DE2821227C2

DE2821227C2 - Process for the production of rails with reduced corrugation

Info

Publication number: DE2821227C2
Application number: DE19782821227
Authority: DE
Inventors: Ernst-Werner 4630 Bochum Petz
Original assignee: Krupp Stahl AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1978-05-16
Filing date: 1978-05-16
Publication date: 1982-12-23
Also published as: DE2821227A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schienen mit verminderter Riffelbildung, wobei durch Erhitzung in der Schienenlauffläche mindestens ein sich über die Schienenlänge erstreckender Längsstreifen erzeugt wird, der sich in den Eigenschaften vom übrigen Teil der Lauffläche unterscheidet.The invention relates to a method of manufacture of rails with reduced corrugation, whereby by heating in the rail running surface at least a longitudinal strip extending over the length of the rail is generated, which differs in the properties of the the remaining part of the tread is different.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem der Riffelbildung bei Schienen. Im Laufe der Liegedauer von Eisenbahn- und Straßenbahnschienen bilden sich in vielen Fällen auf der Schienenfahrfläche im periodischen Abstand Berge und Täler, die sich über die gesamte Kopfbreite ausdehnen können. Die Abstände betragen 40 bis 60 mm, die Höhenunterschiede bewegen sich zwischen 0,1 und 0,3 mm und erreichen in Extremfällen Werte von 0,5 mm und darüber. Man bezeichnet diese Erscheinung, die seit Ende des vorigen Jahrhunderts bekannt ist, als Riffel. Die meist hellglänzenden Riffelberge weisen eine höhere Härte auf als die Riffeltäler. Dies ist zum Teil auf eine starke Kaltverformung häufig in Verbindung mit einer dünnen Reibmartensitschicht im Bereich der Riffelberge zurückzuführen. Die Riffelbildung läuft für verschiedene Schienenwerkstoffe und Betriebsbedingungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ab.The invention addresses the problem of corrugation in rails. During the lay period of In many cases, railway and tram tracks are formed periodically on the rail running surface Distance between mountains and valleys, which can extend over the entire width of the head. The distances are 40 to 60 mm, the height differences are between 0.1 and 0.3 mm and reach in Extreme cases values of 0.5 mm and above. This phenomenon is called the one since the end of the previous one Century is known as Riffel. The mostly brightly shining Riffelberge show a higher hardness than that Corrugated valleys. This is partly due to severe cold deformation, often in conjunction with a thin layer of frictional martensite in the area of the Riffelberge. The corrugation occurs for different rail materials and operating conditions at different speeds.

Die Verriffelung von Schienen ist mit unangenehmen Nebenerscheinungen verbunden. Beim Befahren verriffelter Schienen kommt es zu starken Geräuscherscheinungen in Form von Heulen und Rauschen, die eine Beseitigung der Riffel erforderlich machen. Die durch das Befahren verriffelter Schienen entstehenden zusätzlichen Schwingungen der Schienen, des Gleicrostes sowie der Fahrzeuge führen zu einem erhöhten Unterhaltungs- und Erneuerungsaufwand für Gleisanlagen und Fahrzeuge.The corrugation of rails is associated with unpleasant side effects. When driving on ribbed Rails there are strong noises in the form of howling and hissing, the one Make removal of the corrugation necessary. The additional ones created by driving on ribbed rails Vibrations of the rails, the sliding grate and the vehicles lead to an increased Maintenance and renewal expenses for track systems and vehicles.

In der CH-PS 3 31 618 ist der Gedanke enthalten, das Schwingungsverhalien der Schienen über deren Gefügezustand zu beeinflussen. Empfohlen wird die Ausbildung von Zwischenstufengefüge. Solche Schienen haben jedoch den Anforderungen hinsichtlich VermeiIn the CH-PS 3 31 618 the idea is contained, the vibration behavior of the rails over their structural condition to influence. The formation of an intermediate structure is recommended. Such rails have, however, the requirements regarding rental

dung von Riffeln nicht standgehalten.formation of corrugations not withstood.

