DE2439338B1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen

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DE2439338B1 DE2439338A DE2439338A DE2439338B1 DE 2439338 B1 DE2439338 B1 DE 2439338B1 DE 2439338 A DE2439338 A DE 2439338A DE 2439338 A DE2439338 A DE 2439338A DE 2439338 B1 DE2439338 B1 DE 2439338B1
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Description

Bei den heutigen Standard-Schienen handelt es sich um naturharte Schienen, die nach, dem Walzen auf dem Kühlbett an ruhender Luft abkühlen oder zur Vermeidung von Flocken in Abkühlgruben oder -wagen verzögert abgekühlt werden (vgl. »Stahl und Eisen« 81 [1961], S. 1253 bis 1263).
Entsprechend den »Technischen Lieferbedingungen des Internationalen Eisenbahnverbandes UIC 860-V« weisen sie eine Mindestzugfestigkeit von 70 bzw. 90 kp/mm2 auf. Wie die in Tafel 1 unter den Nummern 1 bis 3 aufgeführten Richtanalysen erkennen lassen, sind Kohlenstoff und Mangan die wesentlichen Festigkeitsträger. Das Gefüge dieser Schienen ist perlitisch-ferritisch (Nr. 1) oder perlitisch (Nr. 2 und 3).
Auf Grund zunehmender Verkehrsaufkommen zum
Teil in Verbindung mit höheren Achslasten besteht ein Bedarf an höherfesten Schienenstählen, z. B. mit einer Mindestzugfestigkeit von 110 kp/mm2 (vgl. »Technische Mitteilungen Krupp — Werksberichte 32« [1974], 1. Heft). Eine solche Festigkeit ist nicht mehr auf der Basis eines naturharten Kohlenstoff-Mangan-Stahles einzustellen. Man benötigt dazu weitere Legierungselemente, z. B. Chrom, Vanadin und Molybdän. Tafel 1 enthält als Beispiel einen entsprechenden Stahl (Nr. 4), mit einem gegenüber Schienen mit mindestens 90 kp/mm2 Mindestzugfestigkeit angehobenen Siliziumgehalt und zusätzlich etwa 1% Chrom. Die Anwendung höherer Legierungsgehalte und zusätzlicher Legierungselemente verteuert einerseits den Schienenstahl und macht andererseits Sondervorschriften für das Schweißen erforderlich. Da im durchgehend geschweißten Gleis bereits mehr als 50 % aller Schienenschäden und -brüche an Schweißungen auftreten (vgl. »Eisenbahntechnische Rundschau« 22 [1973], Heft 6, S. 214/218), kommt in Zukunft aus Sicherheitsgründen der Schweißeignung eine besondere Bedeutung zu. Im Hinblick auf eine günstige Schweißeignung ist es wünschenswert, höhere Festigkeiten mit möglichst geringen Legierungsgehalten einzustellen. Eine entsprechende Möglichkeit besteht in der Herstellung wärmebehandelter Schienen.
