DE4231957C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Gefügestruktur von Metall­ schienen mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Die vom Rad auf die Schiene wirkenden Belastungen, wie Radlasten, Spur­ führungskräfte, Beschleunigungs- und Bremskräfte, führen im unmittelbaren Einwirkungsbereich zu sehr hohen dynamischen Beanspruchungen und zu starken Verformungen und Kaltverfestigungen des Schienenstahls. Durch die Reibberührung kommt es zwischen Schiene und Rad zu Verschleiß, der ins­ besondere in Bögen unter 1000 Meter Radius eine maßgebliche Rolle spielt. Zu besonders hohen Beanspruchungen kommt es auch auf Gefällstrecken und auf Schwerlaststrecken. Metallschienen, wie Eisenbahnschienen, werden heute meist aus perlitischen Stählen mit Mindestzugfestigkeiten von 700 MPa als Regelgüte, 900 MPa als verschleißfeste Güte und 1100 MPa bzw. 1200 MPa als hochverschleißfeste Sondergüten hergestellt. Von diesen Güten kommt haupt­ sächlich die verschleißfeste Güte zum Einsatz. Das Verschleißverhalten der per­ litischen Schienenstähle wird mit zunehmender Zugfestigkeit verbessert. Die mechanischen Eigenschaften sind eine Funktion der Gefügekenngrößen des Perlits in Form von Lamellenabstand, Zementitlamellendicke und Korngröße. Die Festigkeitseigenschaften werden im wesentlichen vom Lamellenabstand bestimmt, dabei nimmt die Streckgrenze und die Zugfestigkeit mit abnehmen­ dem Lamellenabstand zu. Bei groblamellarem Perlit beträgt der Zementit­ lamellenabstand ca. 0,3 µm. Bei Feinperlit beträgt der Zementitlamellenabstand etwa 0,1 µm. Der Feinperlit ist also stärker belastbar.

Der feinlamellare Gefügezustand des Perlits kann einmal durch Zulegieren von Chrom, Chrom und Vanadium oder Chrom und Molybdän erreicht werden. Eine zweite Möglichkeit zur Erreichung des Feinperlits besteht in einer geeigneten Wärmebehandlung, die später noch näher beschrieben wird. Der besonders legierte naturharte Schienenstahl hat zwar den Vorteil erhöhter Festigkeit im Hinblick auf den reibenden Verschleiß, aber eine geringere Zähigkeit. Dies ist insbesondere für den bruchanfälligen Schienenfuß nachteilig. Eine geeignete Wärmebehandlung nur des dem Verschleiß ausgesetzten Schienenkopfes beläßt dem Schienenfuß eine höhere Zähigkeit. Deshalb werden heute hochverschleißfeste Schienen durch feinperlitisierende Wärmebehandlung her­ gestellt. Diesen Schienen mit Feinperlitstruktur wird gegenüber den naturharten legierten perlitischen Schienen heute der Vorzug gegeben, da sie gute Zähig­ keitseigenschaften haben.