Aus der DE-PS 20 64 344 ist der Vorschlag bekannt, sich über die gesamte Schienenlänge erstreckende Längsstreifen aus Stahl in der Lauffläche der Schienen ■ anzuordnen. Diese Längsstreiten aus Stahl sollen sich vom Schienenstrahl in mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Diese Verbundschiene wird z. B. im Verbundguß hergestellt, wobei die Stahlstreifen in die Kokille eingehängt werden. Eine derartige Herstellung ist technisch sehr aufwendig.From DE-PS 20 64 344 the proposal is known to extend over the entire length of the rail Arrange longitudinal steel strips in the running surface of the rails. These longitudinal arguments of steel are supposed to be differ from the rail beam in mechanical and / or physical properties. This composite rail is z. B. made in composite casting, the steel strips are hung in the mold. One such production is technically very complex.

In der gattungsbildenden AT-PS 2 94 887 wirdIn the generic AT-PS 2 94 887 is

vorgeschlagen, zur Verhinderung der Riffelbildung einen Längsstrtifen mittels einer Elektrode zu erzeugen.proposed to produce a longitudinal stripe by means of an electrode to prevent the formation of corrugations.

Es kann sich hierbei um eine selbstverzehrende oder eine nichtverzehrende Elektrode handeln.It can be a self-consuming or a non-consuming electrode.

Bei nichtverzehrenden Elektroden erfolgt eine Umschmelzung der Schienenlauffläche, d. h, der Stahl wird bis auf den flüssigen Bereich erhitzt und erstarrt anschließend sehr schnell aufgrund der Selbstabschrekkung. Hierbei können Schrumpfrisse und Porositäten im Bereich der Lauffläche entstehen, die die Haltbarkeit der Schiene von vornherein beeinträchtigen.In the case of non-consuming electrodes, the rail running surface is remelted, i.e. h, the steel is heated up to the liquid area and then solidifies very quickly due to the self-deterrent. This can cause shrinkage cracks and porosities in the area of the running surface, which affect the durability affect the splint from the outset.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Maßnahmen zu entwickeln, die eine Riffelbildung vermeiden, wobei diese Maßnahmen sowohl einfach durchführbar sein als auch die Gebrauchseigenschaften der Schienen verbessern sollen. The present invention is based on the object of developing suitable measures that avoid corrugation, these measures being easy to carry out as well as the To improve the performance characteristics of the rails.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein oder zwei Streifen durch Erwärmen auf eine maximal 1050⁰C betragende austenitische Temperatur mit nachfolgender durch Wärmezufuhr verzögerter Abkühlung ein perlitisches, insbesondere feinstperlitisches Gefüge erzeugt wird. Die Erwärmung liegt vorzugsweise mindestens 50" oberhalb von AC3, insbesondere 60 bis 100° oberhalb von AC3. Bei einem üblichen eutektoiden Schienenstahl beträgt also die Erwärmung etwa 850⁰C. Nach der Erwärmung ist es wesentlich, daß der erwärmte Stahl nicht zu schnell durch den umgebenden Schienenwerkstoff abgeschreckt wird, da nach den Erkenntnissen der Anmelderin sonst ein Härtegefüge entstehen kann, das beim längeren Einsatz die Neigung zu Abblätterungen zeigt. Die Abkühlung soll so langsam sein, daß auf jeden Fall die Bildung des martensitischen Gefüges vermieden wird und nach Möglichkeit derselbe Gefügezustand wie in der umgebenden Lauffläche erzielt wird. Es wird somit im wesentlichen die Herstellung eines Längsstreifens mit perlitischem, insbesondere feinstperlitischem, Gefüge angestrebt. Dagegen soll sich der erzeugte Längsstreifen in der Festigkeit und im Spannungszustand vom umgebenden Material unterscheiden. Vorzugsweise liegt die Festigkeit um mindestens 15% oberhalb der Festigkeit des umgebenden Materials.To achieve this object it is proposed according to the invention in a method of the type mentioned, that one or two strips is produced by heating to a maximum of 1050 ⁰ C amount austenitic temperature with subsequent sustained by supplying heat cooling a pearlitic, particularly feinstperlitisches structure. The heating is preferably at least 50 "above AC3, in particular 60 to 100 ° above. In a conventional eutectoid rail steel, therefore, heating is from AC3 about 850 ⁰ C. After the heating, it is essential that the heated steel is not too fast through the surrounding rail material is quenched, since, according to the applicant's findings, otherwise a hardness structure can arise that shows a tendency to flake off during prolonged use. The cooling should be so slow that the formation of the martensitic structure is avoided in any case and, if possible, the same structure state as is achieved in the surrounding running surface. The aim is essentially to produce a longitudinal strip with a pearlitic, in particular very fine pearlitic, structure. In contrast, the longitudinal strip produced should differ in strength and in the state of tension from the surrounding material. The strength is preferably at least 15 % above de r strength of the surrounding material.

