AT505822B1 - METHOD FOR CONNECTING A MANGANEATED STEEL CASTING PART TO A RAIL RAIL - Google Patents
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Description
oiteüsäisd'is patenusntt AT505 822 B1 2009-09-15oiteüsäisd'is patenusntt AT505 822 B1 2009-09-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Manganhartstahl-gussteils mit einer Regelschiene unter Verwendung von zumindest teilweise austenitischen Zwischenstücken sowie auf ein Zwischenstück für eine Verwendung in einem derartigen Verfahren.Description [0001] The invention relates to a method of joining a manganese steel casting to a control rail using at least partially austenitic spacers and to an adapter for use in such a method.
[0002] Manganhartstahlguss lässt sich nicht unmittelbar mit dem Regelschienenstahl verschweißen, da für die Verschweißung eine verhältnismäßig hohe Temperatur erforderlich ist. Austenitischer 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 Flerzstücke 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 Manganhartstahlgussherzstü-cken 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 Manganhart Stahlgussstück auf.Manganese hard steel casting can not be welded directly to the standard rail steel, since a relatively high temperature is required for the welding. 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 their superior strength properties, railway track pieces and intersections are typically made of austenitic manganese steel casting, which creates conflicting conditions for heat treatment of the welds. In order to meet these different requirements, intermediate pieces were proposed between standard rails and manganese steel cast iron heart pieces which were selected with regard to their good weldability and a corresponding heat treatment of the respective welded connection. However, such at least partially austenitic intermediate pieces have relatively poorer strength properties than the adjacent standard steel or the manganese-hard cast steel piece.
[0003] Ein Verfahren zum Verschweißen von austenitischem Manganhartstahlgussschienen-stücken und insbesondere Herzstücken mit Regelschienen ist beispielsweise der AT 343 712 zu entnehmen. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Zwischenstück mit geringerer 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 Manganhartstahlgussschienen pieces and in particular frogs with control rails, for example, the AT 343 712 can be seen. In this known method, an intermediate piece is used with a height less than the height of the tread of the center piece or the rule rail steel and made 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.
[0004] In Weiterbildung dieser bekannten Vorgangsweise wurde in der AT 350 881 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 has already been proposed in the AT 350 881, the intermediate piece to be limited to a shorter length, here now with a length between 15 and 25 mm Auslangen should be found. 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.
[0005] In der EP 391 007 B1 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 1/4 &t£S!iÄ»he AT505 822B1 2009-09-15 des Zwischenstücks, nur eine maximale Zugfestigkeit von 500 bis 600 N/mm2 erreichen lassen, was daher zu Eindellungen führt.In EP 391 007 B1 has now been proposed to make a simple cooling by ambient air even during 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 Since the austenitic components, and in particular the core material and the intermediate piece, can only achieve a maximum tensile strength of 500 to 600 N / mm2, which therefore leads to dents.
[0006] 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 joint and in particular in the transition region between the control rail and Hartmangan steel and to provide a particularly uniform hardness and strength over the entire compound.
[0007] 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 Manganhartstahl-gussteil 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 inventive method essentially consists in that the intermediate piece is subjected to a curing treatment, which extends over the circumference of the spacer 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.
[0008] Die Vorverfestigung von Herzstücken für Weichen aus Hartmanganstahl mittels Explosionsverfestigung ist bekannt. In der AT 385 218 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 vorgegangen werden, dass der Anschlussbereich des Manganhartstahlgussteils 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 pre-consolidation of frogs for turnouts made of hard manganese steel by means of explosion hardening is known. In AT 385 218, 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 brace in the area of the wheel overflow. According to the invention, it is possible to proceed in such a way that the connection region of the manganese hard steel casting is subjected to the hardening treatment before being welded to the intermediate piece, whereby this hardening treatment should extend over the circumference and thus over a substantial part or the entire cross-sectional surface.
[0009] Die Anwendung von Explosionsverfestigungsverfahren ist ebenso aus der GB 765 305 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 765 305, in which solidifications of different components (such as switchcuts) are made in selected areas by application of the explosive material in different thicknesses.
