AT505822A1 - METHOD FOR CONNECTING A MANGANEATED STEEL CASTING PART TO A RAIL RAIL - Google Patents
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Manganhartstahlgussteils mit einer. Regelschiene unter Verwendung von zumindest teilweise austeqjEischen Zwischenstücken sowie auf ein Zwischenstück für eine Verwendung in einem derartigen Verfahren.The invention relates to a method for connecting a manganese hard steel casting with a. Control rail using at least partially AusteqjEischen spacers and an intermediate piece for use in such a method.
Manganhartstahlguss lässt sich nicht umittelbar mit dem Regelschienenstahl verschweißen, da für die Verschweißung eine verhältnismäßig hohe Temperatur erforderlich ist. Austeniti-scher Manganstahlguss hat die Eigenschaft, sich bei Erwärmung auf über 300° C aufgrund von Karbidausscheidungen im Gefüge stark zu verspröden, wobei in der Folge bei einer langsamen Abkühlung das spröde Gefüge aufrecht bleibt. Es ist daher erforderlich, eine Erhitzung auf hohe Temperaturen vorzunehmen und in der Folge eine rasche Abkühlung vorzunehmen, um eine derartige Versprödung zu vermeiden. Eine derartige rasche Abkühlung kann beispielsweise durch Abschrecken in Wasser erfolgen. Kohlenstoffstahl, wie er als Regelschienenstahl eingesetzt wird, hat wiederum die Eigenschaft, bei rascher Abkühlung spröde zu werden, sodass hier im Anschluss an eine Verschweißung, um eine Versprödung zu vermeiden, die Abkühlung langsam erfolgen muss. Wegen der überragenden Festigkeitseigenschaften werden Herzstücke und Kreuzungsstellen im Schienenverkehr in aller Regel aus austenitischem Manganstahlguss hergestellt, wodurch konträre Bedingungen für die Wärmebehandlung der Schweißstellen bestehen. Um diesen unterschiedlichen Erfordernissen Rechnung tagen zu können, wurden Zwischenstücke zwischen Regelschienen und Manganhartstahlgussherzstücken vorgeschlagen, welche in Hinblick auf ihre gute Schweißbarkeit und eine entsprechende Wärmebehandlung der jeweiligen Schweißverbindung ausgewählt wurden. Derartige zumindest teilweise austenitische Zwischenstücke weisen aber relativ schlechtere Festigkeitseigenschaften als der benachbarte Regelstahl bzw. das Manganhartstahlgussstück auf.Manganese-hard steel casting can not be welded directly to the standard rail steel because the welding requires a relatively high temperature. Austenitic manganese steel casting has the property of becoming brittle when heated to over 300 ° C due to carbide precipitations in the structure, with the result that the brittle structure remains in the sequence with a slow cooling. It is therefore necessary to carry out heating to high temperatures and, as a consequence, to carry out a rapid cooling in order to avoid such embrittlement. Such a rapid cooling can be done for example by quenching in water. Carbon steel, as it is used as a standard rail steel, in turn has the property to become brittle when rapidly cooled, so that here after a welding, in order to avoid embrittlement, the cooling must be slow. Because of its superior strength properties, rail and crossings are typically made from austenitic manganese steel castings, which creates conflicting conditions for heat treatment of welds. In order to meet these different requirements, intermediate pieces were proposed between standard rails and Manganese-hard steel cast-iron frogs, which were selected in view of their good weldability and a corresponding heat treatment of the respective welded joint. However, such at least partially austenitic intermediate pieces have relatively poorer strength properties than the adjacent standard steel or the Manganhartstahlgussstück.
Ein Verfahren zum Verschweißen von austenitischem Mangan-hartstahlgussschienenstücken und insbesondere Herzstücken mit Regelschienen ist beispielsweise der AT 343712 zu entnehmen. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Zwischenstück mit ge- ringerer Höhe als der Höhe der Lauffläche des Herzstücks bzw. des Regelschienenstahls eingesetzt und eine Aufpanzerung aus verschleißfestem Manganstahl vorgenommen. Auf diese Weise soll dem Umstand Rechnung getragen werden, dass im Bereich der Schweißstellen ein Material von wesentlich geringerer Härte vorliegt, welches in der Folge die Gefahr von Eindellungen durch den rollenden Verkehr zur Folge hat. Die Länge eines derartigen Zwischenstücks wurde in der Regel mit über 50 mm bemessen, um überlappende Wärmeeinflusszonen aus den beiden Verschweißungen zu vermeiden.A method for welding austenitic manganese hard steel cast rail pieces and in particular frogs with control rails is for example the AT 343712 refer to. In this known method, an intermediate piece with a lower height than the height of the running surface of the frog or of the standard rail steel is used and an armor made of wear-resistant manganese steel. In this way, the fact should be taken into account that in the area of the welds a material of considerably lower hardness is present, which has the consequence of the risk of dents caused by rolling traffic. The length of such an intermediate piece was typically sized over 50 mm to avoid overlapping heat affected zones from the two welds.