Der Längsstreifen sollte eine Mindestbreite von 5 mm haben und eine Maximalbreite von 60% der Breite des Schienenkopfes. Bevorzugt wird ein Streifen, der eine Breite von 20 bis 40% der Breite des Schienenkopfes hat. Die Mindesttiefe des Längsstreifens beträgt 2 mm. Die Maximaltiefe 15 mm. Bevorzugt wird eine Tiefe von 3 bis 7 mm.The longitudinal stripe should have a minimum width of 5 mm and a maximum width of 60% of the width of the Rail head. A strip that is 20 to 40% of the width of the rail head is preferred Has. The minimum depth of the longitudinal strip is 2 mm. The maximum depth 15 mm. A depth of 3 to 7 mm.

Die verzögerte Abkühlung wird vorzugsweise bewirkt, indem schon vor der Erwärmung auf die austenitische Temperatur über die Breite des zu erzeugenden Streifens hinaus die Lauffläche oder ein Teil der Laufflächenbreite auf eine Temperatur oberhalb 400⁰C vorgewärmt wird. Der vorgewärmteThe delayed cooling is preferably brought about by preheating the running surface or part of the running surface width to a temperature above 400 ^° C. even before heating to the austenitic temperature beyond the width of the strip to be produced. The preheated

Streifen hat zweckmäßigerweise mindestens die l'/2fache Breite des zu erzeugenden Längsstreifens, vorzugsweise die 1,5- bis 3fache Breite. Das Vorwärmen von benachbarten Bereichen beim Härten von Schienen ist an sich aus der US-PS 20 70 889 bekannt.The strip is expediently at least l '/ 2 times the width of the longitudinal strip to be produced, preferably 1.5 to 3 times the width. The preheating of neighboring areas when hardening rails is known per se from US-PS 20 70 889.

Unter Berücksichtigung der Vorwärmung in die Tiefe des Schienenkopfes hinein errechnet ^rich heraus, daß das von der Vorwärmung erfaßte Volumen mindestens doppelt so hoch ist wie das zu erzeugende Streifenvolumen. Die bevorzugte Vorwärmtemperatur beträgt Λ00 n bis 575° C, ^besondere 450 bis 520⁰C.Calculated in the depth of the rail head in taking into account the preheating I ^r out that the volume detected by the preheating is at least twice as high as the strip to be produced volume. The preferred preheating temperature is Λ00 to 575 ° C, ^ special 450 to 520 ⁰ C.

Die Vorwärmung bringt den großen Vorteil mit sich, daß die Austenitisierungstemperatur innerhalb enger Temperaturbereiche eingehalten werden kann, und daß bei der nachfolgenden Abkühlung eine exakte verzöger- ι te Abkühlung erreicht werden kann, da fortlaufend Wärme aus dem vorerwärmten Volumen nachströmt. Hierdurch wird mit Sicherheit erreicht, daß das erzeugte Gtfüge aus feinlamellarem, feinkörnigem Perlit besteht, der z. B. eine 20 bis 40% höhere Hilrte als das -' umgebende Schienenmateriaf hat.The preheating has the great advantage that the austenitizing temperature is within close Temperature ranges can be maintained, and that an exact delay ι during the subsequent cooling te cooling can be achieved as heat continuously flows in from the preheated volume. This ensures that the structure produced consists of finely lamellar, fine-grain perlite, the z. B. a 20 to 40% higher help than that - ' Has surrounding rail materiaf.