Aufgrund der vorstehend geschilderten Belastungen, die das Rad auf die Schiene ausübt, treten bei perlitischen Stählen und bei vielen anderen Schie­ nenwerkstoffen Riffeln an der Schienenoberfläche auf. Als Riffeln werden periodische Unebenheiten auf der Schienenoberfläche mit Wellenlängengrößen von 30 bis 60 mm und Amplitudenhöhen bis zu 0,4 mm bezeichnet. Diese Riffeln führen zu einer unerwünschten Lärmbelästigung und zu einer höheren dynami­ schen Beanspruchung der Gleise und Fahrzeuge. Sie entstehen hauptsächlich auf Geraden und in Bögen mit großen Radien. Mit steigenden Fahrgeschwindig­ keiten und zunehmenden Achslasten der Fahrzeuge gewinnt die Ebenheit der Fahrfläche immer mehr an Bedeutung. Die Beseitigung von Riffeln wird deshalb kontinuierlich mit Schienenschleifzügen durchgeführt. Gemäß einem Artikel "Kopfgehärtete" Schienen für höchste Betriebsansprüche in ETR 39 (190), H.4- April, wird ein Verfahren für die Feinperlitisierung von kopfgehärteten Schienen geoffenbart. Der Prozeß zur Umwandlung der Gefügestruktur basiert auf der induktiven stufenweisen Erwärmung des Schienenkopfes im Durchlauf auf Austenitisierungstemperatur und einer nachfolgenden beschleunigten und gezielten Abkühlung mittels Preßluft auf Temperaturen unterhalb der γ/α- Umwandlung des Schienenmetalls. Nach stufenweisem Erwärmen des Schie­ nenkopfes in der Aufheizphase mittels drei Induktoren auf etwa 1100°C passiert die Schiene eine Ausgleichsstrecke, in der sich die Temperatur über den Schie­ nenkopfquerschnitt vergleichmäßigt. Der Ausgleichsphase schließt sich eine gezielte beschleunigte Preßluftabkühlung in einem Düsenstock an. Nach dem Austritt aus der Kühlstrecke kühlt die Schiene in einem freien Durchlauf auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Umwandlung ab. Anschließend wird die Schiene mit Wasser abgekühlt, so daß sie in eine Drei-Rollenbiegemaschine einlaufen kann. Dort findet der zweite Richtvorgang für die Schiene statt, der erste wurde bereits vor dem Einlaufen in die Induktionsstrecke bei der Herstellung durchgeführt. Bei dieser induktiven Wärmebehandlung wird also das Gefüge des gesamten Schienenkopfes, bis auf einen kleinen Bereich in der Nähe des Schienenstegs, in Feinperlit umgewandelt.

Bei wärmebehandelten Schienen wird eine Festigkeitssteigerung ohne zusätz­ liche Versprödung erreicht. Es kommt jedoch auch hier zu einer Riffelbildung, die durch das dynamische System Schiene - Rad ausgelöst wird. Es wird davon ausgegangen, daß die Riffelbildung von den hohen inneren Spannungen in der Schiene infolge der mehrfachen Richtvorgänge abhängig ist.

Auf anderen Gebieten der Technik, nämlich denen der Bauteile und Werkstücke, ist das martensitische Umwandlungshärten als Verfahren der Oberflächen­ behandlung mit Hochleistungsstrahlung in der festen Phase bekannt. Dieses martensitische Umwandlungshärten ist zunächst der Feinperlitisierung vom Verfahrensprinzip her ähnlich.

Aus der DE-OS 37 26 466 ist eine Werkstückbearbeitungsvorrichtung zum mar­ tensitischen Oberflächenhärten von Werkstücken bekannt, die mit einem Kohlendioxidlaser arbeitet. Diese Bearbeitungsvorrichtung besitzt eine Fokussiervorrichtung zum Bündeln des Laserstrahls auf das Werkstück und einen diesem Werkstück zugeordneten Strahlungsdetektor, der die Wärme­ strahlung des erhitzten Werkstücks detektiert. Dieser gibt ein von der Stärke der Strahlung abhängiges Ausgangssignal zur Leistungssteuerung des Lasers ab. Im Strahlengang des Lasers ist ein für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässiger Spiegel angebracht, der die vom Werkstück abgegebene Wärmestrahlung gesondert zu dem außerhalb des Strahlengangs angeordneten Strahlendetektor lenkt. Dieser Detektor liefert ein der Stärke der Wärmestrahlung proportionales elektrisches Ausgangssignal, das als Ist-Wert einem Regelkreis zugeführt wird, dem der Laser angeschlossen ist. Der Regel­ kreis steuert die Laserleistung auf einen zuvor in den Regelkreis eingegebenen Soll-Wert. Es ist also möglich, die Temperatur in dem Bereich direkt zu messen, in dem das Werkstück aufgeheizt wird. Das Werkstück wird damit immer auf gleiche Temperatur gebracht und zwar unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.