Bei den heute gebräuchlichen Verfahren werden die Schienen nach dem Walzen zunächst an ruhender Luft oder in Graben verzögert abgekühlt. Sie werden dann nach dem Hichten entweder chargenweise im Ofen austenitisiert und anschließend in Öl abgeschreckt im Ofen angelassen, wobei der gesamte Schienenquerschnitt behandelt wird (vollvergütet), oder die Schienen werden im Durchlaufverfahren induktiv oder mit Brennern erwärmt, mit Brausen abgeschreckt und angelassen (vgl. »Stahl und Eisen« 90 [1970], S. 922 bis 928). Diese Durchlaufverfahren werden fast ausschließlich zur Wärmebehandlung des Schienenkopfes oder Teilbereichen davon verwendet. Schienensteg und Schienenfu3 werden im Walzzustand be-
3 4
lassen. Bei der Wärmebehandlung durch Abschrecken eignung zu erhöhen oder bei gegebener Festigkeit die
in Öl wird ein feinperlitisches Gefüge eingestellt. Bei Schweißeignung weitgehend zu verbessern,
den Durchlaufverfahren wird zum Teil auf ein perli- Die Lösung der Aufgabe besteht grundsätzlich
tisches Gefüge und zum Teil auf Vergütungsgefüge darin, daß die Schienen ganz oder im Kopf von einer
hingearbeitet. B i 1 d 1 zeigt den Härteverlauf an 5 im Austenitgebiet liegenden Temperatur, bevorzugt
vollvergüteten, flammgehärteten und induktivver- 800 bis 8500C, in siedendem oder in Wasser von
güteten Schienen. Ein wesentlicher Unterschied besteht mehr als 800C bis mindestens auf eine Temperatur,
darin, daß bei der Vollvergütung die Härte zum bei der die Perlitumwandlung abgeschlossen ist (um
Schienenkopfinneren hin nur allmählich abfällt und etwa 4000C) abgeschreckt werden, wobei die Zu-
in allen Querschnittsbereichen höher liegt als im io sammensetzung des Stahles so abgestimmt ist, daß
Walzzustand. Bei den flamm- und induktivgehärteten sich in dem abgeschreckten Stahl ein feinstperlitisches
Schienen erfolgt der Härteabfall steiler, wobei die Gefüge ergibt.
Härte ein Tal durchläuft, das unterhalb der Härte Zs steht frei, die Schienen zwecks Beschleunigung
für den Walzzustand liegt. Bei nicht hinreichend der weiteren Abkühlung noch bis um 1000C im
tiefem Vergüten besteht die Gefahr, daß bei hoher 15 Abschreckmittel zu belassen. Dadurch wird die an
Härte im Fahrflächenbereich unterhalb der Fahrfläche sich schon beträchtliche Erhöhung des Durchsatzes
im Gebiet hoher Schubbeanspruchung zu geringe noch weiter erhöht.
Festigkeiten vorliegen. Nachteile der genannten Ver- Nachfolgend werden Angaben über die Anwendung fahren sind in den Zusatzkosten für das erneute der Abschreckung der ganzen Schiene oder nur des Erwärmen der Schienen zu sehen. Darüber hinaus sind 20 Schienenkopfes und über die Zuordnung bevorzugter diese Verfahren für eine großtechnische Vergütung Richtanalysen für die Verfahrensvarianten angegeben, entsprechend der hohen Leistung einer Schienenstraße Für ein Abschrecken des ganzen Schienenquernicht geeignet. schnittes wird zweckmäßig der Einfluß des Mangan-Die früher empfohlenen Verfahren zum Wärme- gehaltes (und etwaiger Äquivalente) auf die Gefügebehandeln von Schienen aus der Walzhitze (vgl. 25 ausbildung an der Schienenfußkante als Maßstab »3. Internationale Schienentagung Budapest vom 8. bis zugrunde gelegt. Nach B i 1 d 3 erreicht man dort 12. September 1935, Ungarischer Verband für Material- nahezu unabhängig vom Schienenprofil nach 40 Seprüfung« Budapest 1936), bei denen die Schienen künden 4000C. Bei Mangangehalten über 1,4% ist durch kurzbemessenes Eintauchen des Schienen- mit dem Auftreten von Martensitanteilen zu rechnen, kopfes in ein Wasserbad oder durch Besprühen des 30 Beschränkt man die Abkühlung auf den Schienen-Schienenkopfes mit Wasserstaub, Dampf oder feuchter kopf, so lassen sich höhere Legierungsgehalte und damit Preßluft bis zum Verschwinden der Rotglut beschleu- noch höhere Festigkeiten als entsprechend B i 1 d 2 nigt abgekühlt wurden, wobei der Schienenkopf und der einstellen. Nach der für die Schienenkopf kante Schienenfuß vor der Abkühlung geschützt werden geltenden Abkühlungskurve 2 in B i 1 d 3 können mußten, haben sich großtechnisch nicht durchsetzen 35 Mangangehalte bis 1,8 % bzw. eine Kombination von können. Verfahrenstechnische Schwierigkeiten und Legierungselementen, die bei dieser Abkühlbedingung Unsicherheiten in den Vergütebedingungen durch noch zu einer Perlitumwandlung führen, verwendet Streuungen in den Anfangstemperaturen, der Wasser- werden.
