového odlévání otevřelo možnost zvýšení středního obsahu uhlíku na 0,55 až 0,75% (obsah manganu 0,75 až 1,4 %, křemíku 0,15 až 0,50%) při eliminaci nebezpečí vzniku vločkovitosti kolejnicové oceli. Od roku 1968 byly vyráběny vakuované kolejnice ve čtyřech jakostních třídách podle pevnosti ( MPa, MPa, MPa, nad 950 MPa) [2]. S rostoucími nápravovými tlaky a především provozními rychlostmi se požaduje od nově aplikovaných materiálů v rámci Evropských tratí soulad s technickými dodacími podmínkami na bázi UIC 860, DB/DR-TL V současné době patří mezi nejpoužívanější kolejnicové materiály oceli na bázi C-Mn, jejichž mechanické vlastnosti, zejména pak odolnost proti opotřebení, odpovídá pevnostním stupňům, odvozeným od obsahu uhlíku v rozmezí 0,40 až 0,82 hm.%, resp. obsahu Mn od 0,75 do 1,7 hm.%. Pro Evropu jsou standardizovány jakostními stupni podle technických podmínek UIC 860, které odpovídají chemickým složením i deklarovanými mechanickými vlastnostmi jakostem podle BS (pro Británii) a AREA (pro USA a Kanadu). Kategorie vývojově starších typů jsou v podstatě srovnatelné i u nás původně vyráběnými tradičními značkami ocelí s označením ČSD (tab. 2.1). Z uvedeného sortimentu jsou kolejnice z materiálu UIC 700 používány již pouze v omezeném rozsahu. Nejvíce se používají kolejnice jakosti UIC 900A i na stavbu nově budovaných železničních koridorů

7 2.2 Vývojové trendy kolejnicových ocelí Od roku 1989 se oceli pro výrobu kolejnic vyrábějí kontinuálním odléváním s ochranou inertním plynem proti reoxidaci. Formát předlitků 300 x 350 mm zaručuje u všech vyráběných kolejnicových profilů více než desetinásobný stupeň protváření následným válcováním [5]. V současnosti se u standardních kolejnicových ocelí neaplikuje žádné tepelné zpracování, kolejnice jsou samovolně rovnoměrně ochlazovány na vzduchu. Materiálový vývoj je v našich podmínkách v současnosti orientován do dvou směrů: Mikrolegování kolejnicových ocelí vanadem, resp. vanadem a dusíkem - jedná se zejména o značky oceli 110 ČSD-Vk-MnCr (obdobně u jakosti UIC 1100). Vývoj kolejnic s velmi jemnou perlitickou strukturou - tuto skupinu zastupují zejména oceli legované chrómem a molybdenem, tedy v podstatě o jakosti 110 ČSD- Vk-MnCr dolegované molybdenem (podobně ocel UIC 1100). Výrazné zjemnění perlitického zrna vede ke zvýšení pevnostních charakteristik a otěruvzdornosti, ke zlepšení nekonvenčních charakteristik jako lomová houževnatost a odolnost proti šíření křehkého lomu. Na části kolejového svršku s požadovanou vysokou odolností proti opotřebení (především srdcovky kolejových výhybek) se v rostoucím rozsahu používá manganová austenitická ocel UIC 866 (tab. 2.1). Ocel se zpevňuje tvářením za studena [4] až o 100% a zachovává si výbornou houževnatost i při velmi nízkých teplotách. K evropským či světovým trendům výroby dále patří : Použití tepelného zpracování hlav kolejnic - v tomto případě je aplikováno tepelné zpracování uhlíkových kolejnicových ocelí s různým chladícím médiem. Např. firma Voest-Alpine tepelně zpracovává hlavy kolejnic z doválcovací teploty selektivním ochlazováním ve vodním roztoku polymerů (označení kolejnic S700 HSH, S900 HSH). Vývoj bainitických materiálů pro výrobu kolejnic - snaha zvýšit provozní odolnost kolejnic vedla především zahraniční producenty k experimentům s aplikací materiálů na odlišné strukturní bázi bainitické, které při podstatně vyšších hodnotách pevnosti - 7 -

8 (R m až 1400 MPa) dosahují ve srovnání s jakostí UIC 900A i výrazně vyšších plastických charakteristik (tažnost 15 až 18%). i ve světě. V tabulce 2.1 je uveden přehled materiálů používaný pro výrobu kolejnic u nás Tab. 2.1: Přehled základních materiálů používaných pro výrobu kolejnic Označení C Mn Si P S Cr Ni Mo V R m Tvrdost ocelí (hm. %) (MPa) HV30 Banverket 800 0,50 0,80 0, min min. UIC 860 0,65 1,20 0, UIC 700 0,40 0,80 0,05 max. max ,60 1,25 0,35 0,030 0, S 60 B 0,26 1,10 0,25 max. max. - - max. 0, ,32 1,40 0,50 0,030 0, ,02 0, UIC 900A 0,60 0,80 0,10 max. max. max. max. max. max ,80 1,30 0,50 0,030 0,030 0,15 0,10 0,02 0, UIC 900B 0,55 1,30 0,10 max. max. max. max. max. max ,75 1,70 0,50 0,030 0,030 0,15 0,10 0,02 0, UIC ,60 0,80 0,30 max. max. 0,80 max. 0,10 0,04 min. min. 0,80 1,30 0,90 0,030 0,030 1,30 0,10 0,20 0, UIC 1100 CrMoV 0,60 0,80 0,30 max. max. 0,80 max. 0,10 0,04 min. min. 0,80 1,30 0,90 0,030 0,030 1,30 0,10 0,20 0, ČSD Vk 0,45 0,75 0,10 max. max ,65 1,40 0,50 0,040 0, ČSD Vk 0,60 0,75 0,10 max. max ,80 1,40 0,50 0,040 0, ČSD Vk 0,65 0,75 0,10 max. max min. min. 0,80 1,40 0,50 0,040 0, ČSD Vk 0,60 0,80 0,30 max. max. 0, CrMn 0,80 1,30 0,90 0,035 0,035 1, UIC S700 HSH 0,54 0,94 0,24 0,018 0,020 0,05 0, HB UIC S900 HSH 0,78 1,15 0,27 0,016 0,011 0,04 0, HB AREA 300 0,72 0,80 0,10 max. max. max. max. 0,03 0, ,82 1,10 0,60 0,030 0,030 0,50 0,10 0,10 0, AREA 350 0,70 1,00 0,25 max. max. 0,90 max. 0,10 0, ,80 1,20 0,45 0,020 0,025 1,15 0,10 0,20 0, BAINIT 1 0,38 0,70 1,30 max. max. 0,90-0,70 0, ,42 0,85 1,50 0,015 0,015 1,10-0,80 0, BAINIT 2 0,28 0,60 0,70 max. max. 2,60-0, ,32 0,75 1,00 0,015 0,015 3,00-0, Lo8CrNiMo 0,12 0,89 0,49 0,012 0,008 1,94 2,83 0,53 0, UIC 866 0,95 11,50 0, min. min. AM steel 1,30 14,00 0,

