DE102013114398A1

DE102013114398A1 - Behandlungsverfahren einer Ausweichschiene und Ausweichschiene

Info

Publication number: DE102013114398A1
Application number: DE102013114398.9A
Authority: DE
Inventors: Ming Zou; Zhenyu Han; Dongsheng MEI; Yong Deng; Hua Guo; Quan Xu; Chunjian WANG
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Steel and Vanadium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Steel and Vanadium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103898303B; BR102013033618A2; US9765414B2; US20140182751A1; BR102013033618B1; DE102013114398B4; CN103898303A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren für eine Ausweichschiene umfassend Durchführen einer beschleunigten Abkühlung an der zu behandelnden Ausweichschiene, die einen Schienenkopf (1) mit einer Temperatur von 650–900°C hat, um die Ausweichschiene mit einer vollständigen, metallographischen Perlitstruktur zu erhalten, wobei die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite (102) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird, höher ist als die, die auf der nicht beaufschlagten Seite (103) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Ausweichschiene erhalten nach dem vorstehenden Wärmebehandlungsverfahren. Die Ausweichschiene nach der vorliegenden Erfindung hat eine gute Geradheit, und sowohl die Härte als auch die Zugfestigkeit auf der beaufschlagten Seite (102) des Schienenkopfs (1) sind größer als die auf der nicht beaufschlagten Seite (103) des Schienenkopfs (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren einer Ausweichschiene und eine Ausweichschiene, die mit dem Wärmebehandlungsverfahren erhalten wird.
Mit der schnellen Entwicklung des Zugverkehrs in der Volksrepublik China (PRC) wurde ein Zugverbindungsbetrieb mit hoher Kapazität, hoher Achsleistung und hoher Dichte ausgebildet. Mit den zunehmend rauen Bedingungen für Zuggleise wurde das Beschädigungsproblem von Stahlschienen und von Ausweichschienen für Zuggleise immer größer. Ausweichschienen sind nicht nur eine wichtige Ausrüstung bei der Durchführung von Zugverbindungen und Kreuzungen, sondern sie sind auch die Schlüsselteile, die die Betriebseffizienz und die Verkehrssicherheit von Zügen beeinflussen.
Gegenwärtig werden Ausweichschienen so bearbeitet, dass Stahlschienenhersteller Rohmaterialien liefern, und dass Ausweichschienenhersteller ein Walzverfahren und nachfolgende Behandlungen ausführen. Im allgemeinen ist die Festigkeit und die Härte von warmgewalzten Ausweichschienen verhältnismäßig gering, und es besteht die Gefahr, dass die Ausweichschienen schwerwiegende Fehler verursachen, beispielsweise Ablöse- und Abfallvorgänge sowie schnellen Abrieb, insbesondere unter dem Einfluss von einer impulsartigen Last von schweren Lastzügen. Daher müssen die bearbeiteten Ausweichschienen mit einer Wärmebehandlung behandelt werden, um die Betriebseigenschaften der Ausweichschiene zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Wenn jedoch so vorgegangen wird, dass erst die Verarbeitung und danach die Wärmebehandlung durchgeführt wird, erfahren die Stahlschienen erneut eine Austenitisierung und eine Abkühlung, so dass es schwierig ist, dass die mechanischen Parameter (beispielsweise Geradheit) bei höheren Erfordernisse erfüllt werden, wodurch die Anwendung von Ausweichschienen in Hochgeschwindigkeits- und Quasi-Hochgeschwindigkeitszügen begrenzt ist. Des Weiteren ist die Tiefe der gehärteten Schicht des Schienenkopfes bei Offline-Wärmebehandlungsbedingungen begrenzt. Die Tiefe beträgt gewöhnlich weniger als 15 mm, während die maximale Bearbeitungstiefe eines Ausweichspaltes 23 mm erreicht, und daher kann der Härteeffekt nur schwer wirksam genutzt werden, so dass die Betriebsdauer der Ausweichschienen beeinflusst wird.
In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Online-Wärmebehandlungstechnologie für Stahlschienen neue Ideen zur Wärmebehandlung von Ausweichschienen geliefert. Indem ein Kühlmedium an den Schienenkopf und andere Teile der Stahlschiene, die eine Restwärme haben, nach dem Warmwalzverfahren angewendet wird, können Ausweichschienen mit erheblich verbesserten Betriebseigenschaften im Vergleich zu denen erzeugt werden, die in einem Warmwalzverfahren erhalten werden können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Wärmebehandlungsverfahren einer Ausweichschiene auf der Grundlage des Standes der Technik bereitzustellen, so dass die erhaltene Ausweichschiene eine Geradheit hat, wobei sowohl die Zugfestigkeit als auch die Härte der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene erheblich höher sind als diejenigen auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfes.
