DE2439338C2 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen aus der Walzhitze - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen aus der Walzhitze

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DE2439338C2 DE2439338A DE2439338A DE2439338C2 DE 2439338 C2 DE2439338 C2 DE 2439338C2 DE 2439338 A DE2439338 A DE 2439338A DE 2439338 A DE2439338 A DE 2439338A DE 2439338 C2 DE2439338 C2 DE 2439338C2
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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-ferntisch (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 llOkp/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 90kp/mm2 Mindeslzugfestigkeit 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 (vel. »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 Legierungsgehallen 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 Gruben verzögert abgekühlt. Sie werden dann nach dem Richten 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 Fisen« 90 [1970], S. 922 bis 928). Diese Durchlaufverfahren werden fast ausschließlich zur Wärmebehandlung des Schienenkopfes oder Teilbereichen davon verwendet. Schienensteg und Schienenfuß werden im Walzzustand belassen. Bei der Wärmebehandlung durch Abschrecken in öl wird ein feinperlitisches Gefüge eingestellt. Bei den Durchlaufverfahren wird zum Teil auf ein perlitisches Gefüge und zum Teil auf Vergütungsgefüge
hingearbeitet. B i 1 d 1 zeigt den Härteverlauf an voilvergüteten, flammgehärteten und induktivvergüteten Schienen. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß bei der Vollvergütung die Härte zum Schienenkopfinneren hin nur allmählich abfällt und in allen Querschnittsbereichen höher liegt als im Walzzustand. Bei den flamm- und induktivgehärteten Schienen erfolgt der Härteabfall steiler, wobei die Härte ein Tal durchläuft, das unterhalb der Härte für den Walzzustand liegt. Bei nicht hinreichend tiefem Vergüten besteht die Gefahr, daß bei hoher Härte im Fahrflächenbereich unterhalb der Fahrfiäche im Gebiet hoher Schubbeanspruchung zu geringe Festigkeiten vorliegen. Nachteile der genannten Verfahren sind in den Zusatzkosten für das erneute Erwärmen der Schienen zu sehen. Darüber hinaus sind diese Verfahren für eine großtechnische Vergütung entsprechend der hohen Leistung einer Schienenstraße nicht geeignet.
Die früher empfohlenen Verfahren zum Wärmebehandeln von Schienen aus der Walzhitze (vgl. »3. Internationale Schienentagang Budapest vom 8. bis 12. September 1935, Ungarischer Verband für Materialprüfung« Budapest 1936), bei denen die Schienen durch kurzbemessenes Eintauchen des Schienenkopfes in ein Wasserbad oder durch Besprühen des Schienenkopfes mit Wasserstaub, Dampf oder feuchter Preßluft bis zum Verschwinden der Rotglut beschleunigt abgekühlt wurden, wobei der Schienenkopf und der Schienenfuß vor der Abkühlung geschützt werden mußten, haben sich großtechnisch nicht durchsetzen kennen. Verfahrenstechnische Schwierigkeiten und Unsicherheiten in den Vergütebedingungen durch Streuungen in den Anfangstemperaturen, der Wassermenge und der Härledauer dürften einer gesicherten Erzeugung entgegengestanden haben. Daneben sind noch Verfahren bekannt (vgl. ebenfalls 3. Intern. Schienentagung Budapest), bei denen der Schienenkopf durch wiederholtes kurzfristiges Eintauchen in das sich hebende und senkende Härtebad bis zum Verschwinden der Rotglut unterbrochen gehärtet wird (Verfahren von Neuves Maisons) oder der Schienenkopf auf "/a bis 3U seiner Höhe ohne Unterbrechung im Wasserbad gehalten wird (Verfahren der Maximilianshütte). Beide Verfahren sind technisch sehr umständlich und wieder außer Betrieb genommen worden.