Aus der DE-OS 37 33 147 ist ein Verfahren zur Laserwärmebehandlung bekannt, das für Laserhärten, Laserweichglühen und Laserrekristallisieren von Bauteilen im festen Zustand verwendet wird. Ein Strahlungspyrometer mißt die Oberflächentemperatur entlang eines Bearbeitungsbereichs des Bauteils. Mit Hilfe eines PID-Reglers wird die Leistung eines Lasers on-line so schnell gere­ gelt, daß die Temperatur der Oberfläche in dem Bearbeitungsbereich in einem vorgegebenen Temperaturintervall stets konstant gehalten wird. Verwendet werden hier CO₂-Laser und Festkörperlaser. Gemäß der DE-OS 37 33 147 kommt es nach der Austenitisierung des Werkstoffs beim Abkühlen durch Selbstabschreckung des Bauteils zur Bildung des Martensit, solange eine aus­ reichend große Abschreckgeschwindigkeit erreicht wird.

Bei den beiden vorstehend geschilderten Beispielen des Standes der Technik werden Verfahren bzw. Vorrichtungen geoffenbart, die die Oberflächentempe­ ratur am Bearbeitungsort der durch die Laserstrahlung erwärmten Oberfläche des Bauteils bzw. Werkstücks erfassen. Mit Hilfe eines PlD-Reglers wird die Leistung des jeweiligen Lasers derart geregelt, daß die Temperatur an der Ober­ fläche des Bauteils konstant gehalten wird. Zwischen dem martensitischen Umwandlungshärten und der Erzeugung von Feinperlit besteht ein wesentlicher Unterschied darin, daß beim martensitischen Härten lediglich eine werkstoff­ spezifische Mindestabkühlgeschwindigkeit überschritten werden muß, um das Martensitgefüge zu erhalten. Bei der Erzeugung von Feinperlit muß ein enger Toleranzbereich für die Abkühlgeschwindigkeit während der Abkühlphase ein­ gehalten werden. Für die Laserstrahlbearbeitung des Werkstoffes muß eine rela­ tiv geringe Abkühlrate stets eingehalten werden. Innerhalb dieses engen Tole­ ranzbereiches muß dann die Abkühlgeschwindigkeit optimal eingehalten werden, um möglichst nur feinlamellaren Perlit zu erzeugen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein für die Massenfertigung geeignetes, einfaches und preiswertes Verfahren zu schaffen, das bei der Her­ stellung neuer nichtverlegter und der Behandlung bereits verlegter Schienen zur Vermeidung der Riffelbildung und zur Verringerung des Verschleißes auf dem Schienenkopf feinlamellaren Perlit erzeugt, wobei gleichzeitig Spannungen innerhalb des Schienenkopfes und der Verzug der Schienen vermindert und Anschmelzungen des Schienenwerkstoffes am Bearbeitungsort vermieden werden sollen, sowie enge Toleranzen bezüglich der Reproduzierbarkeit des Bearbeitungsergebnisses eingehalten werden können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungsgegenstände sind in den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 8 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß bei dem einen Lösungsweg nach der Vorwärmung eine Energieeinbringung nur in begrenzte lokale Randschichten des Schienenkopfes direkt unter den Lauf- bzw. Ver­ schleißflächen erfolgt. Bei dem zweiten Lösungsweg erfolgt ohne jede Vorwär­ mung ebenfalls eine Energieeinbringung nur in eine begrenzte lokale Rand­ schicht direkt unter den Lauf- und Verschleißflächen des Schienenkopfes durch Hochenergiebestrahlung. Durch Messung und Regelung der Temperatur wäh­ rend des Bearbeitungsprozesses auf der Oberfläche des Schienenkopfes läßt sich eine gezielte Führung der Abkühlgeschwindigkeit bei der Hochenergie­ bestrahlung erzielen, so daß ein äußerst feinlamellarer Perlit erzeugt wird, der eine Riffelbildung auf dem Schienenkopf nicht zuläßt und somit eine Verbesse­ rung der Gebrauchseigenschaften herbeiführt. Durch die lokal begrenzte Ener­ gieeinbringung in lokale Randschichten des Schienenkopfes kommt es bei ent­ sprechender Strahlformung der Hochenergiebestrahlung bzw. bei verringerter Vorschubgeschwindigkeit zwischen Schiene und der Hochenergiebestrah­ lungsquelle zu einer längeren Einwirkzeit der Energie; es wird ein größeres Volumen erwärmt und dadurch können Temperaturgradienten abgebaut werden. Dies führt dazu, daß der Verzug der Schienen vermindert wird. Deshalb kann die Anzahl und das Ausmaß der Richtvorgänge und die sich deshalb in dem Schienenkopf aufbauenden thermischen Spannungen, die die Riffelbildung begünstigen, reduziert werden. Die Qualität des Bearbeitungsergebnisses kann durch die vorgesehene Prozeßüberwachung und Prozeßregelung sichergestellt werden. Es kommt deshalb nicht zu Anschmelzungen in der Oberfläche des Bearbeitungsortes und die zur Erzeugung von Feinperlit erforderlichen engen Toleranzen bei der Abkühlung des Schienenmaterials können reproduzierbar eingehalten werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und von Zeichnungen noch näher erläutert:

