Method for heat treatment of the running surface of the head of the pearlitic steel rails

• Autorzy: Kuziak Roman , Pidvysots’kyy Valeriy , Rauch Łukasz , Pietrzyk Maciej

Identyfikatory

DOI

10.32730/imz.2657-747.21.1.2

Warianty tytułu

PL

Metoda obróbki cieplnej warstwy tocznej szyn perlitycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper deals with the new approach to the optimization of the pearlitic rail’s head hardening process aimed at balancing the relation between strength and ductility of the head running surface. In the industrial process, efforts have been undertaken so far to maximize the hardness of the rail’s head while maintaining its pearlite structure, resulting in obtaining enhanced wear resistance and resistance to the contact fatigue defects initiation. The new approach, described in this paper, aims at designing the head hardening process enabling achievement of the high hardness of the running surface combined with high ductility expressed in terms of the total elongation. To achieve this aim of the investigation, a computer program was developed capable of predicting the occurrence of the phase transformations during rail head cooling and microstructure features after cooling. The program was linked with dedicated inverse module enabling the adjustment of the cooling conditions to achieve the required state of the pearlitic structure.

PL

W artykule przedstawiono nowe podejście do optymalizacji procesu obróbki cieplnej szyn perlitycznych, którego celem jest uzyskanie korzystnej relacji między twardością a ciągliwością warstwy tocznej główki szyn. Opracowane dotychczas technologie obróbki cieplnej szyn perlitycznych stawiały sobie za cel uzyskanie jak najwyższej twardości powierzchni tocznej główki, przy zachowaniu struktury perlitycznej tej powierzchni. Dzięki temu uzyskuje się znaczący wzrost odporności tej powierzchni na procesy zużycia i inicjowanie wad kontaktowo-zmęczeniowych. Zaproponowana metoda obróbki cieplnej umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej twardości powierzchni tocznej, ale równocześnie, pozwala na uzyskanie wysokiej ciągliwości tej warstwy, wyrażonej poprzez wydłużenie do zerwania w statycznej próbie rozciągania. Warunki obróbki cieplnej, spełniającej powyższe założenia, opracowano stosując dedykowany program komputerowy, który symuluje przemiany fazowe w szynie, z możliwością przeprowadzenia optymalizacji procesu z zastosowaniem metody obliczeń odwrotnych.

Słowa kluczowe

EN

perlitic rails; heat treatment; mechanical properties; wear; contact fatigue defects

PL

szyny o strukturze perlitycznej; obróbka cieplna; właściwości mechaniczne; zużycie; wady kontaktowo-zmęczeniowe

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukaszewicz - Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica
• Czasopismo: Journal of Metallic Materials
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 73, no. 1
• Strony: 9--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kuziak Roman

