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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung
hochfester bainitischer Stahlschienen mit einer Kopffläche mit
hervorragender Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch
Rollkontakt, die für die auf Hochgeschwindigkeitsstrecken
verwendeten Schienen erforderlich ist, und insbesondere hochfeste
Schienen mit einer bainitischen Struktur, die beständig sind
gegen Ermüdungsrisse, die in den Innenkanten zwischen dem Kopf
und den Seiten der Schienen auftreten könnten, und gegen das
Oberflächenschälen oder den dunklen Fleck, der in der oberen
Ebene der Schienenkopffläche auftritt, und Verfahren zur
Herstellung solcher Schienen.
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In jüngster Zeit sind das Gewicht der transportierten
Lasten und die Reisegeschwindigkeit erhöht worden, um die
Effizienz des Schienentransports zu erhöhen. Eisenbahnschienen
unterliegen nunmehr also schwereren Betriebsbedingungen und
müssen daher eine höhere Qualität haben.
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Konkrete Probleme sind u. a. eine starke Zunahme des
Abriebs der in Kurven montierten Schienen und das Auftreten
von Ermüdungsrissen, die sich aus dem Inneren der Innenkante
entwickeln, die der Hauptkontaktpunkt der Schienen mit den
Rädern der darüber rollenden Wagen ist.
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Die folgenden Lösungen sind für die eben beschriebenen
Probleme bisher verwendet worden:
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(1) Walzharte Schienen aus legierten Stählen, die unter
Zusatz großer Mengen Kupfer, Molybdän und anderer
Legierungselemente hergestellt worden sind. (Siehe vorläufige japanische
Patentveröffentlichung JP-A-140 316 von 1975 (US-A-
4 008 078).)
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(2) Wärmebehandelte Schienen aus unlegierten Stählen,
die hergestellt worden sind, indem der Kopf oder die
Gesamtheit der Schiene einer Schnellabkühlung (durch Sprühabkühlung)
zwischen 700 und 550ºC unterzogen worden ist. (Siehe
japanische Patentveröffentlichung JP-B-55-23 885 von 1980.)
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(3) Wärmebehandelte Schienen aus niedriglegierten
Stählen mit verbesserter Abrieb- und Ermüdungsrißbeständigkeit und
Fähigkeit, härtere Schweißnähte zu bilden, die unter Zusatz
eines geringeren Prozentsatzes von Legierungselementen
hergestellt werden. (Siehe japanische Patentveröffentlichung JP-B-
59-19 173 von 1984.)
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Diese hochfesten Schienen bestehen aus Stählen mit
bainitischen, ferritischen und feinperlitischen Strukturen, um
ihre Beständigkeit gegen Abrieb und innere Ermüdungsdefekte zu
verbessern.
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In tangentenartigen und leicht gekrümmten Bahnstrecken,
wo nicht viel Widerstand gegen Abrieb und innere
Ermüdungsdefekte erforderlich ist, bewirken wiederholte Kontakte zwischen
Rädern und Schienen Rollkontakt-Ermüdungsschäden auf der
Schienenkopffläche. Dies führt zu RolLkontaktermüdungs- oder
quer verlaufenden Defekten, die die Ausbreitung der in der
oberen Ebene der Schienenkopffläche beginnenden Ermüdungsrisse
in das Innere zur Folge haben. Die Fehler, die als
"Oberflächenschälen" oder "dunkler Fleck" bezeichnet werden und die
hauptsächlich in den tangentenartigen Strecken von
Hochgeschwindigkeitsbahnlinien auftreten, sind ein typisches
Beispiel. Obwohl das Auftreten solcher Fehler bekannt ist, werden
herkömmliche walzharte Schienen mit Perlitstrukturen in den
tangentenartigen und leicht gekrümmten Strecken verwendet.
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Nach einer bestimmten Zeitperiode (oder nachdem eine
bestimmte Tonnage über sie transportiert worden ist), gehen
die Fehler, die durch Rollkontaktermüdung bedingt sind, von
der Mitte der Schienenkopffläche aus, die in den
tangentenartigen oder leicht gekrümmten Bahnstrecken verwendet werden,
die hauptsächlich zum Transport von Passagieren dienen.
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, daß die eben
beschriebenen Fehler auf die Schadenshäufung in der Mitte der Schienenkopffläche
zurückzuführen sind, die durch den wiederholten
Kontakt zwischen Rädern und Schienen bewirkt werden.
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Diese Fehler können beseitigt werden, indem die
Schienenkopffläche in gegebenen Intervallen geschliffen wird. Die
Kosten des Schleifwagens und -betriebs sind jedoch hoch, und
die Zeit zum Schleifen ist durch den Fahrplan der Züge
begrenzt.
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Eine andere Lösung erhöht die Abriebrate der
Schienenkopffläche, so daß der akkumulierte Ermüdungsschaden
abgetragen wird, bevor die Defekte auftreten. Die Abriebrate der
Schienen kann durch Verringerung ihrer Härte erhöht werden, da
ihre Abriebbeständigkeit von der Stahlhärte abhängt. Eine
einfache Verringerung der Stahlhärte bewirkt jedoch eine
bleibende Verformung auf der Oberfläche des Schienenkopfes, die
wiederum Kopfrisse und andere Schäden bewirkt, die als Abblättern
bezeichnet werden. Deshalb ist es bisher schwierig gewesen,
das Auftreten des oben beschriebenen Fehlers bei herkömmlichen
Schienen aus Stahl mit Perlitstrukturen effektiv zu
verhindern.