Fig. 1 ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild von C-Mn- Stahl,

Fig. 2 ein einer Strahlformung unterzogener Hochenergiestrahl mit rechteckigem Querschnitt und

Fig. 3 ein Diagramm über den Einfluß der Strahlformung auf den Temperaturverlauf.

Der durch Zusätze, wie Chrom, Vanadium, Molybdän, Kohlenstoff und Mangan, legierte naturharte Schienenstahl verfügt über erhöhte Festigkeit im Hinblick auf den reibenden Verschleiß. Er verfügt gleichzeitig jedoch durch diese Legierun­ gen über eine geringere Zähigkeit. Eine hohe Zähigkeit ist jedoch für den hoch­ anfälligen Schienenfuß einer Metallschiene erforderlich. Deshalb wird die Metall­ schiene beispielsweise aus einem Schienenstahl der Güte 900 MPa hergestellt und anschließend nur der Schienenkopf durch Wärmebehandlung für Zugfestig­ keiten größer als 1200 MPa ausgerüstet. Dies läßt sich durch die Erzeugung von Feinperlit im Schienenkopf erreichen. Es ist also weder technisch erforderlich, noch aus wirtschaftlicher und kostenmäßiger Sicht zweckmäßig, den Werkstoff für eine Metallschiene stets nach den höchsten Verschleißanforderungen aus­ zuwählen. Es wird vielmehr ein Werkstoff ausgewählt, bei dem nachträglich an den Stellen der höchsten Belastung und des stärksten Verschleißes eine ent­ sprechende Oberfläche geschaffen wird. Dies geschieht durch Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur, die Austenitisierungstemperatur, mittels einer Hochenergiebestrahlung. Diese Hochenergiebestrahlung kann beispielsweise eine Laserstrahlung oder eine Elektronenstrahlung oder jede andere für eine derartige Erwärmung der Oberfläche geeignete Vorwärmung sein. Die Gebrauchseigenschaften des Schienenwerkstoffs werden mit dem vorgestellten Verfahren gezielt verändert, um die geforderte Gefügestruktur zu erzeugen, die den Belastungen angepaßt ist und dem zu erwartenden Verschleiß standhalten kann.

