DE69409524T2

DE69409524T2 - Schienen

Info

Publication number: DE69409524T2
Application number: DE69409524T
Authority: DE
Inventors: Vijay Sheffield Yorkshire S31 0Gf Jerath; Ian William South Yorkshire S65 3Ab Martin; David James Scunthorpe Dn16 2Aq Price
Original assignee: British Steel PLC
Current assignee: British Steel PLC
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: ES2118416T3; RU2122056C1; HU9503749D0; CN1127537A; EP0705369B1; IN184701B; AU6976494A; DE69409524D1; GB9526104D0; CN1057810C; JPH08512093A; ATE164899T1; MY111482A; CA2165775A1; ZA944557B; GB2295179A; EP0705369A1; US5645653A; BR9406964A; GB2295179B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schienen und insbesondere auf Schienen, die eine verbesserte Festigkeit, Härte und Zähigkeit aufweisen.
Die mit der Herstellung von Schienen verknüpften Probleme sind allgemein bekannt und können zusammenfaßt werden in der Schwierigkeit, sowohl eine harte Laufoberfläche als auch eine zähe Schiene zu erzeugen, was in dieser Technologie bedeutet, daß sie einen Widerstand gegen Bruch aufweist. Die Behandlungen zur Erzeugung eines harten Schienenkopfes sind allgemein bekannt, aber im allgemeinen wurde angenommen, daß diese Behandlungen schädliche Wirkungen auf die Zähigkeit aufweisen. Die Schiene muß in der Lage sein, der Ausbreitung von Ermüdungsrissen zu widerstehen.
Die EP-A-0 022 451 beschreibt eine Schiene, deren obere Oberfläche aus Martensit zusammengesetzt ist, und zwar mit 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 13 bis 16 Gewichtsprozent Chrom, zusammen mit anderen Bestandteilen.
Moderne Hochleistungsschienen werden gegenwärtig dadurch hergestellt, daß Stahl geeigneter Zusammensetzung ausgewalzt und dann abgekühlt wird. Die Schiene kann entweder direkt nach Verlassen des Walzstuhles abgekühlt werden, möglicherweise nach einer Wiedererhitzung, oder nach einer folgenden Wärmebehandlung. Die Abkühlung wird gesteuert und man beabsichtigt, Perlit als Hauptbestandteil des Schienenkopfes zu schaffen. Dieses Perlit besitzt günstige Eigenschaften bezüglich der Härte, und die Abkühlrate wird tatsächlich so gesteuert, daß sie unter einer speziellen Rate der betreffenden Stahlzusammensetzung liegt, so daß man in den Perlit-Bereich bei dem kontinuierlichen Abkühlungs-Übergangsdiagramm (CCT) für den Stahl gelangt. In gewissen Fällen kann die Abkühlung im einzelnen so gesteuert werden, daß der Pfad auf dem CCT-Diagramm durch den "Perlit-Nasenbereich" hindurchläuft, wenn ein Perlit mit einem feinen interlamellaren Abstandes und infolgedessen mit höherer Festigkeit und Härte erzeugt wird. Leider erreicht heute die Schienen-Technologie die Grenzen der Härte, die durch einen Perlit-Kopf erreicht werden kann, weil der Prozeß zur Erreichung einer erhöhten Härte mit einer Verminderung der Zähigkeit verknüpft ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schiene zu schaffen, die bei gegebener Härte einen verbesserten Bruchzähigkeits-Stoßwiderstand aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schiene zur Benutzung in einer Eisenbahnanlage geschaffen, die im Querschnitt einen Kopf und einen Fuß aufweist, wobei der Kopf eine den Verkehr tragende Oberfläche besitzt, die aus Martensit mit bis zu 0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff und bis zu 1 Gewichtsprozent Chrom zusammengesetzt ist. Der Kopf und zweckmäßigerweise auch der Fuß können schnell durch Anwendung von Wasser oder Wasser-/Luftstrahlen abgekühlt werden. Der Kohlenstoffgehalt der Schiene kann zwischen 0,1 und 0,4 % liegen, und die Schiene kann Legierungselemente aufweisen, um ihre Härtbarkeit zu verbessern, und sie kann auch Titan und Niob aufweisen. Die Härtbarkeit kann in die Bereiche gemäß Tabelle 3 fallen, und die Schiene kann einer Selbsttemperung unterworfen werden, indem die Sprühkühlung beendet wird und indem man die Restwärme im Schienenkopf sich unter natürlichen Abkühlungsbedingungen ausgleichen läßt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Schiene mit einem Martensitkopf;
Fig. 2 ist eine Darstellung der Brinell- Härte einer derartigen Schiene;
Fig. 3 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Abnutzungsrate und der Härte für eine Perlit-Schiene bzw. eine Martensit-Schiene;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Jominy-Härtbarkeitsdaten für eine Stahlschiene mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm der Veränderung der Charpy-V-Kerbschlag-Energie für Martensit-Schienen und Perlit-Schienen bei verschiedenen Temperaturen;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung für die Erzeugung von Schienen;
Fig. 7 ist ein Diagramm der Härtbarkeits- Bänder für die Erzeugung von Martensit-Schienen; und
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines kontinuierlichen Abkühlungs-Transformations-Diagramms für einen 0,8 %-Kohlenstoffstahl.