Die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung hat in einem Forschungsvorhaben herausgefunden, dass es immer noch erhebliche technische Mängel bei der Bearbeitung von Ausweichschienen direkt mit der existierenden Stahlschienen-Online-Wärmebehandlungstechnologie gibt, wobei die Gründe nachfolgend angegeben sind. Im Vergleich zu einer gewöhnlichen Stahlschiene umfasst die Ausweichschiene einen unsymmetrischen Querschnitt, wobei der Bereich der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs einen höheren Anteil beinhaltet als der Bereich der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs. Wenn daher die Ausweichschienen mit der Stahlschienen-Online-Wärmebehandlungstechnologie nach dem Stand der Technik behandelt werden, werden die beaufschlagte Seite und die nicht beaufschlagte Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene mit einer identischen Kühlgeschwindigkeit im Zuge der beschleunigten Kühlbehandlung abgekühlt. Dadurch können einerseits Ausweichschienen mit hervorragenden Betriebseigenschaften nicht erhalten werden, weil die beaufschlagte Seite des Schienenkopfs eine höhere Wärmekapazität hat und mit einer geringeren Geschwindigkeit abgekühlt wird. Andererseits, und das ist wichtiger, wird die Seite mit der höheren Kühlgeschwindigkeit (das heißt die nicht beaufschlagte Seite des Schienenkopfs) sich zu der Seite mit einer geringeren Kühlgeschwindigkeit (das heißt die beaufschlagte Seite des Schienenkopfs) bei dem Verfahren mit beschleunigter Abkühlung durchbiegen, was die Geradheit über die gesamte Länge der Ausweichschienen nachteilig beeinflusst und auch das nachfolgende Geraderichten. Wenn die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit der beaufschlagten Seite und der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs gleichzeitig erhöht wird, wird dadurch zusätzlich das Risiko für die Erzeugung von unnormalen mikroskopischen Strukturen erheblich erhöht, so dass die Ausweichschiene verschrottet werden muss. Wenn die Ausweichschienen mit dem Stahlschienen-Online-Wärmebehandlungsverfahren nach dem Stand der Technik bearbeitet werden, ist es daher schwierig, die Produktionserfordernisse bei Ausweichschienen mit solch einer Wärmebehandlung zu erreichen.
Auf der Grundlage des erwähnten Forschungsvorhabens hat die Anmelderin überraschender Weise herausgefunden, dass das vorstehend genannte technische Problem dadurch gelöst werden kann, dass unterschiedliche beschleunigte Kühlgeschwindigkeiten auf der beaufschlagten Seite und der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs von Ausweichschienen angewendet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene höher ist als auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene. Außerdem wird bei einer anfänglichen Phase des beschleunigten Kühlprozesses eine Temperatur des zu behandelnden Schienenkopfs bei 650–900° C sichergestellt. Wenn die anfängliche Temperatur höher als 900° C ist, fällt die Temperatur der Oberflächenschicht der Ausweichschiene schnell ab, wenn sie durch das Kühlmedium abgeschreckt wird. In dem Moment diffundiert die Wärme, die von dem Kernabschnitt des Schienenkopfes und von dem Stegabschnitt der Schiene stammt, sofort zu der Oberflächenschicht der Ausweichschiene und bildet eine Zone mit einer langsam veränderlichen Temperatur in einem Abschnitt, der etwa 5–15 mm unter dem Schienenkopf liegt. Mit der Entwicklung des Kühlung wird somit die Phasenänderung mit einem geringeren Maß an Unterkühlung ausgelöst und danach vollendet. Da die Temperatur unter solchen Temperaturbedingungen langsam abfällt, ist die Betriebssicherheit (z. B. Festigkeit und Härte) der schließlich erzeugten Ausweichschiene verhältnismäßig gering und kann daher die Erfordernisse von Zuggleisen nicht erfüllen. Andererseits, wenn die anfängliche Temperatur des Schienenkopfs unter 650° C liegt, wird, da die Temperatur nahe bei der Temperatur des Phasenübergangspunktes liegt, eine übermäßig hohe Kühlgeschwindigkeit die Gefahr signifikant erhöhen, dass abnormale metallographische Strukturen (beispielsweise Bainit und Martensit) in der Oberflächenschicht der Stahlschiene und in einer gewissen Tiefe unterhalb der Oberflächenschicht erzeugt werden, wobei die erzeugten abnormalen Strukturen dazu führen, dass die Ausweichschienen verschrottet werden müssen, wodurch erhebliche ökonomische Verluste verursacht werden. Die vorliegende Erfindung beruht auf den vorstehenden Forschungsergebnissen.
Um die vorstehenden Ziele zu erreichen, wird durch die vorliegende Erfindung ein Wärmebehandlungsverfahren von Ausweichschienen bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
Durchführen einer beschleunigten Abkühlung an der zu behandelnden Ausweichschiene, wobei der Schienenkopf eine Temperatur von 650–900° C hat, um eine Ausweichschiene mit vollständig Perlitgefügestruktur zu erhalten, wobei die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird, höher ist als die, die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung eine Ausweichschiene bereit, die durch das Wärmebehandlungsverfahren der Erfindung erhalten wird, wobei sowohl die Härte als auch die Zugfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs höher ist als die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Härte der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene 1–3 HRC höher als die der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs und die Zugfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene ist 20–50 MPa höher als die der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs. Derartige Ausweichschienen haben eine gute Geradheit und besitzen ausgezeichnete Betriebseigenschaften bei der Widerstandsfähigkeit gegenüber Rollkontaktermüdung und bei der Abriebsfestigkeit während des Einsatzes und sie sind ideal für eine gemischte Transportnutzung bei einem gewöhnlichen Passagierzug und bei einem Frachtzug und auch bei einem Schwerlastzug, wobei sie widerstandsfähig gegen Ermüdungsbeschädigung und hohen Abrieb sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
