AT512792B1 - Verfahren zur Herstellung von bainitischen Schienenstählen - Google Patents

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Abstract

Bei einem Gleisteil, insbesondere einer Schiene für Schienenfahrzeuge aus einem niedriglegierten Stahl, weist der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Ferritanteil von 5-15 Vol.-% und eine Mehrphasen-Bainitstruktur bestehend aus oberen und unteren Bainitanteilen auf.

Description

österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Gleisteil, insbesondere eine Schiene für Schienenfahrzeuge aus einem niedriglegierten Stahl.
[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung eines Gleisteils aus einem warmgewalzten Profil sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0003] In jüngster Zeit werden das Gewicht der transportierten Lasten im Schienenverkehr und die Fahrgeschwindigkeit stetig erhöht, um die Effizienz des Schienentransports zu erhöhen. Eisenbahnschienen unterliegen daher erschwerten Betriebsbedingungen und müssen daher eine höhere Qualität haben, um den höheren Belastungen standzuhalten. Konkrete Probleme zeigen sich in einer starken Zunahme des Abriebs insbesondere der in Bögen montierten Schienen und durch das Auftreten von Materialermüdungsschäden, die sich vor allem an der Fahrkante entwickeln, die den Hauptkontaktpunkt der Schiene mit den Rädern im Bogen darstellt. Dies führt zu Rollkontaktermüdungsschäden (RCF - rolling-contact-fatigue). Beispiele für RCF-Oberflächenschäden sind z.B. Headchecks (Abrollermüdungen), Spalling (Abplatzungen), Squats (plastische Oberflächenverformungen), Schlupfwellen und Verriffelungen. Diese Schädigungen der Oberfläche sorgen für eine verkürzte Schienenlebensdauer, erhöhte Lärmemissionen und Betriebsbehinderungen. Das vermehrte Auftreten der Fehler wird zudem durch die stetig wachsenden Verkehrslasten beschleunigt. Die unmittelbare Folge dieser Entwicklung ist ein erhöhter Instandhaltungsbedarf der Schienen. Der steigende Instandhaltungsbedarf steht jedoch im Widerspruch zu den immer kleiner werdenden Instandhaltungsfenstern. Höhere Zugdichten verringern die Zeiträume, in denen Schienen bearbeitet werden können, mehr und mehr.
[0004] Die genannten Schäden können zwar im Frühstadium durch Schleifen beseitigt werden, jedoch ist die Schiene bei starker Schädigung zu tauschen. Es hat in der Vergangenheit daher nicht an Versuchen gefehlt, sowohl den Verschleißwiderstand als auch den Widerstand gegen RCF-Schädigungen zu verbessern, um den Lebenszyklus der Schienen zu erhöhen. Dies erfolgte u.a. durch die Einführung und Verwendung bainitischer Schienenstähle.
[0005] Bainit ist ein Gefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl durch isotherme Umwandlung oder kontinuierliche Abkühlung entstehen kann. Bainit bildet sich bei Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten, die zwischen denen für die Perlit- bzw. Martensitbildung liegen. Anders als bei der Bildung von Martensit sind hier Umklappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsvorgänge gekoppelt, wodurch verschiedene Umwandlungsmecha-nismen möglich werden. Aufgrund der Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und der daraus resultierenden Bildungstemperatur, besitzt der Bainit kein charakteristisches Gefüge. Bainit besteht, ebenso wie Perlit, aus den Phasen Ferrit und Zementit (Fe3C), unterscheidet sich aber vom Perlit in Form, Größe und Verteilung. Grundsätzlich wird Bainit in zwei Hauptgefügeformen unterschieden, dem oberen Bainit und dem unteren Bainit.
[0006] Aus der AT 407057 B ist ein Schienenwerkstoff bekannt, bei dem eine Gefügeumwandlung von Austenit ausdrücklich nur im Bereich der unteren Bainitstufe gebildet wird, sodass das profilierte Walzgut eine Härte von mindestens 350 HB, insbesondere 450-600 HB erhält.
[0007] Ein bainitisches Grundgefüge kann auch mit höheren Legierungsbestandteilen, wie z.B. mit einem hohen Chromgehalt von 2,2 bis 3,0 Gew.-% erreicht werden, wie dies in den Schriften DE 102006030815 A1 und DE 102006030816 A1 beschrieben ist. Der hohe Anteil an Legierungsbestandteilen führt jedoch zu unerwünscht hohen Kosten und einer aufwendigen Schweißtechnik. Auch die DE 202005009259 U1 beschreibt ein bainitisches hochfestes Gleisteil aus einem hochlegierten Stahl, insbesondere mit hohen Legierungsanteilen von Mn, Si und Cr. Bei einem derartigen hochlegierten Stahl kann die Bainitbildung in einfacher Weise durch Abkühlung an ruhender Luft erwirkt werden. Bei niedriglegierten Stählen hingegen ist eine Bainitbildung nur dann möglich, wenn eine gesteuerte Abkühlung vorgenommen wird. 1 /14 österreichisches Patentamt AT512 792 B1 2013-11-15 [0008] Dementsprechend beschreibt beispielsweise die DE 1533982 ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen, bei dem die noch Walztemperatur aufweisende Schiene nach dem Verlassen des Walzgerüstes mit einer Hebevorrichtung aufgenommen wird und mit dem Schienenkopf nach unten in ein auf konstanter Temperatur gehaltenes Fließbett eingetaucht und dort abgekühlt wird, wobei eine bainitische Gefügeausbildung dadurch erreicht wird, dass die Fließ-bett-Temperatur zwischen 380 und 460 °C gewählt wird und die Schiene im Fließbett in Abhängigkeit von dessen Temperatur zwischen 300 und 900 Sekunden belassen wird.