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Herkömmliche Schienen bestehen bisher in erster Linie
aus Stahl mit Perlitstrukturen. Die Perlitstruktur ist eine
Kombination aus Weichferrit und Lamellen aus Hartzementit. Auf
der Schienenkopffläche, die mit den Rädern in Kontakt kommt,
wird Weichferrit ausgequetscht, um nur die Lamellen des
Hartzementits zurückzulassen. Dieser Zementit und die Wirkung der
Kaltverfestigung ermöglichen die für Schienen erforderliche
Abriebbeständigkeit. Gleichzeitig tritt jedoch ein
Schichtstrukturfluß (Metallfluß) von der oberen Endfläche der Schiene
bis in ihr Inneres auf, und es entwickeln sich Risse entlang
diesem Fluß.
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Die Bainitstruktur, die stärker verschleißt als die
Perlitstruktur, besteht aus Carbidpartikeln, die in der
gesamten Matrix der Weichferritstruktur fein verteilt sind. Räder,
die über die Schienen mit Bainitstrukturen rollen, bewirken
daher, daß das Carbid mit der Ferritmatrix leicht abgetragen
wird. Durch den derartig beschleunigten Abrieb wird die
ermüdungsbeschädigte Schicht von der Schienenkopffläche des
Schienenkopfes entfernt. Die walzharte Schiene aus niedriglegiertem
Stahl mit einer Bainitstruktur, die in der vorläufigen
japanischen Patentveröffentlichung JP-A-14 316 von 1975 (US-A-
4 008 078) offenbart ist, hat wegen der massiven Ferritmatrix
und grob verteilter Carbidpartikel eine geringere Festigkeit.
Diese Verringerung der Festigkeit bewirkt einen
kontinuierlichen Strukturfluß (Metallfluß) in einer Richtung entgegen der
Richtung, in der der Zug fährt, auf der Lauffläche direkt
unter den Rädern, wobei Risse entlang dem Metallfluß auftreten.
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Dieses Problem kann gelöst werden, indem Schienen aus
Stählen mit Bainitstrukturen hergestellt werden, die unter
Zusatz höherer Prozentsätze von Chrom und anderer
Legierungselemente gefertigt werden, um die erforderliche hohe Festigkeit
im walzharten Zustand zu erreichen. Erhöhte Legierungszusätze
sind jedoch nicht nur teuer, sondern bilden auch eine harte
und spröde Martensitstruktur in den Schweißnähten zwischen den
Schienen.
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GB-A-1 450 355 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
einer nichtvergüteten hochfesten Stahlschiene mit den
Schritten: Warmwalzen eines Stahls mit folgenden Anteilen in
Gewichtsprozent: 0,28 bis 3,50 Kohlenstoff, 0,20 bis 1,50
Silicium, 0,50 bis 3,50 Mangan und 1,25 bis 4,00 Chrom mit der
Maßgabe, daß der Gesamtanteil an Mangan und Chrom 2,75 bis
4,50 ist, um eine Schiene auszubilden, Abkühlen der Schiene
aus dem warmgewalzten Zustand in Luft mit der Bildung einer
Bainitstruktur und anschließendes Glühen der Stahlschiene in
einem Temperaturbereich von 450 bis 600ºC über eine Periode
von bis zu 1 h.
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DE-A-25 01 175 offenbart ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Herstellung eines Profilstahlmaterials, wobei ein
Stahl, der aus 0,28 bis Q,40% Kohlenstoff, 0,15 bis 0,45%
Silicium, 0,65 bis 1,0% Mangan, höchstens 0,30% Chrom und
Nickel sowie Phosphor mit nicht mehr als 0,08% und Schwefel
mit nicht mehr als 0,05% besteht, nach dem Erwärmen in einem
Durchlaufofen bei einer Temperatur von oberhalb des Ac&sub3;-Punkts
des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms durch ringsherum angeordnete
und wassersprühende Düsen abgeschreckt wird, wodurch die
Temperatur sich mit einer hohen Geschwindigkeit bis zu einem
gemäßigten Temperaturbereich verringert und wobei danach die
Materialien
der Luft ausgesetzt werden, um einen gemäßigten
Wärmeübergang zu erhalten.
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DE-A-25 43 750 offenbart ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Verbesserung der Qualität von Profilstahl, wobei
am Austritt des Walzgerüstes nur die Oberfläche einer Ebene
des Profils einem Kühlmittel ausgesetzt wird und die
Kühlbedingungen so gesteuert werden, daß am Austritt der Kühlzone
die abgeschreckten Teile der Profile eine Temperatur haben,
die ausreichend hoch ist zur Verbesserung der abgeschreckten
Flächenschicht und zur Umwandlung des Austenits in Ferrit und
Carbid in den nichtabgeschreckten Teilen der Profile.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein
Verfahren zur Herstellung von hochfesten Schienen aus
niedriglegierten Stählen mit festen Bainitstrukturen mit hervorragender
Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt
bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erreicht durch Abkühlung des
warmgewalzten oder auf eine hohe Temperatur wiedererwärmten
Schienenkopfs vom Austenitbereich unter entsprechend gesteuerten
Bedingungen.
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Außerdem ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung,
hochfeste Schienen mit hervorragender Beständigkeit gegen
Ermüdungsschäden durch Rollkontakt bereitzustellen, die
Ermüdungsfehler an den Innenkanten zwischen dem Kopf und den
Seiten der Schienen und den Fehler, der als Oberflächenschälen
oder dunkler Fleck bezeichnet wird, nicht aufweisen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können hochfeste
Schienen aus Stahl mit Bainitstrukturen mit hervorragender
Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt
bereitgestellt werden, die eine Härte von Hv 300 bis 400 in der Mitte
der Schienenkopffläche und mindestens Hv 350 in der Innenkante
haben, wobei die Härte der Innenkante um mindestens Hv 30
größer ist als die in der Mitte der Schienenkopffläche.
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Die oben beschriebenen und weitere Aufgaben und
Merkmale der Erfindung sind ausführlich in der nachstehenden
Beschreibung beschrieben, die mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen zu lesen ist.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines Schienenkopfes mit
Erläuterung.
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer
Nishihara-Abriebprüfmaschine.