Nach einem polnischen Verfahren (vgl. hierzu ebenfalls »3. Internationale Schienentagung Budapest«) wurden Schienen stehend oder liegend mit beliebiger Geschwindigkeit durch eine Vergüteanlage geführt, wobei die für die Wärmebehandlung vorgesehenen Flächen mit Wasserstaub berieselt, die anderen Flächen jedoch vor einer beschleunigten Abkühlung geschützt wurden. Dabei wird eine Härtung des Schienenkopfes über 300 Brinell wegen der Abblätterungsgefahr als unerwünscht angesehen. Aus verfahrenstechnischen Schwierigkeiten ist auch dieses Verfahren für eine leistungsfähige Schienenerzeugung wenig geeignet.
Der Erfindung liegt die A ■!·>>„ ht· zugrunde, unter sparsamer Verwendung von Legierungselementen im Hinblick auf die Schweißeignung der Schienen die Festigkeitseigenschaften ohne Einbuße an Schweißeignung zu erhöhen oder bei gegebener Festigkeit die Schweißeignung weitgehend zu verbessern.
Die Lösung der Aufgabe besteht grundsätzlich darin, daß die Schienen von einer Temperatur im Bereich von 800 bis 850° C, in siedendem oder in Wasser von mehr als 80° C bis mindestens auf eine Temperatur von etwa 400° C, 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.
Es steht frei, die Schienen zwecks Beschleunigung der weiteren Abkühlung noch bis um 1000C im Abschreckmittel zu belassen. Dadurch wird die an sich schon beträchtliche Erhöhung des Durchsatzes noch weiter erhöht.
Nachfolgend werden Angaben über die Anwendung der Abschreckung der ganzen Schiene oder nur des Schienenkopfes und über die Zuordnung bevorzugter Richtanalysen für die Verfahrensvarianten angegeben. Für ein Abschrecken des ganzen Schienenquerschnittes wird zweckmäßig der Einfluß des Mangangehaltes (und etwaiger Äquivalente) auf die Gefügeausbildung an der Schienenfußkante als Maßstab zugrunde gelegt. Nach B i 1 d 3 erreicht man dort nahezu unabhängig vom Schienenprofil nach 40 Sekunden 400° C. Bei Mangangehalten über 1,4% ist mit dem Auftreten von Martensitanteilen zu rechnen. Beschränkt man die Abkühlung auf den Schienenkopf, so lassen sich höhere Legierungsgehalteund damit noch höhere Festigkeiten als entsprechend B i 1 d 2 einstellen. Nach der für die Schienenkopfkante geltenden Abkühlungskurve 2 in B i 1 d 3 können Mangangehalte bis 1,8 °'a bzw. eine Kombination von Legierungselementen, die bei dieser Abkühlbedingung noch zu einer Perlitumwandlung führen, verwendet werden.
Die Abkühlung in siedendem Wasser kann, wie erwähnt, auch zur Anwendung kommen, um die Warmbettkapazität zu steigern. Während nach Kurve 4 in Bild 3 Schienen nach dem Walzen in etwa 3 Stunden auf 1000C abkühlen, kann diese Zeit durch Abschrecken in siedendem Wasser auf etwa 10 Minuten reduziert werden.
Das Verfahren zum Abschrecken ganzer Schienen in siedendem Wasser bzw. nahezu siedendem Wasser (was jedenfalls Temperaturen über 8O0C bedeuten soll) kann zweckmäßig auf Schienen mit der in Tafel 1, Nr. 5, angegebenen Richtanalyse angewandt werden. Weitere Legierungselemente sind zulässig, sofern sie das Ende der Perlitumwandlung nicht verzögern. Mangan kann durch andere Elemente in — im Hinblick auf die Perlitumwandlung — äquivalenten Mengen ausgetauscht werden.
Die Abkühlung in siedendem Wasser ermöglicht es, trotz der sehr starken Querschnittsschwankungen zwischen Schienenfuß und Schienenkopf, ein über den gesamten Schienenquerschnitt einheitliches, feinperlitisches Gefiige einzustellen, das im Hinblick auf ein späteres Schweißen eine im Vergleich zu Vergütungsgefügen gute Stabilität aufweist.