9 2.3 Přehled nejčastěji se vyskytujících vad kolejnic v provozu V následujícím výčtu jsou uvedeny vybrané vady vznikající v provozu, možnosti jejich identifikace, adekvátní způsob oprav a naznačen současný stav poznání příčin jejich vzniku [6]. Definice typů vad je uvedena v předpise ČD S67, Vady a lomy kolejnic [9]. Pro úplnost připojuji často používané anglické ekvivalenty. Výběr vad byl v souladu se zaměřením práce orientován na jejich výskyt, jak u nových kolejnic poškozených provozem, tak i kolejnic renovovaných. Odlupování materiálu z pojížděné hrany shelling Zdrojem odlupování je podélná trhlina pod povrchem pojížděné hrany, vznikající v důsledku kontaktních a skluzových sil, zejména při jízdě obloukem. K iniciaci vady dochází zpravidla v místech netvárných vměstků v kolejnicové oceli. Vzniklá trhlina se šíří zhruba ve vodorovném směru. V počátečném stadiu tohoto typu defektu jsou pozorovány tmavé podélné skvrny v místech zaoblení pojezdové hrany hlavy kolejnice, jako první příznak existence vnitřních trhlin (obr. 2.1). Následující stádia rozvoje vady po určité době provozu se projevují převalky na boční ploše, prasklinami a konečně oddělením materiálu od zatěžované plochy, které může nabývat velkých rozměrů (obr. 2.2). Šikmé trhliny pojížděné hrany - head checking Jedná se o další typ kontaktně-únavové vady. Projevuje se velkým množstvím rovnoběžných trhlin ve vzdálenosti zpravidla 2-7 mm na pojížděné ploše. Vada je iniciovaná z povrchu hlavy kolejnice. Trhliny vedou od zatěžované hrany ve směru jízdy pod úhlem cca 45 a zasahují do materiálu do hloubky 2 mm se sklonem asi 15 k povrchu profilu (obr. 2.3). V pokročilejším stadiu je pozorováno jejich spojování, doprovázené vylamováním materiálu. Výchozím bodem head checkingu jsou mikrotrhliny v plasticky zdeformované povrchové vrstvě, ve které se po určitém počtu zatěžujících cyklů dosáhne kritické energie pro vznik trhliny [6]. Šikmé trhliny pojížděné plochy squats Vada se vyskytuje především na přímých tratích. V počátečním stadiu se projevuje jako shluk malých tmavých teček (průměru cca 1 mm) (obr. 2.4), které se zvětšují a z nichž vycházejí shluky trhlin mezi středem hlavy kolejnice a pojížděnou hranou, dlouhých mm pod úhlem asi 45 k pojezdové hraně ve směru jízdy. Typický pro - 9 -

10 další rozvoj uvedeného defektu je růst trhlin, kdy po dosažení hloubky asi 4 mm u trhliny ve směru jízdy vozidel dochází k rozvětvování směrem dovnitř materiálu kolejnice (obr. 2.5). Obr. 2.1: Shelling - tmavé podélné skvrny na pojezdové hraně hlavy kolejnice v počátečním stadiu rozvoje vady [9]. Obr. 2.2: Shelling - oddělování materiálu od zatěžované plochy v pokročilém stadiu rozvoje vady [9]. Obr. 2.3: Head Checking - typický vzhled a orientace trhlin v počátečním stadiu [9]. Převažující směr pojíždění Obr. 2.4: Squats - tmavá skvrna, indikující rozdvojení materiálu [9]. Obr. 2.5: Squats - řez hlavou kolejnice ve svislé podélné rovině - typické rozvětvení trhlin pod povrchem směrem dovnitř průřezu [9]

11 2.4 Přehled používaných technologií pro navařování kolejnic Technologie navařování kolejnic je jedna z možností zvýšení životnosti kolejového svršku zejména v exponovaných úsecích. V městské dopravě je opotřebení v obloucích asi třikrát větší než na rovných úsecích tratí, přičemž životnost paty kolejnice je asi 15 let. Z praxe je známo, že některé oblouky je nutno měnit každé tři roky z důvodu opotřebení hlavy kolejnice. Veškeré tyto technologie musí splňovat předpisy pro ČD S3/5 [10] nebo pro městskou hromadnou dopravu T1/2 [11]. Na základě současných poznatků se používá několik schválených variant technologických postupů [10, 11], ke kterým patří ruční navařování obalenou elektrodou a navařování automatickými způsoby [1]. 2.5 Studium teplotního pole při navařování V kapitole 2.1 a 2.2 byla rozebrána problematika vlastností ocelí používaných pro výrobu kolejnic. Další problémová oblast je stav napjatosti materiálu po teplotním cyklu vyvolaném navařováním. Tato problematika je podstatná zejména u návarů s odlišným chemickým složením a tím i s rozdílným součinitelem teplotní roztažnosti Rozdělení a výpočet teplotního pole Teplotní pole, jako důsledek šíření tepla z místa působení zdroje tepla do okolního základního materiálu, má rozsah v závislosti na vlastnostech materiálu a podmínkách svařování. Okamžitá hodnota teploty ve všech bodech sledovaného prostoru je funkcí polohy a času, tj. teplotní pole, zobrazující se pomocí izotermických čar nebo izotermických ploch, je nestacionární. Jedním z důsledků teplotního cyklu jsou změny struktury a vlastností, které mohou za určitých okolností nepříznivĕ ovlivnit kvalitu teplem ovlivněné oblasti svarového spoje, tj. v oblasti zasažené teplotním polem

12 Popis teplotního pole je možný jen za řady zjednodušujících předpokladů [3, 12]: Svařovaným materiálem je homogenní polonekonečné těleso. Svařovací proces je v kvazistacionárním stavu (nemění se poměr mezi teplem přivedeným do svaru a teplem odváděným základním materiálem). Zdroj tepla je bodový s konstantním efektivním výkonem Q. Zdroj tepla se pohybuje konstantní svařovací rychlostí v spolu s počátkem souřadného systému x, y, z. Tepelná vodivost, měrné teplo a měrná hmotnost svařovaného materiálu se nemění s teplotou (neuvažuje se vliv polymorfních přeměn). Všechny teorie teplotních polí při svařování vycházejí z obecné diferenciální rovnice vedení tepla v pevné fázi [12, 13]: T T T T + + = x y z a t (2.1) kde x, y, z jsou souřadnice měřeného místa, T je teplota (K), t je čas (s), a je měrná tepelná vodivost (m 2 s -1 ). Při navařování uvažovaných kolejnicových profilů automatem pod tavidlem jsou podmínky vedení tepla výhodně blízké matematickému popisu trojrozměrného kvazistacionárního teplotního pole: Bodový zdroj tepla působí na povrchu masivního tělesa ve středu souřadného systému ( x, y, z). Zdroj se pohybuje konstantní rychlostí ve smĕru osy x. Vedení tepla probíhá do poloprostoru ohraničeného povrchem navařovaného materiálu (ve směrech os x, y, z). Tok tepla do základního materiálu je převažující a je možno zanedbat tepelné ztráty radiací a konvekcí do ovzduší

