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Verfahren und Vorrichtung für die Schienenkopfhärtung Eine große Anzahl
von Vorrichtungen ist bekanntgeworden, die es ermöglichen, Gegenstände aus Stahl,
insbesondere Schienen, nach der, bei Temperaturen oberhalb A3 beendeten Warmformgebung
an den Teilen, die einer großen Verschleißbeanspruchung ausgesetzt sind, einer Abschreckbehandlung
mittels Wasserbrausen oder in Tauchbädern zu unterwerfen.
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Geringer ist die Zahl der bekanntgewordenen Verfahren und Vorrichtungen
zur Oberflächenhärtung von Stahlteilen, bei denen die zu härtenden Stellen mittels
Sauerstoff-Azetylen-Gasbrennern erhitzt und nachfolgend mit Wasser abgeschreckt
werden. Auf diese Weise werden vor allem zylindrische Bauteile, wie Lagerstellen
von Achsen, Kurbelwellen u. dgl., gehärtet, wobei sie im wirksamen Bereich der Brennerflammen
um ihre Achse gedreht werden. Diese Verfahren .wären aber bei ihrer Anwendung auf
Gegenstände mit größeren zu härtenden Oberflächen, wie z. B. Schienen, so unwirtschaftlich,
daß sie gegenüber den mit den oben angeführten Vorrichtungen durchgeführten nicht
wettbewerbsfähig sind.
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Nach einem weiteren bekannten Vorschlag werden derartige Bauteile
durch Einwirkung eines elektrischen Lichtbogens auf Härtetemperatur gebracht. Abgesehen
davon,- dafä auch diese Erhitzungsart sehr kostspielig ist, bringt ein Lichtbogen
eine derart hohe Temperatur mit sich, daß entweder eine überhitzung der zu härtenden
Oberfläche eintritt oder zur Vermeidung der Überhitzung eine so hohe Vorschubgeschwindigkeit
angewendet werden müßte, daß eine genügende Auflösung der Zementitbestandteile in
der Grundmasse des Gefüges nicht erreichbar ist.
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Aus den gleichen Gründen hat auch ein bekannter Vorschlag zur Schienenkopfhärtung
mittels Lichtbogenerhitzung keinen Eingang in die Technik finden können.
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Die Aufgabe, zu deren Lösung die vorliegende Erfindung einen Weg zeigt,
besteht in der Schaffung eines Verfahrens, das in wirtschaftlicher Weise die Oberflächenhärtung
von Schienen u. dgl. ermöglicht, also von Werkstücken, die räumlich eine sehr große
Ausdehnung aufweisen, in den erzielten Festigkeitseigenschaften über eine große
Länge unbedingt gleichmäßig sein müssen und nur einen geringen Kostenaufwand für
die Verbesserung ihrer Eigenschaften erlauben.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren sowie die zu seiner Durchführung
benötigten Vorrichtungen, - die es gestatten, Gegenstände aus Stahl, insbesondere
Walzprofile, wie Schienen und Träger, einer räumlich begrenzten Oberflächenerhitzung
über den Umwandlungspunkt As mittels eines weit über dieser Temperatur betriebenen
Ofens auszusetzen und durch eine nachfolgende Abschreckvorrichtung
an
der erhitzten sOberfläche zu härten, um sie entweder verschleißfester zu machen
oder ihre Eigenspannungen so zu beeinflussen, daß die Dauerfestigkeit der behandelten
Gegenstände erhöht wird. Im folgenden wird das Verfahren beschrieben, wie es bei
fier Oberflächenhärtung eines Kopfes einer Eisenbahnschiene durchgeführt wird. Die
in üblicher Weise von Walzendtemperatur abgekühlten Schienen werden in ihrer Längsrichtung
ununterbrochen mit einer solchen Geschwindigkeit durch einen gasgefeuerten, auf
Temperaturen über iooo° C erhitzten Ofen geführt, daß die Randzonen des Schienenkopfes
auf Härtetemperatur erhitzt werden, während die nicht zu härtenden Teile der Schienen
zusätzlich gekühlt werden. Unmittelbar nach Verlassen des Ofens werden die Schienenköpfe
durch ein geeignetes Abschreckmittel, vorzugsweise durch Wasserbrausen oder ein
Wasser-Preßluft-Gemisch, abgeschreckt. Da die Temperatur des Ofens erheblich über
dem Umwandlungspunkt des Schienenstahles gehalten wird, erfolgt die Erhitzung .der
Außenzonen des Schienenkopfes beim Eintritt in den Ofen sehr schnell. Durch eine
entsprechend schnelle Durchführung der Schienen durch den Ofen wird aber erreicht,
daß nur die Oberfläche des Schienenkopfes eine über dem oberen Umwandlungspunkt
(Ac3 Punkt) liegende Temperatur erhält.