[0010] Auch die CZ 280 993 dokumentiert ein Verfahren zur Verfestigung der Fahrflächen von Weichenherzstücken und Weichenherzstückspitzen.Also, the CZ 280 993 documents a method for solidifying the running surfaces of points frog pieces and points frog points.
[0011] 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 Explosi- 2/4 &t£S!iÄ»hi5 AT505 822B1 2009-09-15 onsverfestigung in einer Weise vorgenommen wird, dass sich die Verfestigung ausgehend vom Umfang des Profils bis zum Kern über wenigstens 50 % der Querschnittsfläche, vorzugsweise die gesamte Querschnittsfläche des Profils erstreckt.The selection of such Explosionverfestigungsverfahrens is now particularly particularly advantageous if not only the tread or running surface of the intermediate piece or the welding area is affected 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 solidification is carried out in such a manner that the solidification proceeds from the circumference of the profile to the core at least 50% of the cross-sectional area, preferably the entire cross-sectional area of the profile extends.
[0012] 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 Austenitanteil aus, sodass sich insgesamt beste Voraussetzungen für eine Härtung unter Verwendung eines Explosionsverfestigungsverfahrens ergeben. Insgesamt gelingt es bei Abbrennstumpfschweißungen 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 Sprengstoffmenge 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 Man-ganherz Stücks 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 der Anschlüsse des Anschlussschienenprofils des Manganherzstücks aufgebracht wird, kann die Dauerfestigkeit insbesondere im kritischen Bereich des Schienenfußes hinreichend gesteigert werden, wobei die Unterseite dadurch verfestigt werden kann, dass dieser Bereich des Zwischenstücks im Anschlussbereich des Manganherzes in einem zweiten nachgeschalteten Verfahrensschritt der Explosionsverfestigung unterworfen wird.A 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 wt.% 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 part, so that overall the best conditions for hardening result using an explosion bonding process. Overall, it is possible in Abbrennstumpfschweißungen 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 intermediate pieces and the connection area of the cast core, which usually correspond to a rail profile, wrapped with fuel and ignited becomes. The choice of the quantity of explosive and the explosion intensity can be adjusted to the different materials, whereby the welding transition core 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 man-made piece 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 explosive is applied to the entire circumference of the intermediate piece material or in the region of the connections of the connecting rail profile of the manganese frog, the fatigue strength can be sufficiently increased, especially in the critical region of the rail foot, the underside can be solidified by this area of the intermediate piece in the connection region of the manganese ore is subjected in a second downstream process step of the explosion hardening.
[0013] 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 covering thickness of the explosive is adapted to the respective material material and the geometry, wherein as explosive usually PETN (pentaerythriol tetra nitrate) with an explosion rate > 6800 m / sec is used.
[0014] 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 beeinträchtigt.In principle, the explosion hardening can also be carried out before the welding individually to the control rail, the intermediate piece and the connection area of the heart, in which case increases in fatigue strength of 150 N / mm2 to 190 N / mm2 can be achieved. A significant advantage in the context of the method according to the invention, in addition to the corresponding improvement in the strength values over the entire cross-sectional profile, is of course the fact that an explosion bonding process does not subsequently impair the strength properties of the base materials which have to be subjected to different heat treatment processes.
Patentansprüche 1. Verfahren zum Verbinden eines Manganhartstahlgussteils mit einer Regelschiene unter Verwendung von zumindest teilweise austenitischen Zwischenstücken, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, welche sich über den Umfang des Zwischenstückprofils erstreckt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtungsbehandlung als Explosionsverfestigungsverfahren durchgeführt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussbereich des Manganhartstahlgussteils vor dem Verschweißen mit dem Zwischenstück der Härtungsbehandlung unterworfen wird. 3/4Claims 1. A method of bonding a manganese hard steel casting to a control rail using at least partially austenitic spacers, characterized in that the intermediate piece is subjected to a hardening treatment which extends over the circumference of the spacer profile. 2. The method according to claim 1, characterized in that the curing treatment is carried out as Explosionsverfestigungsverfahren. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the connection region of the Manganhartstahlgussteils before being welded to the intermediate piece of the curing treatment is subjected. 3.4
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