Die Wege zur Erzeugung von Feinperlit, der den Belastungen der Praxis stand­ halten kann, können aus dem Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm der Fig. 1 entnommen werden. Dort ist ein Kohlenstoff-Mangan-Stahl in der Abkühlphase für die drei Gefügestrukturen Martensit 1, Feinperlit 2 und Perlit 3 dargestellt. Der Schienenstahl wird zunächst im Schienenkopf auf eine bestimmte Temperatur, nämlich über die Austenitisierungstemperatur, erhitzt, die in dem Diagramm mit A_c3 bezeichnet ist. Die Temperatur an der Schienen­ oberfläche des Schienenkopfes bleibt bei der Bearbeitung unterhalb der Schmelztemperatur. Im Werkstückinnern herrscht die Vorwärmtemperatur. Das Metall im Schienenkopf befindet sich also in der festen Phase. Während des Bearbeitungsprozesses wird dabei die Temperatur an der Schienenkopfober­ fläche gemessen und überwacht. Die Temperatursensoren können beispiels­ weise als Pyrometer, als Photodiode oder als anderer Temperatursensor aus­ gebildet sein, die derartige Temperaturen messen können.

Die zur Erzielung von Feinperlit im Schienenkopf nötigen Abkühlraten können dem Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm in Fig. 1 entnommen werden. In dem Diagramm sind die Linien für Beginn und Ende einer Umwandlung als Funktion der Zeit eingetragen. Als Parameter sind die gewünschten Abkühllinien eingezeichnet, mit deren Hilfe die zu erwartende Gefügezusammensetzung ermittelt werden kann. Zu jeder Abkühlkurve sind die erreichbaren Härtewerte angegeben. Die Abkühlkurven beginnen bei der Austenitisierungstemperatur A_c3. An den Schnittpunkten von Abkühlkurven und Gefügebereichen stehen die Gefügeanteile in Prozent. Wird der Schienenkopf schnell abgekühlt, so werden die Bereiche Feinperlit 2 und Perlit 3 gar nicht durchlaufen, man erhält ausschließlich den Bereich Martensit 1. Die Abkühlrate beispielsweise bei der Laserstrahlhärtung beträgt dT/dt größer 250 K/s. Kühlt der Schienenkopf im Bereich Feinperlit 2 ab, so wird dies mit einer weniger schnellen Abkühlung erreicht. Dabei entsteht feinstreifiger Perlit, der einen Zementitlamellenabstand von rund 0,1 µm hat. Die dazu erforderliche Abkühlrate kann in diesem Fall ebenfalls aus dem Diagramm in Fig. 1 entnommen werden; sie liegt in einem engen Toleranzbereich um dT/dt = 15 K/s. Wird der erwärmte Schienenkopf dagegen langsam abgekühlt, so gelangt man in den Bereich Perlit 3, wozu Abkühlraten von kleiner 10 K/s erforderlich sind. Bei dem Perlit 3 ergibt sich ein groblamellarer Zementitlamellenabstand von 0,3 µm. Die Linie A_c1 zeigt den Beginn der Austenitisierung an. Die Linie A_c3 den homogen Außemisierungs zustand für das gesamte erwärmte Gefüge.

Das Prinzip der Erfindung bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Verfahrens beruht darauf, daß ohne jegliche separate Vorwärmung des Schienenkopfes eine Energieeinbringung durch eine Hochenergiebestrah­ lung lediglich in einer begrenzten lokalen Randschicht erfolgt. Diese Energie­ einbringung in lokale Randschichten erfolgt außerdem nur direkt unter den Lauf­ flächen bzw. Verschleißflächen des Schienenkopfes. Dabei wird die am Bear­ beitungsort von der Schiene absorbierte Energiemenge derart dosiert, daß es zu einer gesteuerten Abkühlung der lokalen Gefügestruktur in der Randschicht am Bearbeitungsort kommt. Die Möglichkeit eine feinperlitische Gefügestruktur ohne separate Vorwärmung zu erzeugen, geschieht durch Strahlformung des Roh­ strahls der Hochenergiebestrahlungsquelle, die beispielsweise eine Laserquelle sein kann. Dabei wird die Länge des Hochenergiestrahls wesentlich größer als seine Breite ausgebildet. Es fällt dabei die Längsachse des Hochenergiestrahls mit der Längsachse der Schiene zusammen. Die Länge 4 des geformten Strahls 6 kann dabei ein Mehrfaches der Breite 5 des geformten Strahls sein, siehe dazu Fig. 2. Die Längsachse der geformten Strahlfläche 6 und die Längsachse der Schiene fällt dabei zusammen mit der Vorschubrichtung 8. Die rechteckige For­ mung des Strahls, bei der die Länge als Vielfaches seiner Breite ausgebildet ist, führt auch dazu, daß die Vorschubgeschwindigkeit sich in eine wirtschaftliche Größenordnung steigern läßt. Dabei kann die Hochenergiebestrahlung der Randschichten des Schienenkopfes entweder durch die Bewegung der Schiene gegenüber dem ortsfesten Strahl oder durch die Bewegung der Hochenergie­ bestrahlungsquelle entlang dem Schienenkopf erfolgen.