[0009] Eine weitere Herstellung von hochfesten Schienen aus niedrig legierten Stählen mit Bainitstrukturen für die Erreichung einer besseren Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt ist aus der EP 612852 B1 bekannt geworden. Der Kopf der Schiene wird einer beschleunigten Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 1-10 °C/sec aus dem Austenit-Bereich bis zu einer Abkühlunterbrechungstemperatur von 500-300°C unterzogen. Nach dieser Schnellabkühlung wird der Schienenkopf weiter bis in die Nähe der Raumtemperatur abgekühlt, in dem entweder eine natürliche Abkühlung mit Wärmerückgewinnung oder eine Zwangskühlung mit einer Geschwindigkeit von 1-40 °C/min zur Anwendung kommt.
[0010] Mit den genannten Maßnahmen konnte die Rissbildung und -fortpflanzung am Schienenkopf zwar verzögert, nicht aber verhindert werden.
[0011] Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Gleisteil, insbesondere eine Schiene, das bzw. die aus Kostengründen und aus Gründen der Schweißtechnik aus einem niedriglegierten Stahl bestehen soll, dahingehend zu verbessern, dass auch bei erhöhten Radlasten keine Rollkontaktermüdungsschäden und insbesondere keine Risse an der Fahrkante und an der Lauffläche entstehen. Weiters soll auch die Verschleißfestigkeit soweit erhöht werden, dass eine Liegedauer von mehr als 30 Jahren sichergestellt werden kann. Schließlich soll das Gleisteil gut verschweißbar sein und ähnliche sonstige Materialeigenschaften wie z.B. eine ähnliche elektrische Leitfähigkeit und einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie bisher im Schienenbau bewährte Stähle.
[0012] Weiters zielt die Erfindung darauf ab, ein einfaches Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches sich durch eine kurze Verfahrensdauer (Vermeidung von Glühphasen), eine hohe Reproduzierbarkeit und durch eine hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Das Verfahren soll zur Herstellung von langen Schienen von z.B. über 100 m Länge geeignet sein, wobei über die gesamte Schienenlänge konstante Materialeigenschaften sichergestellt werden sollen.
[0013] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Gleisteil der eingangs genannten Art vor, das derart weitergebildet ist, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Ferritanteil von 5-15 Vol.-% und eine Mehrphasen-Bainitstruktur bestehend aus oberen und unteren Bainitanteilen aufweist. Durch die Kombination einer ferritischen Struktur mit einer bainitischen Struktur werden hervorragende Zähigkeitseigenschaften und eine ausreichend hohe Härte erreicht. Der Ferrit-Gefügebestandteil dient hierbei als Plastizitätsträger und führt dazu, dass ggf. entstandene Risse nicht als Headchecks ins Material verlaufen können. Der Ferritanteil verleiht dem Gesamtgefüge ein durchgehendes Netzwerk, in das der Bainit eingelagert ist. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Perkolationsschwelle ("Per-colation-Threshold"), die erreicht werden muss, um diese Ausbildung von zusammenhängenden Gebieten (Clustern) zu erhalten. Bevorzugt ist der Ferrit ein acikularer Ferrit. Das acikulare Gefüge zeichnet sich gegenüber einem nicht acikularen Gefüge und auch gegenüber einem perlitischen Gefüge durch eine höhere Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Der acikulare Ferrit weist eine Mikrostruktur auf, die durch nadelartig geformte Kristallite oder Körner gekennzeichnet ist, wobei die Kristallite nicht einheitlich ausgerichtet sind, sondern völlig unorientiert vorliegen, was die Zähigkeit des Stahls positiv beeinflusst. Die unorientierte Anordnung der Körner führt zu einer gegenseitigen Verhakung der einzelnen Körner, was in Kombination mit dem Mehrphasen-Bainit die Rissbildung bzw. -fortpflanzung wirksam unterbindet. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass ggf. an der Oberfläche entstandene Risse ("Head-Checks") nicht in die Tiefe des Materials hineinwachsen, wie dies z.B. bei einem Perlitgefüge der Fall ist. Das Gleisteil ist somit nur mehr dem Verschleiß ausgesetzt, sodass sich seine Einsatzdauer präzise 2/14 österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15 festlegen lässt und eine weitere Beobachtung wegen Rissbildung nicht erfolgen muss.