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer
Rollkontaktermüdungsprüfmaschine.
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer
Prüfmaschine zur Bestimmung des Oberflächenschadens im Kopf von
gekrümmten Schienen.
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Die oben beschriebenen Aufgaben der Erfindung werden
mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
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Hochfeste bainitische Stahlschienen mit hervorragender
Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt, die
aus Stählen mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen
hergestellt sind und die eine Bainitstruktur haben, die erreicht
wird, indem eine beschleunigte Abkühlung bzw. Schnellabkühlung
vom Austenitbereich bis zu einer
Abkühlunterbrechungstemperatur von 500ºC bis 300ºC mit einer Geschwindigkeit von 1 bis
10ºC/s angewendet und dann gemäß den beigefügten Ansprüchen
weiterverarbeitet wird, wobei die Härte in der Mitte der
Schienenkopffläche von Hv 300 bis Hv 400 reicht, die der
Innenkante nicht kleiner als Hv 350 ist und die Härte der
Innenkante um mindestens Hv 30 größer ist als die in der Mitte der
Schienenkopffläche. Hv bedeutet in dieser Beschreibung
Vickers-Härte.
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Die Erfindung wird nachstehend ausführlich beschrieben.
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Der Grund für die Begrenzung der chemischen
Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Schienen ist folgender:
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Kohlenstoff ist wichtig zur Erreichung einer gegebenen
Härte. Während ein Kohlenstoffgehalt unter 0,15% unzureichend
ist zur Erreichung der für Schienen erforderlichen
Abriebfestigkeit, bildet ein Gehalt von über 0,45% größere Mengen von
Perlitstrukturen, die für die Oberflächenqualität von Schienen
nachteilig sind, und reduziert die
Bainitumwandlungsgeschwindigkeit so stark, daß die Vollendung der vollständigen
Bainitumwandlung im Wärmerückgewinnungsprozeß nach der
beschleunigten Abkühlung bzw. Schnellabkühlung behindert und die Bildung
von Martensitstrukturen bewirkt wird, die für die Zähigkeit
der Schienen nachteilig sind. Deshalb ist der
Kohlenstoffgehalt auf zwischen 0,15 und 0,45% begrenzt.
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Silicium erhöht die Festigkeit von Stählen durch
Bildung von Mischkristallen in der Ferritmatrix der
Bainitstrukturen. Obwohl keine solche Festigkeitserhöhung bei
Siliciumgehalten von nicht mehr als 0, 15% möglich ist, nimmt das
Auftreten von Oberflächendefekten während des Walzens zu,
Martensit wird in Bainitstrukturen ausgebildet, und die Zähigkeit
der Schienen verschlechtert sich, wenn der Siliciumgehalt
2,00% überschreitet. Deshalb liegt der Siliciumgehalt
zwischen 0,15 und 2,00%.
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Wie Kohlenstoff erhöht Mangan die Härtbarkeit von
Stählen, bildet feinere Bainitstrukturen und verbessert
gleichzeitig die Festigkeit und die Zähigkeit. Während unter 0,30% ein
geringer Verbesserungseffekt erreichbar ist, steigt das
Auftreten der Bildung von Perlitstrukturen, die das Auftreten von
Oberflächenfehlern fördern, bei über 2,00%. Deshalb ist der
Mangangehalt auf zwischen 0,30 und 2,00% begrenzt.
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Chrom ist ein wichtiges Element, das eine gegebene
Festigkeit ermöglicht, indem es das Carbid in Bainitstrukturen
fein verteilt. Chromgehalte unter 0,50% vergröbern das
Carbidverteilungsmuster in Bainitstrukturen, wodurch eine
bleibende Verformung des Metalls bewirkt wird und
Oberflächendefekte auftreten. Chromgehalte nicht kleiner als 3,00%
bewirken die Vergröberung der Carbide, vermindern die
Geschwindigkeit der Bainitumwandlung so stark, daß die Vollendung der
Bainitbildung im Wärmerückgewinnungsprozeß nach der
Schnellabkühlung behindert und die Bildung von Martensitstrukturen
bewirkt wird, die für die Zähigkeit von Stählen nachteilig sind.
Deshalb ist der Chromgehalt auf zwischen 0,50 und 3,00%
begrenzt.
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Ferner können ein, zwei oder mehr der unten
beschriebenen Elemente mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen den
Stählen nach Bedarf zugesetzt werden.
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Eine erste Gruppe, die aus 0,10 bis 0,60% Molybdän,
0,05 bis 0,50% Kupfer und 0,05 bis 4,00% Nickel besteht,
wird prinzipiell zur Festigung der Bainitstrukturen in Stählen
zugesetzt. Eine zweite Gruppe, die aus 0,01 bis 0,05% Titan,
0,03 bis 0,30% Vanadium und 0,01 bis 0,05% Niob besteht,
wird hauptsächlich zur Verbesserung der Zähigkeit von Stählen
zugesetzt. Ein Zusatz von 0,0005 bis 0,0050% Bor ermöglicht
eine stabilere Bildung von Bainitstrukturen. Die Gründe, warum
der Zusatz der oben aufgeführten Elemente begrenzt ist, sind
nachstehend aufgeführt.
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Wie Chrom ist Molybdän unentbehrlich für die Festigung
und Stabilisierung von Bainitstrukturen sowie zur Verhinderung
der Anlaßsprödigkeit, die beim Schweißen entsteht. Während
keine ausreichende Wirkung unter 0,10% erreichbar ist,
vermindert ein Molybdängehalt über 0,60% die Geschwindigkeit der
Bainitbildung so stark, daß die Vollendung der vollständigen
Bainitbildung im Wärmerückgewinnungsprozeß nach der
Schnellabkühlung verhindert und die Bildung von Martensitstrukturen
bewirkt wird, die für die Zähigkeit von Schienen nachteilig
sind. Deshalb ist der Molybdängehalt auf zwischen 0,10 bis
0,60% begrenzt.