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Pidvysots’kyy Valeriy

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Metalurgii Żelaza

autor

Rauch Łukasz

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Pietrzyk Maciej

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Bibliografia

• [1] E. Osto, F. Pegorin, L.E. Giacomini. World’s first application of new rail hardening technology and state-of-the art water cooling processes for long rolling. In: Technical contribution to the 52nd Seminário de Laminação - Processos e Produtos Laminados e Revestidos, part of the ABM Week, Rio de Janeiro, 2015, p. 76-88.
• [2] R. Kuziak, T. Zygmunt. A new method of rail head hardening of standard-gauge rails for improved wear and damage resistance. Steel Research Int., 2013, 84, p. 13-19.
• [3] S.S. Satyam, M. Goutam, G.E. Totten. Overview of pearlitic rails steel: accelerated cooling, quenching, microstructure, and mechanical properties. Journal of ASTM International, 2009, 6 (7), p. 1-26.
• [4] R. Kuziak, V. Pidvysots’kyy, M. Pernach, Ł. Rauch, T. Zygmunt, M. Pietrzyk. Selection of the best phase transformation model for optimization of manufacturing processes of pearlitic steel rails. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2019, 19, p. 535-546.
• [5] R.J. Ackert, M.A. Nott. Accelerated water cooling of railway rails in-line with the hot rolling mill. Proc. Symp. Accelerated Cooling of Roled Steels, Eds. Ruddle, G.E., Crawley, A.F. Winnipeg: Pergamon Press, 1987, p. 359-372.
• [6] S.S. Sahay, G. Mohapatra, G.E. Totten. Overview of pearlitic rail steels: accelerated cooling, quenching, microstructure and mechanical properties. Journal of ASTM International, 2009, 6, p. 1-26.
• [7] Fata R.G., Jones J.A., Perlman A.B., Orringer O., A numerical model for estimation of temperature-time history and residual stress in head-hardened rails, Proc. 39th Mechanical Working and Steel Processing Conference, Vol. XXXV, Warrendale, 1998, p. 1037-1044.
• [8] R.D. Morales, G. Lopez, M. Olivares. Heat transfer analysis during water spray cooling of steel rods. ISIJ International, 1990, 30, p. 48-57.
• [9] G. Li, Z. Liu, L. Chen, X. Hou. Numerical calculation of the comprehensive heat transfer coefficient on the surface of rail in the spray cooling process. Journal of Metallurgical Engineering, 2015, 4, p. 13-17.
• [10] A. Milenin, M. Pernach, Ł. Rauch, R. Kuziak, T. Zygmunt, M. Pietrzyk. Modelling and optimization of the manufacturing chain for rails. Procedia Engineering, 2017, 207, p. 2101-2106.
• [11] A. Milenin, W. Zalecki, M. Pernach, Ł. Rauch, R. Kuziak, T. Zygmunt, M. Pietrzyk. Modelling and optimization of the manufacturing chain for pearlitic and bainitic steel rails. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2020, 20, doi.org/10.1007/s43452-020-00107-0.
• [12] J.H. Lienhard IV, J.H. Lienhard V. Heat transfer text book. 3rd Ed. Cambridge, 2001.
• [13] M. Pietrzyk. Finite element simulation of large plastic deformation. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 106, p. 223-229.
• [14] M. Pietrzyk, R. Kuziak. Modelling phase transformations in steel. In: Microstructure evolution in metal forming processes, (eds), Lin J., Balint D., Pietrzyk M. Oxford: Woodhead Publishing, 2012, p. 145-179.
• [15] M. Pietrzyk, R. Kuziak. Numerical simulation of controlled cooling of rails as a tool for optimal design of this process. Computer Methods in Materials Science, 2012, 12 (4), p. 233-243.
• [16] M. Pietrzyk, Ł. Madej, Ł. Rauch, D. Szeliga. Computational Materials Engineering: Achieving high accuracy and efficiency in metals processing simulations. Amsterdam: Elsevier, 2015.
• [17] R. Kuziak, R. Molenda, A. Wrożyna, J. Kusiak, M. Pietrzyk. Experimental verification and validation of the phase transformation model used for optimization of heat treatment of rails. Computer Methods in Materials Science, 2014, 14 (1), p. 53-63.
• [18] D. Szeliga, R. Kuziak, T. Zygmunt, J. Kusiak, M. Pietrzyk. Selection of parameters of the heat treatment thermal cycle for rails with respect to the wear resistance. Steel Research International, 2014, 85, p. 1070-1082.
• [19] R. Kuziak, V. Pidvysots’kyy, K. Radwański, A. Mazur, T. Zygmunt, M. Pietrzyk, Ł. Rauch, D. Bachniak. Optimization of the heat treatment process to obtain the required distribution of mechanical properties in the rail head of pearlitic rails. Journal of Metallic Materials, 2019, 71 (1), p. 1-7.
• [20] R. Kuziak, Y.-W. Cheng, M. Głowacki, M. Pietrzyk. Modelling of the microstructure and mechanical properties of steels during thermomechanical processing. NIST Technical Note 1393, Boulder, 1997.
• [21] Sposób obróbki cieplnej warstwy tocznej główki szyny ze stali perlitycznej, zgłoszenie patentowe P430155, 2020 (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).