menge und der Härtedauer dürften einer gesicherten Die Abkühlung in siedendem Wasser kann, wie Erzeugung entgegengestanden haben. Daneben sind 40 erwähnt, auch zur Anwendung kommen, um die noch Verfahren bekannt (vgl. ebenfalls 3. Intern. Warmbettkapazität zu steigern. Während nach Kurve 4 Schienentagung Budapest), bei denen der Schienen- in Bild 3 Schienen nach dem Walzen in etwa kopf durch wiederholtes kurzfristiges Eintauchen in 3 Stunden auf 1000C abkühlen, kann diese Zeit durch das sich hebende und senkende Härtebad bis zum Ver- Abschrecken in siedendem Wasser auf etwa 10 Mischwinden der Rotglut unterbrochen gehärtet wird 45 nuten reduziert werden.
(Verfahren von Neuves Maisons) oder der Schienen- Das Verfahren zum Abschrecken ganzer Schienen kopf auf 2/3 bis % seiner Höhe ohne Unterbrechung in siedendem Wasser bzw. nahezu siedendem Wasser im Wasserbad gehalten wird (Verfahren der Maxi- (was jedenfalls Temperaturen über 80°C bedeuten soll) milianshütte). Beide Verfahren sind technisch sehr kann zweckmäßig auf Schienen mit der in Tafel 1, umständlich und wieder außer Betrieb genommen 50 Nr. 5, angegebenen Richtanalyse angewandt werden, worden. Weitere Legierungselemente sind zulässig, sofern sie Nach einem polnischen Verfahren (vgl. hierzu das Ende der Perlitumwandlung nicht verzögern, ebenfalls »3. Internationale Schienentagung Budapest«) Mangan kann durch andere Elemente in — im Hinwurden Schienen stehend oder liegend mit beliebiger blick auf die Perlitumwandlung — äquivalenten Geschwindigkeit durch eine Vergüteanlage geführt, 55 Mengen ausgetauscht werden,
wobei die für die Wärmebehandlung vorgesehenen Die Abkühlung in siedendem Wasser ermöglicht es, Flächen mit Wasserstaub berieselt, die anderen trotz der sehr starken Querschnittsschwankungen Flächen jedoch vor einer beschleunigten Abkühlung zwischen Schienenfuß und Schienenkopf, ein über den geschützt wurden. Dabei wird eine Härtung des gesamten Schienenquerschnitt einheitliches, feinperli-Schienenkopfes über 300 Brinell wegen der Abblätte- 60 tisches Gefüge einzustellen, das im Hinblick auf ein rungsgefahr als unerwünscht angesehen. Aus ver- späteres Schweißen eine im Vergleich zu Vergütungsf ah renstechnischen Schwierigkeiten ist auch dieses gefügen gute Stabilität aufweist.
Verfahren für eine leistungsfähige Schienenerzeugung Auf diese Weise läßt sich, wie B i 1 d 2 zeigt, wenig geeignet. bei einem Werkstoff mit der in Tafel 2, Nr. 1, ange-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter 65 gebenen chemischen Zusammensetzung die Härte in sparsamer Verwendung von Legierungselementen im dem besonders interessierenden Bereich des Schienen-Hinblick auf die Schweißeignung der Schienen die kopfes (0 bis 20 mm Tiefe) von etwa 275 HV auf Festigkeitseigenschaften ohne Einbuße an Schweiß- 320 bis 360 HV (ob ^ 110 kp/mm2) anheben. Von
besonderem Vorteil ist dabei die stärkere Aufhärtung zur Fahrkante hin (Linie CD), da dort die höchsten Verschleiß- und Dauerbeanspruchungen auftreten.