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Kupfer erhöht die Festigkeit von Stählen, ohne ihre
Zähigkeit zu beeinträchtigen. Während die größte Wirkung
zwischen 0,05 und 0,50% erreichbar ist, bewirkt Kupfer über
0,50% Warmbrüchigkeit. Deshalb beträgt der Kupfergehalt 0,05
bis 0,50%.
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Nickel stabilisiert Austenitkörner, senkt die
Bainitumwandlungstemperatur, verfeinert Bainitstrukturen und erhöht
die Festigkeit und die Zähigkeit von Stählen. Während diese
Wirkungen unter 0,05% begrenzt sind, erzeugt ein Zusatz von
über 4,00% keine weitere Zunahme der verbessernden Wirkung.
Deshalb ist der Nickelgehalt auf zwischen 0,05 und 4,00%
begrenzt. Ein Zusatz von Titan ist für die Bildung von feinen
Austenitkörnern während der Walz- und Erwärmungsprozesse der
Schienen förderlich, da die ausgeschiedenen
Titankohlenstoffnitride sich auch bei hohen Temperaturen nicht lösen. Diese
Wirkung ist jedoch unter 0,01% begrenzt, während Titanzusatz
über 0,05% wegen der Vergröberung des Titannitrids nachteilig
ist, das die Ursache für die Ermüdungsrisse in den Schienen
ist. Deshalb ist der Titangehalt auf zwischen 0,01 und 0,05%
begrenzt.
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Obwohl Vanadium Bainitstrukturen durch die Ausscheidung
von Vanadiumkohlenstoffnitriden festigt, ist die festigende
Wirkung unzureichend, wenn sein Zusatz nicht mehr als 0,03%
beträgt. Dagegen bewirkt ein Vanadiumzusatz von über 0,30%
Sprödigkeit infolge der Vergröberung der
Vanadiumkohlenstoffnitride. Deshalb beträgt der Vanadiumgehalt 0,03 bis 0,30%.
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Niob verfeinert Austenitkörner und erhöht die Zähigkeit
und Verformbarkeit von Stählen für Schienen. Da eine
ausreichende verbessernde Wirkung unter 0,01% nicht erreichbar ist
und eine Zugabe von über 0,05% durch Bildung
intermetallischer Verbindungen Versprödung bewirkt, ist der Niobgehalt auf
zwischen 0,01 und 0,05% begrenzt.
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Bor hat die Wirkung, die Erzeugung von Ferrit an den
Korngrenzen zu unterdrücken, wodurch die stabile Erzeugung von
Bainitstrukturen möglich ist. Eine ausreichende Wirkung ist
jedoch unter 0,0005% nicht erreichbar, während eine Zugabe
von mehr als 0,0050% die Qualität der Schienen infolge der
Bildung von grobkörnigen Borverbindungen verschlechtert.
Deshalb ist der Borgehalt auf zwischen 0,0005 und 0,0050%
begrenzt.
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Stähle mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen
werden in Konvertern, elektrischen oder anderen allgemein
verwendeten Schmelzöfen geschmolzen. Die hergestellten Stähle
werden dann durch eine Kombination aus Blockguß- und
Vorwalzverfahren oder durch Strangguß zu vorgewalzten Blöcken
gewalzt. Der vorgewalzte Block wird dann zu Schienen mit den
gewünschten Formen warmgewalzt.
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Der Kopf der derartig hergestellten Schienen wird einer
beschleunigten Abkühlung bzw. Schnellabkühlung aus dem
Austenitbereich bis zu einer Abühlunterbrechungstemperatur von 500
bis 300ºC mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10ºC/s
unterzogen. Diese Schnellabkühlung erfolgt bei frischgewalzten
Schienen, die noch so viel Wärme enthalten, daß sie im
Austenitbereich sind, oder bei solchen, die bis zum Austenitbereich
wieder erwärmt worden sind.
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Nach der Schnellabkühlung wird der Schienenkopf weiter
bis in die Nähe von Raumtemperaturen abgekühlt, indem entweder
natürliche Abkühlung mit Wärmerückgewinnung oder Zwangskühlung
mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 40ºC/min je nach Objekt
angewendet werden kann. Im ersteren Fall wird die
Temperaturerhöhung bis zu 150ºC, die durch die Wärmerückgewinnung
bedingt
ist, die im Innern der Schiene auftritt, genutzt. Solche
Schienen werden zunächst einer Schnellabkühlung unterzogen, um
eine Bainitumwandlung in einem niedrigeren Temperaturbereich
beginnen zu lassen. Dann wird ein stabiles Wachstum feiner
Bainitstrukturen durch Ausnutzung einer Temperaturerhöhung
möglich, die durch die Wärmerückgewinnung bedingt ist. Im
letzteren Fall erfolgt die Bainitumwandlung in einem
niedrigeren Temperaturbereich, und die folgende Abkühlung bewirkt die
stabile Bildung feiner und fester Bainitstrukturen.
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Die Gründe für die Festlegung der Geschwindigkeit der
Schnellabkühlung und der Bereich der
Abkühlunterbrechungstemperatur, wie oben ausgeführt, werden nachstehend beschrieben.
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Als erstes ist der Grund zur Begrenzung der
Schnellabkühlgeschwindigkeit bis zur Abkühlunterbrechungstemperatur auf
zwischen 1 und 10ºC/s folgender: Wenn Stähle mit den oben
beschriebenen Zusammensetzungen mit einer langsameren
Geschwindigkeit als 1ºC/s abgekühlt werden, beginnt die
Bainitumwandlung in einer höheren Temperaturzone mitten im Abkühlprozeß
und zieht die Bildung grobkörniger Bainitstrukturen nach sich,
die die Festigkeit der Schienen reduzieren und
Oberflächendefekte bewirken. Dies ist der Grund, warum die untere Grenze
auf 1ºC/s festgelegt ist. Wenn die Abkühlung mit einer
Geschwindigkeit erfolgt, die schneller als 10ºC/s ist, werden
im Innern der Schienen große Wärmemengen im nachfolgenden
Wärmerückgewinnungsprozeß erzeugt, auf den die Bildung
grobkörniger Bainitstrukturen folgt, die die Festigkeit der Schienen
reduzieren und Oberflächenschäden bewirken, wie oben
beschrieben. Daher ist die obere Grenze auf 10ºC/s festgelegt.