Nunmehr wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Diese Figur zeigt einen Schnitt einer konventionell gestalteten Eisenbahnschiene 1 mit flachem Fuß. Diese Schiene 1 besitzt einen Fuß 2 und einen Kopf 3. Die Mikrostruktur des Kopfes in dem schraffierten Bereich 4 ist martensitisch, wobei der Bereich 5, in dem die Rate der Abkühlung von äußeren Kühlstrahlen offensichtlich kleiner ist, eine Mischung von Martensit und Bainit aufweist. Wo der Fuß gekühlt wurde, ist er auch weitgehend martensitisch, und die Zusammensetzung des Steges 6, der den Fuß mit dem Kopf verbindet, hat gewöhnlich keine große Bedeutung, da in der Praxis das Verhalten, das von dem Steg gefordert wird, von den meisten Schienenstählen wegen der Wärmebehandlungen übertroffen wird. Die Schiene besteht aus einem niedrig legierten Kohlenstoffstahl der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1. Es wurden Brinell-Härteprüfungen an einem Teil einer solchen Schiene durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Ein Vergleich der Brinell-Härte für verschiedene Schienen ist in Fig. 3 dargestellt, wo diese längs der Abszisse aufgetragen sind. Die Ordinate zeigt die Abnutzungsrate in Milligramm pro Meter Schlupf. Die Schienen gliedern sich in vier Gruppen: (a) in ausgewalztem Zustand und (b) 1%iger Chromstahl, wiederum in ausgewalzter Bedingung. Die Ergebnisse (c) sind jene verschiedener im Kopf gehärteter und wärmebehandelter Perlit- Schienen herkömmlicher Herstellung, während (d) eine erfindungsgemäße Schiene aus martensitischem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist. Aus Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die Härte der martensitischen Schiene hoch ist und daß die Abnutzungsrate deutlich vergleichbar ist mit modernen Perlit- Schienen.
Charpy-V-Kerbschlag-Widerstandsprüfungen wurden durchgeführt, um die Zähigkeit zu messen, und das Ergebnis ist in Fig. 5 dargestellt. Hier ist die Temperatur auf der Abszisse aufgetragen und die Schlagenergie in Joules auf der Ordinate. Die Ergebnisse (a) gelten für einen Martensit-Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt gemäß der Erfindung, ausgewalzt auf 113 Pfund pro Yard, und die Ergebnisse (b) gelten fur einen herkömmlichen Perlit-Stahl mit 0,01 % Titan, der einer Wärmebehandlung unterzogen wurde und wiederum mit 113 Pfund pro Yard ausgewalzt wurde. Die Martensit-Schiene besaß eine Zugfestigkeit von 1,550 N/mm², und die Streckung beim Bruch betrug 10 %; die Brinell-Härte betrug 445. Die entsprechenden Werte für die Perlit-Stahlschiene waren die folgenden: Zugfestigkeit 1,210 N/mm² und eine Streckung beim Bruch von 10 % und eine Brinell-Härte von 360. Dies zeigt deutlich, daß der Widerstand bezüglich einer Brucheinleitung bei der Martensit-Schiene höher ist als bei der Perlit-Schiene, und zwar selbst bei niedrigen Temperaturen.
Die Bruchzähigkeit der Martensit-Schiene wurde mit einem Wert zwischen 100 und 110 MpA/m½ festgestellt, verglichen mit typischen Werten für Perlit-Schienen, bei denen der Wert 35 bis 40 MPam½ betrug.
Es hat sich außerdem gezeigt, daß der Ermüdungsbruch-Widerstand (da/dN) im wesentlichen gleich ist jenem herkömmlicher wärmebehandelter Schienen, obgleich empirisch festgestellt wurde, daß die Ermüdungsrisse in den Martensit-Schienen weiter fortschreiten, bevor ein schneller oder katastrophaler Bruch eintritt. Die Erzeugung einer solchen Schiene mit einem Martensit-Kopf mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist relativ einfach, und das Wesentliche dabei ist eine schnelle Abkühlung der Schiene, so daß ein Durchlauf durch die "Perlit- Nase" in dem kontinuierlichen Abkühlungs-Übergangs-Diagramm vermieden wird, und dies ist ein bekanntes Diagramm der Stahlmetallurgie.
Ein solches Diagramm ist in Fig. 8 für einen 0,8 % -Kohlenstoffstahl dargestellt. Der Bereich 54 ist austenitisch (die Form von Stahl bei hohen Temperaturen), und die Temperatur ist auf der Ordinate dargestellt, während die Zeit im logarithmischen Maßstab auf der Abszisse aufgetragen ist. Austenit ist bei 50 vorhanden und Martensit bei 51. Perlit ist bei 52 dargestellt und Bainit bei 53. Zwischen diesen Bereichen ist eine Mischung von Stahl-Mikrostrukturen feststellbar. Der strichlierte Pfad X präsentiert den Pfad für eine normale Luftkühlung, und es ist ersichtlich, daß der Pfad in den Perlit-Zustand führt. Der mit Z markierte Punkt ist jener Punkt, der als "Perlit-Nase" bekannt ist, und eine gesteuerte Kühlung längs des Pfades Y führt dazu, daß die Schiene durch die Perlit-Nase hindurchläuft und die vorerwähnte feine Perlit-Struktur erzeugt wird.
Der Pfad M markiert einen typischen Pfad zur Erzeugung einer Martensit-Schiene, und es ist ersichtlich, daß der Pfad direkt aus dem austenitischen Bereich in den martensitischen Bereich übergeht. Natürlich erfordert dies eine hohe Abkühlungsrate, und dies wird durch Benutzung von Wasser erreicht, entweder in Form einfacher Wasserstrahlen oder vermischter Luft-/Wasserstrahlen.