In Weiterbildung dieser bekannten Vorgangsweise wurde in der AT 350881 bereits vorgeschlagen, das Zwischenstück auf eine geringere Länge zu beschränken, wobei hier nunmehr mit einer Länge zwischen 15 und 25 mm das Auslangen gefunden werden sollte. Mit dieser Maßnahme sollte die Gefahr einer Dellenbildung aufgrund des wesentlich kürzeren, weicheren Teilbereichs der Lauffläche verringert werden. Die prinzipiellen zugrundeliegenden Schwierigkeiten mit einer nicht ausreichenden Härte des Zwischenstücks bleiben aber bei einer derartigen Ausbildung ungelöst.In a further development of this known procedure, it has already been proposed in AT 350881 to restrict the intermediate piece to a shorter length, whereby here now the length should be found with a length of between 15 and 25 mm. With this measure, the risk of dents due to the much shorter, softer part of the tread should be reduced. The principal underlying difficulties with insufficient hardness of the spacer remain unresolved in such a training.
In der EP 391007 Bl wurde nun bereits vorgeschlagen, eine einfache Abkühlung durch Umgebungsluft auch bei der Verschweißung des Zwischenstücks mit dem ManganhartStahlguss vorzunehmen. Zu diesem Zweck wurden spezielle Werkstoffe ausgewählt, die im Wesentlichen aus 6 bis 11 Gew.% Mangan, 5 bis 8 Gew.% Nickel, 17 bis 20 Gew.% Chrom und einen Deltaferritgehalt im Bereich zwischen 5 und 15 Gew.% aufweisen. Mit derartigen Stählen ebenso wie mit anderen bisher vorgeschlagenen Stählen für das Zwischenstück wurden zwar die Probleme, die eine Direktverschweißung zwischen den beiden Stählen mit sich bringen würde, im Wesentlichen vermieden, wobei aber die Schwachstellen in Bezug auf Dauerfestigkeit und Biegebruchfestigkeit der Gesamtschweißverbindung nicht vollständig gelöst werden konnten, da die austenitischen Bauteile, und insbesondere der Werkstoff des Herzstücks und des Zwischenstücks, nur eine maximale Zugfestigkeit von 500 bis 600 N/mm2 erreichen lassen, was daher zu Eindellungen führt. •t · · • · ·· ·· ···· • · • ·In EP 391007 Bl has now been proposed to make a simple cooling by ambient air also in the welding of the intermediate piece with the ManganhartStahlguss. For this purpose, special materials were selected which essentially comprise 6 to 11 wt% manganese, 5 to 8 wt% nickel, 17 to 20 wt% chromium and a delta ferrite content in the range between 5 and 15 wt%. With such steels as well as other previously proposed steels for the spacer, while the problems that direct welding between the two steels would entail were substantially avoided, the weaknesses in fatigue strength and flexural strength of the overall weld were not fully resolved could, as the austenitic components, and in particular the material of the core and the intermediate piece, only reach a maximum tensile strength of 500 to 600 N / mm2, which therefore leads to dents. • t · · · · · ··· ···· • · • ·
• · • · · · • · · · ♦ · · · ·· ··♦ ··· 3• · · · · · · · · · · · · · ···································· 3
Die Erfindung zielt nun darauf ab, Eindellungen im Bereich der Schweißverbindung und insbesondere im Übergangsbereich zwischen Regelschiene und Hartmanganstahl besser zu verhindern und einen besonders gleichmäßigen Härte- und Festigkeitsverlauf über die Gesamtverbindung zu schaffen.The invention now aims to better prevent dents in the area of the welded connection and in particular in the transition region between the control rail and Hartmangan steel and to provide a particularly uniform hardness and strength profile over the entire connection.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen darin, dass das Zwischenstück einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, welche sich über den Umfang des Zwischenstückprofils erstreckt. Dadurch, dass das Zwischenstück einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, lassen sich im Bereich des Zwischenstücks und ggf. im Anschlussbereich und damit im Bereich der Schweißstellen die entsprechenden Festigkeitseigenschaften auch bei Wahl entsprechend weicherer Zwischenstücke entsprechend einstellen, wobei als Härtebehandlungsverfahren ein Explosionsverfestigungsverfahren besonders geeignet ist. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass das Explosionsverfestigungsverfahren so durchgeführt wird, dass es sich über einen großen Teil und insbesondere über den gesamten Umfang des Zwischenstücks erstreckt. Die Wahl des Verfestigungsverfahrens ist naturgemäß nach Herstellen der Schweißverbindung zwischen dem Zwischenstück und dem Mangan-hartstahlgussteil bzw. dem Zwischenstück und der Regelschiene nur mehr in einer Weise möglich, welche die Festigkeitseigenschaften der anschließenden Bauteile nicht beeinträchtigt. Nach erfolgter Schweißverbindung scheiden daher in aller Regel thermische Härtungsbehandlungen weitestgehend aus, da diese über die Länge des Zwischenstücks naturgemäß jeweils auch beide Schweißstellen entsprechend erfassen würden. Besonders bevorzugt ist somit in jedem Fall ein Explosionsverfestigungsverfahren, welches zu keinen Festigkeitsverringerungen durch thermische Diffusionen oder durch Weichglühen führen kann.To achieve this object, the method according to the invention consists essentially in that the intermediate piece is subjected to a hardening treatment which extends over the circumference of the intermediate piece profile. Due to the fact that the intermediate piece is subjected to a hardening treatment, the corresponding strength properties can be adjusted accordingly in the region of the intermediate piece and optionally in the connection region and therefore in the region of the welds, even if the correspondingly softer intermediate pieces are selected, whereby a solidification process is particularly suitable as a hardening treatment method. What is essential here is merely that the explosion solidification process is carried out so that it extends over a large part and in particular over the entire circumference of the intermediate piece. The choice of the solidification method is of course after making the weld between the intermediate piece and the manganese hard steel casting or the intermediate piece and the control rail only possible in a way that does not affect the strength properties of the subsequent components. As a rule, after the weld has been formed, thermal hardening treatments are largely ruled out, since they would naturally also detect both welds accordingly over the length of the intermediate piece. Thus, in any case, an explosion bonding process which can not lead to any reduction in strength by thermal diffusion or by soft annealing is particularly preferred.
Die Vorverfestigung von Herzstücken für Weichen aus Hartmanganstahl mittels Explosionsverfestigung ist bekannt, ln der AT 385218 wird dazu die Verfestigung des Herzstücks durch Aufbringung von Sprengladungen auf der Lauffläche und an den Seitenflächen des Herzstückkeils und der Knieschiene im Bereich des Radüberlaufs dokumentiert. Erfindungsgemäß kann so vorge- • ·Pre-consolidation of frogs for turnouts made of hard manganese steel by means of explosion hardening is known. In AT 385218, the solidification of the frog is documented by the application of explosive charges on the running surface and on the side surfaces of the frog piece and the knee rail in the area of the wheel overflow. According to the invention, it is thus possible to
• · • · ΜΦ »··· ··· ·· • * ··· 4 gangen werden, dass der Anschlussbereich des Manganhartstahl-gussteils vor dem Verschweißen mit dem Zwischenstück der Härtungsbehandlung unterworfen wird, wobei sich diese Härtungsbehandlung über den Umfang und damit über einen wesentlichen Teil oder die gesamte Querschnittsfläche erstrecken soll.The bonding area of the manganese steel casting is subjected to the hardening treatment before being welded to the intermediate piece, whereby this hardening treatment is applied over the circumference and therewith should extend over a substantial part or the entire cross-sectional area.
Die Anwendung von Explosionsverfestigungsverfahren ist ebenso aus der GB 765305 bekannt, bei der Verfestigungen an unterschiedlichen Bauelementen (wie z.B. Weichenkreuzungen) in ausgewählten Bereichen durch Auftragung des explosiven Materials in unterschiedlicher Dicke durchgeführt werden.The use of explosive bonding processes is also known from GB 765305, in which solidifications to different components (such as switchcuts) are made in selected areas by application of the explosive material in different thicknesses.
Auch die CZ 280993 dokumentiert ein Verfahren zur Verfestigung der Fahrflächen von Weichenherzstücken und Weichenherzstückspitzen .The CZ 280993 also documents a method for solidifying the running surfaces of switch frogs and switch frog tips.