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Der Grund zur Begrenzung des Bereichs der
Abkühlunterbrechungstemperatur vom Austenitbereich bis zwischen 500 und
300ºC ist folgender: Wenn die Abkühlung bei einer Temperatur
über 500ºC unterbrochen wird, besteht die Tendenz, daß sich
grobkörnige Bainitstrukturen, die die Festigkeit der Schienen
verringern und Oberflächendefekte bewirken, in Abhängigkeit
von den Bedingungen der nachfolgenden Abkühlung im
Wärmerückgewinnungsbereich bilden. Dies ist ein Grund, warum die obere
Grenze auf 500ºC festgelegt ist. Um eine feinere
Bainitstruktur zu erreichen, sollte die obere Grenze vorzugsweise nicht
höher als 450ºC sein. Wenn dagegen eine Abkühlung auf
niedrigere Temperaturen als 300ºC erfolgt, werden in den
Bainitstrukturen Martensitstrukturen gebildet. In Abhängigkeit von
den Bedingungen der nachfolgenden Abkühlung findet keine
ausreichende Wärmerückgewinnung im Innern der Schienen statt,
wodurch große Mengen von harten Martensitstrukturen
zurückbleiben. Um die unerwünschte deutliche Verringerung der
Schienenzähigkeit zu vermeiden, ist die untere Grenze auf nicht
weniger als 300ºC festgelegt. Um eine stabile Bainitstruktur zu
erreichen, sollte die Schnellabkühlunterbrechungstemperatur
vorzugsweise nicht kleiner als 350ºC sein, da die Ms-
Temperatur der Stähle mit den erfindungsgemäßen
Zusammensetzungen nicht höher als annähernd 350ºC ist.
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Eines der Abkühlverfahren, das nach der Unterbrechung
der Schnellabkühlung verwendet wird, ist die natürliche (oder
spontane) Abkühlung mit Wärmerückgewinnung.
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Die erfindungsgemäß verwendete Wärmerückgewinnung ist
auf die natürliche Rückgewinnung aus dem Innern der Schiene
begrenzt. Es erfolgt keine Zwangserwärmung oder -abkühlung von
außen. Ein Experiment wurde durchgeführt, um den Kopf der
Schienen mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen einer
Schnellabkühlung aus dem Austenitbereich mit einer
Geschwindigkeit von 1 bis 10ºC/s zu unterziehen, die bei einer
Temperatur zwischen 400 und 300ºC unterbrochen wurde. Die
Temperaturerhöhung aufgrund der natürlichen Wärmerückgewinnung von
durchschnittlich 50 bis 100ºC (einige Proben wiesen immerhin
eine Temperaturerhöhung von nahezu 150ºC auf) trat
nachweislich im Schienenkopf auf. In den Stählen mit den oben
beschriebenen Zusammensetzungen wandeln sich feinkörnige
Bainitstrukturen im Temperaturbereich von 500 bis 300ºC
(vorzugsweise nicht unter 350ºC) um. Wenn die oben genannte
Schnellabkühlgeschwindigkeit und Unterbrechungstemperatur
gewählt werden, liegt die Temperatur nach der Wärmerückgewinnung
im Bereich von 500 bis 350ºC, der mit dem Temperaturbereich
übereinstimmt, in dem sich hochfeste Bainitstrukturen
umwandeln.
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Eine Temperaturerhöhung (Wärmerückgewinnung) von
annähernd 100ºC in dem Temperaturbereich, in dem die Schnellabkühlung
unterbrochen wird, stellt die gewünschte Festigkeit
der bainitischen Stähle sicher. Die gleiche Wärmerückgewinnung
könnte jedoch einen Teil der Struktur vergröbern, was zu einer
Beeinträchtigung der Zähigkeit führt. In einem weiteren
Experiment wurde deshalb der Kopf der Schienen mit den
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen einer Schnellabkühlung aus dem
Austenitbereich mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10ºC
unterzogen. Nach der Unterbrechung der Schnellabkühlung zwischen
400 und 300ºC wurde die Wärmerückgewinnung aus dem Innern der
Schiene unterdrückt. Es wurde festgestellt, daß dann die
Vergröberung der Bainitstrukturen verhindert werden konnte, wenn
die Temperaturerhöhung im Schienenkopf infolge der
Wärmerückgewinnung unter 50ºC gehalten wurde. Dann waren
Bainitstrukturen mit hoher Festigkeit und Zähigkeit erreichbar.
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Wie die Ergebnisse dieser Experimente zeigen,
ermöglichen die erfindungsgemäßen Verfahren ein stabiles Wachstum der
feinkörnigen Bainitstrukturen, wenn mit der Bainitumwandlung
in einer niedrigeren Temperaturzone begonnen wird, wenn Stähle
einer Schnellabkühlung aus dem Austenitbereich bei einer
Geschwindigkeit von 1 bis 10ºC unterzogen werden und die
Schnellabkühlung bei Temperaturen zwischen 500 und 300ºC
unterbrochen wird und eine Temperaturerhöhung auf maximal 150ºC
benutzt wird, die durch natürliche Abkühlung mit
Wärmerückgewinnung oder Unterdrückung einer solchen Wärmerückgewinnung
innerhalb bestimmter Grenzen verursacht wird.