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Erzeugung von Schienen ist die Qualität, die als "Härtbarkeit" bekannt ist. Dies ist die Fähigkeit von Stahl, eine gegebene Härte an einer Stelle entfernt vom Punkt der Anwendung der Kühlung zu erreichen, insbesondere bei Zwangskühlung. Die Härtbarkeitsdaten für einen niedrig legierten Kohlenstoffstahl der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 sind in Fig. 4 dargestellt. Hier ist auf der Ordinate die Brinell-Härte (BHN) aufgetragen, und auf der Abszisse von oben nach unten die Kühlrate in Grad Celsius pro Sekunde bei 700ºC, die äquivalente Plattendicke in mm und der Abstand von der abgeschreckten Fläche in mm. Die Daten (a) gelten für eine Dicke von 40 mm, und die Daten (b) für eine Dicke von 65 mm. Dieses Diagramm zeigt die Veränderung der Brinell-Härte, wenn man weiter von der abgeschreckten äußeren Oberfläche der Schiene fortschreitet. Die Härtbarkeit dieses Stahles ist annehmbar, weil das Martensit an diesen tieferen Stellen erzeugt wird. Die Hauptelemente, die bekannt sind für die Erzeugung einer Härtbarkeit sind Mangan und in geringerem Umfang Molybdän, Vanadium, Chrom, Nickel und Kupfer. Die Berechnung der Härtbarkeit aus den Legierungselementen ist sehr schwierig, und obgleich eine Voraussage bis zu einem vernünftigen Ausmaß möglich ist, muß am Ende stets eine Messung durchgeführt werden. In Fig. 4 gelten die Daten für die Punkte (c) für laboratoriumsmäßig hergestellte Stahlschmelzen. Die Elemente Titan und Niob sind aus den üblichen Gründen zugesetzt, und Titan dient der Verbesserung der Schweißbarkeit, und Niob als allgemeines Element zur Verstärkung der Ausscheidungshärtung. Demgemäß erzeugt das Verfahren eine Schiene mit einer Härtbarkeitscharakteristik eines Stahls mit hohem Kohlenstoffgehalt, wobei auch die Erzeugung eines Martensits mit niedrigem Kohlenstoffgehalt möglich wird, und zwar mit einer entsprechend hohen innewohnenden Härte.
Fig. 7 zeigt die annehmbaren Härtbarkeits-Bänder, und diese ergeben sich auch aus Tabelle 3. Das bevorzugte Härtbarkeits- Band ist für die J-Abszissenwerte 1, 5, 12 und 20 dargestellt (1/16 Zoll vom abgeschreckten Ende einer Stange mit einem Durchmesser von 1 Zoll). Der Bereich 70 ist das bevorzugte Band, obgleich der Bereich 71 für derartige Schienen auch annehmbar ist.
Fig. 6 zeigt eine typische Anordnung von Sprühstrahlen, die benutzt werden können, um die erforderliche Kühlung einer solchen Martensit-Schiene zu erzeugen.
Die Zusammensetzungen für Güteklassen martensitischer Schienenstähle, die in den bevorzugten Härtbarkeits-Bändern liegen, sind in Tabelle 2 dargestellt, wobei jede Güteklasse einen Bereich von Zusammensetzungen aufweist, die in diese Klasse fallen.
Ein weiterer Vorteil einer Martensit-Schiene besteht darin, daß die höhere innewohnende Härte der für Martensit erforderlichen Pegel der Härte leichter zu erreichen sind. Daher kann der Herstellungsprozeß derart modifiziert werden, daß weniger Sorgfalt auf die Optimierung der Härte des Kopfes gelegt werden muß mit dem Erfolg, daß die Parameter für das Verfahren geändert werden können, um andere Charakteristiken zu verbessern. Insbesondere kann eine Selbsttemperung des Schienenkopfes zur Erzeugung einer höheren Zähigkeit und eines höheren Schlagwiderstandes durchgeführt werden, indem das Sprühen angehalten wird, wenn der Kern an der Innenseite des Schienenkopfes auf eine Temperatur von annähernd 500ºC abgefallen ist. Dann läßt man die Schiene natürlich abkühlen, und die Hitze aus dem Inneren des Schienenkopfes verteilt sich über den gesamten Kopf, wodurch die Temperatur leicht ansteigt, bevor die gesamte Schiene sich schließlich auf Umgebungstemperatur abkühlt.
Zusammenfassend ergibt sich, daß die Erfindung auf der Erkenntnis beruht, daß im Gegensatz zu der weitverbreiteten Meinung der Fachwelt, wonach martensitische Metallurgie in Schienenköpfen vermieden werden sollte, diese Schienenköpfe tatsächlich Martensit mit niedrigem Kohlenstoff aufweisen können. In Verfolg des erfindungsgemäßen Konzepts der Benutzung von Martensit-Stahl niedrigen Kohlenstoffgehalts wurde gefunden, daß die relevanten interessierenden Parameter für Schienen die Eigenschaften betreffen, die grob als "Härte" bezeichnet werden, nämlich Abroll-Kontakt-Abnutzung und Roll-Kontakt-Ermüdungen überraschenderweise zufriedenstellend erfüllt werden, und daß die Schiene bis in den Kopf eine völlig befriedigende Härte aufweist.
Demgemäß schafft die Erfindung eine Schiene mit guten Abnutzungseigenschaften und eine Schiene mit einem guten Widerstand gegenüber Beschädigung, die beispielsweise durch Entgleisen bewirkt werden, und zwar im Vergleich mit anderen gegenwärtig verfügbaren Schienen. TABELLE 1 TABELLE 2 TABELLE 3