[0014] Entscheidend ist weiters das Vorliegen eines Mehrphasen-Bainits, der obere und untere Bainitanteile umfasst. Der obere Bainit entsteht hierbei im oberen Temperaturbereich der Bainitbildung und hat ähnlich wie Martensit ein nadelförmiges Gefüge. In diesem oberen Temperaturbereich der Bainitbildung bestehen günstige Diffusionsbedingungen, sodass der Kohlenstoff an die Korngrenzen der Ferritnadeln diffundieren kann. Es entstehen hier unregelmäßige und unterbrochene Zementitkristalle. Wegen der regellosen Verteilung hat das Gefüge oft ein körniges Aussehen, sodass der obere Bainit manchmal auch als körniger Bainit bezeichnet wird. Der untere Bainit entsteht bei isothermer und kontinuierlicher Abkühlung im unteren Temperaturbereich der Bainitbildung. Durch die Ferritbildung reichert sich der Austenit an Kohlenstoff an, bei weiterer Abkühlung wandeln sich die Austenitbereiche in Ferrit, Zementit, nadeligen Bainit und Martensit um. Durch das Bainitisieren werden Eigenspannungen vermindert und die Zähigkeit erhöht.
[0015] Das Mischungsverhältnis zwischen unterem und oberem Bainit kann grundsätzlich innerhalb weiter Grenzen entsprechend den jeweiligen Anforderungen variiert werden. Insbesondere bestimmt die Wahl des Mischungsverhältnisses die Härte des Stahls. Besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Anteil des oberen Bainits 5-75 Vol.-%, insbesondere 20-60 Vol.-% und der Anteil des unteren Bainits 15-90 Vol.-%, insbesondere 40-85 Vol.-%, beträgt.
[0016] Der Ferritanteil beträgt vorzugsweise 8-13 Vol.-%.
[0017] Voraussetzung für eine vollständig ablaufende bainitische Umwandlung ist die Car-bidbildung aus dem Austenit. Da Carbide große Mengen an Kohlenstoff aufnehmen, stellen sie Kohlenstoffsenken dar, die Kohlenstoff aus dem Austenit absaugen. Wird die Carbidbildung, beispielsweise durch Silizium als Legierungselement verhindert oder verzögert, so werden größere Austenitmengen nicht umgewandelt. Sie liegen dann nach dem Abschrecken auf Raumtemperatur ganz oder teilweise als Restaustenit vor. Die Restaustenitmenge ist davon abhängig, wie weit sich die Martensitstarttemperatur im verbliebenen Austenit abgesenkt hat. Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn möglichst geringe Anteile an Austenit und/oder Martensit verbleiben. Die Erfindung sieht in diesem Zusammenhang daher bevorzugt vor, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Rest-Martensit/Austenit-Anteil von < 2 Vol.-% aufweist.
[0018] Wie bereits erwähnt, kommen erfindungsgemäß niedriglegierte Stähle zum Einsatz, um die Kosten zu minimieren und die Schweißeignung zu verbessern. Allgemein enthält der niedriglegierte Stahl im Rahmen der Erfindung als Legierungsbestandteile bevorzugt Silizium, Man-gan und Chrom sowie ggf. Vanadium, Molybdän, Phosphor, Schwefel und/oder Nickel.
[0019] Ein Stahl ist im Rahmen der Erfindung dann als niedriglegierter Stahl zu bezeichnen, wenn kein Legierungsbestandteil in einem Anteil von größer 1,5 Gew.-% vorhanden ist.
[0020] Besonders gute Ergebnisse konnten mit einem niedriglegierten Stahl mit der folgenden Richtanalyse erzielt werden: 0,4 - 0,55 Gew.-% C 0,3 - 0,6 Gew.-% Si 0,9 -1,4 Gew.-% Mn 0,3 - 0,6 Gew.-% Cr 0,1 -0,3 Gew.-% V 0,05 - 0,20 Gew.-% Mo 0 - 0,02 Gew.-% P 0 - 0,02 Gew.-% S 0 - 0,15 Gew.% Ni 3/14 österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15 [0021] Eine besonders gute Eignung für hochbelastete Streckenabschnitte ist bevorzugt dann gegeben, wenn das Gleisteil im Kopfbereich eine Zugfestigkeit Rm von größer 1150 N/mm2 aufweist. Weiters weist das Gleisteil im Kopfbereich bevorzugt eine Härte von größer 340 HB auf.
[0022] Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Gleisteils zur Verfügung, bei dem das Gleisteil aus einem warmgewalzten Profil hergestellt wird, wobei der Schienenkopf des gewalzten Profils unmittelbar nach dem Verlassen des Walzgerüsts mit der Walzwärme einer gesteuerten Abkühlung unterworfen wird, wobei die gesteuerte Abkühlung in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen-Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt das Halten der zweiten Temperatur umfasst. Die gesteuerte Abkühlung erfolgt bevorzugt, wie an sich bekannt, durch Eintauchen zumindest des Schienenkopfes in ein flüssiges Kühlmedium.