Auf diese Weise läßt sich, wie B i 1 d 2 zeigt, bei einem Werkstoff mit der in Tafel 2, Nr. 1, angegebenen chemischen Zusammensetzung die Härte in dem besonders interessierenden Bereich des Schienenkopfes (0 bis 20 mm Tiefe) von etwa 275 HV auf 320 bis 360 HV (azj ä 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
5 6
entsprechend Bild 2 in Längsrichtung entnommen ist gegenüber verschleißfesten Schienen mit 90 kp/mm* wurden, ergaben für Schienen mit den in Tafel 2 Mindestfestigkeit sowohl hinsichtlich Verschleiß als angegebenen chemischen Zusammensetzungen die in auch Dauerbeanspruchung mindestens eine VerTafel 3 zusammengestellten Werte für den Walz- doppelung der Lebensdauer zu erwarten,
zustand und für eine Abschreckung in siedendem 5 Falls Härten über 320 HV nicht erforderlich sind, Wasser. Danach werden bei gleicher Bruchdehnung ermöglicht ein Abschrecken in siedendem Wasser die folgende mittlere Verbesserungen erreicht: heutigen Mindestzugfestigkeiten von Standard-Schienen mit geringeren Legierungsgehalten als bisher
Zugfestigkeit 13 kp/mm2 (13%) einzustellen und dadurch die Schweißeignung zu
Streckgrenze 16 kp/mm2 (30%) 10 verbessern.
Reißspannung 20 kp/mm2 (16 %) Zur Einstellung einer Härte über 320 HV im Bereich
Brucheinschnürung 5% (20%) der Fahrfläche ist bevorzugt eine eingeeng'e Richtanalyse entsprechend Tafel 1 Nr. 6 an/uwei den.
Im Schienenschlagversuch nach den UIC-Bedin- Schienen mit Fahrflächenfestigkeiten entsprechend
gungen ergab sich kein Unlcischicd zwischen Warm- 15 den UIOBedingungcn von über 90 bzw. 70 kp/mm8,
bett- und Siedend-Wasserabkühlung in der Zahl der aber mit verbesserter Schweißeignung, können mit
bis zum Bruch ertragenen Schläge. Die Schienen Richtanalysen nach Tafel 1, Nr. 7 und 8 hergestellt
brachen beim 4. oder 5. Schlag. Nach den UIC- werden.
Bedingungen müssen sie zwei Schläge aushalten. Die Schienen sollen wasserstoffarm sein. Sie sind Danach führt die Wärmebehandlung trotz höherer 20 z. B. bei einhitziger Walzung wasserstoffarm zu erFestigkeit zu keiner Beeinträchtigung der Zähigkeit; schmelzen oder zu vergießen, z. B. im Vakuum zu diese ist nach der Brucheinschnürung zu urteilen entgasen, um niedrige Wasserstoffgehalte einzustellen, eher günstiger. Bei zweihitziger Walzung kann ein niedriger Wasser-Die Festigkeitswerte lassen eine deutliche Steigerung stoffgehalt durch verzögerte Abkühlung der Vorblöcke erkennen. Da im Zugversuch die tieferen.Bereiche des 25 erreicht werden.
Schienenkopfes bis 15 mm Tiefe erfaßt wurden, ist, Vorteile des Verfahrens liegen neben den Verbessewie man der Härteverteilung entnehmen kann, im rungen der Qualität in der Wirtschaftlichkeit (Verrinmehr interessierenden oberflächennahen Bereich eine gerung von Legierungskosten gegenüber naturharten noch ausgeprägtere Steigerung der Festigkeitswerte Schienen), Entfall des Vorrichtens und einer erneuten zu erwarten. Den Härtewerten von 325 bis 360 HV 30 Aufheizung infolge Arbeitens aus der Walzhitze, gute 10 mm Tiefe bzw. an der Oberfläche entsprechen Einpassung in den Walzrhythmus, einfache Hand-Zugfestigkeiten von 120 bzw. 132 kp/mm2 und — bei habung gegenüber anderen Verfahren zur Wärmeeinem beobachteten Streckgrenzenverhältnis von behandlung.