Claims

1. Schiene zur Benutzung in einer Eisenbahnanlage, die im Querschnitt einen Kopf und einen Fuß aufweist, wobei der Kopf eine den Verkehr tragende Oberfläche besitzt, die aus Martensit mit bis zu 0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff und bis zu 1 Gewichtsprozent Chrom zusammengesetzt ist.

2. Schiene nach Anspruch 1, bei welcher der Kopf schnell durch Anwendung von Wasser abgekühlt ist.

3. Schiene nach Anspruch 1, bei der der Kopf und der Fuß schnell durch Anwendung von Wasser abgekühlt sind.

4. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,1 Gewichtsprozent und 0,4 Gewichtsprozent liegt.

5. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Legierungselemente aufweist, die die Härtbarkeit verbessern.

6. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Schiene Titan und Niob enthält.

7. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Schiene einer selbsttätigen Abhärtung dadurch unterworfen wird, daß die Sprühkühlung beendet wird und die Restwärme im Schienenkopf unter natürlichen Kühlungsbedingungen ausgeglichen wird.

8. Schiene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Härtbarkeit innerhalb des nachstehenden Bereiches liegt:

wobei die Jn-Position die Position "n" sechzehntel eines Zolls vom abgeschreckten Ende einer Stange mit einem Durchmesser von 1 Zoll ist, unterworfen einem Jominy-End-Abschrecktest (1 Zoll = 2,54 cm).

9. Schiene nach Anspruch 8, bei welcher die Härtbarkeit innerhalb des folgenden Bereichs liegt:

wobei die Jn-Position die Position "n" sechzehntel eines Zoll vom abgeschreckten Ende einer Stange mit einem Durchmesser von 1 Zoll ist, unterworfen einem Jominy-End-Abschrecktest (1 Zoll = 2,54 cm).