1 einen Querschnitt einer Ausweichschiene gemäß der Erfindung, und
2 ein schematisches Diagramm eines Schienenkopfquerschnitts mit den Härtetestpositionen einer Ausweichschiene der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 1 umfasst ein Schienenkopf ein Schienenkopfprofil 101, an dem die Oberfläche des Schienenkopfs mit den Rädern in Kontakt kommt. Die beaufschlagte Seite 102 des Schienenkopfs bezieht sich auf den Teil des Schienenkopfs, auf den bei einem fahrenden Zug die Räder abrollen und eine Stoßbelastung wirkt, und zwar nachdem er Schienenkopf der Ausweichschiene einem Walzverfahren unterworfen worden ist und das Produkt in ein Ausweichgleis eingesetzt ist und somit die Bewegung des Zuges leitet. Die nicht beaufschlagte Seite 103 des Schienenkopfes 1 bezieht sich auf die andere Seite des Schienenkopfabschnitts, die mit den Rädern eines Zuges nicht in Kontakt kommt. Der Schienenkopf 1 umfasst somit ein Schienenkopfprofil 101, eine beaufschlagte Seite 102 des Schienenkopfs und eine nicht beaufschlagte Seite 103 des Schienenkopfs. Schienenfuß 2 bezieht sich auf den unteren Teil der Ausweichschiene und Mitte des Schienenfußes 201 bezieht sich auf den zentralen Abschnitt des Schienenfußes 2. Schienensteg 3 bezieht sich auf den Abschnitt, der den Schienenkopf 1 und den Schienenfuß 2 der Ausweichschiene miteinander verbindet. Da die vorstehenden Merkmale der Ausweichschiene bekannt sind, werden sie hier nicht näher beschrieben.
Nach dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren der Ausweichschiene ist, um das Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Ausweichschiene weiter zu verbessern, beispielsweise um die Geradheit der Ausweichschiene, die gemäß der Wärmebehandlung in der vorliegenden Erfindung erreicht wird, die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit vorzugsweise auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene 0,1–1° C/s höher gewählt als die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird, wobei im Zuge der Umsetzung der Ausführungsbeispiele, um eine Ausweichschiene hoher Betriebseigenschaften mit einer vollständigen metallographischen Perlitstruktur zu erreichen, die Differenz der beschleunigten Kühlgeschwindigkeit zwischen der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene und der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene entsprechend den Charakteristiken des behandelnden Stahls und der beschleunigten Kühlgeschwindigkeit gewählt wird, die tatsächlich an der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs eingestellt wird.
Bei dem Wärmebehandlungsverfahren der Ausweichschiene gemäß der Erfindung können, solange die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene angewendet wird, höher ist als die, die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene angewendet wird, wobei die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene angewendet wird, vorzugsweise 0,1–1° C/s höher ist als die, die auf der nicht beaufschlagten des Schienenkopfs der Ausweichschiene angewendet wird, die Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht werden, das heißt es wird eine Ausweichschiene durch das Wärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten, die eine gute Geradheit hat, deren Härte auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der erhaltenen Ausweichschiene höher ist als die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs und deren Zugfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs höher ist als die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, so dass die schließlich erhaltenen Ausweichschienen für die praktische Anwendung besser geeignet sind. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird, in dem Bereich von 1.1–6° C/s und die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird, ist in dem Bereich von 1–5° C/s. Wenn ein derartiges Kühlverfahren auf der beaufschlagten Seite und der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird, kann eine Ausweichschiene mit ausgezeichneten Eigenschaften erhalten werden.
Bei dem Wärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, der der Schienenkopf und der zentrale Abschnitt des Schienenfußes der Ausweichschiene unterworfen wird, herkömmlich ausgewählt werden. Gemäß der Erfindung ist es bevorzugt, dass die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die an dem Schienenkopf der Ausweichschiene durchgeführt wird, im Bereich von 1–5° C/s liegt, während die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die in dem Zentrum des Schienenfußes der Ausweichschiene durchgeführt wird, ebenfalls im Bereich von 1–5° C/s liegt.