[0023] Der erste Schritt beginnt hierbei bevorzugt bei einer Temperatur von 740-850°C, insbesondere ca. 790°C und endet bevorzugt bei einer Temperatur von 450-525°C. Die während des ersten Schrittes erfolgende Abkühlung muss so gesteuert werden, dass man im Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild in den Bereich der Ferrit- und nachfolgenden Bainitbildung kommt, wobei insbesondere keine Umwandlung in der Perlitstufe stattfinden soll. Zu diesem Zweck erfolgt die beschleunigte Abkühlung im ersten Schritt bevorzugt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec. Zur Erzielung dieser Kühlrate wird bevorzugt so vorgegangen, dass das Gleisteil während des ersten Schritts vollständig in dem Kühlmedium eingetaucht ist.
[0024] Im zweiten Schritt wird die Temperatur von bevorzugt 450-525*€ gehalten und es entsteht der für die Gebrauchseigenschaft wichtige Ferritanteil, insbesondere der acikulare Ferritanteil, mit einem Volumenanteil von 5-15 % insbesondere 8-13 %, insbesondere etwa 10 %. Das Halten der Temperatur wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Gleisteil während des zweiten Schritts in einer aus dem Kühlmedium herausgenommenen Position gehalten wird.
[0025] In einem dritten Schritt wird für die erforderliche Begrenzung des Ferritanteiles eine weitere gesteuerte Abkühlung durchgeführt, sodass eine Mischung aus oberem und unterem Bainitgefüge entsteht (Mehrphasen-Bainit). Der Temperaturbereich, in dem die Bainitbildung erfolgt, liegt bevorzugt zwischen 450-525°C und 280-350^0, d.h. dass der Schienenkopf des Gleisteils in der Bainitbildungsphase von 450-525°C auf 280-350°C abgekühlt wird. Dieser dritte Schritt erstreckt sich bevorzugt über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec. In der Bainitbildungsphase reicht es aus, wenn das Gleisteil bevorzugt nur mit dem Schienenkopf in das Kühlmedium eingetaucht ist.
[0026] Beim anschließenden Temperaturhalten des Gleisteils im vierten Schritt im Bereich von bevorzugt 280-350 °C wird in Abhängigkeit von der Temperaturlage die Härte des Gleisteils dann endgültig fixiert, wobei ein Unterschreiten der Martensitstarttemperatur (meist ca. 280 O) zu vermeiden ist, da sich in dem Temperaturbereich zu viele martensitische, spröde Gefügebestandteile bilden können. Das Temperaturhalten während des vierten Schritts erfolgt bevorzugt durch zyklisches Kopftauchen, d.h. dass das Gleisteil zyklisch in das Kühlmedium eingetaucht und aus dem Kühlmedium herausgenommen wird.
[0027] Da der Temperaturbereich der Bainitphasenbildung und die Martensitstarttemperatur von den Legierungselementen des jeweiligen Stahls und deren Anteilen abhängen, muss der Wert der ersten Temperatur und der Wert der zweiten Temperatur vorab für den jeweiligen Stahl genau bestimmt werden. Die Temperatur der Schiene wird während der gesteuerten Abkühlung dann kontinuierlich gemessen, wobei die Kühl- und. Halteabschnitte bei Erreichen der jeweiligen Temperaturschwellen begonnen bzw. beendet werden. Da die Oberflächentemperatur der Schiene über die gesamte Länge des Gleisteils variieren kann, die Abkühlung aber für den gesamten Gleisteil einheitlich vorgenommen wird, wird bevorzugt so vorgegangen, dass die Temperatur an einer Mehrzahl von über die Länge des Gleisteils verteilten Messpunkten 4/14 österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15 erfasst und ein Temperaturmittelwert gebildet wird, der für die Steuerung der gesteuerten Abkühlung herangezogen wird.
[0028] In der Bainitbildungsphase wandelt sich Austenit so vollständig wie möglich zu Bainit um. Dies geschieht bei Temperaturen unterhalb der Perlitbildung bis hin zur Martensitstarttemperatur sowohl isotherm als auch bei kontinuierlicher Abkühlung. Durch eine langsame Umklap-pung des Austenits entstehen, von den Korngrenzen oder Störstellen ausgehend, stark an Kohlenstoff übersättigte Ferrit-Kristalle mit kubisch-raumzentriertem Kristallgitter. Der Kohlenstoff scheidet sich aufgrund der höheren Diffusionsgeschwindigkeit im kubisch-raumzentrierten Gitter in Form kugeliger oder ellipsoider Zementitkristalle innerhalb des Ferritkorns aus. Ebenso kann der Kohlenstoff in den Austenitbereich eindiffundieren und Carbide bilden.
