Tiivistelmä. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia Hadfieldin mangaaniteräksen karbidien erkautumista ja niiden vaikutusta teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin sekä selvittää hitsausmetallurgian kannalta oleellisia muuttujia mangaaniteräksen korjaushitsauksessa. Mangaaniteräksen teoreettista taustaa selvitettiin laajasti kirjallisuuskatsauksessa pääasiassa tutkimusartikkeleihin pohjautuen. Kirjallisuuskatsauksen perusteella suoritettiin alustavaa tutkimusta hyödyntäen dilatometrikokeita ja JmatPro- ja ThermoCalc-tietokoneohjelmia. Tämän jälkeen mangaaniteräkselle toteutettiin hehkutuskoesarja sekä kolme erilaista HAZ-simulointia Gleeble termomekaanisella simulaattorilla. Hehkutuskoenäytteitä ja simuloituja HAZ:eja tarkasteltiin valomikroskoopilla.
Työn tuloksista havaittiin, että Hadfieldin mangaaniteräkseen erkautuu (Fe, Mn)3C-karbideja rakeiden sisälle ja raerajoille yli 260°C lämpötiloissa. Erkautuminen on erityisen voimakasta lämpötilavälillä 450–700°C, eikä näissä lämpötiloissa voida välttyä haitalliselta karbidierkaumalta edes nopealla jäähdytyksellä. Tällä lämpötilavälillä muodostuvat karbidit ovat morfologialtaan pääasiassa neulasmaisia sekä rakeiden sisällä, että raerajoilla.
HAZ-simulointien perusteella mangaaniteräksen HAZ:ssa ei tapahdu merkittävää karbidien erkautumista edes välipalkolämpötilan kannalta epäsuotuisissa tilanteissa. HAZ:eissa nähdään myös hienorakeisia vyöhykkeitä, minkä seurauksena HAZ:ien mekaanisissa ominaisuuksissa oletettavasti esiintyy anisotropiaa. Merkittävimmät muutokset mikrorakenteessa tapahtuvat FGHAZ:in ja perusaineen rajalla, jossa tapahtuu huomattavaa raerajakarbidien erkautumista.
Mangaaniteräksen korjaushitsauksen kannalta merkittäviksi tekijöiksi tunnistettiin välipalkolämpötilan ja jäähtymisnopeuden hallinta. Liian korkean välipalkolämpötilan seurauksena mikrorakenteeseen voi erkautua karbideja raerajoille ja rakeiden sisälle, mikä voi haurastuttaa teräksen. Karbidierkauma voidaan minimoida hallitsemalla välipalkolämpötilaa ja jäähdyttämällä teräs nopeasti erityisesti lämpötilavälin 450–700°C ohi.Repair welding of railway switches. Abstract. The aim of this master’s thesis was to study carbide precipitation and its effects on the mechanical properties of Hadfield manganese steel, and to find out variables relevant to welding metallurgy in repair welding of manganese steels. The theoretical background of manganese steels was investigated extensively in the literature review based mainly on research articles. Based on the literature review, preliminary research was performed using dilatometer experiments and JmatPro and Thermocalc computer softwares. Next, a series of annealing experiments and three different HAZ simulations using a Gleeble thermomechanical simulator were performed on the manganese steel. Annealed samples and simulated HAZ samples were investigated with an optical microscope.
The results of the work showed that (Fe, Mn)3C carbides precipitate inside the grains and on the grain boundaries of Hadfield manganese steel in temperatures over 260°C. Carbide precipitation is particularly intense in the temperature range of 450–700°C, and at these temperatures deleterious carbide precipitation cannot be avoided, even with rapid cooling. Carbides formed in this temperature range mainly have a needle-like morphology both inside the grains, and on the grain boundaries.
Based on the HAZ simulations, there is no significant carbide precipitation in the HAZ of manganese steel, even in situations unfavourable in terms of interpass temperature. Fine grained areas can be seen in the HAZs, resulting in anisotropy in the mechanical properties of HAZs. The most significant changes in the microstructure occur at the boundary of FGHAZ and base metal, where significant precipitation of grain boundary carbides can be seen.
The control of interpass temperature and cooling rate were identifed as significant factors for repair welding of manganese steel. Carbides may precipitate on the grain boundaries and inside the grains as a result of too high an interpass temperature, which can cause brittleness in the steel. Precipitation of carbides can be minimized by controlling the interpass temperature and by rapid cooling of the steel especially past the temperature range of 450–700°C