Gemäß dem Wärmebehandlungsverfahren der Erfindung ist es bevorzugt, dass die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die an dem Schienenkopfprofil der Ausweichschiene durchgeführt wird, im Bereich von 1–5° C/s, die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die in dem Zentrum des Schienenfußes der Ausweichschiene durchgeführt wird, in dem Bereich von 1–5° C/s, und die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die an der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene durchgeführt wird, ebenfalls in dem Bereich von 1–5° C/s liegt.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat in dem Forschungsvorhaben herausgefunden, dass während eines Verfahrens, bei dem die Ausweichschiene einer Wärmebehandlung nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterworfen wird, wenn die Kühlgeschwindigkeit geringer als 1° C/s ist, die Temperatur der Oberflächenschicht der Ausweichschiene in dem anfänglichen Stadium des Kühlverfahrens erheblich herabgesetzt wird, dass das Kühlverfahren während einiger Zeit andauert, und dass dann die Temperatur der Oberflächenschicht nicht weiter reduziert wird oder sogar ansteigt aufgrund einer Wärmezufuhr aus dem Kernabschnitt, weshalb der Effekt der beschleunigten Abkühlung nicht offensichtlich zu Tag tritt. Wenn die Kühlgeschwindigkeit höher ist als 5° C/s, ist die Kühlgeschwindigkeit der Oberflächenschicht und an einer gewissen Tiefe unterhalb der Oberflächenschicht des Schienenkopfs der Ausweichschiene übermäßig hoch, und es besteht die Gefahr, dass unnormale metallographische Strukturen (beispielsweise Bainit und Martensit), in dem Schienenkopf erzeugt werden, wodurch die Gefahr erhöht wird, dass die Ausweichschiene unter der Belastung der Räder von Zügen, die im Betrieb in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung laufen, einem Sprödbruch ausgesetzt sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren ist es, um die volle metallographische Perlitstruktur zu erhalten, bevorzugt, dass, wenn die Temperatur des Schienenkopfs auf 400–550° C abgesenkt ist, das beschleunigte Kühlverfahren beendet wird, und dass die Ausweichschiene direkt einer Luftkühlung unterworfen wird, bis die Schiene auf Zimmertemperatur abgekühlt ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren ist es bevorzugt, wenn die Temperatur des Schienenkopfs auf 400–550° C abgesenkt wird, dass das beschleunigte Kühlverfahren gestoppt wird und dass die Ausweichschiene durch Luftkühlung direkt auf Zimmertemperatur abgekühlt wird.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat in dem Forschungsvorhaben herausgefunden, dass in dem zentralen Abschnitt des Schienenkopfs der Ausweichschiene der Phasenübergang mit einer Unterkühlung so groß wie möglich durchgeführt wird, um sicher zu stellen, dass der zentrale Abschnitt bessere Betriebseigenschaften erhält. Allgemein ist es schwierig, die Temperatur des Kernabschnitts des Schienenkopfs mit physikalischen Mitteln und in dem praktischen Produktionsprozess zu überwachen, die Temperatur kann jedoch durch Umwandlung der überwachten Oberflächentemperatur der Ausweichschiene erhalten werden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat in dem Forschungsvorhaben gefunden, dass, wenn die endgültige Temperatur, die an dem Schienenkopf nach dem beschleunigten Kühlverfahren vorhanden ist, höher als 550° C ist, die Temperatur des zentralen Abschnitts des Schienenkopfs 600° C übersteigt, bei solch einer Temperatur die Stahlschiene begonnen hat, einen Phasenübergang oder einen teilweisen Phasenübergang zu erfahren, das heißt, dass der Phasenübergangs noch nicht abgeschlossen ist. Wenn das Verfahren der beschleunigten Abkühlung an diesem Moment gestoppt wird, diffundiert die Wärme, die von dem Schienensteg der Ausweichschiene erhalten wird, schnell in den zentralen Abschnitt und bewirkt, dass die Temperatur des zentralen Abschnitts ansteigt, wodurch die Kühlrate des Phasenübergangs herabgesetzt wird und die Betriebseigenschaften der schließlich erhaltenen Ausweichschiene insgesamt verhältnismäßig gering sind. Wenn die endgültige Temperatur des Schienenkopfs nach dem beschleunigten Kühlverfahren niedriger als 400° C ist, ist der Phasenübergang des gesamten Querschnitts des Schienenkopfs und des Zentrums des Schienenfußes abgeschlossen, die Anwendung der zwangsweisen Kühlung hat keine Bedeutung mehr, und daher wird die endgültige Temperatur, die bei dem beschleunigten Kühlverfahren erhalten wird, in dem Bereich von 400–550° C eingestellt.
In der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur mit einem Infrarotthermometer gemessen.
Gemäß dem Wärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird die beschleunigte Kühlung an der Ausweichschiene im allgemeinen dadurch ausgeführt, dass ein Kühlmedium gegen die Teile geblasen wird, die durch das beschleunigte Kühlverfahren behandelt werden müssen, beispielsweise um eine beschleunigte Kühlbehandlung an dem Schienenkopf, der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs und dem Zentrum des Schienenfußes zu erhalten. Das Anblasen von Kühlmedium an den Schienenkopf, die beaufschlagte Seite des Schienenkopfs, die nicht beaufschlagte Seite des Schienenkopfs und das Zentrum des Schienenfußes, respektive, und die Steuerung der beschleunigten Kühlgeschwindigkeit wird an jedem Teil durchgeführt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Kühlmedium, das bei dem beschleunigten Kühlverfahren angewendet wird, wie üblich ausgewählt werden. Das Kühlmedium kann beispielsweise Wasserdampf oder Druckluft sein.