Zugversuche an zylindrischen Proben mit 10 mm Durchmesser, die dem Schienenkopf an der Fahrkante entsprechend Bild 2 in Längsrichtung entnommen wurden, ergaben für Schienen mit den in Tafel 2 angegebenen chemischen Zusammensetzungen die in Tafel 3 zusammengestellten Werte für den Walzzustand und für eine Abschreckung in siedendem Wasser. Danach werden bei gleicher Bruchdehnung folgende mittlere Verbesserungen erreicht:
Zugfestigkeit 13 kp/mm2 (13%)
Streckgrenze 16 kp/mm2 (30%)
Reißspannung 20 kp/mm2 (16%)
Brucheinschnürung 5 % (20 %)
Im Schienenschlagversuch nach den UIC-Bedingungen ergab sich kein Unterschied zwischen Warmbett- und Siedend-Wasserabkühlung in der Zahl der bis zum Bruch ertragenen Schläge. Die Schienen brachen beim 4. oder 5. Schlag. Nach den UIC-Bedingungen müssen sie zwei Schläge aushalten. Danach führt die Wärmebehandlung trotz höherer Festigkeit zu keiner Beeinträchtigung der Zähigkeit; diese ist nach der Brucheinschnürung zu urteilen eher günstiger.
Die Festigkeitswerte lassen eine deutliche Steigerung erkennen. Da im Zugversuch die tieferen Bereiche des Schienenkopfes bis 15 mm Tiefe erfaßt wurden, ist, wie man der Härteverteilung entnehmen kann, im mehr interessierenden oberflächennahen Bereich eine noch ausgeprägtere Steigerung der Festigkeitswerte zu erwarten. Den Härtewerten von 325 bis 360 HV 10 mm Tiefe bzw. an der Oberfläche entsprechen Zugfestigkeiten von 120 bzw. 132 kp/mm2 und — bei einem beobachteten Streckgrenzenverhältnis von
Tafel 1
Richtanalyse von Schienenstählen in Gewichtsprozent 0,60 — Streckgrenzen von 72 bzw. 80 kp/mm2. Damit ist gegenüber verschleißfesten Schienen mit 90 kp/mm2 Mindestfestigkeit sowohl hinsichtlich Verschleiß als auch Dauerbeanspruchung mindestens eine Verdoppelung der Lebensdauer zu erwarten.
Falls Härten über 320 HV nicht erforderlich sind, ermöglicht ein Abschrecken in siedendem Wasser die heutigen Mindestzugfestigkeiten von Standard-Schienen mit geringeren Legierungsgehalten als bisher
ίο einzustellen und dadurch die Schweißeignung zu verbessern.
Zur Einstellung einer Härte über 320 HV im Bereich der Fahrfläche ist bevorzugt eine eingeengte Richtanalyse entsprechend Tafel 1 Nr. 6 anzuwenden.
Schienen mit Fahrflächenfestigkeiten entsprechend den UIC-Bedingungen von über 90 bzw. 70 kp/mm2, aber mit verbesserter Schweißeignung, können mit Richtanalysen nach Tafel 1, Nr. 7 und 8 hergestellt werden.
Die Schienen sollen wasserstoffarm sein. Sie sind z. B. bei einhitziger Walzung wasserstoffarm zu erschmelzen oder zu vergießen, z. B. im Vakuum zu entgasen, um niedrige Wasserstoffgehalte einzustellen. Bei zweihitziger Walzung kann ein niedriger Wasserstoffgehalt durch verzögerte Abkühlung der Vorblöcke erreicht werden.
Vorteile des Verfahrens liegen neben den Verbesserungen der Qualität in der Wirtschaftlichkeit (Verringerung von Legierungskosten gegenüber naturharten Schienen), Entfall des Vorrichtens und einer erneuten Aufheizung infolge Arbeitens aus der Walzhitze, gute Einpassung in den Walzrhythmus, einfache Handhabung gegenüber anderen Verfahren zur Wärmebehandlung.