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Die Aufgaben der Erfindung können auch gelöst werden,
wenn eine gesteuerte Abkühlung zwischen 1 und 40ºC/min nach
der Unterbrechung der Schnellabkühlung angewendet wird. Um die
gewünschte Festigkeit zu verleihen, wird bevorzugt, die
Abkühlung nach der Schnellabkühlung zu steuern, indem
beispielsweise bei Schienen mit größeren Querschnitten schneller und bei
Schienen mit kleineren Querschnitten langsamer verfahren wird.
Durch eine solche gesteuerte Abkühlung wird die Entstehung
fester feinkörniger Bainitstrukturen sichergestellt. Der Grund,
warum die Abkühlungsgeschwindigkeit begrenzt ist, wie oben
ausgeführt, ist folgender: Eine Abkühlung mit langsameren
Geschwindigkeiten als 1ºC/min führt zur Ausscheidung von groben
Carbiden in Bainitstrukturen, die die Festigkeit und Zähigkeit
des Stahlkopfs stark reduzieren. Eine Abkühlung mit höheren
Geschwindigkeiten als 40ºC/min verhindert dagegen die
Vollendung einer vollständigen Bainitumwandlung in Abhängigkeit von
der Abkühlunterbrechungstemperatur. Durch die
Martensitumwandlung, die während dieser Abkühlung auftreten könnte, kann
hartes Martensit entstehen, das für die Zähigkeit der Schienen
mit Bainitstrukturen nachteilig ist.
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In Abhängigkeit von der gewählten Stahlzusammensetzung
und der Schnellabkühlgeschwindigkeit kann die Bainitumwandlung
im Laufe der Schnellabkühlung im Temperaturbereich von 500 bis
300ºC beginnen, wo die Schnellabkühlung unterbrochen wird,
und im nachfolgenden Wärmerückgewinnungsprozeß enden, oder sie
kann im Wärmerückgewinnungsprozeß unmittelbar nach der
Schnellabkühlung beginnen und enden. Beide im
Abkühlunterbrechungstemperaturbereich gebildete Bainitstrukturen sind
feinkörnig und haben wenig nachteilige Wirkung auf die Festigkeit,
Zähigkeit und Oberflächendefektbeständigkeit der Schienen.
Deshalb können die Bainitstrukturen in den Stählen für
erfindungsgemäße Schienen sowohl im Verlaufe der Schnellabkühlung
im Temperaturbereich von 500 bis 300ºC, wo die
Schnellabkühlung unterbrochen wird, als auch im Wärmerückgewinnungsprozeß
nach der Schnellabkühlung gebildet werden.
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Die Metallstruktur, die nach der Abkühlung erreicht
wird, sollte vorzugsweise bainitisch sein. In Abhängigkeit von
der gewählten Schnellabkühlgeschwindigkeit und
Abkühlunterbrechungstemperatur könnten sich jedoch extrem feinkörnige
Martensitstrukturen in die Bainitstrukturen mischen, was
schließlich als Martensit verbleiben könnte, der durch die Wärme
ausgehärtet wird, die aus dem Innern der Schiene rückgewonnen
wird. Da das Vorhandensein von feinkörnigem ausgehärteten
Martensit in Bainitstrukturen wenig nachteilige Wirkung auf die
Festigkeit, Zähigkeit und Oberflächendefektbeständigkeit der
Schienen hat, können die erfindungsgemäßen bainitischen Stähle
für erfindungsgemäße Schienen kleine Mengen von ausgehärteten
Martensitstrukturen enthalten.
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Die Schnellabkühlung erfolgt durch Luft, Sprühnebel
oder andere luftzerstäubte Flüssigkeiten aus Düsen, die auf
beiden Seiten des Schienenkopfes angeordnet sind. Die Schienenköpfe,
die der Schnellabkühlung und der oben beschriebenen
nachfolgenden Abkühlung unterzogen werden, sollten
vorzugsweise eine Härte von Hv 300 bis 400 in der Mitte der
Schienenkopffläche und nicht weniger als Hv 350 in der Kante haben,
und die Festigkeit sollte nicht kleiner als 1000 MPa sein. Die
Schienenköpfe mit einer so großen Härte und Festigkeit, wie
oben beschrieben, sind ausreichend beständig gegen
Laufflächendefekte, die auf den tangentenartigen Schienen von
Bahnstrecken auftreten könnten, und Kantenflächenschäden, die in
leicht gekrümmten Abschnitten auftreten oder auf die
Schlingerbewegung von Hochgeschwindigkeitszügen zurückzuführen sind.
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Die bainitischen Stahlschienen, die nach dem oben
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind,
haben die Beständigkeit gegen Oberflächendefekte, die für
hochfeste Schienen für Hochgeschwindigkeitsbahnstrecken
erforderlich ist.
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Als nächstes werden einige erfindungsgemäße Beispiele
aufgeführt. Fig. 1 zeigt einen Schnitt des Kopfes der Schienen
der Klasse JIS 60 kg/m mit Erläuterung. Die Bezugszeichen 1
und 2 bezeichnen die Mitte der Schienenkopffläche bzw. die
Kante, die einen Abschnitt bilden, der als Schienenkopf
bezeichnet wird.
Beispiel 1
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Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen und
Abkühlbedingungen der erfindungsgemäßen Schienen und der zum
Vergleich geprüften Schienen. Tabelle 2 zeigt ihre Härte,
Abriebmengen, die nach 500 000maligen Aufbringen von Lasten
unter trockenen Bedingungen mit einer Nishihara-
Abriebprüfmaschine bestimmt worden sind, und die Anzahl der
Belastungen, die aufgebracht wurden, bevor Oberflächendefekte
in der Rollkontaktermüdungsprüfung mit Wasserschmierung an
Schienen und scheibenförmigen Probestücken auftraten, die
hergestellt wurden, indem die Konfiguration der Räder auf einen
Maßstab von 1 : 4 verkleinert wurde. Fig. 2 ist eine
schematische Darstellung einer Nishihara-Abriebprüfmaschine, wobei das
Bezugszeichen 3 ein Schienenprobestück, 4 ein Radprobestück, 5
ein Paar Zahnräder und 6 einen Motor bezeichnet. Fig. 3 ist
eine schematische Darstellung einer
Rollkontaktermüdungsprüfmaschine, bei der das Bezugszeichen 7 ein Schienenprobestück,
8 ein Radprobestück, 9 einen Motor und 10 einen Lagerkörper
bezeichnet.