Das Erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren kann zur Wärmebehandlung von Ausweichschienen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen der Perlit-Serie aufweisen. In diesem Zusammenhang sind keine speziellen Erfordernisse zu nennen.
Bei der Erfindung kann die Ausweichschiene, die behandelt werden soll und die einen Schienenkopf mit einer Temperatur von 650–900° C hat, nach verschiedenen Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt werden, beispielsweise kann die Ausweichschiene im allgemeinen durch die folgenden Schritte hergestellt werden.
Geschmolzener Stahl für die Ausweichschiene wird durch einen Drehofen (Konverter) oder einen Elektroofen erzeugt, der geschmolzene Stahl wird zur Verfeinerung in einem Niederfrequenzofen und einem Ruhrstahl-Heraeus-Ofen behandelt oder einer Vakuumentgasung unterworfen und dann kontinuierlich in Stahlblöcke mit einer gewissen Größe und einem gewissen Querschnitt gegossen, und die Stahlblöcke werden an einen Ofen zum Aufheizen übergeben, wobei die Aufheiztemperatur gewöhnlich 1200–1300° C beträgt und die Durchwärmezeit zwischen 3–8 Stunden liegt. Die aufgeheizten Stahlblöcke werden zu Ausweichschienen mit dem gewünschten Querschnitt mit Hilfe eines Nachwalzwerkes oder einer universellen Walzmethode gewalzt. Wenn das Walzverfahren abgeschlossen ist, beträgt die übliche Temperatur der Oberflächenschicht der Ausweichschiene (umfassend den Schienenkopf der Ausweichschiene) etwa 900–1000° C. Um eine zu bearbeitende Ausweichschiene, deren Schienenkopf eine Temperatur von 650–900°C hat, zu erhalten, kann die Ausweichschiene in aufrechter Stellung auf einem Walzenbett oder einem Gestell positioniert werden, und ein Luftkühlungsverfahren kann dadurch stattfinden, dass sie an der Luft steht. Die vorliegende Erfindung hat keine speziellen Erfordernisse in diesem Zusammenhang.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Ausweichschiene bereit, die durch das oben beschriebene Wärmebehandlungsverfahren erhalten wird. Die Ausweichschiene ist aus einer vollständigen metallographischen Perlitstruktur zusammengesetzt und die Härte auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene ist höher als die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, vorzugsweise 1–3 HRC höher. Die Zugfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene ist höher als die der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, vorzugsweise mehr als 20 MPa höher und mehr bevorzugt 20–50 MPa höher.
Entsprechend eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird die Ausweichschiene mit einem Wärmebehandlungsverfahren der Erfindung behandelt, wenn die zu behandelnde Ausweichschiene, die einen Schienenkopf mit einer Temperatur von 650–900° C hat, Kohlenstoff (C) 0,7–0,8 Gew.-%, Silizium (Si) 0,3–0,9 Gew.-%, Mangan (Mn) 0,8–1,2 Gew.-%, Phosphor (P) 0,005–0,015 Gew.-%, Schwefel (S) 0,005–0,015 Gew.-%, Chrom (Cr) und/oder Vanadium (V) und/oder Niobium (Nb) 0,03–0,8 Gew.-% enthält und wenn die beaufschlagte Seite 102 des Schienenkopfs der erhaltene Ausweichschiene die folgenden Eigenschaften hat: Rp 0,2 ist 710–845 MPa, Rm ist 1130–1370 MPa, A ist 10,5–13,5 %, Z ist 22–28 %, und wenn die nicht beaufschlagte Seite 103 des Schienenkopfs die folgenden Eigenschaften besitzt: Rp 0,2 ist 680–830 MPa, Rm ist 110–134 MPa, A ist 11–14 %, Z ist 22–27 %.
In der vorliegenden Erfindung bezieht sich Rp 0,2 auf die Fließfestigkeit, Rm bezieht sich auf die Zugfestigkeit, A bezieht sich auf die Längenausdehnung und Z bezieht sich auf die Reduktion des Querschnitts.
Die Ausweichschienen gemäß der Erfindung haben eine gute Geradheit und besitzen ausgezeichnete Betriebseigenschaften in Bezug auf den Widerstand gegen Rollkontaktermüdung und Abriebwiderstand während des Einsatzes, sie sind ideal für den gemischten Transport von gewöhnlichen Passagierzügen und Frachtzügen und auch für Schwerlastzüge und Schwerlast-Zugmaschinen, wobei sie einer Beschädigung durch Kontaktermüdung und hohem Abrieb wiederstehen. In der vorliegenden Erfindung haben die Ausweichschienen eine gute Geradheit, was bedeutet, dass sie eine gute Geradheit entlang ihrer gesamten Länge aufweisen.
Die folgende Beschreibung erläutert die vorliegende Erfindung durch eine Kombination von Beispielen, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht dadurch eingeschränkt ist.
Beispiele 1 bis 8
Schritt 1: Der geschmolzene Stahl für die Ausweichschiene mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen wird mit einem Drehofen (Konverter) hergestellt, der geschmolzene Stahl wird in einem Niederfrequenzofen raffiniert und mit einem Vakuumentgasungsverfahren behandelt, und er wird dann kontinuierlich in kontinuierliche Gussblöcke mit einem Querschnitt von 280 mm mal 380 mm gegossen. Die Blöcke werden in einen Heizofen zum Aufheizen übergeben, wobei die Heiztemperatur 1270° C und die Durchwärmezeit 3 Stunden beträgt, so dass Stahlschienen erhalten werden. Die Stahlschienen werden mit Hilfe eines Universalwalzwerkes in Ausweichschienen mit einem Querschnitt von 60 AT gewalzt, wobei die Temperatur des Schienenkopfs 1270° C beträgt. Die erhaltenen Ausweichschienen enthalten acht chemische Zusätze, wie in Tabelle 1 dargestellt ist.