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Die Eindringtiefe der Temperatur und damit auch die Tiefe der Oberflächenhärtung
kann durch Änderung der Erhitzungsdauer, durch Steigerung der Temperatur bei gleicher
Erhitzungsdauer und, bei gleicher Erhitzungsdauer und gleicher Temperatur, durch
Steigerung der Geschwindigkeit der an der zu erhitzenden Schiene vorbeistreichenden
Verbrennnungsgase oder auch durch gleichzeitige Änderung mehrerer dieser Größen
geregelt werden.
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Je höher die Ofentemperatur ist, desto schneller erfolgt die Erhitzung
der Oberfläche und umso weniger werden die Barunterliegenden Kernteile der Schiene
durch den Erhitzungsvorgang beeinflußt. Man kann auch eine Mitbeeinflussung der
Kernzonen durch den Erhitzungsvorgang verstärkt verhindern, wenn man die Wärmeleitfähigkeit
des Schienenwerkstoffes möglichst niedrig hält, beispielsweise durch Erhöhung des
Silizium- und Mangangehaltes. Durch besondere Ausgestaltung des Ofeninneren wird
dafür gesorgt, das möglichst nur der zu härtende Kopf der Erhitzung ausgesetzt,
Steg und Fuß dagegen geschützt bzw. gekühlt werden.
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Nach Versuchen beträgt die erforderliche Erhitzungsdauer bei einer
Ofentemperatur von 1200' C etwa 4 Minuten, bei i d.oo° C etwa i bis i1/2
Minuten und bei i 6oo° C etwä 30 bis q.o Sekunden.
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Das Verfahren ist auch anwendbar, wenn man die Schienen zwecks Vermeidung
von Warmrissen von der. Walzendtemperatur, welche vorteilhaft unter dem A3 Punkt
liegt, langsam bis auf etwa ¢5o°abkühlen und sodann noch warm. in die Vorrichtung
einlaufen läßt. Unter diesen Bedingungen verringert sich die Zeit für den Durchlauf
der Schienen durch den Ofen und der Gasverbrauch beträchtlich; damit erhöht sich
das stündliche Ausbringen. Dieses Verfahren hat gegenüber anderen Kopfliärtungsverfahren
den Vorteil, daß man mit der Walzendtemperatur unter den Umwandlungspunkt A,.3 gelangen
kann, wodurch bessere Festigkeitseigenschaften zu erreichen sind.
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In gleicher Weise lassen sich andere Walzprofile, etwa T-Träger, behandeln,
um diesen durch Erzeugung von Eigenspannungen in dem abgeschreckten Teil, die den
später im Betrieb auftretenden Spannungen entgegenwirken, eine höhere Dauerfestigkeit
zu verleihen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeitet ununterbrochen mit
einem beispielsweise regenerativ oder rekuperativ gasgeheizten Ofen.
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In den Zeichnungen ist als Beispiel eine Vorrichtung für die Schienenkopfhärtung
veranschaulicht.
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In Abb. i ist dargestellt, wie die kalte Schiene auf einem Rollgang
mit den Rollen 2 in den Ofen i und i" eingeführt wird. Unmittelbar nach dem Austritt
der Schiene aus dem Ofen läuft sie in eine Vorrichtung 3, in welcher der Schienenkopf
mittels einer Wasserbrause oder eines Wasser-Preßluft-Gemisches o. dgl. allseitig
umspült wird. Zum besseren Führen der Schiene werden zweckmäßig noch vor dem Ofen
und hinter der Abschreekvorrichtung federnde Oberrollen q. angebracht. Der Arbeitsgang
geht so vor sich, daß sich eine Schiene an eine andere beim Durchlauf durch die
Anlage unmittelbar anschließen kann. Da . die Schiene sich beim Kopfhärten erfahrungsgemäß
etwas wirft, wird zweckmäßig vor oder hinter der Anlage oder an beiden Stellen eine
Richtmaschine 5 eingeschaltet, die die Schiene entsprechend dem Verziehen richtet,
so daß sie die Anlage nach erfolgter Kopfhärtung vollständig ausgerichtet verläßt.
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In Abb. z ist ein Querschnitt durch einen geeigneten Ofen wiedergegeben.