13 Výsledný tvar (vycházející z rovnice 2.1) pro určení maximální teploty cyklu T max v závislosti na vzdálenosti r od zdroje tepla je [12]: T max 2 q = T0 + 2 π e ρ c r v (K) (2.2) Na obrázku 2.6 jsou znázorněny jednotlivé svarové housenky pro případ dvouvrstvého návaru. Vzdálenosti kritického místa (pásma přehřátí TOO), uvažovaného pro výpočty, jsou zaznačeny r 1 pro první svarovou housenku a r 2 pro druhou svarovou housenku. y x z Tepelne ovlivněná oblast 2. návarová vrstva 1. návarová vrstva Kritická oblast TOO (pásmo přehřátí) Hranice ztavení převýšení návaru r 1 r 2 Obr. 2.6: Schématické znázornění dvouvrstvého návaru ve žlábku kolejnice Při dosazení konkrétních svařovacích parametrů, použitých při experimentálním navaření kolejnic UIC 900A do rovnice 2.2, lze vypočíst závislost teploty na vzdálenosti r od zdroje tepla, viz obr Pro tento výpočet byly použity hodnoty pro ruční navařování obalenou elektrodou (tepelný příkon q = J s -1 ; svařovací rychlost v = 12 cm.min -1 ) a při navařování automatem pod tavidlem plným drátem (tepelný příkon q = 9 058,3 J s -1, svař. rychlost v = 50 cm.min -1 ). Obě varianty byly pro srovnání počítány s předehřevem minimálně 320 C i bez předehřevu, v případě navařování bez předehřevu byla druhá svarová housenka navařována při maximální teplotě interpass 200 C, která vyplývá z provedených experimentů. Teploty

14 fázové transformace pro ekvivalent aplikované oceli UIC 900A jsou: A c1 730 C, A c3 750 C. Z obrázku 2.7 je patrný rozdíl tepelného příkonu u automatického navařování ve srovnání s navařováním ručním. Z průběhů ochlazovacích křivek, v závislosti na vzdálenosti od zdroje tepla, lze určit jednotlivé předpokládané šířky pásem tepelně ovlivněné oblasti. Například pro technologii ručního navařování bez předehřevu vede diagram k následujícím hodnotám : Pro pásmo přehřátí se u legovaných ocelí obvykle udává rozmezí teplot T SOL 1200 C, tomu odpovídá šířka cca 0,8 mm. U vysokouhlíkových ocelí se pásmo přehřátí udává v rozmezí T SOL Ac C s šířkou pásma cca 0,4 mm. V této oblasti je maximální účinek přítomných plynů, zejména dusíku a vodíku. Protože v oblasti, ohřáté nad A c3 je rozpustnost vodíku oproti feritu asi dvojnásobná, dochází především v pásmu ohřevem zhrubnutého zrna po ochlazení pod Ac 3 k jeho vylučování, a to zejména na hranicích původních zrn austenitu, kde svým tlakem vyvolává mezikrystalické napětí, které se projeví zkřehnutím materiálu [12, 15]. Pásmo normalizace je charakterizováno rozsahem teplot A c C až A c C [12] odpovídající šířka je cca 1,2 mm. V případě zabezpečení vhodné kinetiky ochlazování představuje oblast ohřátá těsně nad A c3 část TOO o vyšší houževnatosti, než původní navařovaná ocel, a v tomto smyslu je uvedené pásmo indikováno sníženou hodnotou na měřených liniích tvrdosti napříč ovlivněnou oblastí ve srovnání s pásmem přehřátí. V rozmezí teplot A c3 až A c1 se nachází pásmo částečné překrystalizace, odpovídající šířku lze na základě provedeného propočtu odhadnout pro vybrané parametry na cca 0,2 mm. Celková odhadovaná šířka tepelně ovlivněné oblasti u technologie ručního navařování obalenou elektrodou je cca 2,3 mm. U technologie navařování automatem pod tavidlem s předehřevem pak 5,1 mm. (obr. 2.7). Další posouzení ochlazovacích křivek je možné výpočtem teplotního cyklu podle rovnice (2.2). Pro výpočet byly použity hodnoty při navařování jedné housenky ručně obalovanou elektrodou a 2 housenky automatem od tavidlem při použití předehřevu. Pro druhý návar s použitím mezihousenkové teploty 320 C. V případě druhého návaru se vzdálenost zdroje tepla od počítaného místa zvětší o hodnotu převýšení návaru, což je asi 3 mm

15 2000 Maximální teplota [ C] Ac 3 Ac 1 s předehřevem bez předehřevu Vzdálenost od zdroje teplotního pole [mm] TOO 2 TOO 1 TOO 1 (T SOL -A c3 ) TOO 2 (T SOL -A c3 ) ruční navařování obalenou elektrodou navařování automatem pod tavidlem ruční navařování obalenou elektrodou bez předehřevu navařování automatem pod tavidlem s předehřevem Obr. 2.7: Závislost teploty na vzdálenosti od zdroje tepla Na obrázku 2.8 je znázorněn teplotní cyklus pro první a druhou vrstvu návaru pro uvedené technologie navařování. Z jednotlivých ochlazovacích větví teplotních cyklů lze odečíst ochlazovací čas t 8/5, který charakterizuje rychlost ochlazování v TOO. Teplotní cykly svařování pro první a druhý návar s uvažováním technologií, prezentují extrémní rozdíly v režimu tepelného působení (množství vneseného tepla a rychlost navařování)

16 Teplota [ C] t 8/5 > 13 s 800 varianty navařování s předehřevem H t 8/5 ª 3,5 s Dt 8/5 ª 8 s varianty navařování bez předehřevu Čas ochlazování [s] t 8/5 ª 3,5 s t 8/5 ª 8 s t 8/5 > 13 s ruční navařování obalenou elektrodou navařování automatem pod tavidlem první housenka navařování automatem pod tavidlem druhá housenka ruční navařování obalenou elektrodou bez předehřevu navařování automatem pod tavidlem bez předehřevu ruční navařování obalenou elektrodou s předehřevem Obr. 2.8: Průběhy teplotních cyklů při ručním navařování obalenou elektrodou a automatem pod tavidlem