Schritt 2: Jede Ausweichschiene wird in aufrechter Lage in einem Walzenbett positioniert, und sie können ein Luftkühlverfahren durchlaufen, indem sie an der Luft stehen. Wenn die Temperatur des Schienenkopfs auf eine Anfangstemperatur der beschleunigten Abkühlung abgefallen ist, wie in Tabelle 2 dargestellt ist, wird die Ausweichschiene einem beschleunigtem Kühlverfahren gemäß dem Wärmebehandlungsverfahren der Erfindung unterworfen (wobei die beschleunigten Kühlgeschwindigkeiten, die an dem Schienenkopf, der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs und dem Zentrum des Schienenfußes angewendet werden, in Tabelle 2 gezeigt sind. Die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit ist als Kühlgeschwindigkeit in Tabelle 2 bezeichnet). Wenn die Temperatur des Schienenkopfs auf die endgültige Temperatur abgefallen ist, wie in Tabelle 2 gezeigt ist, wird das beschleunigte Kühlverfahren der Ausweichschiene gestoppt, und eine direkte Kühlung der Ausweichschiene auf Raumtemperatur durch Luftkühlung durchgeführt, um die Ausweichschienen zu erhalten. Die Ausweichschienen werden einer Betriebseigenschaftsprüfung unterworfen, und Tabelle 4 und Tabelle 5 zeigen einige mechanische Prüfungsergebnisse von Beispielen 1 bis 8 (einschließlich Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit und Härte des Schienenkopfs im Querschnitt/HRC). Dabei wird die Härte des Schienenkopfquerschnitts nach einem Härtemessverfahren des Schienenkopfquerschnitts der Ausweichschiene nach dem Stand der Technik durchgeführt, wie in 2 gezeigt ist. Die Härtemessung wird an dem Schienenkopfquerschnitt der Ausweichschiene alle 5 mm in einer Richtung entlang den gestrichelten Linien durchgeführt. In der vorliegenden Erfindung wird die Messanalyse in zehn ausgewählten Testpunkten durchgeführt, das heißt bei A1, B1, C1, D1, E1, A6, B6, C6, D4 und E4, wie in 2 gezeigt ist. Dabei ist der jeweilige Abstand zwischen A1, B1, C1, D1, E1 und der Schienenkopfoberfläche 5 mm, der entsprechende Abstand zwischen A6, B6, C6 und der Schienenkopfoberfläche ist 30 mm, der entsprechende Abstand zwischen D4 und E4 und der Schienenkopfoberfläche ist 20 mm, und zusätzlich wird die Zugfestigkeit und die Schlagfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs getestet. Tabelle 1