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Einzelheiten zu den geprüften Schienen und zu den
Prüfungsabläufen sind unten aufgeführt.
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o Erfindungsgemäße Schienen (10 Stück)
A bis J: Schienen mit Bainitstrukturen, die durch
natürliche Abkühlung des Schienenkopfes nach
Schnellabkühlung hergestellt worden sind.
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o Zum Vergleich geprüfte Schienen (3 Stück)
K: Schiene mit Bainitstruktur, die durch natürliche
Abkühlung des Schienenkopfes nach Schnellabkühlung
hergestellt worden ist.
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L: Schiene mit Bainitstruktur, die durch natürliche
Abkühlung nach dem Walzen hergestellt worden ist.
M: Schiene mit Perlitstruktur, die durch natürliche
Abkühlung nach dem Walzen hergestellt worden ist.
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Die Prüfbedingungen waren folgende:
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o Abriebversuch (bei allen geprüften Schienen gleich)
Prüfmaschine: Nishihara-Abriebprüfmaschine
Probestückkonfiguration: scheibenförmig
(Außendurchmesser = 30 mm, Innendurchmesser = 16 mm, Dicke =
8 mm)
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Prüflast: 490 N
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Schlupf: 9%
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Reibung gegen: vergüteter Martensitstahl (Hv 350)
Atmosphäre: in der Atmosphäre
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Häufigkeit der Belastung: 500 000 Umdrehungen
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o Rollkontaktermüdungsprüfung
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Prüfmaschine: Rollkontaktermüdungsprüfmaschine
Probestückkonfiguration: scheibenförmig
(Außendurchmesser = 200 mm, Querschnitt des Schienenprobestücks
= 1/4 der Schienen der Klasse 60 kg/m)
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Prüflast: 1,5 t (Radiallast)
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Atmosphäre: trocken + Wasserschmierung (60 cm³/min)
Rotationsgeschwindigkeit: trocken = 100 U/min.
wassergekühlt = 300 U/min
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Häufigkeit der Belastung: 0 bis 5000 Umdrehungen
unter trockenen Bedingungen und darüber hinaus unter
wassergeschmierten Bedingungen, bis ein Schaden
auftrat.
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Tabelle 2 zeigt die Härte der erfindungsgemäßen
Schienen und der zum Vergleich geprüften Schienen, die
Abriebmengen, die nach Aufbringen von Lasten mit 500 000 Umdrehungen
unter trockenen Bedingungen unter Verwendung der Nishimara-
Abriebprüfmaschine bestimmt worden sind, und die Anzahl der
Belastungen, die aufgebracht worden sind, bevor
Oberflächendefekte in der Rollkontaktermüdungsprüfung mit Wasserschmierung
an Schienen und scheibenähnlichen Probestücken auftraten, die
hergestellt wurden, indem die Konfiguration der Räder auf
einen Maßstab von 1 : 4 verkleinert wurde.
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Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, nutzten sich die
erfindungsgemäßen Schienen A bis J mehr ab als die herkömmliche
Schiene M mit einer Perlitstruktur und wiesen dabei eine
deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Rollkontaktermüdung auf.
Die Rollkontaktermüdungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen
Schienen war viel größer als die der walzharten Schiene L mit
einer Bainitstruktur und der Schiene K mit einer
Bainitstruktur, die mit natürlicher Abkühlung des Schienenkopfes nach
Schnellabkühlung hergestellt worden ist.
Tabelle 1
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Hinweis: Der Rest in oberflächenfehlerbeständigen und abriebfesten Stählen ist Eisen
Tabelle 2
Beispiel 2
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Tabelle 3 zeigt die chemischen Zusammensetzungen und
Abkühlbedingungen der erfindungsgemäßen Schienen und der zum
Vergleich geprüften Schienen. Tabelle 4 zeigt ihre Härte,
Abriebmengen, die nach dem Aufbringen von Lasten mit 500 000
Umdrehungen unter trockenen Bedingungen mit einer Nishihara-
Abriebprüfmachine und die Anzahl der Belastungen, die
aufgebracht worden sind, bevor Oberflächendefekte bei der
Rollkontaktermüdungsprüfung mit Wasserschmierung an Schienen und
scheibenähnlichen Probestücken auftraten, die hergestellt
wurden, indem die Konfiguration der Räder auf einen Maßstab von
1 : 4 verkleinert wurde.
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Die chemischen Zusammensetzungen und Abkühlbedingungen
der Schienen A bis M waren die gleichen wie die in Beispiel 1.
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Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, nutzten sich die
erfindungsgemäßen Schienen A bis J mehr ab als die herkömmlichen
Schienen M mit einer Perlitstruktur und wiesen dabei eine
deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Rollkontaktermüdung
auf. Die Rollkontaktermüdungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen
Schienen war viel größer als die der walzharten Schiene K
mit einer Bainitstruktur und der Schiene L mit einer
Bainitstruktur, die durch natürliche Kühlung des Schienenkopfes nach
Schnellabkühlung hergestellt worden ist.