[0029] Im Rahmen der Erfindung erfolgt während des dritten Schritts und vierten Schritts eine Abkühlung sowie ein Temperaturhalten derart, dass ein Mehrphasen-Bainit gebildet wird. Während eines ersten Teilschritts erfolgt eine kontinuierliche Abkühlung mit einer geringeren Kühlrate als in einem zweiten Teilschritt, in dem die Temperatur abrupt gesenkt wird bis die zweite Temperatur erreicht wird. Während des ersten Teilschritts entsteht vonwiegend oberer Bainit. Nach der abrupten Abkühlung erfolgt im vierten Schritt ein Halten auf der zweiten Temperatur, wobei hier unterer Bainit gebildet wird. Die Dauer des Haltens der zweiten Temperatur während des vierten Schritts bestimmt hierbei das Ausmaß der unteren Bainitbildung.
[0030] Der obere Bainit besteht aus nadelförmigem Ferrit, der in Paketen angeordnet ist. Zwischen den einzelnen Ferritnadeln liegen mehr oder weniger kontinuierliche Filme aus Carbiden parallel zur Nadelachse vor. Unterer Bainit besteht dagegen aus Ferritplatten, innerhalb derer sich die Carbide unter einem Winkel von 60° zur Nadelachse bilden.
[0031] Während der gesteuerten Abkühlung mittels des flüssigen Kühlmediums durchläuft das Kühlmedium drei Phasen des Abschreckvorganges. In der ersten Phase, der Dampffilmphase, ist die Temperatur an der Oberfläche des Schienenkopfes so hoch, dass das Kühlmedium rasch verdampft und sich ein dünner isolierender Dampffilm bildet (Leidenfrost-Effekt). Diese Dampffilmphase ist u.a. sehr stark von der Dampfbildungswärme des Kühlmediums, der Oberflächenbeschaffenheit des Gleisteils, wie z.B. Zunder, oder der chemischen Zusammensetzung und Gestaltung des Kühlbeckens abhängig. In der zweiten Phase, der Kochphase, gelangt das Kühlmedium in direkten Kontakt mit der heißen Oberfläche des Schienenkopfes und kommt unverzüglich zum Kochen, wodurch sich eine hohe Abkühlgeschwindigkeit ergibt. Die dritte Phase, die Konvektionsphase, beginnt, wenn die Oberflächentemperatur des Gleisteils auf den Siedepunkt des Kühlmediums abgesunken ist. In diesem Bereich wird die Kühlgeschwindigkeit im Wesentlichen durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums beeinflusst.
[0032] Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen gesteuerten Abkühlung befindet sich das Kühlmedium während des ersten Schritts bevorzugt in der Dampffilmphase. Bevorzugt wird weiters so vorgegangen, dass die Abkühlung während des dritten Schritts so gesteuert wird, dass das Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes zuerst einen Dampffilm ausbildet und danach an der Oberfläche kocht. Es erfolgt somit ein Übergang von der Dampffilmphase in die Kochphase. Die Dampffilmphase erstreckt sich hierbei über die Länge des oben genannten ersten Teilschritts, in dem vorwiegend oberer Bainit entsteht. Nach Erreichen der Kochphase sinkt die Temperatur abrupt auf die zweite Temperatur, d.h. auf bevorzugt 280-350^ ab.
[0033] Der Übergang von der Dampffilmphase in die Kochphase erfolgt üblicherweise relativ unkontrolliert und spontan. Da die Schienentemperatur über die gesamte Länge des Gleisteils gewissen produktionsbedingten Temperaturschwankungen unterliegt, besteht das Problem, dass der Übergang von der Dampffilmphase in die Kochphase in verschiedenen Längenbereichen des Gleisteils zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Dies würde zu einer über die Länge des Gleisteils ungleichmäßigen Gefügeausbildung und demzufolge zu ungleichmäßigen Materialeigenschaften führen. Um den Zeitpunkt des Übergangs von der Dampffilmphase in die Kochphase über die gesamte Schienenlänge zu vereinheitlichen, sieht eine bevorzugte Verfahrensweise vor, dass während des dritten Schritts ein filmbrechendes, gasförmiges Druckmedium, wie z.B. Stickstoff, entlang der gesamten Länge des Gleisteils an den Schienenkopf heran- 5/14 österreichisches Patentamt AT512 792 B1 2013-11-15 geführt wird, um den Dampffilm entlang der gesamte Länge des Gleisteils zu brechen und die Kochphase einzuleiten.
[0034] Insbesondere kann so vorgegangen werden, dass der Zustand des Kühlmediums während des dritten Schritts entlang der gesamten Länge des Gleisteils überwacht wird und das filmbrechende, gasförmige Druckmedium an den Schienenkopf herangeführt wird, sobald in einem Teilbereich der Gleisteillänge das erste Auftreten der Kochphase festgestellt wird.
[0035] Bevorzugt wird das filmbrechende, gasförmige Druckmedium ca. 20-100 sec, insbesondere ca. 50 sec nach Beginn des dritten Schritts an den Schienenkopf herangeführt.