Das Abschrecken kann unter Beibehaltung zahlreicher Vorteile auch an Schienen vorgenommen werden, die zunächst normal abgekühlt, gerichtet und dann erneut austenitisiert werden.
Nr. *) kp/mm2 C Si Mn Cr
70 bis 85
1 >90 0,40 bis 0,60 <O,35 0,80 bis 1,20
2 Güte A 0,60 bis 0,75 <0,5 0,80 bis 1,30 __
>90
3 Güte B 0,50 bis 0,70 <0,5 1,30 bis 1,70
>110
4 — 0,65 bis 0,80 0,60/0,90 0,80 bis 1,30 0,80 bis 1,30
5 >120*) 0,40 bis 0,90 <l,30 0,60 bis 1,40 —
6 >90*) 0,75 bis 0,85 <0,50 0,90 bis 0,80 —
7 >70*) 0,45 bis 0,55 <0,50 0,70 bis 0,90 —
8 Fahrflächenfestigkeit. 0,40 bis 0,50 <0,30 0,60 bis 0,80 — ■
Tafel 2
Zusammensetzung der Versuchsschienen in Gewichtsprozent
Schiene Profil C Si Mn P S
1
2		 UIC 60
S 49		 0,75
0,75		 0,25
0,27		 1,03
1,04		 0,040
0,016		 0,017
0,017
24 39 358
Tafel 3
Mechanische Eigenschaften nach unterschiedlicher Abkühlung
Schiene > "R — Abkühlungsart in kp/mm2 ob Or*) in% Ψ
67 12,5 in %
1 Wasser 52 110 140 12,5 29
1 Luft 68 98 122 14 25
2 Wasser 51 110 142 14 32
2 Luft 96 120 26
Bruchspannung
Bruchquerschnitt Hierzu
3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Verfahren, die Festigkeitseigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Reißspannung und Brucheinschnürung), von Schienen gegenüber dem naturharten Zustand ohne Einbuße an Schlagzähigkeit und Schweißeignung zu erhöhen oder bei gegebener Festigkeit die Schweißeignung weitgehend zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen ganz oder im Kopf von einer im Austenitgebiet liegenden Temperatur in siedendem Wasser oder in Wasser von mehr als 800C bis mindestens auf eine Temperatur, bei der die Perlitumwandlung abgeschlossen ist, abgeschreckt werden, wobei die Zusammensetzung des Stahles so abgestimmt ist, daß sich in dem abgeschreckten Stahl ein feinstperlitisches Gefüge ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen von 800 bis 8500C abgeschreckt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken aus der Walzhitze erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen bis zum Erreichen einer Temperatur von 1000C in dem Abschreckmittel belassen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abschrecken im Ganzen Schienen unterworfen werden, deren Gehalte an Mangan (und gegebenenfalls Äquivalenten) so beschränkt sind, daß das Auftreten von Martensitanteilen an der Schienenfußkante unterbleibt.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,40 bis 0,60% Kohlenstoff, bis 0,35% Silizium, 0,80 bis 1,20% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,60 bis 0,75% Kohlenstoff, bis 0,5% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,50 bis 0,70% Kohlenstoff, bis 0,5% Silizium, 1,30 bis 1,70% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,65 bis 0,80% Kohlenstoff, 0,60 bis 0,90% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, 0,80 bis 1,30% Chrom, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,40 bis 0,90% Kohlenstoff, bis 1,30% Silizium, 0,60 bis 1,40% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,75 bis 0,85% Kohlenstoff, bis 0,50% Silizium, 0,80 bis 0,90% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,45 bis 0,55% Kohlenstoff, bis 0,50% Silizium, 0,70 bis 0,90% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,40 bis 0,50% Kohlenstoff, bis 0,30% Silizium, 0,60 bis 0,80% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
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