Tabelle 3
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Hinweis: Der Rest in oberflächenfehlerbeständigen und abriebfesten Stählen ist Eisen
Tabelle 4
Beispiel 3
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Tabelle 5 zeigt die chemischen Zusammensetzungen und
Abkühlbedingungen von erfindungsgemäßen Schienen und zum
Vergleich geprüften Schienen. Fig. 4 ist eine schematische
Darstellung einer Prüfmaschine zur Bestimmung der
Oberflächendefekte in Schienenköpfen (japanisches Patent 1 183 162). Die in
Tabelle 5 gezeigten erfindungsgemäßen und zum Vergleich
geprüften Schienen bestanden alle aus Stahl mit
Bainitstrukturen, mit Ausnahme der Nr. 1 und 6. Die Prüfung erfolgte, indem
man Räder 12 über den Kopf einer gekrümmten Schiene 11 laufen
ließ. Die Tabelle 6 zeigt die Anzahl der Belastungen, die
aufgebracht wurden, bevor die Oberflächenschäden in der oben
simulierten Prüfung auftraten. Die Prüfung erfolgte unter zwei
Bedingungen; die eine, die den Kontakt zwischen den Rädern und
Schienen auf der gekrümmten Bahnstrecke simulierte, und die
andere, die den Kontakt in der tangentenartigen Strecke
simulierte. In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 11 und 12 eine
gekrümmte Schiene und auf ihr laufende Räder.
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Die Prüfung erfolgte unter Verwendung einer Schiene,
die bis zu einem bestimmten Grad wärmebehandelt war und mit
einem Krümmungsdurchmesser von 6 m gekrümmt war, wobei der
Kopf auf der Innenseite des entstandenen Kreises angeordnet
war und die Räder des Zuges auf der Shinkansen-Strecke
verwendet wurden. Bei der Prüfung, die die Bedingung auf der
gekrümmten Strecke simuliert, wurde ein seitlicher Druck auf die
Räder aufgebracht, um den Radkranz gegen den Rand des
Schienenkopfs zu pressen, und die resultierende Beschädigung in der
Oberfläche der Kante bestimmt. Bei der Prüfung, die die
Bedingung der tangentenartigen Strecke simuliert, wurde die obere
Endfläche der Schiene in Kontakt mit der Mitte des Rades
gebracht und der resultierende Schaden in der oberen Endfläche
des Schienenkopfes bestimmt. Die Lebensdauer der Schiene bis
zum Auftreten des Oberflächendefekts ist als kumulative
Tonnage angegeben, wie sie bei richtigen Bahnstrecken verwendet
wird.
Tabelle 5
Tabelle 6
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Wenn die Härte der Schienenkopfkante über Hv 400
gehalten wird, entsteht offenkundig eine deutlich höhere
Beständigkeit gegen Oberflächendefekte als bei den zum Vergleich
geprüften Schienen, aber wenn die Härte so gesteuert wird, daß
sie in der Mitte der Schienenkopffläche zwischen Hv 300 und
400 liegt, wird das Auftreten von Oberflächendefekten dort
verhindert.
Beispiel 4
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Tabelle 9 zeigt die chemischen Zusammensetzungen und
Abkühlbedingungen der erfindungsgemäßen Schienen und der zum
Vergleich geprüften Schienen. Tabelle 8 zeigt ihre Härte,
Abriebmengen, die nach dem Aufbringen von Lasten mit 500 000
Umdrehungen unter trockenen Bedingungen mit einer Nishihara-
Abriebprüfmaschine bestimmt wurden, und die Anzahl der
Belastungen, die aufgebracht wurden, bevor Oberflächendefekte in
der Rollkontaktermüdungsprüfung mit Wasserschmierung an
Schienen und scheibenförmigen Probestücken auftraten, die
hergestellt wurden, indem die Konfiguration der Räder auf einen
Maßstab von 1 : 4 reduziert wurde. Tabelle 9 zeigt die
Ergebnisse einer Fallgewichtsprüfung der erfindungsgemäßen und der zum
Vergleich geprüften Schienen. Tabelle 8 zeigt die Ergebnisse
einer Kerbschlagzähigkeitsprüfung (absorbierte Energie), die
an Probestücken durchgeführt worden ist, die den
Schienenköpfen entnommen wurden.
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Die chemischen Zusammensetzungen und Abkühlbedingungen
der erfindungsgemäßen Schienen A bis J und der zum Vergleich
geprüften Schienen K bis M waren die gleichen wie die im
Beispiel 1.
Tabelle 7
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Hinweis: Der Rest in oberflächenfehlerbeständigen und abriebfesten Stählen ist Eisen
Tabelle 8
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Kerbschlagzähigkeitsprüfbedingungen (bei allen Probestücken
gleich)
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Probestückschnittstelle: Schienenkopf
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Probestücktyp: JIS Nr. 3, Probestück mit 2 mm tiefer Charpy-U-
Kerbe
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Prüftemperatur: Raumtemperatur (annähernd 20ºC)
Tabelle 9
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Wie aus Tabelle 8 hervorgeht, nutzten sich die
erfindungsgemäßen Schienen A bis J mehr ab als die herkömmliche
Schiene M mit einer Perlitstruktur, wobei eine deutlich
verbesserte Beständigkeit gegen Rollkontaktermüdung vorhanden
ist. Die Rollkontaktermüdungsbeständigkeit der
erfindungsgemäßen Schienen war viel größer als die der walzharten Schiene K
mit einer Bainitstruktur und der Schiene L mit einer
Bainitstruktur, die durch natürliche Abkühlung des Schienenkopfs
nach Schnellabkühlung unter Bedingungen außerhalb des
Schutzbereichs der Erfindung hergestellt worden sind.
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Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse einer
Fallgewichtsprüfung der erfindungsgemäßen Schienen und der zu Vergleich
geprüften Schiene zusammen mit den verwendeten Prüfbedingungen,
nämlich Anzahl von Probestücken, die aus vier Stücken jedes
Stahltyps herausgebrochen worden sind. Während alle vier
Probestücke der zum Vergleich geprüften Schienen bei Temperaturen
zwischen -30 und -50ºC brachen, brachen alle
erfindungsgemäßen Schienen nicht, bis die Temperatur auf -90ºC fiel.