DE2416055B2 - Verwendung eines stahles als werkstoff fuer schienen - Google Patents

Verwendung eines stahles als werkstoff fuer schienen

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DE2416055B2 DE19742416055 DE2416055A DE2416055B2 DE 2416055 B2 DE2416055 B2 DE 2416055B2 DE 19742416055 DE19742416055 DE 19742416055 DE 2416055 A DE2416055 A DE 2416055A DE 2416055 B2 DE2416055 B2 DE 2416055B2
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Jürgen Dipl.-Ing.; Heller Wilhelm Dr.-Ing.; 4140 Rheinhausen Flügge
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

35
Im Rahmen der Erfindung sind Stahlschienen angesprochen, die beim Befahren mittels stählerner Räder hohen Beanspruchungen unterliegen und im unvergüteten Zustand verwendet werden können.
Die heute gebräuchlichen, unvergüteten Schienen basieren im wesentlichen auf den Festigkeitsbildnern Kohlenstoff (0,37 bis 0,82%), Silizium (unter 0,80%), Mangan (0,60 bis 2,10%) und Chrom (unter 1,70%). Daneben können sie weitere Legierungselemente wie Molybdän, Vanadin, Nickel und Titan enthalten. Ihr Gefüge ist perlitisch. Die erreichten Mindestfestigkeiten betragen 70,80,90 und 110 kp/mm2.
Bei ihrer Anwendung kommt es in erster Linie auf ein günstiges Verschleißverhalten an, vergleiche z. B. DT-AS 12 39 110. Für höhere Achslasten werden Schienen mit Zwischenstufengefüge empfohlen, deren Mindestfestigkeit bei 125 kp/mm2 liegt, vergl. »BRAUNKOHLE« (1972), S. 219-227. Eine solche Schiene weist folgende Zusammensetzung auf: 0,3% Kohlenstoff, 0,4% Silizium, 1.0% Mangan und 3% Chrom (sieheSeite 220).
Aus der US-PS 32 90183 sind Schienen mit verbessertem Korrosionswiderstand bekannt. Diese in Japan entwickelten Schienenstähle enthalten an obligatorischen Elementen 0,05—0,25% Kohlenstoff, 0,1-1,0% Molybdän und 2,0-6,0% Chrom. An möglichen weiteren Legierungsgehalten werden genannt: unter 1 % Nickel und unter 0,5% Vanadium, unter 1% Kupfer, unter 1,0% Silizium, unter 0,5% Niob, unter 0,5% Titan und unter 0,01 % Bor. Der Mindestgehalt von 2% Chrom wird als wesentlich angesehen, um die erstrebte Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Da der vorbekannte Schienenstahl bei Luftabkühlung zu spröde ist, muß eine Wärmebehandlung vorgenommen werden bei welcher der Schienenstahl allmählich von der Temperatur von 500-7500C auf 150-2000C abgekühlt wird. Die Mindestabkühlzeit soll 7 Std. betragen. Die angeführten Chromgehalte und die Wärmebehandlung sind im Rahmen der vorbekannten Lehre als unerläßlich anzusehen.
Bekannt sind auch Wärmebehandlungen von Schienen zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes und der Dauerfestigkeit im Schienenkopf sowie zur Erhöhung der Bruchsicherheit, vergL z.B. DT-PS 15 08 415 und 20 30 224. Solche Wärmebehandlungen erlauben nur eine bescheidene Verbesse.iing der Zähigkeit
In England werden zur Erhöhung der Bruchsicherheit probeweise Schienen auf der Basis 0,35% Kohlenstoff und 1,5% Mangan mit kornfeinenden Zusätzen von Aluminium, Vanadium, Niob und Titan in Verbindung mit erhöhtem Stickstoffgehalt (0,015-0,022%) erzeugt. Um günstige Zähigkeitswerte einzustellen, war ein zusätzliches Normalglühen erforderlich. Mindestfestigkeiten über 70 kp/mm2 lassen sich auf dieser Basis nicht einstellen.
Bei allen Bahnverwaltungen wird die Schienenschädenstatistik wesentlich durch die Zunahme der Sprödbrüche bei Eintritt und während des Winters geprägt. Während solche Brüche bei den heute üblichen Geschwindigkeiten in der Regel nicht zu Folgeschäden führen, bestehen bei einem Hochgeschwindigkeitsverkehr erheblich größere Risiken, die eine Schiene mit wesentlich verbesserter Bruchsicherheit erfordern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schienenstahl vorzuschlagen, der eine Brucheinschnürung von über 50%, eine Kerbschlagzähigkeit an DVMF-Proben bei -30cC von mind. 20 kpm/cm2, eine Zugfestigkeit von mindestens 90 kp/mm2 und eine Streckgrenze von mind. 65—100 kp/mm2 aufweisen sollte. Der Schienenstahl soll ein hohes Streckgrenzenverhältnis und eine hervorragende Schweißeignung aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, als Werkstoff für Schienen einen Stahl zu verwenden, der
0,07 bis 0,12% Kohlenstoff,
0.20 bis 0,50% Silizium,
4.0 bis 5,0% Mangan,
0,07 bis 0,12% Niob,
0,007 bis 0,012% Stickstoff,
0,005 bis 0,025% metallisches Aluminium,
0 bis 2% Kupfer,
0 bis 0.5% Molybdän,
0 bis 0,2% Zirkon,
0 bis 0,01% Bor,
0 bis 0,3% Titan.
Rest Eisen mit den üblichen niedrigen Verunreinigungen,