	Nummer	Chemische Zusammensetzung/Gew.-%
	Nummer	C	Si	Mn	P	S	Cr + V + Nb
Beispiel	1#	0.71	0.30	1.05	0.011	0.006	0.035
	2#	0.76	0.72	0.90	0.012	0.009	0.076
	3#	0.75	0.55	1.05	0.010	0.011	0.283
	4#	0.78	0.75	0.95	0.006	0.007	0.451
	5#	0.74	0.46	0.88	0.010	0.008	0.340
	6#	0.77	0.82	1.12	0.013	0.010	0.192
	7#	0.79	0.70	0.99	0.012	0.008	0.535
	8#	0.73	0.35	1.20	0.012	0.005	0.042

Tabelle 2

	Nummer	Anfangstemperatur der beschleunigten Kühlung °C/s	beschleunigte Kühlgeschwindigkeit durchgeführt an der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs °C/s	beschleunigte Kühlgeschwindigkeit auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, dem Schienenkopfprofil und dem Zentrum des Schienenfußes °C/s	Beschleunigte Kühgeschwindigkeitsdifferenz zwischen der beaufschlagten Seite und der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs	Endgültige Temperatur der beschleunigten Abkühlung °C/s
Beispiel	1#	812	5.0	4.0	1.0	480
	2#	895	3.3	2.6	0.7	548
	3#	703	2.3	1.8	0.5	464
	4#	665	1.1	1.0	0.1	415
	5#	695	1.9	1.5	0.4	516
	6#	710	2.0	1.2	0.8	433
	7#	726	3.5	3.1	0.4	452
	8#	652	1.8	1.6	0.2	403

Vergleichsbeispiel 1–8
Schritt 1: Ausweichschienen mit acht chemischen Zugaben, und zwar den gleichen wie die der Beispiele 1 bis 8, hergestellt nach dem identischen Verfahren wie in Schritt 1 der Beispiele 1 bis 8.

Schritt 2: Die erhaltenen Ausweichschienen mit acht chemischen Zugaben werden mit Verfahren, wie sie in Schritt 2 der Beispiele 1 bis 8 dargestellt sind, bearbeitet. Die Unterschiede bestehen darin, dass die beschleunigten Kühlgeschwindigkeiten, die auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, dem Schienenprofil, der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs und dem Zentrum des Schienenfußes angewendet werden, mit einer identischen Kühlgeschwindigkeit die an der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs durchgeführt wird, wie in Tabelle 2 gezeigt ist. Die endgültige Temperatur der Kühlung wird auf den gleichen Wert gesteuert wie bei den Beispielen 1 bis 8, hierzu wird auf die die Tabelle 3 verwiesen. Dadurch werden Ausweichschienen erhalten (Tabelle 4 und Tabelle 5 zeigen einen Teil der Messergebnisse von mechanischen Eigenschaften der Ausweichschienen, die von den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 erhalten wurden, einschließlich der Zugfestigkeit, der Schlagfestigkeit und der Härte des Schienenkopfquerschnitts/HRC). Tabelle 3

