DE602004004683T2

DE602004004683T2 - Verfahren zur Herstellung einer bimetallischen Zunge für Eisenbahnweichen

Info

Publication number: DE602004004683T2
Application number: DE602004004683T
Authority: DE
Inventors: Didier Dages
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: EP1455015B1; ATE353994T1; DE602004004683D1; ES2280922T3; EP1455015A1; FR2852030A1; FR2852030B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Erneuerung von Weichenzungen, die die Weichenstellwerke von Gleisanlagen bilden.
Es ist allgemein bekannt, dass die große Mehrheit der Weichenzungen aus Schienen aus Kohlenstoffstahl gebildet ist, die gebogen und bearbeitet werden, um das Profil für die Verbindung mit der angrenzenden Schiene aufzuweisen, und dass unabhängig von der Art des Profils und den Erfindungen zum Minimieren von Spannungen und Beanspruchungen das dünnste Ende, das den stärksten Beanspruchungen ausgesetzt ist, durch den Verlust aufgrund von Verschleiß seiner ursprünglichen geometrischen Kennwerte am schnellsten abgenutzt wird.
Dies führt zu einem kompletten Austausch der Weichenzunge, während der tatsächlich von der Abnutzung betroffene geometrische Abschnitt häufig nicht mehr als ein Drittel oder sogar Viertel der Gesamtlänge der Weichenzunge und je nach Biegung der Weichenzunge mitunter weniger ausmacht.
Ferner ist aus dem Dokument FR-A-2 700 344 ein Verfahren zum Befestigen eines Weichenelements bekannt, das darin besteht, dass ein Steg einerseits am Weichenelement und andererseits an einer Schiene durch Abbrenn- bzw. Elektronenstrahlschweißen befestigt wird.
Die vorliegende Erfindung, wie sie durch den beigefügten Anspruch 1 definiert ist, beschreibt ein Verfahren, das entweder das Erneuern einer Weichenzunge der vorgenannten Art ermöglicht, und dies mehrmals, unter Verwendung eines Austauschmaterials, das eine viel höhere Verschleißfestigkeit hat, oder das unmittelbare Herstellen neuer Weichenzungen nach diesem Verfahren, de ren Lebensdauer vor der ersten Erneuerung aufgrund der Art des Metalls, aus dem der dünnste Endabschnitt der Weichenzunge gebildet ist, sehr deutlich erhöht ist.
Die so gebildeten Weichenzungen haben folglich den zweifachen Vorteil von niedrigeren Erneuerungskosten sowie einer sehr deutlich erhöhten Lebensdauer zwischen den Erneuerungen.
Bei diesem Verfahren wird die erneuerte bzw. die neue Weichenzunge, die ein Funktionsprofil hat, das völlig identisch zu dem der Weichenzunge ist, die sie ersetzt, aus einer Bimetall-Anordnung gebildet, die in ihrem längsten Abschnitt – ab dem Schwenkende gerechnet – aus bearbeitetem und gebogenem Kohlenstoffschienenstahl besteht, wobei der Abschnitt über einen Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl der Art, wie sie im europäischen Patent EP 0 391 007 B1 beschrieben ist, mit einem sich verjüngenden Endabschnitt aus einem Stahl mit hohem Mangangehalt (über 10%) aus der Familie der "Hadfield"-Stähle verbunden ist.
Dieser sich verjüngende Endabschnitt wird vorteilhafterweise durch Formgießen hergestellt, gefolgt von einer Wasser-Überhärtung ausgehend von einer Temperatur zwischen 1030 und 1100°C und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung sowie möglichen Aushärtungsverfahren, wie z. B. Verpressen, Explodieren, Hämmern: Stahl mit einem hohen Mangangehalt eignet sich aufgrund seiner Natur besser für eine Formgebung mittels Formgießen, wodurch eine Form erzielt werden kann, die mehr als beim Walzen und/oder Schmieden der endgültigen Form am nächsten kommt.
Das gleiche gilt für den Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der durch Formgießen hergestellt wird, gefolgt von einer Wärmebehandlung mit einem Halten zwischen 1030 und 1100°C mit einer Wasser-Überhärtung und einer anschließenden Oberflächenbehandlung.
Diese Verfahrensweise bietet eine große Freiheit bei der Wahl der Form und der Abmessungen für den Einsatz und den Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt.
Ein bevorzugtes, die Erfindung jedoch nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel wird nachstehend beschrieben:

– die größte Länge der Weichenzunge wird auf herkömmliche Weise aus einem Kohlenstoffstahl, genannt "Schienenstahl" hergestellt, ausgehend von einer Schiene, die abgelängt, gebogen und bearbeitet wird.