[0036] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, umfassend ein der Länge des Gleisteils entsprechendes, mit Kühlmedium befüllbares Kühlbecken, eine Heb- und Senkeinrichtung für das Gleisteil, um das Gleisteil in das Kühlbecken einzutauchen und herauszuheben, eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Gleisteils, Druckmediumerzeugungsmittel, durch das das Druckmedium in das Kühlmedium eingeleitet wird, Mittel zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums und eine Steuereinrichtung, welcher die Messwerte der Temperaturmesseinrichtung zugeführt sind und welche mit der Heb- und Senkeinrichtung zur Steuerung der Heb- und Senkvorgänge und mit den Mitteln zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten und weiters mit den Druckmediumerzeugungsmitteln zusammenwirkt.
[0037] Bevorzugt sind Sensoren zur Erfassung von an der Oberfläche des Schienenkopfes kochendem Kühlmedium vorgesehen, deren Sensormesswerte der Steuereinrichtung zugeführt sind, um die Druckmediumerzeugungsmittel in Abhängigkeit von den Sensormesswerten anzusteuern. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung von an der Oberfläche des Schienenkopfes kochendem Kühlmedium vorgesehen sein, die über die Länge des Kühlbeckens verteilt sind.
[0038] Bevorzugt sind die Sensormesswerte der Mehrzahl von Sensoren der Steuereinrichtung zugeführt, wobei die Steuereinrichtung die Druckmediumerzeugungsmittel ansteuert, sobald wenigstens ein Sensor kochendes Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes feststellt.
[0039] Mit Vorteil ist die Steuereinrichtung ausgebildet, um eine gesteuerte Abkühlung vorzunehmen, die in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen-Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt dass Halten der zweiten Temperatur umfasst.
[0040] Insbesondere kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die Temperatur des Schienenkopfes in dem ersten Schritt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec auf eine erste Temperatur von 450-525 Ό zu reduzieren, die Temperatur des Schienenkopfes in dem zweiten Schritt auf der ersten Temperatur zu halten und die Temperatur des Schienenkopfes während des dritten Schritts vorzugsweise über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec, auf eine zweite Temperatur von 280-350°C zu reduzieren.
[0041] Bevorzugt ist die Steuereinrichtung ausgebildet, um die Druckmediumerzeugungsmittel während des dritten Schritts anzusteuern.
[0042] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0043] Ein niedriglegierter Stahl mit der folgenden Richtanalyse wurde mittels Warmwalzen zu einer Fahrschiene mit Regelschienenprofil geformt: 0,49 Gew.-% C 0,36 Gew.-% Si 1,11 Gew.-% Mn 6/14 österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15 0,53 Gew.-% Cr 0,136 Gew.-% V 0,0085 Gew.-% Mo 0,02 Gew.-% P 0,02 Gew.-% S 0,1 Gew.-% Ni [0044] Unmittelbar nach dem Verlassen des Walzgerüstes wurde die Schiene mit der Walzwärme einer gesteuerten Abkühlung unterworfen. Die gesteuerte Abkühlung wird nachfolgend anhand des in Fig. 1 dargestellten Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilds erläutert, wobei die mit 1 bezeichnete Linie den Kühlverlauf wiedergibt. Der Kühlvorgang beginnt bei einer Temperatur von 790°C. In einem ersten Schritt wird die Schiene über ihre gesamte Länge und mit ihrem gesamten Querschnitt in ein Kühlbad aus Wasser eingetaucht und es wurde eine Kühlrate von 4°C/sec eingestellt. Nach ca. 75 sec wurde eine Oberflächentemperatur des Schienenkopfes von 490°C gemessen, wobei der Punkt 2 erreicht wurde und die Schiene aus dem Kühlbad herausgenommen wurde, um die Temperatur während eines Zeitraums von ca. 30 sec zu halten, wodurch die Bildung von acikularem Ferrit erreicht wurde. Bei Erreichen des Punktes 3 wurde die Schiene wieder in das Kühlbad eingetaucht und bis zum Punkt 4 abgekühlt. Bei Punkt 4 wurde das beginnende Kochen des Kühlwassers an der Oberfläche des Schienenkopfes festgestellt und es wurde der Schienenkopf mit Druckluft beaufschlagt, um den den Schienenkopf umgebenden Dampffilm zu durchbrechen und über die gesamte Länge der Schiene die Kochphase einzuleiten. Das Einleiten der Kochphase führte zu einem abruptem Absinken der Temperatur des Schienenkopfes, wobei diese Kühlung bei Erreichen einer Temperatur von 315°C (Punkt 5) abgebrochen wurde. Durch zyklisches Kopftauchen wurde diese Temperatur eine bestimmte Zeit lang gehalten. Die Länge der Haltezeit bestimmt die Zusammensetzung des Mehrphasen-Bainitgefüges, wie sich aus den folgenden Beispielen ergibt. BEISPIEL 1 [0045] In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein niedriglegierter Stahl mit der folgenden Richtanalyse mittels Warmwalzen zu einer Fahrschiene mit Regelschienenprofil geformt: 0,49 Gew.-% C 0,36 Gew.-% Si 1,11 Gew.-% Mn 0,53 Gew.-% Cr 0,136 Gew.-% V 0,0085 Gew.-% Mo 0,02 Gew.-% P 0,02 Gew.-% S 0,1 Gew.-% Ni [0046] Durch die oben beschriebene gesteuerte Abkühlung wurde im Schienenkopf das folgende Gefüge erzielt: ca. 10 Vol.-% acikularer Ferrit, ca. 74 Vol.-% oberer Bainit, ca. 16 Vol.-% unterer Bainit, < 1 Vol.-% Martensit-Restaustenit.