Alternativ zur Vorwärmung oder auch in Kombination mit der Vorwärmung kann die verzögerte Abkühlung durch Wärmezufuhr von außen erzielt werden. So kann man nach Erreichen der austenitischen Temperatur im Längsstreifenbereich Wärme von außen zuführen.As an alternative to preheating or in combination with preheating, the delayed Cooling can be achieved by supplying heat from the outside. This can be done after reaching the austenitic temperature Apply heat from the outside in the longitudinal strip area.

Die Erwärmung kann induktiv, durch Plasmabrenner oder ähnliche Erwärmungseinrichtungen vorgenommen werden. Bevorzugt werden mit Gas oder Öl betriebene "■< Brenner. Die Aufheizgeschwindigkeit beträgt zweckmäßigerweise 10 bis 40° C/s.The heating can be carried out inductively, by plasma torches or similar heating devices. Operated with gas or oil "■ <burners are preferred. The heating rate is preferably 10 to 40 ° C / s.

Die Abkühlgeschwindigkeiten an der Fahrfläche richten sich nach der Zusammensetzung der Stähle. Während ein Einfluß des Kohlenstoffs und Siliziums i> nicht so ausschlaggebend ist, sind bei den mit Kohlenstoff, Mangan und Silizium legierten Stählen in Abhängigkeit vom Mangangehalt die mittleren Abkühlgeschwindigkeiten von der Austenitisierungstemperatur bis auf etwa 500⁰C wie folgt: 4(1The cooling speeds on the runway depend on the composition of the steels. While the influence of carbon and silicon i> is not so decisive, in the case of steels alloyed with carbon, manganese and silicon, depending on the manganese content, the average cooling rates from the austenitizing temperature to about 500 ^° C. are as follows: 4 (1

1% Mangan 16 bis 20°C/s
1,5% Mangan 3 bis 6°C/s
2% Mangan 0,5 bis 1" C/s1% manganese 16 to 20 ° C / s
1.5% manganese 3 to 6 ° C / s
2% manganese 0.5 to 1 "C / s

Für zusätzlich mit Chrom, Vanadium und Molybdän legierte Stähle ist die Abkühlgeschwindigkeit nach dem ZTU-Diagramm des betreffenden Stahles in bekannter Weise so zu wählen, daß die Umwandlung im unteren Perlitbereich erfolgt und Zwischenstufengefüge und '" Martensit vermieden werden.For steels additionally alloyed with chromium, vanadium and molybdenum, the cooling rate is after ZTU diagram of the steel in question to be selected in a known manner so that the transformation in the lower Perlite area takes place and intermediate structure and '" Martensite should be avoided.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle üblichen Schienenstähle. Die chemische Zusammensetzung beträgt vorzugsweiseThe method according to the invention is suitable for all common rail steels. The chemical composition is preferably

0,40 bis 0,85% C
0,70 bis 2,1% Mn0.40 to 0.85% C
0.70 to 2.1% Mn

bis 1,50% Siup to 1.50% Si

bis 1,50% Crup to 1.50% Cr

bis 0,25%V w)up to 0.25% V w)

bis 0,25%Moup to 0.25% Mo

Rest Eisen und die üblichen, herstellungsbedingten Begleitelemente.The remainder is iron and the usual production-related accompanying elements.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen ' ' Verfahrens sind darin zu sehen, daß mit einem einfachen und handlichen Verfahren ein Längsstreifen erzeugt wird, der ohne Beeinträchtigung der übrigen Schieneneigenschaften die Riffelbildung weitgehend vermeidet. Durch den Streifen wird die Verschleißbeständigkeit noch gefördert. Der Längsstreifen kann geradlinig verlaufen oder auch in bekannter Weise Zickzack- oder Wellenform aufweisen.The particular advantages of the '' method according to the invention can be seen in the fact that with a simple and manageable method, a longitudinal strip is produced without impairing the other rail properties largely avoids the formation of corrugations. The strip increases the wear resistance still promoted. The longitudinal strip can run in a straight line or zigzag or in a known manner Have waveform.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Lehre anhand eines Beispieles erläutertThe teaching according to the invention is explained below using an example