Die Auswahl eines derartigen Explosionverfestigungsverfahrens ist nun insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn mit einem derartigen Verfahren nicht lediglich die Lauffläche bzw. Fahrfläche des Zwischenstücks bzw. des Schweißbereichs beeinflusst wird. Vielmehr soll sich das Explosionsverfestigungsverfahren über einen großen Teil und wenn möglich über den gesamten Umfang des Zwischenstücks bzw. der Schweißstelle erstrecken, wofür erfindungsgemäß mit Vorteil so vorgegangen wird, dass das Explosionsverfestigungsverfahren in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei zuerst ein Teil der Oberfläche des Profils bzw. der Schweißverbindung und dann der übrige Teil der Oberfläche des Profils explosionsverfestigt wird. Eine derartige Durchführung des Explosionsverfestigungsverfahrens in zwei gesonderten Schritten erlaubt es nicht nur, die als Lauffläche dienende Oberfläche des Profils sondern auch den Steg und den Fußbereich des Profils entsprechend zu härten, wobei mit Vorteil so vorgegangen wird, dass die Härtungsbehandlung nach dem Verschweißen des Zwischenstücks mit dem oder den benachbarten Werkstoffen vorgenommen wird und sich über den Schweißbereich und die Länge des Zwischenstücks erstreckt. Mit Vorteil wird dabei so vorgegangen, dass die Explosionsverfestigung in einer Weise vorgenommen wird, dass sich die Verfestigung ausgehend vom Umfang des Profils bis zum 99 t • · ♦ · • * • • · • • · • ·· ··· • ·· • • • • Mi* • • • • • * ··· • -·· · • • • · ··· • • ··· 5The selection of such an explosion hardening method is particularly advantageous, in particular, if not only the running surface or running surface of the intermediate piece or of the welding region is influenced by such a method. Rather, the Explosionsverfestigungsverfahren should extend over a large part and if possible over the entire circumference of the intermediate piece or the weld, for which according to the invention is advantageously carried out so that the Explosionsverfestigungsverfahren is carried out in two steps, wherein at first a part of the surface of the profile or the weld joint and then the remaining part of the surface of the profile is explosively solidified. Such a performance of the explosion bonding process in two separate steps not only allows the tread surface of the tread but also the web and foot region of the tread to be appropriately hardened, with the advantage that the hardening treatment after welding of the intermediate tread is done is made of the adjacent materials and extends over the welding area and the length of the intermediate piece. Advantageously, the procedure is such that the explosion hardening is carried out in such a way that the solidification, starting from the circumference of the profile, up to the 99.times.10.sup.-3. • • • • Mi * • • • • • * ··· • - ·· • • • • · ··· • • ··· 5
Kern über wenigstens 50 % der Querschnittsfläche, vorzugsweise die gesamte Querschnittsfläche des Profils erstreckt.Core extends over at least 50% of the cross-sectional area, preferably the entire cross-sectional area of the profile.
Ein besonders geeignetes Zwischenstück für die Verwendung in einem derartigen Verfahren ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Werkstoff mit einem Austenitanteil von wenigstens 40 Gew.% besteht und einer Explosionshärtungsbehandlung über den gesamten umfang des Profils unterworfen wird. Derartige Stähle, welche auch als Duplexstähle bekannt geworden sind, zeichnen sich durch einen Ferritanteil von bis zu 60 Gew.% und einen entsprechenden Auste-nitanteil aus, sodass sich insgesamt beste Voraussetzungen für eine Härtung unter Verwendung eines Explosionsverfestigungsverfahrens ergeben. Insgesamt gelingt es bei Abbrennstumpf-Schweißungen von Hartmanganstahlgussherzen mit Regelschienen bzw. mit gewalzten Hartmanganstahlschienen annähernd die gleiche Dauerfestigkeit wie bei Schienenschweißstößen zu erreichen, wenn der gesamte Umfangsbereich der Zwischenstücke und der Anschlussbereich der gegossenen Herzstücke, die in der Regel einem Schienenprofil entsprechen, mit Sprennstoff umhüllt und gezündet wird. Die Wahl der Sprengstoff menge und die Explosionsintensität kann auf die unterschiedlichen Werkstoffe entsprechend abgestimmt werden, wobei der Verschweißübergang Herzstück — Zwischenstück - Schienenbereich jeweils mit unterschiedlichen Sprengstoffdicken belegt werden kann. Die Oberflächenhärtesteigerung erstreckt sich hierbei über den gesamten Profilbereich, wodurch auch die Dauerfestigkeitswerte der Gesamtschweißverbindung wesentlich erhöht werden können. An der Fahrfläche lassen sich durch Explosionsverfestigung im Bereich des Zwischenstückmaterials Steigerungen des Härteverlaufs von 150 bis 280 auf 350 HB, im