17 2.5.2 Výpočet teplotního pole metodou konečných prvků Pro posouzení teplotního pole je možné použití výpočtového modelu metodou konečných prvků. Tato metoda umožňuje získat korektnější představu o rychlosti a dosahu teplotních změn v okolí navařovaného objemu materiálu. Posouzení jednotlivých vlivů se opírá o výsledky práce Doc. Ing. J. Petrušky, CSc. v souvislosti s analýzami v systému kolo - kolejnice [19]. Jako vstupní předpoklad bylo postupné vnášení tepla o měrném výkonu Q = 1 087J na 1 mm délky návaru, jehož příčný průřez odpovídá velikosti prvku, označeného kroužkem na obrázku 2.9. Rychlost navařování je 8,3 mm.s -1, tzn. simulace představuje horní mez tepelného příkonu aplikované technologie navařování automatem pod tavidlem. Model neuvažuje se změnou skupenství ani fázovou přeměnou, což vede k jistému zkreslení, a to zejména lokálně v místech intenzivního ohřevu, kde dochází k nereálnému překročení teploty tavení oceli. Pro výpočet byl zadán úsek kolejnice o délce 380 mm. Výsledky simulace nestacionárního teplotního pole jsou uvedeny na obr a Oblast tepelného 3 5,2 3,4 4,8 3,9 1 3,4 5 3,6 2,7 5, ,7 4,1 5,9 6 7 Obr. 2.9: Schematické znázornění rozmístění sledovaných prvků (body 1-7) v okolí oblasti tepelného zatížení (modrá čísla ozna-čují vzdálenosti v mm délek hran mezi body 1-7) Ve srovnání se závislostí maximální dosažená teplota-vzdálenost od zdroje tepla, získané aplikací standardního matematického modelu trojrozměrného kvazistacionárního teplotního pole (obr. 2.7), metodika simulací teplotního cyklu vede k užšímu rozmezí natavené oceli při navařování zavedením bodového zdroje na obr Zde je rozsah natavené oblasti, vymezený dosaženou teplotou cca 1200 C, zastupující bodem č.3, tj. ve vzdálenosti přibližně 6,3 mm od zdroje (obr. 2.9)

18 Obr. 2.10: Nestacionární teplotní pole v čase 47 s Obr. 2.11: Nestacionární teplotní pole v čase 111 s

19 Ve stejné vzdálenosti je i bod č.5, ve kterém ale podle dosažených výsledků již k natavení nedochází. Tento efekt je způsoben rozdílnými podmínkami odvodu tepla v uvedených bodech okolního materiálu; tj. v bodě č.3 na povrchu kolejnice, který není zcela obklopen okolním materiálem, je odvod tepla nižší. Uvedené srovnání bodů 3 a 5 lze použít k posouzení extrémního promísením základního materiálu a svarového kovu. V této souvislosti je nutno uvést, že nezanedbatelný vliv zde má vrubový účinek případných nerovností na přechodu základní materiál - návar. Tento účinek se stal převažujícím v případě, kde došlo ke vzniku podnávarových trhlin vlivem překročení rychlosti ochlazování, tj. vzniku martenzitické struktury v TOO (kapitola 4.1). Oproti tomu experimentálně pozorované studené trhliny byly téměř výlučně iniciované na vnější hraně navařované drážky a procházely směrem do průřezu kolejnice [21, 24]. 2.6 Zhodnocení teoretické části Užitné vlastnosti materiálů pro výrobu kolejnic jsou ovlivňovány především jejich chemickým složením. Proto byl proveden rozbor v současnosti používaných materiálů (kapitola 2.1 a 2.2) s poukazem na vlastnosti těchto ocelí. Z důvodů známých problémů kolejnic v provozní praxi jsou v kapitole 2.3 vyjmenovány a popsány základní vady, které přímo souvisí s možnostmi renovací. Veškeré technologie používané pro svařování a navařování na Českých drahách a dopravních podnicích musí být schváleny dle platných předpisů (kapitola 2.4) [10, 11]. Na základě zhodnocení současného stavu můžeme konstatovat, že dosud nebyla věnována dostatečná pozornost následujícím problémům: studiu a popisu metalurgie návarů vysokouhlíkových ocelí posouzení vlivu základních materiálů kolejnic na možné problémy při navařování v závislosti na známých vadách způsobených provozem studiu teplotního pole s ohledem na napěťové stavy v materiálu návrhu a odzkoušení parametrů navařování bez použití předehřevu návrhu vhodných přídavných materiálů odzkoušení technologií navařování s kombinací přídavných materiálů s dosažením požadovaných mechanických vlastností využitelnosti výsledků práce pro jiné oblasti strojírenství

20 3. Cíle habilitační práce a postup řešení Dosud neřešené, nebo nedostatečně řešené problémy při navařování kolejnic s vysokým obsahem uhlíku uvedené ve zhodnocení teoretické části práce lze považovat za vstupní podklady pro řešení této práce. Na jejich základě byly stanoveny následující hlavní cíle habilitační práce: Výzkum vlivu technologických parametrů navařování a chemického složení přídavných materiálů s cílem zvýšit užitné vlastnosti návarů. Pro hodnocení náchylnosti návarů feriticko-perlitických materiálů pro výrobu kolejnic na vznik trhlin definovat kritérium použitelné v praxi. Stanovit podmínky pro navařování kolejnic vysokolegovaným austenitickým svarovým kovem bez vzniku trhlin. V experimentální části práce budou tyto cíle řešeny následujícím postupem: Vliv parametrů navařování na chemické složení návarů Vliv parametrů navařování na změny v tepelně ovlivněné oblasti Zhodnocení vlivu parametrů navařování na změny v tepelně ovlivněné oblasti Vliv parametrů navařování na vznik trhlin v návarech a TOO Zhodnocení vlivu parametrů navařování na vznik trhlin v návarech a TOO Závěry výsledků Zhodnocení zkoušek návarů Posouzení kvality návarů Ověření navržené technologie navařování

21 4. Experimentální část práce Pro vlastní experimenty byla z ocelí uvedených v tabulce 2.1 vybrána kolejnice z oceli UIC 900A, jako nejvíce používaná u nás i v Evropě (kap. 2.1). Experimentálně ověřované přídavné materiály byly vybrány a použity podle vlastností svarového kovu: nelegované - drát A 106 v kombinaci s tavidlem OK Flux s výsledným svarovým kovem feriticko-perlitickým [1]. nízkolegované drát A 234 (2,5%Ni) v kombinaci s tavidlem OK Flux s výsledným svarovým kovem perlitickým. střednělegované plněná elektroda OK Tubrodur 15.43, které mají výsledný svarový kov perlitický nebo bainitický. vysokolegované plněná elektroda OK Tubrodur 15.65, OK Tubrodur s vlastní ochranou, drát OK Autrod v kombinaci s tavidlem OK Flux a drát Wegusta 1,4370 v kombinaci s tavidlem OK Flux a Wegusta Svarový kov všech těchto materiálů je austenitický, který provozem zpevňuje na téměř dvojnásobek tvrdosti (tab. 2.2). Tab. 2.2: Přehled přídavných materiálů pro navařování kolejnic Označení oceli C Mn Si P S Cr Ni Mo Tvrdost SK HV30 (jakost) (hm. %) po navař. po zpevn. Elektroda OK ,06 1,50 0,35 0,01 0, , Elektroda OK ,10 0,70 0, , Elektroda E-B 502 0,09 0,90 0, , Drát APT A OK ,07 1,11 0,06 0,012 0, Drát APT A OK ,08 1,09 0,31 0,014 0,016-2, Drát APT Autr OK ,12 1,50 0, OK Autrod OK ,20 6,50 0, ,50 8,50 0, OK-Tubrodur ,12 1,30 0, ,20-0, HRC OK-Tubrodur ,15 1,10 0, ,10 2,30 0, HR OK-Tubrodur ,30 13,50 0, ,00 1,70 0,55 24HRC C OK-Tubrodur ,04 6,00 0, ,00 8, CASTOLIN Flux3205 0,20 13,00 0, ,00 0, Wegusta 1, Flux 0,10 6,00 0, ,00 9, LINCOLN NS - 3M 0,20 0,40 0, Al = 1,