Wenn es sich um eine zu erneuernde Schiene handelt, wird die gebrauchte Weichenzunge im Bereich der sich verjüngenden Zone des Endabschnittes abgelängt, die die Verluste der ursprünglichen Geometrie aufweist, die den Austausch dieser Zone erfordern.
Da dieser Endabschnitt "mit bevorzugter beschleunigter Abnutzung" dann aus einem Formstahl mit hohem Mangangehalt hergestellt wird, gibt es keine Beschränkung hinsichtlich des Maßstandards, und dieser Abschnitt wird mehr oder weniger lang sein, je nach experimentellem Fachwissen, das durch die Instandhaltung von Eisenbahnnetzen anhand der Veränderung der Weichenzungenprofile durch Abnutzung erworben wurde, um den besten Kompromiss aus "Lebensdauer-Kosten für den Endabschnitt-Austauschhäufigkeit" zu finden.
Falls erforderlich, wird zur Erhöhung der Dauerbiegefestigkeit der Schweißnähte der Verbindung aus Schienenstahlabschnitt-Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl – sich verjüngendem Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt, der Querschnitt vorzugsweise lokal im Bereich des Verbindungsprofils der drei Abschnitte verstärkt, und zwar in den Bereichen, die nicht mit den Profilen der Räder der Eisenbahnzüge in Kontakt stehen, wie z. B. die Stege und die Schienenfüße.
Es gibt keine störende geometrische Beschränkung, da der Einsatz und der Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt durch Formgießen und anschließender maschineller Bearbeitung hergestellt werden; was den Querschnitt aus Schienenstahl nahe der Schweißnaht mit dem Einsatz angeht, so kann dieser durch ein beliebiges Verfahren, wie z. B. Warmschmieden zum Stauchen der Spitze, Auftragsschweißen, vergrößert werden, gefolgt von einer geeigneten Wärmebehandlung, um keine spröden gehärteten Bestandteile zu haben, sowie von einer lokalisierten maschinellen Bearbeitung.
Dieses Herstellungsverfahren hat aufgrund seines Umsetzungskonzeptes eine hohe Flexibilität, die eine Maßanfertigung ermöglicht, die bestmöglich an den Anwendungsfall jeder Weichenzunge angepasst ist.
Der Einsatz wird mit dem Abschnitt aus Schienenstahl mittels einer geeigneten Schweißmethode verschweißt, wie z. B. Abbrennschweißen oder Elektronenbeschuss, woraufhin das Ende dieser ersten Verbindung durch gesteuertes Abkühlen von ungefähr 900°C bis auf Umgebungstemperatur wärmebehandelt wird, um die spröden Bestandteile der Zone, die durch das Schweißen in dem Abschnitt aus Schienenstahl thermisch betroffen ist, zu unterdrücken; man lässt durch Ablängen eine Einsatzlänge von ungefähr 30 mm bestehen.
Nachdem die Einheit aus Schienenstahl-Abschnitt und Einsatz auf die erforderlichen Abmessungen gebracht und durch zerstörungsfreie Mittel, wie z. B. eine Eindringprüfung, Ultraschallprüfung oder Radiographie, geprüft wurde, um ihren fehlerfreien metallurgischen Zustand sicherzustellen, wird sie über die Endfläche des Einsatzes mit dem Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt auf dessen Seite mit dem größten Querschnitt verschweißt.
Diese zweite Schweißnaht wird außer einem einfachen Abkühlen bei Umgebungsluft keiner Wärmebehandlung unterzogen; es werden die herkömmlichen zerstörungsfreien Kontrollprüfungen durchgeführt, wie z. B. Eindringprüfung und/oder Gammagraphie dieser Schweißnaht nach einer Säuberung und/oder maschinellen Bearbeitung zur Entfernung der Schweißwulst, falls dies erforderlich ist.
Der Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt, dessen Querschnitt von seiner Spitze ab bis hin zu seiner Verbindungszone mit dem Einsatz zunimmt, wird vorteilhafterweise durch Formgießen hergestellt, wobei dieses dimensionale Merkmal ausgenutzt wird.
Je nach Länge und Gewicht dieses Endabschnittes kann er in metallenen Formen gegossen werden, in denen für die kürzesten Längen semipermanente Schlichten verwendet werden, oder in Formen aus gehärtetem Sand für die anderen Fälle; diese Formen werden im Laufe der Befüllung mit dem flüssigen Metall oder ab dem Ende der Befüllung in eine vertikale Position gebracht, mit dem größten Querschnitt des Profils nach oben, um die kleinsten Querschnitte automatisch maximal durch die größeren Querschnitte zu befüllen; durch diese Anordnung wird die abschließende Bildung von Angössen begrenzt und ein Befüllen der Form mit einem flüssigen Metall bei niedrigstmöglicher Temperatur ermöglicht, was dem Abguss aus Stahl mit hohem Mangangehalt ein sehr feines Korngefüge verleiht, das vorteilhaft für seine Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Ausdauerfestigkeit ist, wobei die spätere Wärmebehandlung dieses Stahls durch Wasser-Überhärtung ausgehend von ungefähr 1100°C die Größe des Hauptkorns nicht oder kaum verändert.
Die so gebildete Einheit dieser Weichenzunge hat eine längere Lebensdauer, da der sich verjüngende Endabschnitt, der dem Verschleiß am stärksten ausgesetzt ist, aus Stahl mit hohem Mangangehalt ist, einem Material, das den Phänomenen wie Reibung-Stoß-Gleiten, die von den Rädern der Eisenbahnzüge hervorgerufen werden, besser standhält.
Wenn dieser Abschnitt abgenutzt ist, kann man die Weichenzunge auf gleiche Weise erneuern, indem man den abgenutzten Abschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt ablängt und man diesen durch einen anderen Abschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt ersetzt, der das Ursprungsprofil hat; dieser Vorgang kann mehrere Male wiederholt werden, im Gegensatz zu einer begrenzten Abnutzung des Schienenstahl-Abschnittes, wobei sich der Austausch auf den sich verjüngenden Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt oder auch auf diesen Abschnitt und den Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl beschränkt.
Die 1 zeigt eine so gebildete Bimetall-Weichenzunge:

– der mit 1 bezeichnete Abschnitt ist aus Kohlenstoffstahl, der als "Schienenstahl" bezeichnet wird
– der mit 2 bezeichnete Abschnitt entspricht dem Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl, der zunächst mit dem Abschnitt 1 verschweißt wird
– der mit 3 bezeichnete Abschnitt entspricht dem sich verjüngenden Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt

Die sich aus dem Verfahren ergebenden Vorteile sind:

– was das hergestellte Produkt angeht, eine viel höhere Lebensdauer, die folglich die Demontagen und Blockierungen der Schienen beschränkt.
– gemäßigte Kosten für den Erhalt und die Herstellung, da der zu erneuernde Abschnitt eine Länge hat, die im Vergleich zu einer gleichen Weichenzunge aus nur einem Metall sehr gering ist; der Stahl mit hohem Mangangehalt ist sehr kostengünstig und die Werkzeugmaschinen für die maschinelle Bearbeitung haben gegenüber denen, die zur Bearbeitung einer Weichenzunge aus nur einem Metall erforderlich sind, vernünftige Abmessungen, und die Herstellungskosten sind im Wesentlichen in gleichem Maße reduziert.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Weichenzunge, die zwei Abschnitte aus sehr unterschiedlichen Stahlsorten umfasst, wobei ein Abschnitt der Weichenzunge, der längste, aus einem Kohlenstoffstahl oder Schienenstahl ist, und der andere Abschnitt, der kürzeste, der dem sich am stärksten verjüngenden Bereich der Weichenzunge entspricht, aus einem Stahl mit hohem Mangangehalt aus der Familie der "Hadfield"-Stähle ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus den Schritten besteht: Zusammenfügen mittels Verschweißen des Abschnittes aus Schienenstahl mit einem formgegossenen Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt und nach einer Wärmebehandlung durch gesteuertes Abkühlen von ungefähr 900°C auf Umgebungstemperatur und einem Ablängen des Einsatzes auf eine Länge von ungefähr 30 mm, Verschweißen der freien Fläche dieses Einsatzes mit dem sich verjüngenden Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt, und dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl durch Formgießen erhalten wird, gefolgt von einer Wärmebehandlung mittels Wasser-Überhärtung nach einem Halten auf einer Temperatur zwischen 1030 und 1100°C und einer anschließenden maschinellen Bearbeitung, und dass der sich verjüngende Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt durch Formgießen erhalten wird, gefolgt von einer Wärmebehandlung mittels Wasser-Überhärtung nach einem Halten auf einer Temperatur zwischen 1030 und 1100°C und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung, und dass man für diese Umsetzung eine abgenutzte Weichenzunge aus nur einem Metall verwenden kann, von der man den abgenutzten sich verjüngenden Endabschnitt abgelängt hat, oder eine Bimetall-Weichenzunge, an der nur der sich verjüngende Endabschnitt aus Stahl mit hohem Mangangehalt oder dieser Abschnitt und der Einsatz aus austenitisch-ferritischem Stahl ersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende Endabschnitt durch Formgießen in metallenen Formen, in denen semipermanente Schlichten verwendet werden, oder in Formen aus gehärtetem Sand hergestellt wird, die ab dem Ende der Befüllung der Form durch das flüssige Metall mit dem größten Querschnitt nach oben vertikal angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Querschnitt der Weichenzunge im Bereich des Einsatzes und der beiden angrenzenden Zonen auf dem Abschnitt, der nicht von den Rädern der Eisenbahnzüge befahren wird, lokal verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt aus Schienenstahl einem Warmschmieden zum Stauchen der Spitze, gefolgt von einer Wärmebehandlung und einer lokalisierten maschinellen Bearbeitung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt aus Schienenstahl einem Auftragsschweißen, gefolgt von einer Wärmebehandlung und einer lokalisierten maschinellen Bearbeitung unterzogen wird.