Aus Fig. 3 ist nun der Einfluß ersichtlich, den Rechteckstrahlgeometrien mit verschiedener Länge des Strahls auf den Temperatur-Zeit-Verlauf und damit auf das Bearbeitungsergebnis haben. In der Fig. 3 ist eine Modellrechnung mit logarithmischer Darstellung der Abkühlkurven für eine Strahlfläche 6, die von einer Breite 13,5 mm mit einer Länge von 13,5 mm bis zu einer Länge von 50,0 mm reicht. Es herrscht dabei anfangs in der Metallschiene wie in der Umgebung eine Raumtemperatur von 25°C, es findet also keine Vorwärmung statt. Es ist eine stets gleichbleibende Vorschubgeschwindigkeit von 100 mm pro Minute angewandt worden.

Bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich mit einem Strahl größerer Längsabmessung eine längere Einwirkzeit. Dadurch steht zum einen eine längere Zeit für die Ausbreitung der Wärme zur Verfügung, woraus sich eine stärkere Erwärmung in der Tiefe des Werkstücks ergibt. Eine Vergrößerung der Länge der Strahlfläche 6 bewirkt daher eine langsamere Abkühlgeschwindigkeit und damit läßt sich eine Abkühlung im Feinperlitbereich erreichen. Durch diese begrenzte lokale Randschichterwärmung kommt es auch zu einem Abbau der Temperaturgradienten und damit zu einem Abbau der thermischen Spannungen in dem Schienenkopf. Dadurch läßt sich das Ausmaß und die Anzahl der Richtvorgänge verringern.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ände­ rung der Gefügestruktur von Metallschienen in der festen Phase arbeitet damit, daß der Schienenkopf einer Vorwärmung bis auf Temperaturen unterhalb der Martensitstarttemperatur unterworfen wird. Dies kann beispielsweise durch konventionelle Methoden, wie der induktiven Vorwärmung, erfolgen. Die so entstandene Temperatur des Schienenkopfes wird während des Bearbeitungs­ prozesses gemessen. Eine Veränderung des so gewonnenen Ist-Wertes wird durch Regeln in Richtung der gewünschten Soll-Werte durchgeführt. Auch dieses zweite Verfahren arbeitet wie das erste mit einer Energieeinbringung in eine begrenzte lokale Randschicht direkt unter den belasteten Lauf- und Verschleißflächen des Schienenkopfes durch eine Hochenergiebestrahlung, die wie beim ersten Beispiel ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl sein kann. Der Temperaturgradient bei der Abkühlung ist folglich umso kleiner, je höher das Werkstück vorgewärmt wird. Durch die Vorwärmung und der anschließenden Energieeinbringung durch Hochenergiebestrahlung kommt es während der Abkühlung zu einem gesteuerten Temperatur-Zeit-Verlauf. Die Hochenergie­ bestrahlung erfolgt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens mittels des unveränderten Rohstrahls der Hochenergiebestrahlungsquelle. Auch hier kommt es durch die lokal begrenzte Erwärmung von Randschichten zu einem Abbau von Temperaturgradienten und damit zu einem Abbau der thermischen Spannungen in dem Schienenkopf. Auch mit dieser zweiten Verfahrensvariante ist damit die Erzeugung von feinlamellarem Perlit durch die Führung der Abkühlgeschwindigkeit am Bearbeitungsort mit Hochenergiebestrahlung gezielt möglich.