22 4.1 Vliv parametrů navařování na chemické složení návarů Chemické složení návarů bylo sledováno z několika hledisek majících vliv na výsledné mechanické vlastnosti. Návary byly provedeny vybranými přídavnými materiály na základní materiály uvedené v úvodu kapitoly 4. Je zřejmé, že chemické složení návaru závisí m.j. na parametrech navařování (Q, I) a poloze návaru (horní, boční). Při navařování boční plochy kolejnice dochází k menšímu promísení základního a přídavného materiálu a ve vzniklém svarovém kovu se pohybuje obsah uhlíku v rozmezí 0,17 0,23 hm. %. Tyto obsahy jsou zjištěny při minimálně dvojnásobných proudech než u navařování horní plochy hlavy kolejnice, z důvodu menší plochy ztavení (obr. 4.1) k objemu roztaveného svarového kovu (poměr hodnot A:B). I při návaru boční plochy hlavy kolejnice platí nárůst obsahu uhlíku při vzrůstajícím proudu (obr. 4.2). Na základě dosažených výsledků a posouzení výskytu trhlin (obr. 4.4) byl stanoven maximální obsah uhlíku v návaru 0,3 hm.%. Při tomto obsahu uhlíku nevzniká martenzit ani trhliny v návaru. Závislost obsahu uhlíku na svařovacím proudu je uvedena na obr Lze pozorovat, že v rozmezí 200 až 400 A v případě návaru horní plochy a v rozmezí 350 až 600 A, v případě bočního návaru, se stoupajícím proudem stoupá obsah uhlíku v návarovém kovu prakticky lineárně, avšak horní hranice obsahu uhlíku se asymptoticky blíží k hranici 0,35 hm.% C v případě horního návaru a 0,22 hm.%c v případě bočního návaru. Dolní mez obsahu uhlíku v návaru při nízkých proudových hustotách je limitovaná obsahem uhlíku ve svarovém kovu. Z obrázku 4.2 a 4.3 je patrné snížení obsahu uhlíku při použití přídavného materiálu A 234 (2,5% Ni) v kombinaci s tavidlem OK Flux z důvodu snížení difúze uhlíku do nízkouhlíkového svarového kovu. 4.2 Vliv parametrů navařování na změny v tepelně ovlivněné oblasti Tepelně ovlivněná oblast patří obecně k nejproblematičtějším místům svarového spoje. Speciálně u ocelí s vysokým obsahem uhlíku lze předpokládat možnost vzniku zákalných struktur zejména při vyloučení předehřevu [1, 12]. Pro posouzení změn v TOO byly provedeny návary vybranými přídavnými materiály na základní materiály uvedené v úvodu kapitoly 4. Komplexní zhodnocení je provedeno v kapitole

23 A B Obr. 4.1: Trhliny ve svarovém kovu vzorku 222 způsobené nevhodnými svařovacími parametry s označením plochy pro určení trhlinového parametru T r (parametry navařování pro horní i boční plochu hlavy kolejnice : Q = 15,39 kj.cm -1, I = 450 A) [1] (2x) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 hm.% C 0,10 0, I [A] ,855 14,535 14,250 13,680 10,260 7,980 9,120 9,720 Q [kj.cm -1 ] 6,840 5,700 0,00 Návar horní plochy s A106 Ruční navařování obalenou elektrodou Návar horní plochy s A 234 Boční návar s A 234 Obr. 4.2: Závislost promísení uhlíku (obsah C v návaru) na svařovacím proudu I a vneseném teple Q (základní materiál C = 0,65 hm.%, svarový kov C = 0,08 hm.%)

24 0,40 0,35 0,30 0,25 hm.% C 0,20 0,15 0,10 0,05 0, I [A] Návar horní plochy s A 106 Ruční obloukové navařování Boční návar s A 106 Návar horní plochy s A 234 Obr. 4.3: Závislost promísení uhlíku (obsah C v návaru) na svařovacím proudu I (A) (základní materiál C = 0,65 hm.%, svarový kov C = 0,08 hm.%, červená křivka 2,5 hm.% Ni). 4.3 Vliv parametrů navařování na vznik trhlin v návarech a TOO Pro studium vneseného tepla a intenzity svařovacího proudu na vznik trhlin byl použit trhlinový parametr T r, který udává délku trhlin v jednotkové ploše návaru dle obr Závislost trhlinového parametru T r na vneseném teple Q a svařovacím proudu I je znázorněna na obr Z obr. 4.4 je patrné, že s klesajícím tepelným příkonem, trhlinový parametr klesá, přičemž při daném tepelném příkonu klesá s klesajícím svařovacím proudem (díky klesajícímu obsahu uhlíku v návaru). Existuje jen úzká oblast v níž se nepozorují trhliny a nevzniká martenzit (kap. 6). V případě bočního návaru nebyly trhliny pozorovány ani při zvýšení parametrů navařování pro horní plochu hlavy kolejnice koeficientem 2,3 až 2,6 x, který rovněž zajistí obsah uhlíku v bočním návaru shodný s obsahem uhlíku v horním návaru

25 Tr*100 [1/mm] I [A] 4,275 5,130 5,700 6,270 6,840 7,410 7,980 8,550 9,120 9,690 10,260 10,830 11,400 11,970 Q [kj.cm -1 ] 12,540 13,110 13,680 14,250 14,820 15,390 15,960 16,530 17,100 17,670 18,240 18, Návar horní plochy s A106 Ruční navařování obalenou elektrodou Návar horní plochy s A 234 Oblast parametrů navař. s A 234 (2,5%Ni) Obr. 4.4 : Závislost trhlinového parametru T r *100 na vneseném teple Q a svařovacím proudu I (základní materiál C = 0,65 hm.%, svarový kov C = 0,08 hm.%) 5. Ověření navržené technologie navařování Z teoretického rozboru v kapitole 2 a výsledků uvedených v kapitole 4 byly navrženy vzorky reprezentující reálné návary z hlediska parametrů navařování a technologického postupu navařování v technické praxi. Tyto vzorky byly podrobeny zkouškám. Z důvodu praktického využití technologie na Českých drahách a v dopravních podnicích v České republice i jinde ve světě byla metodika zkoušení zvolena dle předpisů citovaných institucí: předpis S3/5 ČD [10], předpis T1/2 sdružení dopravních podniků ČR [11] a TÜV BAYERN SACHSEN - VdTÜV Merkblatt No [23]. Dle výše uvedených předpisů bylo provedeno hodnocení zkušebních návarů a z výsledků lze konstatovat, že vyhověly všem zkouškám [29, 34]