Schienenfuß und Schienensteg sind den Einwirkungen der Ofenwärme nicht ausgesetzt,
lediglich der Schienenkopf wird an seiner Oberfläche erhitzt, während die Schiene
den Ofen durchläuft. Die Kühlung von Steg und Fuß erfolgt
beiderseitig
durch Rohre 6 und 6" aus hitzebeständigem Stahl, die dem Profil der Schiene mit
ausreichendem Spiel angepaßt sind. Diese Rohrstücke werden durch Preßluft gekühlt,
die durch die Öffnungen 7 und 7d vom Gebläse zugeführt und durch die isolierten
Rohranschlüsse 8 und 8, den Gasbrennern 9 und 9" zugeleitet wird. Zweckmäßig wird
die Zwischenschaltung einer gestrichelt angedeuteten Sammelleitung zwischen dem
Ende des Kühlrohres und den einzelnen Rohranschlüssen 8 und 8" sein. Der Gaszutritt
erfolgt durch die Rohre io und io, Die Schiene wird durch den Ofen auf den Rollen
2, geführt. Um einen Auschluß zwischen Schienensteg und Ofen zu gewährleisten, ist
der Teil i i einschließlich des Rekuperators 6u, der Luftrohre 8", der Brenner 9Q
.und .. der Gasleitung io" in waagerechter Richtung beweglich angeordnet. Dieser
Ofenteil kann auf den Rollen 12 mit einer einstellbaren Kraft der Feder 13 senkrecht
zur Schiene bewegt werden, so daß eine federnde Berührung zwischen dem Rohrteil
6, und dem Schienenstege entsteht. Der Ofen kann nach unten zu geschlossen
werden, wenn er vor Inbetriebnahme aufgeheizt wird.
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Zur Steigerung der Leistung kann die Anlage auch so ausgebildet werden,
daß zwei Schienen nebeneinander durch den Ofen laufen können (Abb.3). Dann wird
das zwischen den Stegen beider Schienen liegende Rohrstück 15 starr mit dem Ofen
verbunden, während die seitlichen Rohrstücke 6 und 6" beweglich angeordnet sind
und gegen die zu kühlenden Teile der Schienen gepreßt werden.
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In Abb. d. sind weitere beispielsweise Ausführungsformen dieser Kühlvorrichtung
dargestellt.
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Durch die Aufteilung des Kühlrohres in mehrere Teilstränge ergibt
sich die Möglichkeit, den von den Heizgasen bestrichenen Teil 16 stärker zu kühlen
als den nicht bestrichenen' Teil 17. Gegebenenfalls kann die Unterteilung noch weitergeführt
und den Einzelrohren eine andere Form gegeben werden. Statt der Anbringung von Einzelrohren
kann auch ein einziges Rohr durch Zwischenwandungen unterteilt werden. Eine weitere
Abwandlung besteht darin, das Kühlrohr 18 mit einer feuerfesten Isolierdecke 20
zu versehen. Aus der dargestellten Anordnung ergibt sich der Vorteil, daß die Temperatur
in den zu kühlenden Teilen möglichst gleichmäßig gehalten werden kann. Um die Wärmespannungen
in den Rekuperatorrohren auszugleichen und um ihrem Verziehen vorzubeugen, können
zwei oder drei Ofen gemäß Abb. i hintereinandergeschaltet oder die Rohre im Ofen
selbst unterteilt werden. Die Länge des Ofens richtet sich nach der günstigsten
Durchlaufgeschwindigkeit der Werkstücke und nach der im Ofen mittels der Gasbrenner
erzeugten Temperatur.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bringt eine wertvolle Bereicherung
der Technik. Es gestattet, mit einfachsten und billigsten Mitteln große Mengen beliebig
langer Schienen nach dem an sich bekannten Oberflächenhärtungsverfahren an den gewünschten
Stellen gleichmäßig zu härten bei voller Erhaltung der Eigenschaften der nicht zu
härtenden Stellen. Da die Schienen ununterbrochen mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit
durch einen Durchlaufofen geführt werden, ist die Grundbedingung für eine wirtschaftliche
Fertigungsweise gegeben. Außerdem wird der Durchlaufofen mit einem sehr billigen
Brennstoff, nämlich Gichtgas oder Koksofengas, beheizt und auf Temperaturen über
looo° C erhitzt, wobei die schnelle Übertragung großer Wärmemengen durch Strahlung
und Leitung auf die zu härtenden Randzonen des Kopfteiles der Schienen in wirtschaftlicher
Weise erreicht wird.
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Durch die zusätzliche Kühlung der nicht zu härtenden Teile wird nicht
nur deren volle Zähigkeit erhalten, sondern es kann außerdem noch die Kühlluft vorteilhaft
nach dem . Rekuperatorprinzip als Warmluft dem Koksofengas- oder Gichtgasbrenner
zugeleitet werden, so daß der Wärmewirkungsgrad des Verfahrens weiter verbessert
wird. Infolge der Einfachheit und Leistungsfähigkeit des Verfahrens ist somit die
sehr alte Aufgabe, große Mengen verschleißfester, aber gleichzeitig sehr zäher Schienen
durch die Kopfhärtung zu erzeugen, unter Vermeidung der technischen und wirtschaftlichen
Nachteile früherer Vorschläge gelöst worden.