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Verfahren zum Härten von Schienen Es sind schon Schienen mit erhöhter
Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bekannt mit einem Kohlenstoffgehalt von
0,07 bis 0,2 %, einem Mangangehalt von o,6 bis 1,6 %, einem Phosphorgehalt
von o,o8 bis 0,25 %, einem Siliciumgehalt von o, r 5 bis o,6 %, einem Kupfergehalt
von o,2 bis t,o % und einem Chromgehalt bis 1,5 %. Ihr Verschleißwiderstand ist
etwas höher als der vorn Schienen aus unlegiertem Kolilenstoffstahl gleicher Streckgrenze.
Andererseits sind Verfahren zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes von Schienen
aus Kohlenstoffstahl bekannt, wonach die Schienen irn Kopfteil einer Härtung durch
Abschrecken in Wasser, Dampf oder Luft unterworfen werden. Dabei bleibt der restliche
Profilteil warm und liefert die Anlaßwärme für die abgeschreckte Zone. Um bei diesen
und ähnlichen Verfahren eine genügende Kopfhärtung und die gewünschte Erhöhung des
Verschleißwiderstandes zu erzielen, glaubte man, Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt
von o,q.o bis o,5o% verwenden zu müssen; jedenfalls ging man nicht unter o,3 % Kohlenstoff,
da ein unlegierter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter o,3 % keine ausreichende
Härtung mehr annimmt.
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Wesentlich ist bei a11 diesen Verfahren jedenfalls, daß die übliche
Stahlhärtung angewandt wird, d.h. daß ein Stahl entsprechend hohen Kohlenstoffgehaltes
in den martensitischen oder sorbitischen Gefügezustand überführt wird. Diese Wärmebehandlung
ist aber zwangsläufig stets mit einem Abfall der Zähigkeit verbunden, so daß die
so gehärtete Schiene in dem gehärteten Teil eine erhöhte Bruchneigung besitzt. Die
Erhöhung des Verschleißwiderstandes wird also mit einer Herabsetzung der Zähigkeit
erkauft.
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Auch vermeidet man es meist in der Praxis, bei Schienen und Radreifen
den Mangangehalt auf Kosten des Kohlenstoffgehaltes zu vergrößern, da man bei derartigen
Stählen mit der bei der Abnahme vorgeschriebenen Schlagprobe schlechte Erfahrungen
gemacht hat.
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Versuche über den Einfluß des Mangans auf die Härtbarkeit von Stählen,
die vor einigen Jahrzehnten durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß die Brinellhärte
nach dem Abschrecken mit steigendem Mangangehalt auch dann zunimmt, wenn der Kohlenstoffgehalt
der Stähle weniger als o,2 % beträgt. Diese Ergebnisse 'haben jedoch die Technik
nicht veranlassen können, derartige Stähle zu kopfgehärteten Schienen zu verwenden;
im Schrifttum fehlt daher jeder Hinweis auf diese Möglichkeit. Vor allem aber standen
einem solchen
Vorhaben die Ergebnisse weiterer Untersuchungen entgegen,
die erwiesen, daß derartige Stähle mit Mangangehalten bis etwa. 3 % nach einer Härtung
keine Erhöhung des Verschleißwiderstandes aufweisen, die zu eine Anwendung der Kopfhärtung
hätte anregen können. Ein weiteres Hindernis war die bekannte Neigung der Manganstähle
zu Spannungsrissen, die eine Verwendung der Stähle zu gehärteten Schienen unzweckmäßig
erscheinen ließ.
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Die vorliegende. Erfindung geht aus von der bei dieser Sachlage keineswegs
naheliegenden Untersuchung von Schienenstählen niedrigen Kohlenstoff- und höheren
Mangangehaltes auf ihre Eignung zur Kopfhärtung zwecks Erhöhung des Verschleißwiderstandes.
Überraschenderweise wurde dabei bei Stählen mit 0,07 bis o,2 % Kohlenstoff, o,6
bis 1,60,`o Mangan, o,o5 bis o,2 % Phosphor, 0,15 bis o,6 0'o Silicium, o,2 bis
1,o % Kupfer und bis 11,5 % Chrom festgestellt, daß die aus ihnen hergestellten
Schienen nach der Kopfhärtung sowohl einen erheblich erhöhten Verschleißwiderstand
und hervorragende Zähigkeit besitzen, als auch außerdem fast vollständig frei von
Härtespannungen sind.