Eine weitere Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit ist auch durch die Anpassung anderer Verfahrensparameter möglich. So läßt sich beispielsweise mit einer kleineren Vorschubgeschwindigkeit entweder der Schiene gegenüber der Hochenergiebestrahlungsquelle oder umgekehrt eine geringere Abkühlgeschwindigkeit erreichen. Eine Verlangsamung der Abkühlgeschwindig­ keit ist auch durch eine Reduzierung des Temperaturgradienten dT/dx durch die beschriebene Vorwärmung bei der zweiten Verfahrensvariante erreichbar. Der Temperaturgradient bei der Abkühlung ist umso kleiner, je länger das Werkstück vorgewärmt bzw. je höher die Temperatur des Werkstücks jeweils ist.

Bezugszeichenliste

1 Martensit
2 Feinperlit
3 Perlit
4 Länge des geformten Strahls
5 Breite des geformten Strahls
6 geformte Strahlfläche
7 Schienenkopf
8 Vorschubrichtung

Claims (8)

1. Verfahren zur Änderung der Gefügestruktur von Metallschienen in der festen Phase, wobei die Temperatur an dem Schienenkopf während des Bearbeitungsprozesses gemessen wird, und ferner eine Veränderung der so gewonnenen Ist-Werte durch Regeln in Richtung der gewünschten Soll-Werte durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energieeinbringung nur über eine begrenzte lokale Randschicht direkt unter den Lauf- bzw. Verschleißflächen des Schienenkopfes durch eine Hochenergiebestrah­ lung erfolgt, daß es durch die am Bearbeitungsort von der Schiene absorbierte Energiemenge zu einer gesteuerten Abkühlung der lokalen Gefügestruktur in der Randschicht am Bearbeitungsort kommt, und daß eine Strahlformung derart erfolgt, daß die Länge der Hochenergiestrahl­ fläche größer als ihre Breite ausgeführt ist, und daß dabei die Längsachse der Hochenergiestrahlfläche mit der Längsachse der Metallschiene zusammenfällt.

2. Verfahren zur Änderung der Gefügestruktur von Metallschienen in der festen Phase, wobei der Schienenkopf einer Vorwärmung bis unterhalb der Martensitstarttemperatur unterworfen wird, dabei wird die Temperatur an dem Schienenkopf während des Bearbeitungsprozesses gemessen, und ferner eine Veränderung der so gewonnenen Ist-Werte durch Regeln in Richtung der gewünschten Soll-Werte durchgeführt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen eine Energie­ einbringung nur über eine begrenzte lokale Randschicht direkt unter den belasteten Lauf- bzw. Verschleißflächen des Schienenkopfes über Hoch­ energiebestrahlung erfolgt, daß es durch die am Bearbeitungsort von der Schiene absorbierte Energiemenge zu einer gesteuerten Abkühlung der lokalen Gefügestruktur in der Randschicht am Bearbeitungsort kommt, und daß schließlich die Hochenergiebestrahlung mittels eines nicht durch externe Mittel geformten Rohstrahls der Hochenergiebestrahlungsquelle erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformung eine rechteckige Strahlfläche ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der rechteckigen Strahl­ fläche die Länge des Hochenergiestrahls ein Mehrfaches der Breite des Hochenergiestrahls beträgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Laserstrahlung erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Elektronenstrahlung erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Metallschiene gering gegenüber der einwirkenden Hochenergie­ bestrahlungsquelle oder umgekehrt ausgebildet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrabiungsquelle gegenüber dem Schienenkopf oder der Schienenkopf gegenüber der Hochenergiebestrahlungsquelle bewegt wird.