[0047] Die Gefügestruktur ist in Fig. 2 dargestellt.
[0048] Auf Grund des höheren Anteils von oberem Bainit wurde eine geringere Härte des 7/14 österreichisches Patentamt AT512 792 B1 2013-11-15
Schienenkopfes erreicht als im nachfolgenden, zweiten Ausführungsbeispiel. Es wurden die folgenden Materialeigenschaften gemessen. Härte: 347 HB Zugfestigkeit: 1162 MPa 0.2% Dehngrenze: 977 MPa Bruchdehnung: 14,4% [0049] Kerbschlagprüfung:
Prüfung bei +20*€: 110 J/cm2 Prüfung bei -20 °C: 95 J/cm2 [0050] Risswachstum da/dN:
Prüfung bei AK=10[MPaVm]: 8,9[m/Gc]
Prüfung bei AK=13,5[MPaVm]: 15,8[m/Gc], wobei m/Gc = Meter/Gigacycle [0051] Verschleißwiderstand: (AMSLER Test: Schlupf 10%, Normalkraft 1200N)
Materialverschleiß: 1,72 mg/m2
Vergleich R260 Materialverschleiß: 1,79 mg/m2 [0052] Bruchzähigkeit: 39 MPaVm BEISPIEL 2 [0053] Im zweiten Ausführungsbeispiel wurde derselbe niedriglegierte Stahl genommen wie im Beispiel 1 und mittels Warmwalzen zu einer Fahrschiene mit Regelschienenprofil geformt. Die gesteuerte Abkühlung wurde gleich durchgeführt wie im Beispiel 1, jedoch wurde die Temperatur im vierten Schritt länger gehalten als bei Beispiel 1. Es wurde im Schienenkopf das folgende Gefüge erzielt: ca. 10 Vol.-% acikularer Ferrit, ca. 15 Vol.-% oberer Bainit, ca. 75 Vol.-% unterer Bainit, < 1 Vol.-% Martensit-Restaustenit.
[0054] Die Gefügestruktur ist in Fig. 3 dargestellt.
[0055] Es wurden die folgenden Materialeigenschaften gemessen.
Härte:. 405 HB
Zugfestigkeit: 1387 MPa 0.2% Dehngrenze: 1144 MPa Bruchdehnung: 12,6% [0056] Kerbschlagprüfung:
Prüfung bei +20^: 100 J/cm2 Prüfung bei -20 °C: 75 J/cm2 8/14 österreichisches Patentamt AT512 792 B1 2013-11-15 [0057] Risswachstum da/dN:
Prüfung bei AK=10[MPaVm]: 9,5[m/Gc]
Prüfung bei AK=13,5[MPVm]: 16,5[m/Gc] [0058] Verschleißwiderstand: (AMSLER Test: Schlupf 10%,
Normalkraft 1200N)
Materialverschleiß: 1,55 mg/m2
Vergleich R2.60 Materialverschleiß: 1,79 mg/m2 [0059] Bruchzähigkeit: 36 MPaVm 9/14

Claims (34)

  1. österreichisches Patentamt AT512 792 B1 2013-11-15 Patentansprüche 1. Gleisteil, insbesondere Schiene für Schienenfahrzeuge aus einem niedriglegierten Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Ferritanteil von 5-15 Vol.-% und eine Mehrphasen-Bainitstruktur bestehend aus oberen und unteren Bainitanteilen aufweist.
  2. 2. Gleisteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des oberen Bainits 5-75 Vol.-%, insbesondere 20-60 Vol.-% und der Anteil des unteren Bainits 15-90 Vol.-%, insbesondere 40-85 Vol.-%, beträgt.
  3. 3. Gleisteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritanteil 8-13 Vol.-% beträgt.
  4. 4. Gleisteil nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferrit ein acikula-rer Ferrit ist.
  5. 5. Gleisteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrphasen-Bainit in die acikulare Ferritstruktur eingelagert ist.
  6. 6. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Rest-Martensit/Austenit-Anteil von < 2 Vol.-% aufweist.
  7. 7. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der niedriglegierte Stahl Silizium, Mangan und Chrom sowie ggf. Vanadium, Molybdän, Phosphor, Schwefel und/oder Nickel als Legierungsbestandteile enthält.
  8. 8. Gleisteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass kein Legierungsbestandteil in einem Anteil von größer 1,5 Gew.-% vorhanden ist.
  9. 9. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein niedriglegierter Stahl mit der folgenden Richtanalyse eingesetzt ist: 0,4 - 0,55 Gew.-% C 0,3 - 0,6 Gew.-% Si 0,9 -1,4 Gew.-% Mn 0,3 - 0,6 Gew.-% Cr 0,1 - 0,3 Gew.-% V 0,05 - 0,20 Gew.-% Mo 0 - 0,02 Gew.-% P 0 - 0,02 Gew.-% S 0 - 0,15 Gew.% Ni
  10. 10. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil im Kopfbereich eine Zugfestigkeit Rm von größer 1150 N/mm2 aufweist.