example

Über die Fahrfläche einer ortsfest gelagerten, 30 m langen Schiene (Profil UIC 60) mit einer Analyse entsprechend der Güte A nach U IC-Vorschrift von 0,72% C; 0,24% Si: 1,03% Mn; 0,021% P; 0,019% S; 0,08% Cr wurde eine Brennvorrichtung bewegt. Die Brennvorrichtung besteht aus zwei Brennern, einem ersten zur Vorwärmung dienenden Brausebrenner und eintm zweiten als K.egelbrenner ausgebildeten Brenner, der dem ersten Brenner in einem Abstand von 200 mm nachgeordnet ist. Beide Brenner sind in einem über die > Schienenlängsachse verfahrbaren Gerüst angeordnet.Over the runway of a fixed, 30 m long rail (profile UIC 60) with an analysis corresponding to quality A according to U IC regulation of 0.72% C; 0.24% Si: 1.03% Mn; 0.021% P; 0.019% S; 0.08% Cr was moved in a furnace. The burning device consists of two burners, one first shower burner used for preheating and a second burner designed as a cone burner, which is arranged downstream of the first burner at a distance of 200 mm. Both burners are in one over the > Movable frame arranged along the longitudinal axis of the rails.

Der Brausebrenner erzeugte der Länge der Fahrfläche folgend eine auf etwa 500°C erhitzte Vorwärmzone mit einer Breite von etwa 35 mm. Innerhalb dieser Vorwärmzone bewirkte der unverzüglich nachgeführte Kegelbrenner (2. Brenner) eine Aufheizung auf 950⁰C in einer Breite von 20 mm. Der 20 mm breite Streifen lag inmitten des 35 mm breiten Streifens der Vorwärmzone. Die Brennanlage wurde mit einem Vorschub von 130 mm/min über die Schiene bewegt. Dabei wurde der mit Propan betriebene Brausebrenner (Sauerstoffdruck 4 bar) mit einer Brennkegellänge von 6 mm im Abstand von 3 mm zur Schienenkopfoberfläche geführt. Der mit Azetylen betriebene Kegelbrenner mit einer Brennkegellänge von 8 mm war auf einen Abstand von ebenfalls 3 mm zur Schienenkopfoberfläche eingestellt.Following the length of the driving surface, the shower burner generated a preheating zone heated to around 500 ° C with a width of around 35 mm. Within this preheating of the immediately tracked cone burner caused (2nd burner) heating to 950 ⁰ C in a width of 20 mm. The 20 mm wide strip was in the middle of the 35 mm wide strip of the preheating zone. The furnace was moved over the rail with a feed rate of 130 mm / min. The shower burner operated with propane (oxygen pressure 4 bar) was guided with a burner cone length of 6 mm at a distance of 3 mm from the rail head surface. The acetylene-operated cone burner with a cone length of 8 mm was also set at a distance of 3 mm from the surface of the rail head.

Nach der Erhitzung erfolgte die Abkühlung an Luft, ohne daß besondere Maßnahmen zu treffen waren. Die durch den umgebenden Schienenwerkstoff verursachte Selbstabschreckung war aufgrund der Vorwärmung gemindert.After the heating, the cooling took place in air without any special measures having to be taken. the Self-quenching caused by the surrounding rail material was due to the preheating diminished.

Die erzielten Eigenschaften ergeben sich aus den F i g. 1 und 2. In beiden Figuren ist auf der Ordinate die Vickershärte in HV 5 angegeben. Auf der Abszisse der F i g. 1 ist Härtevcrlauf über die Breite der behandelten Fahrfläche angegeben. Die Mitte der Figur entspricht der Mitte des erzeugten Längsstreifens.The properties achieved are shown in FIGS. 1 and 2. In both figures, the ordinate is Vickers hardness given in HV 5. On the abscissa of FIG. 1 is the hardness curve across the width of the treated Driving surface indicated. The center of the figure corresponds to the center of the generated longitudinal stripe.