26 Pouze u vzorku (austenitický návar na kolejnici UIC 900A) byly ve spodní housence tmavé pásy s martenzitickou strukturou, jejichž vznik je popsán v habilitační práci (kap. 4). Výsledné měření tvrdostí těchto pásů prokázalo vyhovující výsledky (kap. 6). 6. Diskuse výsledků a shrnutí Pro svařování a navařování vysokouhlíkových materiálů bez předehřevu je nutné řešit mnoho problémů vznikajících kombinací vysokého obsahu uhlíku v základním materiálu, promísením základního materiálu a svarového kovu, difúzí uhlíku ze základního materiálu do svarového kovu, žíhání housenky housenkou až po vlastní úpravy standardních technologických postupů za účelem splnění požadovaných předpokladů. Z tohoto důvodu byla celá práce rozdělena do kapitol podle řešených problémů z nichž vyplynuly jednotlivé závěry. Tyto závěry posloužily k provedení zkušebních návarů a jejich posouzení pro využití v praxi. Závěry jednotlivých kapitol lze shrnout do těchto bodů: Kapitola 2 Současný stav problematiky: V současné době se používají pro výrobu kolejnic materiály řady UIC 700 až UIC Z hlediska vývoje nových materiálů je možné jmenovat dva trendy - vývoj mikrolegovaných kolejnicových materiálů (BAINIT 1 a 2, AREA 300 a 350) a nebo použití tepelného zpracování hlav kolejnic (UIC S700 HSH a UIC S900 HSH) (tab. 2.1). Při renovačních technologiích je nutné zohlednit o jaký typ základního materiálu kolejnic jde. Jejich vlastnosti mají zásadní vliv na možnost navařování kolejnic. Důležitou oblastí je rovněž výskyt vad (kap. 2.3), které mohou zapříčinit lom kolejnice při navařování. Proto je nutné na základě znalostí vad navrhnout způsoby jejich odstranění před vlastním navařováním. V kapitole 2.4 jsou uvedeny technologie navařování kolejnic s přímou návazností na studium teplotního pole (kap. 2.5) a jejich vlivu na základní materiál i vlastní návar. Jako problémové z hlediska teplotního pole se jeví jednoznačně vysokolegované přídavné

27 materiály používané při navařování na vysokouhlíkové materiály z důvodu tepelné roztažnosti. Kapitola 4 Experimentální část práce Tato kapitola řeší základní problémy navařování kolejnic s vysokým obsahem uhlíku. Z této kapitoly vyplývají následující závěry: Závěry z výsledků chemických analýz návarů: Se stoupajícím vneseným teplem stoupá množství uhlíku v návaru, ať už se jedná o návar horní nebo boční plochy hlavy kolejnice. Tato závislost platí pro všechny použité technologie navařování. Se stoupajícím proudem při navařování zásadně stoupá obsah uhlíku v návaru i při zachování vneseného tepla (obr. 4.2 a 4.3). Zvyšující se hodnota svařovacího proudu úměrně zvyšuje hloubku závaru a tím i promísení základního a přídavného materiálu. Z výsledků byla stanovena maximální přípustná průměrná hodnota obsahu uhlíku v návaru provedeném nízkouhlíkovým nelegovaným materiálem na kolejnici bez výskytu trhlin a martenzitu max. 0,30 hm.%. Při použití nízkolegovaného přídavného materiálu A 234 v kombinaci s tavidlem OK Flux dochází ke snížení obsahu uhlíku v návaru díky 2,5% niklu, který tvoří přirozenou bariéru proti difúzi uhlíku do austenitického materiálu [12, 21]. Z tohoto důvodu lze použít větší rozsah parametrů navařování (Q, I) při zachování maximálního obsahu uhlíku 0,3% v návaru (obr. 4.2 a 4.3). Závěry z hodnocení změn v tepelně ovlivněné oblasti: Vnesené teplo má zásadní vliv na výslednou strukturu v TOO. Při navařování horní plochy hlavy kolejnic z materiálů UIC 700 je jeho rozmezí Q= 5,9-8,0 kj.cm -1 pro získání vyhovující feriticko-perlitické struktury. Pro navařování nesmí být v žádném případě použita hodnota nižší než minimální. Pro použití technologie v praxi lze doporučit střední hodnoty vneseného tepla tj. kolem 7 kj.cm -1. Při použití rozmezí vneseného tepla se šířka TOO pohybuje od 1,5 do 2 mm

28 Při provádění návarů horní plochy hlavy kolejnice UIC 900A materiálem A 234 (2,5%Ni) v kombinaci s tavidlem OK FLUX je rozmezí vneseného tepla 7,41 10 kj.cm -1. Šířka TOO se pohybuje od 2 3 mm. Při navařování boční plochy hlavy kolejnice lze použít v nesené teplo kj.cm -1, které ve všech případech bezpečně zajišťuje vyhovující TOO o šířce do 2-3 mm s vyhovující feriticko-perlitickou strukturou. Zásadní vliv na strukturu TOO má množství uhlíku v základním materiálu, který je nejvyšší v kolejnicových ocelích UIC 900A. V případě návarů těchto kolejnic se vyskytoval nízkouhlíkový martenzit (příp. bainit) v ostrůvcích při použití vneseného tepla 6,2 kj.cm -1 a méně. V těchto případech je nutné použití žíhací housenky (žíhací vrstvy), která z naměřených hodnot kolem 420 HV30 sníží hodnotu tvrdosti pod 350HV30. Druhá možnost pro dosažení vyhovujících hodnot je navařování vrstvy střídavě napříč přes hlavu kolejnice. Tento postup zajistí pomalejší chladnutí TOO a tím i dosažení tvrdosti v hodnotách pod 400 HV30 při první vrstvě návaru [26]. Při navařování vysokouhlíkového materiálu nízkouhlíkovým materiálem bylo dokázáno, že vlivem koncentračního spádu dochází k difúzi uhlíku se základního materiálu do svarového kovu a tím snížení obsahu uhlíku v TOO do hloubky min. 0,2 mm na úroveň hodnot obsahu uhlíku ve svarovém kovu, v našem případě na 0,3 hm.% C (habilitační práce kap. 4.3). Lze tedy konstatovat, že i kdyby vznikl v ostrůvcích martenzit bude nízkouhlíkový do tvrdosti 420 HV30, který lze bezpečně vyžíhat následující vrstvou na vyhovující hodnoty pod 400 HV30. Musí však platit zásada, že výskyt martenzitu může být pouze v ostrůvcích, nikoliv v pásech pod celou plochou návaru. Rovněž lze konstatovat, že ARA diagramy výrobce kolejnic pozbývají platnost v TOO, protože obsah uhlíku je zejména v kritickém pásmu přehřátí kolem hranice ztavení nižší (habilitační práce kap. 4.3). Při navařování vysokolegovaného přídavného materiálu na vysokouhlíkový materiál může dojít při vyšších hodnotách vneseného tepla a svařovacího proudu k většímu průvaru, který je příčinou vyššího obsahu uhlíku v austenitu a následně vyloučení tohoto uhlíku po hranicích zrn ve formě karbidů chrómu Cr 23 C 6. Při deformaci této struktury provozem může dojít k vydrolování návaru. V tomto případě lze doporučit použití mezivrstvy navařené nízkouhlíkovým materiálem A 234 (2,5%Ni) v kombinaci s tavidlem OK FLUX 10.71, která vytvoří bariéru zpomalující difúzi uhlíku