enthält, wobei dieser Stahl im luftabgekühlten Zustand oder im abgeschreckten Zustand verwendet wird. Innerhalb der Gesamtkombination hat der verwendete Stahl bei höheren Mangangehalten relativ niedrige Kohlenstoffgehalte. Für Stähle mit max. 0,04% C ist eine derartige Kombination grundsätzlich durch einen in Schweden entwickelten Baustahl bekannt. Ein derartiger Stahl wird z. B. in der US-PS 35 18 080 beschrieben. Dieser Stahl hat gleichzeitig gute Streckgrenz-, Zugfestigkeits- und Kerbschlagzähigkeitswerte. Als wesentlich wird bei diesem hochmanganhaltigen Baustahl angesehen, daß der Kohlenstoffgehalt den Wert
yon 0,04% nicht überschreitet Auf die Bedeutung dieser Höchstgrenze für den vorbekannten Stahl wird z. B. auch in des Literaturstelle »Scandinavian Journal of Metallurgy«, 1 (1972), Seiten 319-326. hingewiesen. Dort wird ausgeführt, daß der C-Gehalt 0,02—0,03% betragen sollte; auf keinen Fall höher liegen sollte, da sonst eine Versprödung durch Zwischenstufengefüge und Korngrenzenzementit auftritt, welche die Kerbschlagzähigkeit nachhaltig beeinträchtigt
Beim Erfindungsgegenstand, der sich auf die Verwendung der beanspruchten Analysenkombination als Werkstoff für Schienen bezieht stehen neben Brucheinschnürung, Kerbschlagzähigkeit Zugfestigkeit und Streckgrenze die Gebrauchseigenschaften im Vordergrund, die für den Höchstgeschwindigkeitsverkehr unerläßlich sind. Zu diesen Gebrauchseigenschaften gehören die Verschleißfestigkeit die Dauerfestigkeit das plastische Verformungsvermögen und die Vermeidung von Reibmartensit-Schichten. Es hat sich gezeigt daß beim Erfindungsgegenstand in Verbindung mit dem zo immer zu unterstellenden Schlupf keine Neigung zur Bildung von Reibmartensit-Schichten besteht.
Bei der Herstellung des Stahles ist es zweckmäßig, für einen niedrigen Wasserstoffgehalt im Stahl zu sorgen,
Tafel 1
Chemische Zusammensetzung der Schienenstähle
wozu eine Reihe von Behandlungsmöglichkeiten gegeben ist Der Stahl kann wasserstoffarm erschmolzen und/oder durch eine der bekannten Stahlentgasungsbehandlungen im WasserstoffgehaJt auf verminderte Werte gebracnt werden. Eine bevorzugte Maßnahme besteht darin, den für Schienen verwendeten Stahl nach dem Warmwalzen in ein oder zwei Hitzen zwecks Wasserstoffeffusion bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur von 300—4500C genügend lange auszulagern.
Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Tafeln 1 und 2 näher erläutert. Tafel 1 gibt die Analyse an und Tafel 2 die mechanischen Eigenschaften der Schienenstähle. Die Stahlnummern 1 und 2 spiegeln den Stand der Technik wider, während die Stahlnummern 3—4 sich auf den Erfindungsgegenstand beziehen. Die Tabelle zeigt daß hinsichtlich der Zugfestigkeit sich der Erfindungsgegenstand im Bereich der Vergleichsstähle bewegt Die Streckgrenzwerte liegen höher. Deutlich höher sind die Werte für die Bruchdehnung, wobei sogar die Werte für die Brucheinschnürung um ein Mehrfaches besser sind als bei den Vergleichsstähien. Die im Kerbschlagbiegeversuch ermittelten Schlagarbeiten liegen sogar um eine Größenordnung höher.
Behdlg.-zustand
Si
Mn
Cu Cr Nb
Bemerkungen
1
2		 warmgewalzt
warmgewalzt		 0,75
0,73		 0,25
0,60		 1.1
1,0
3 warmgewalzt 0,07 0,30 4,5
4 warmgewalzt 0,08 0.42 4,6
Sämtliche Schmelzen enthalten 0,005—0,025% Al.
1J Nach den technischen Lieferbedingungen UIC 860-V.
-
— - 0,005 Schienengüte A1)
— - 0,007 Schienensonder-
güte
0,1 - 0,011 Stähle entsprechend
der Erfindung
0,11 - 0,011 Stahle entsprechend
der Erfindung
Tafel 2
Mechanische Eigenschaften der Schienenstähle
Stahl Nr. kp/mmJ ob % Y (DVM F-Probe)
56 13,5 ak -30° C
68 kp/mm2 11,4 % kp · m/cm2
1 79 98 16,4 23 2
2 104 116 16,5 22 2
3 110 67 29
4 109 57 25

Claims (2)

IO Patentansprüche:
1. Verwendung eines Stahles mit
0,07 bis 0,12% Kohlenstoff.
0,20 bis 0,50% Silizium,
4,0 bis 5,0% Mangan,
0,07 bis 0,12% Niob,
0,007 bis 0,012% Stickstoff,
0,005 bis 0,025% metallisches Aluminium,
0 bis 2% Kupfer,
0 bis 03% Molybdän,
Obis 0,2% Zirkon,
Obis 0,01% Bor,
Obis 0,3% Titan. '5
Rest Eisen mit den üblich niedrigen Verunreinigungen,
als Werkstoff für Schienen, die nach einer Luftabkühlung oder einem Abschrecken bei einer Brucheinschnürung von über 50% und einer Kerbschlagzähigkeit von mind. 20 kpm/cm2 an DVMF-Proben, eine Zugfestigkeit von mind. 90 kp/mm2 und eine Streckgrenze von mind. 65 bis 100 kp/mm2 aufweisen sollen.
2. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1 für Schienen nach Anspruch 1, die nach dem Warmwalzen in ein oder zwei Hitzen zwecks Wasserstoffeffusion bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur von 300—4500C genügend lange ausgelagert sind.
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