0,60 — Streckgrenzen von 72 bzw. 80 kp/mm2. Damit
Tafel 1
Richtanalyse von Schienenstählen in Gewichtsprozent
Nr. ob C Si Mn Cr
kp/mm2
1 70 bis 85 0,40 bis 0,60 <0,35 0,80 bis 1,20
2 >90 0,60 bis 0,75 <0,5 0,80 bis 1,30
Güte A
3 >90 0,50 bis 0,70 <0,5 1,30 bis 1,70
Güte B
A
T		 — 1 1 r\
—- JHU		 u,oj Dis υ,ου 0,60/0,90 O1SO bis 1,30 Ö,«Ö bis i,3Ö
5 0,40 bis 0,90 <l,30 0,60 bis 1,40 —
6 >120*) 0,75 bis 0,85 <0,50 0,90 bis 0,80 —
7 >90*) 0,45 bis 0,55 <0,50 0,70 bis 0,90 —
8 >70*) 0,40 bis 0,50 <0,30 0,60 bis 0,80 —
*) Fahrflächenfestigkeit.
Tafel 2
Zusammensetzung der Versuchsschienen in Gewichtsprozent
Schiene
Profil
Mn
UIC 60
S 49
0,75 0,75
1,03
1,04
0,040
0,016
03017 0,017
-fffö^flftiM/ft , '-, .... .,M .
Tafel 3
Mechanische Eigenschaften nach unterschiedlicher Abkühlung
Schiene
Abkühlungsart
Wasser Luft
Wasser Luft
Bruchspannung Bruchquerschnitt
Ob
in kp/mm2
67 110
52 98
68 110
51 96
Ψ in %
140 122 142 120
29 25 32 26
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
•30 235/237

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren, die Festigkeitseigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Reißspannung und Brucheinschnürung) von Schienen aus üblichen Schienenstählen gegenüber dem naturharten Zustand ohne Einbuße an Schlagzähigkeit und Schweißeignung zu erhöhen oder bei gegebener Festigkeit die Schweißeignung weitgehend zu verbessern, indem die Schiene ganz oder im Kopf aus der Walzhitze von einer im Austenitgebiet liegenden Temperatur in Wasser abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen von einer Temperatur im Bereich von 800 bis 850° C in siedendem Wasser oder in Wasser von mehr als 80° C bis mindestens auf eine Temperatur von etwa 400° C, 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 bis zum Erreichen einer Temperatur von 100° C in dem Abschreckmittel belassen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,40 bis 0,60 % Kohlenstoff, bis 0,350O Silizium, 0,80 bis 1,20% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,60 bis 0,75 ö/o Kohlenstoff, bis 0,50Zo Silizium, 0,80 bis l,3O°/o Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienen, deren Richtanalyse lautet: 0,50 bis 0,70% Kohlenstoff, bis 0,5 % Silizium, 1,30 bis 1,70% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbcdingte Verunreinigungen.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 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.
8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienen, deren Riehtanalyse lautet: 0,40 bis 0,90% Kohlenstoff, bis 1,30% Silizium, Ο,ϋΟ bis 1,40% Mangan, Rest Eisen und herstelhtngsbedingte Verunreinigungen.
9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienen, deren Rieht- <>° analyse lautet: 0,75 bis 0,85% Kohlenstoff, bis 0,50% Silizium, 0,80 bis 0,90% Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienen, deren Riehtanalyse lautet: 0,45 bis 0,55% Kohlenstoff, bis 0,50% Silizium, 0,70 bis O,9O«/o Mangan, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 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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