Anschlussbereich des Manganherzstücks von 200 bis 320 auf 420 HB und im anschließenden Bereich der Regelschiene von 260 bis 350 auf 400 HB erzielen. Dadurch, dass nun der Sprengstoff am gesamten Umfang des Zwischenstückmaterials bzw. im Bereich derA particularly suitable intermediate piece for use in such a method is essentially characterized in that it consists of a material with an austenite content of at least 40% by weight and is subjected to an explosion hardening treatment over the entire circumference of the profile. Such steels, which have also become known as duplex steels, are characterized by a ferrite content of up to 60% by weight and a corresponding austenite content, so that overall the best conditions for curing result using an explosion bonding process. Overall, it is possible in Abbrennstumpf welds of Hartmanganstahlgussherzen with standard rails or with rolled Hartmanganstahlschienen to achieve approximately the same fatigue strength as rail weld joints when the entire peripheral region of the spacers and the connection area of the cast core, which usually correspond to a rail profile, wrapped with fuel and ignited. The choice of the quantity of explosive and the explosion intensity can be adjusted to the different materials accordingly, wherein the weld transition center piece - spacer - rail area can each be covered with different explosive thicknesses. The increase in surface hardness in this case extends over the entire profile range, as a result of which the fatigue strength values of the overall welded connection can also be substantially increased. By means of explosion hardening in the area of the intermediate piece material, increases in hardness can be achieved on the driving surface from 150 to 280 to 350 HB, in the connection area of the manganese frog from 200 to 320 to 420 HB and in the adjoining area of the control rail from 260 to 350 to 400 HB. The fact that now the explosives on the entire circumference of the intermediate piece material or in the region of
Anschlüsse des Anschlussschienenprofils des Manganherzstücks aufgebracht wird, kann die Dauerfestigkeit insbesondere im kritischen Bereich des Schienenfußes hinreichend gesteigert *· • ♦ • · • · • · ··Terminals of the connecting rail profile of the manganese frog is applied, the fatigue strength, in particular in the critical region of the rail foot sufficiently increased * · • ♦ • · • · • ···
6 werden, wobei die Unterseite dadurch verfestigt werden kann, dass dieser Bereich des Zwischenstücks Im Anschlussbereich des6, wherein the underside can be solidified by the fact that this area of the intermediate piece in the connection area of
Manganherzes in einem zweiten nachgeschaltetenManganese heart in a second downstream
Verfahrensschritt der Explosionsverfestigung unterworfen wird.Process step is subjected to explosion hardening.
Die Belegungsdicke des Sprengstoffs ist auf das jeweilige Werkstoffmaterial und auf die Geometrie abgestimmt, wobei als Sprengstoff üblicherweise PETN (Pentaerythriol Tetranitrat) mit einer Explosionsgeschwindigkeit > 6800 m/sec verwendet wird.The filling thickness of the explosive is adapted to the respective material material and to the geometry, with the explosive usually PETN (pentaerythriol tetranitrate) having an explosion rate > 6800 m / sec is used.
Prinzipiell kann das Explosionsverfestigen auch vor der Verschweißung einzeln an der Regelschiene, dem Zwischenstück und dem Anschlussbereich des Herzstücks vorgenommen werden, wobei hier Steigerungen der Dauerfestigkeit von 150 N/mm2 auf 190 N/mm2 erzielbar sind. Wesentlicher Vorteil im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist neben der entsprechenden Verbesserung der Festigkeitswerte über das gesamte Querschnittsprofil naturgemäß der Umstand, dass ein Explosionsverfestigungsverfahren die Festigkeitseigenschaften der Grundmaterialien, die unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren unterworfen werden müssen, nicht nachträglich wiederum beeiträch-tigt.In principle, explosion bonding can also be carried out individually prior to welding on the control rail, the intermediate piece and the connection area of the frog, whereby increases in fatigue strength from 150 N / mm 2 to 190 N / mm 2 can be achieved here. A significant advantage in the context of the method according to the invention is, in addition to the corresponding improvement in the strength values over the entire cross-sectional profile, of course, the circumstance that an explosion bonding process does not retrospectively further endorse the strength properties of the base materials which must be subjected to different heat treatment processes.
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