	Nummer	Anfangstemperatur der beschleunigten Kühlung °C/s	beschleunigte Kühlgeschwindigkeiten auf der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, dem Schienenkopfprofil und dem Zentrum des Schienenfußes °C/s	endgültige Temperatur der beschleunigten Kühlung °C/s
Vergleichsbeispiel	1#	812	4.0	480
	2#	895	2.6	548
	3#	703	1.8	464
	4#	665	1.0	415
	5#	695	1.5	516
	6#	710	1.2	433
	7#	726	3.1	452
	8#	652	1.6	403

Tabelle 4

Wie in Tabelle 4 gezeigt ist, wurden die Testproben der gemessenen mikroskopischen Strukturen von 5 den runden Ecken der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs erhalten. Tabelle 5
Wie in den Tabellen 1 bis 5 gezeigt ist, ist die Ausweichschiene erhalten mit dem Wärmebehandlungsverfahren der Erfindung eine Ausweichschiene mit einer vollständigen metallographischen Perlitstruktur (ohne abnorme metallographische Strukturen, beispielsweise Bainit oder Martensit), und die Härte der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene ist höher als die auf der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs. Die Zugfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs ist höher als die der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs. Ferner ist sowohl die Zugfestigkeit der Ausweichschiene als auch die Härte des Schienenkopfquerschnitts höher als die bei der Ausweichschiene, die nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wurde. Insbesondere ist der Härtewert des Teils, der 30 mm unterhalb des Schienenkopfs (das heißt) im Zentrum des Schienenfußes) nicht erheblich herabgesetzt, was es erleichtert, dass die Ausweichschiene ausgezeichnete Betriebseigenschaften nach dem Verfahren wie Aufschneiden und Walzen hat. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Härte der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene 1–3 HRC höher als die der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs, die Zugfestigkeit der beaufschlagten Seite des Schienenkopfs der Ausweichschiene ist 20–50 MPa höher als die der nicht beaufschlagten Seite des Schienenkopfs. Dadurch werden der Abriebwiderstand beim Aufschlag und die Ermüdungswiderstandsfähigkeit der wärmebehandelten Ausweichschiene verbessert. Die Ausweichschiene hat eine gute Geradheit und Plastizität, und die plastischen Eigenschaften des Stahls der Ausweichschiene werden auf einem gegenwärtigen Niveau gehalten. Daher sind die Ausweichschienen, die erfindungsgemäß erhalten werden, ideal für einen gemischten Transportverkehr von gewöhnlichen Passagierzügen und Frachtzügen und auch von Schwerlastzügen, wobei sie Beschädigungen durch Kontaktermüdung und hohen Abrieb wiederstehen.
Während einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung oben beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf die Details dieser Ausführungsbeispiele beschränkt. Fachleute können Modifikationen und Veränderungen des technischen Schemas der vorliegenden Erfindung durchführen ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle derartigen Modifikationen und Abänderungen sollen unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
Darüber hinaus können unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung miteinander kombiniert werden, solange die Kombinationen nicht von dem Umfang der Erfindung abweichen.
Bezugszeichenliste

1: Schienenkopf
2: Schienenfuß
3: Schienensteg
101: Schienenkopfprofil
102: beaufschlagte Seite
103: nicht beaufschlagte Seite
201: Schienenfuß

Claims

Wärmebehandlungsverfahren für eine Ausweichschiene umfassend Durchführen einer beschleunigten Abkühlung an der zu behandelnden Ausweichschiene, die einen Schienenkopf (1) mit einer Temperatur von 650–900°C hat um die Ausweichschiene mit einer vollständigen, metallographischen Perlit-Struktur zu erhalten, wobei die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite (102) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird, höher ist als die, die auf der nicht beaufschlagten Seite (103) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, worin die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite (102) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird, 0,1–1 °C/s höher ist als die, die auf der nicht beaufschlagten Seite (103) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der beaufschlagten Seite (102) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird, innerhalb eines Bereichs von 1,1–6 °C/s liegt, und wobei die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die auf der nicht beaufschlagten Seite (103) des Schienenkopfs (1) der Ausweichschiene angewendet wird, in dem Bereich von 1–5 °C/s liegt.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die an dem Schienenkopf (1) der Ausweichschiene angewendete wird, in dem Bereich 1–5 °C/s liegt, und worin die beschleunigte Kühlgeschwindigkeit, die an dem Zentrum des Schienenfußes (201) der Ausweichschiene angewendet wird, in einem Bereich von 1–5 °C/s liegt.
Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin, wenn die Temperatur des Schienenkopfprofils (101) auf 400–450 °C abgesenkt ist, das beschleunigte Kühlverfahren gestoppt wird und die Ausweichschiene direkt auf Zimmertemperatur durch Luftkühlung abgekühlt wird.
Ausweichschiene erhalten nach dem Wärmebehandlungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.