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Die bei den vorgenannten Schienen erreichbare Oberflächenhärte wird
vorteilhaftereseise nicht über die Grenze der Bearbeitungsfähigkeit mit spanabhebenden
Werkzeugen, d. h. über etwa 39o Brinelleinheiten, gesteigert, da es bei Schienen
in hervorragendem Maße auf den Verschleißwiderstand ankommt und Härte bekanntlich
keineswegs gleichbedeutend mit diesem ist. Träger des Verschleißwiderstandes sind
aber bei dem vorliegenden Stahl vornehmlich der Mangan-, Chrom- und Phosphorgehalt.
Die beiden ersteren sind offenbar auch an dem Härtungsvorgang stark beteiligt. Auch
erfolgt der Übergang von der gehärteten Zone nach dem nichtgehärteten Teile allmählicher,
was zur Folge hat, daß Härterisse und Abblättel-ungen der gehärteten Schicht vermieden
werden, wie sie bekannterweise mitunter bei unlegierten Kohlenstoffstählen beobachtet
werden.
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Als weiterer Vorzug ist zu nennen, daß sich die Schienen niederen
Kohlenstoffgehaltes bei der Kopfhärtung gar nicht oder zumindest weniger als die
kohlenstoffreicheren Schienen verziehen, da sie beim Härten überraschenderweise
weniger innere Spannungen erhalten als diese.
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Als Beispiel sei eine Schiene S49 folgender Zusammensetzung angeführt:
| C Si Mn P S Cr Cu |
| o/0 % 1110 111o o/n "% 1110 |
| o,11g o,55 11,11o o,o6 0,03 0,40 o,6o |
Die Schiene wies folgende Festigkeitseigenschaften im Walzzustand auf:
| Streckgr. Festigkeit Dehnung Kerbzähigkeit |
| l:g/mm2 kg; cmn= °/" mlcg/cm= |
| 40,0 6o,o 23 7 bis 8 |
Die Brinellhärte der Lauffläche betrug vor der Kopfhärtung
.... 170, nach
der Kopfhärtung
... 36o. Ferner wurde die Brinellhärte in einem Abstande
von 3, 5 und 1 o mm von der Lauffläche ermittelt. Sie betrug
| bei einem Abstande von ; mm 5 mm ro mm |
| vor der Kopfhärtung ... 117o 1170 .z77 |
| nach der Kopfhärtung. .. 345 335 290 |
Die Kerbschlagzähigkeit betrug in mkg/cm2 bei den Temperaturen von
| - 2o° C ± o° C -f- 20'C -1-5o° C |
| vor der Kopfhärtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .... 2,0 7,0 8,2 11,0 |
| nach der Kopfhärtung in der Kopfmitte....... 6,o 15,5 114,5
14,0 |
| in der abgeschreckten Randzone............... 5,5 6,o 5,5 6,o |
Die Entnahme der Kerbschlagproben erfolgte in der Walzrichtung der Schiene als kleine
DVM-Probe mit den Abmessungen 1 o X 1 oX 6o mm, Bruchquerschnitt 10X7 mm in Richtung
der Lauffläche, Kerbdurchmesser 2 MM in Richtung des Schienenfußes.
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In der Kopfmitte der Schiene hat somit diese Wärmebehandlung sogar
eine Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit herbeigeführt. In der abgeschreckten Randzone
ist zwar die Kerbzähigkeit durch das Abschrecken gefallen; sie liegt aber immer
noch höher als die von Kohlenstoffstählen im nicht abgeschreckten Zustande. Die
Verschleißfestigkeit nach Spindel gemessen als Sehnenlänge in mm betrug .
| _ auf der auf der |
| Lauffl@iche Seitenfläche |
| vor der Kopfhärtung. . . 40 39 |
| nach der Kopfhärtung. . 23 211 |
Die Spannungen sind nach der Kopfhärtung unerwartet gering; die im Walzzustand vorliegenden
Spannungen sind sogar weitgehend herabgemindert worden.
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Die außerordentlich hohe Zähigkeit und damit Bruchsicherheit der wärmebehandelten
Schienen geht weiterhin hervor aus Ergebnissen
von Schlagproben,
die nach den Vorschriften der Deutschen Reichsbahn ausgeführt wurden. Man erhielt
bei der kopfgehärteten Schiene für die einzelnen Schläge (erster Schlag 5 mt, die
weiteren Schläge 3 mt) folgende Durchbiegungen in mm: 39, do, 8o; I o I, 121. Bei
zwei weiteren Schlägen zu 5 mt wurden Durchbiegungen von 183 und 22omm erzielt,
ohne daß eine der geschlagenen Schienen zu Bruch ging.