29 Závěry hodnocení trhlin v návarech a TOO: Na základě provedených zkoušek je možné stanovit optimální parametry pro navařování kolejnic horní plochy hlavy kolejnice typu UIC 900A: Q = 7,41 kj.cm -1 při svařovacím proudu 300 A, napětí 26 V a rychlosti navařování 60 cm.min -1 přídavným materiálem A 234 (2,5%Ni) o průměru 2,5 mm v kombinaci s tavidlem OK FLUX 10.71, kde se v návaru ani v TOO nevyskytují trhliny ani nepřípustné struktury (kap. 4.3). Vhodné parametry pro navařování boční plochy hlavy kolejnice typu UIC 900A jsou: vnesené teplo v rozsahu Q = kj.cm -1 při maximálním svařovacím proudu 530 A a rychlosti navařování 60 cm.min -1 přídavným materiálem A 106 nebo A 234 (2,5%Ni) o průměru 3,2 nebo 4 mm podle velikosti opotřebení hlavy kolejnice v kombinaci s tavidlem OK FLUX Vzhledem k přechodu na horní plochu kolejnice je nutné klást poslední housenku více na návar s maximálním překrytím na horní plochu 1/3 a 2/3 na návar. Tím se zajistí menší plocha ztavení horní plochy hlavy kolejnice. Ze závislosti trhlinového parametru T r na vneseném teple Q a svařovacím proudu I (obr. 4.4) lze konstatovat: S klesajícím tepelným příkonem, trhlinový parametr klesá, přičemž při daném tepelném příkonu klesá s klesajícím svařovacím proudem (díky klesajícímu obsahu uhlíku v návaru). Naopak, při velmi malých hodnotách Q opět vzniká martenzit a trhliny, díky vysoké rychlosti ochlazování zejména v TOO. Existuje jen úzká oblast v níž se nepozorují trhliny a nevzniká martenzit. Tuto oblast lze definovat svařovacími parametry pro horní návar, a to vnesené teplo v rozmezí 5,9 až 8,0 kj.cm -1, svařovací proud 300 A, svařovací napětí 25 až 28 V a svařovací rychlost 60 cm.min -1 při použití nelegovaném přídavného materiálu A 106 v kombinaci s tavidlem OK FLUX Při použití přídavného materiálu s obsahem niklu A 234 (2,5%Ni) v kombinaci s tavidlem OK FLUX se rozsah parametrů zvýší na: Q = 7,41 10 kj.cm -1, svařovací proud max. 350 A, svařovací napětí 25 až 30 V a svařovací rychlost 60 cm.min -1. Možnost rozšíření parametrů má zásadní vliv na ekonomiku navařování

30 V případě bočního návaru nebyly trhliny pozorovány ani při zvýšení parametrů navařování pro horní plochu hlavy kolejnice koeficientem 2,3 až 2,6x, které rovněž zajistí obsah uhlíku v bočním návaru shodný s obsahem uhlíku v horním návaru. Pro navařování boční plochy hlavy kolejnice lze použít parametry navařování: Q = kj.cm -1, svařovací proud max. 530 A a svařovací rychlost 60 cm.min -1 při použití přídavného materiálu A 106 nebo A 234 (2,5%Ni) o průměru 3,2 nebo 4 mm v kombinaci s tavidlem OK FLUX Kapitola 5 - závěry z ověření technologie navařování Na základě výsledků z kapitoly 4 byly provedeny zkušební návary, které po předložení uvedeným institucím prošly zkouškami potvrzujícími schválení nové technologie ojedinělé u nás i ve světě. Tyto výsledky potvrdily i praktické návary v provozních podmínkách (obr. 6.1 a 6.2) prováděné dle schválených technologických postupů [35] uvedených v habilitační práci přílohy A6 A8. Obr. 6.1: Horní a boční návar hlavy žlábkové kolejnice provedený zařízením PS-01 Obr. 6.2: Horní návar srdcovky provedený zařízením PS-02 (Nová Huť a.s. 1999)

31 7. Vědecký přínos pro rozvoj oboru strojírenské technologie a poznatky práce pro využití v praxi Předložená habilitační práce přinesla řadu nových teoretických a praktických poznatků z oboru navařování ocelí s vysokým obsahem uhlíku. Za hlavní teoretické přínosy práce pro rozvoj strojírenské technologie považuji: Vyřešení problému difúze uhlíku z feriticko - perlitických základních materiálů do austenitických návarů použitím přídavných materiálů na bázi niklu. Snížení příspěvků zbytkových napětí po navařování materiálů s rozdílnými koeficienty tepelné roztažnosti použitím navržených mezivrstev. Stanovení trhlinového parametru T r pomocí kterého je možné definovat technologické parametry navařování pro provádění návarů bez vzniku trhlin i při navařování vysokouhlíkových materiálů bez předehřevu. Návrh řešení austenitických návarů na feriticko perlitické materiály cestou popouštění křehkých strukturních složek pomocí vícevrstvých návarů. Uvedené teoretické výsledky práce je možné použít v praxi při řešení problematiky navařování materiálů s vysokým obsahem uhlíku zejména pro: Navařování kolejnic typu UIC 700, UIC 900, UIC 1100 a kolejnic typu S 700 HSH a S 900 HSH při dosažení vyšších užitných vlastností ve srovnání s původně používanými technologiemi. Navařování kolejnic přídavnými materiály typu 18Cr-8Ni-6Mn, kdy navařená mezivrstva eliminuje vznik martenzitických pásů ve svarovém kovu a tím i následně porušování návarů. Zvýšení životnosti úseků kolejových tratí navařením části profilu dílu austenitickým návarem, který po deformačním zpevnění provozem má podstatně vyšší životnost než původně používané návary. Stanovení technologických parametrů navařování pomocí trhlinového parametru T r bez nebezpečí vzniku trhlin. Řešení problematiky navařování ocelí s vysokým obsahem uhlíku i v jiných strojírenských aplikacích, např. při návrhu technologie svařování heterogenních svarů