  11. 11. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil im Kopfbereich eine Härte von größer 340 HB aufweist.
  12. 12. Verfahren zur Herstellung eines Gleisteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aus einem warmgewalzten Profil, dadurch gekennzeichnet, dass der Schienenkopf des gewalzten Profils unmittelbar nach dem Verlassen des Walzgerüsts mit der Walzwärme einer gesteuerten Abkühlung unterworfen wird, wobei die gesteuerte Abkühlung in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen-Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt das Halten der zweiten Temperatur umfasst.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt bei einer Temperatur von 740-850^, insbesondere ca. 790 *€ beginnt. 10/14 österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur 450-525 °C beträgt.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur 280-350 °C beträgt.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beschleunigte Abkühlung im ersten Schritt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec erfolgt.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt sich über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec erstreckt.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an einer Mehrzahl von über die Länge des Gleisteils verteilten Messpunkten erfasst und ein Temperaturmittelwert gebildet wird, der für die Steuerung der gesteuerten Abkühlung herangezogen wird.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Abkühlung durch Eintauchen zumindest des Schienenkopfes in ein flüssiges Kühlmedium erfolgt.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung während des dritten Schritts so gesteuert wird, dass das Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes zuerst einen Dampffilm ausbildet und danach an der Oberfläche kocht.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass während des dritten Schritts ein filmbrechendes, gasförmiges Druckmedium, wie z.B. Stickstoff, entlang der gesamten Länge des Gleisteils an den Schienenkopf herangeführt wird, um den Dampffilm entlang der gesamten Länge des Gleisteils zu brechen und die Kochphase einzuleiten.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Kühlmediums während des dritten Schritts entlang der gesamten Länge des Gleisteils überwacht wird und das filmbrechende, gasförmige Druckmedium an den Schienenkopf herangeführt wird, sobald in einem Teilbereich der Gleisteillänge das erste Auftreten der Kochphase festgestellt wird.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das filmbrechende, gasförmige Druckmedium ca. 20-100 sec, insbesondere ca. 50 sec nach Beginn des dritten Schritts an den Schienenkopf herangeführt wird.
  24. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des ersten Schritts vollständig in dem Kühlmedium eingetaucht ist.
  25. 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des zweiten Schritts in einer aus dem Kühlmedium herausgenommenen Position gehalten wird.
  26. 26. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des dritten Schritts nur mit dem Schienenkopf in das Kühlmedium eingetaucht ist.
  27. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des vierten Schritts zyklisch in das Kühlmedium eingetaucht und aus dem Kühlmedium herausgenommen wird.
  28. 28. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 27, umfassend ein der Länge des Gleisteils entsprechendes, mit Kühlmedium befüllbares Kühlbecken, eine Heb- und Senkeinrichtung für das Gleisteil, um das Gleisteil in das Kühlbecken einzutauchen und herauszuheben, eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Gleisteils, Druckmediumerzeugungsmittel, durch das das Druckmedium in das Kühlmedium eingeleitet wird, Mittel zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums 11 /14 österreichisches Patentamt AT512 792B1 2013-11-15 und eine Steuereinrichtung, welcher die Messwerte der Temperaturmesseinrichtung zugeführt sind und welche mit der Heb- und Senkeinrichtung zur Steuerung der Heb- und Senkvorgänge und mit den Mitteln zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten und weiters mit den Druckmediumerzeugungsmitteln zusammenwirkt.
  29. 29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung von kochendem Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes vorgesehen sind, deren Sensormesswerte der Steuereinrichtung zugeführt sind, um die Druckmediumerzeugungsmittel in Abhängigkeit von den Sensormesswerten anzusteuern.
  30. 30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung von kochendem Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes vorgesehen ist, die über die Länge des Kühlbeckens verteilt sind.
  31. 31. Einrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormesswerte der Mehrzahl von Sensoren der Steuereinrichtung zugeführt sind, wobei die Steuereinrichtung die Druckmediumerzeugungsmittel ansteuert, sobald wenigstens ein Sensor kochendes Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes feststellt.
  32. 32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung, ausgebildet ist, um eine gesteuerte Abkühlung vorzunehmen, die in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen-Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt das Halten der zweiten Temperatur umfasst.
  33. 33. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Temperatur des Schienenkopfes in dem ersten Schritt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec auf eine erste Temperatur von 450-525°C zu reduzieren, die Temperatur des Schienenkopfes in dem zweiten Schritt auf der ersten Temperatur zu halten und die Temperatur des Schienenkopfes während des dritten Schritts vorzugsweise über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec, auf eine zweite Temperatur von 280-350^0 zu reduzieren.
  34. 34. Einrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Druckmediumerzeugungsmittel während des dritten Schritts anzusteuern. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 12/14
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