Die Abszisse der F i g. 2 zeigt den Verlauf der Härte in Richtung der Tiefe ausgehend von der Fahrfläche Fig.2 zeigt, daß die Wärmeeinflußzone bis 6 mm tief ist. Ausgehend von der Fahrfläche mit einer Vickershärte von etwa 350 verbleibt die Härte bis zu einer Tiefe von etwa 4 mm auf einem Wert oberhalb von 330 HV, um dann steiler abzufallen, bis bei etwa 6 mm Tiefe eine Härte von etwa 270 HV erreicht ist. Dies entspricht der Härte des Grundwerkstoffs.The abscissa of FIG. 2 shows the course of the hardness in the direction of depth starting from the driving surface 2 shows that the heat affected zone is up to 6 mm deep. Based on the driving surface with a Vickers hardness from about 350 the hardness remains up to a depth of about 4 mm at a value above 330 HV, to then drop more steeply until a hardness of about 270 HV is reached at a depth of about 6 mm. This corresponds to the Hardness of the base material.

F i g. 1 zeigt, daß — ausgehend von der Mitte des wärmebehandelten Streifens — ein etwa 20 mm breiter Streifen erzeugt wurde, der eine Härte von etwa 350 HV hat. Diese Härte zeigte sich bis in eine Tiefe von etwa 4 mm. In der Zone hoher Härte bestand das Gefüge aus feinlamellarem, feinkornigem Perlit. Dieses Gefüge unterschied sich deutlich vom Grundgefüge. Zwischen dem Grundgefüge und dem schmalen Streifen aus feinlamellarem, feinkörnigem Perlit ist ein Weichglühgjfüge angeordnet. Diese Übergangszone zwischen dem Grundgefüge und dem erzeugten neuen Gefüge ist durch eine Breite von 30 bis 35 mm und eine Tiefe von 4 bis 6 mm zu charakterisieren.F i g. Figure 1 shows that, starting from the center of the heat treated strip, one about 20 mm wider Strip was produced, which has a hardness of about 350 HV. This hardness was shown to a depth of about 4 mm. In the zone of high hardness, the structure consisted of finely lamellar, fine-grained perlite. This The structure differed significantly from the basic structure. Between the basic structure and the narrow strip made of finely lamellar, fine-grained perlite is a soft annealing structure arranged. This transition zone between the basic structure and the generated new structure is characterized by a width of 30 to 35 mm and a depth of 4 to 6 mm.

Beim praktischen Einsatz hat sich gezeigt, daß der erzeugte Längsstreifen mit den veränderten Eigenschaften (Gefüge und Härte) die Riffelanfälligkeit deutlich herabsetzt. Derart behandelte Schienen wurden in rillanfälligen Strecken eingesetzt, bei denen Geschwindigkeiten von 160 km/h zugelassen sind. In mehreren Zeitabständen durchgeführte Messungen ergaben, daß diese Schienen keine oder nur noch eine unwesentliche Neigung zur Riffelbildung zeigten.In practical use it has been shown that the longitudinal strips produced have the changed properties (Structure and hardness) significantly reduces the susceptibility to corrugations. Splints treated in this way were used in Creasing-prone routes are used where speeds of 160 km / h are permitted. In several Measurements carried out at intervals showed that these rails had no or only an insignificant one Showed a tendency to ripple formation.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. A process for the production of rails with reduced corrugation, wherein by heating in the rail running surface at least one longitudinal strip extending over the rail length is generated, which differs in properties from the rest of the tread, as characterized in that one or two strips through heat is generated to a maximum of 1050 ⁰ C amount austenitic temperature with subsequent cooling, a sustained by supplying heat perütisches, particularly feinstperlitisches structure.

2. The method according to claim 1, characterized in that prior to generating the strip with pearlitic structure, the rail running surface over the width of the strip to be produced on a Temperature of over 400 ° C is preheated.

3. The method according to claim 2, characterized in that the rail running surface on a width preheated by at least l '/ 2 times the width of the strip to be produced with a pearlitic structure will.