32 8. Závěr Na základě teoretického rozboru problematiky (kapitola 2) a provedených praktických zkoušek byly posouzeny jednotlivé typy návarů. Výsledky uvedené v kapitole 5 a 6 potvrdily složitost uváděných renovačních technologií zejména při použití základních a přídavných materiálů s rozdílným chemickým složením. V práci byly řešeny následující problémy a práce přinesla následující výsledky: Původní technologie navařování nelegovaným přídavným materiálem [1] byla touto prací rozšířena a optimalizována použitím nízkolegovaného přídavného materiálu ESAB A 234 (2,5%Ni) v kombinaci s tavidlem OK FLUX s dosažením vyšších mechanických vlastností pro aplikaci nejen na kolejnice UIC 700 (původní varianta), ale i pro kolejnice UIC 900 nebo jako mezivrstva pro kolejnice UIC a kolejnice s tepelným zpracováním S 700 HSH a S 900 HSH. Aplikace přídavného materiálu ESAB A 234 v kombinaci s tavidlem OK FLUX 10.71, použitého jako mezivrstva pod vysokolegované materiály typu 18Cr-8Ni-6Mn eliminuje problémy vzniku martenzitických pásů ve svarovém kovu s možností vydrolování návarů způsobeným zvýšením obsahu uhlíku v austenitickém svarovém kovu. Rovněž příznivě působí na napěťové stavy vyvolané rozdílnou tepelnou roztažností obou materiálů systému vysokolegovaný návar - vysokouhlíkový základní materiál (kapitola 2.5.2). Vznik trhlin ve svarovém kovu a TOO byl definován kritériem (tzv. trhlinovým parametrem T r, obr. 4.4), při použití přídavného materiálu ESAB A 234 v kombinaci s tavidlem OK legovaného 2,5% Ni. Pomocí tohoto kritéria je možné určit technologické parametry navařování, kdy trhliny nevznikají, což je základní požadavek pro použití technologie navařování nízkolegovaným přídavným materiálem automatem pod tavidlem bez předehřevu. Výsledky zkoušek zkušebních úseků tratí potvrdily reálnou možnost zvýšení životnosti vybraných částí kolejových tratí navařením části profilu austenitickým přídavným materiálem, který po zpevnění provozem má podstatně vyšší životnost. Pro použití středně a vysokolegovaných přídavných materiálů byly navrženy konkrétní technologie navařování, z nichž nejvýhodnější z hlediska opakovatelnosti výsledků je

33 navařování automatem pod tavidlem, které lze v omezeném rozsahu aplikací nahradit předehřev zvýšeným tepelným příkonem za předpokladu korektního dodržování experimentálně stanovených rozsahů technologických parametrů. Pro technologie ručního navařování je předehřev nutnou podmínkou pro zabezpečení vyhovující jakosti návaru [20]. Nepříznivým vlivem, při navařování vysokolegovaných materiálů na vysokouhlíkový základní materiál, je použití vyšších hodnot svařovacích parametrů způsobujících větší hloubku závaru. Ten má za následek větší promísení se základním materiálem a tím nárůst obsahu uhlíku v návaru s konečným důsledkem degradace austenitické struktury s možností vydrolování návarů v oblastech s pásmovým a dendritickým odmíšením legujících prvků. V těchto oblastech vznikají pásy bainitické struktury, kde rozhraní jednotlivých vrstev je tvořeno nízkouhlíkovým dislokačním martenzitem. Vznik martenzitu v těchto pásmech není podmíněn deformačním zpevněním, popř. broušením vrstev před navařením následující housenky, ale vzniká přímo působením teplotního cyklu při navařování. Z tohoto důvodu není nutné při opakovaném navařování opotřebeného úseku úplné odstranění původních vrstev, je pouze potřebné důsledné vybroušení vyskytujících se trhlin s následnou kapilární zkouškou. U austenitických materiálu je nutné vždy počítat s transformačním zpevněním v povrchové vrstvě podle typu austenitického návaru. Tato vrstva má strukturu dislokačního martenzitu. Z hlediska napěťových stavů je nejkritičtější tepelně ovlivněná oblast zejména pod poslední kladenou housenkou, která není vyžíhána dalšími vrstvami. Z tohoto důvodu vznikají v této vrstvě nejvyšší úrovně tahových napětí. Dle předchozího bodu je patrné, že použití vícevrstvého návaru má pozitivní vliv na jakost tepelně ovlivněné oblasti s nutností dodržení vhodné výšky vrstev. V tomto případě lze s výhodou využít efekt popuštění případně se vyskytujících křehkých strukturních složek v předchozích návarech a jejich TOO. Pro praktické využití této progresivní technologie byla problematika navařování kolejnic řešena v rámci komplexního projektu firmy JINPO PLUS a.s. Ostrava, kde souběžně s vývojem technologie navařování kolejnic automatem pod tavidlem bez předehřevu byla realizována stavba a výroba prototypu speciálního navařovacího vozíku PS-01, který umožňuje provádění návarů na bočních i horních plochách opotřebovaných kolejnic

34 tramvajových oblouků v automatickém režimu s přesností 0 +1 mm a následně speciálního automatu PS-02 pro navařování exponovaných dílů kolejnic (obr. 6.1,6.2)[36]. Jako příklad využití technologie v praxi lze uvést návary exponovaných míst na vlečce v Nové Huti a.s. Ostrava (první návary byly provedeny v roce 1998), kde ke dnešnímu dni bylo navařeno přes 780 srdcovek. Jako zkušební a referenční vzorky byly prováděny další návary v Polsku v Krakově (1998), v Maďarsku (2000), ve Švýcarsku v Ženevě (2000) a v Belgii v Bruselu (2001). Na základě dobrých výsledků získala firma SECO-RAIL z Francie (používající technologii a zařízení PS-01 a PS-02 firmy JINPO PLUS a.s.) pětiletou zakázku na navařování oblouků u Dopravního podniku v Bruselu. Nová technologie navařování automatem pod tavidlem bez předehřevu je chráněna dvěma vynálezy v ČR (obr. 8.1) [25, 26], jednou přihláškou mezinárodního vynálezu PCT [27] a zařízení pro navařování zápisem užitného vzoru [28]. Závěry praktických zkoušek potvrdily nutnost pokračovat ve studiu této problematiky. Zdaleka nejsou zodpovězeny všechny otázky k tématu aplikací různých kombinací návarů. Z hlediska použitelnosti v jiných oblastech strojírenství lze výsledky této práce přímo využít v aplikacích svařování heterogenních svarových spojů. Obr. 8.1: Vynález č Způsob automatického nebo poloautomatického navařování kolejnic [25, 26]