EP0257216B1 - Schiene - Google Patents
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Classifications
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
Definitions
- the invention relates to a rail with high resistance to fatigue damage to the running edge, such as breaking edges, made of steel.
- the service life of rails is usually determined by the tensile strength of the rail steel itself, the wear volume of the rail head and the operating conditions.
- the service life that was to be expected from the wear volume in the rail head was often not achieved even with highly wear-resistant rails because the rails had to be removed prematurely due to fatigue damage. This damage involved in particular horizontal cracks in the rail head, edge breakouts as well as cross breaks or cross cracks.
- edge breakouts occur with higher loads, mostly in the outer curve of the track, especially on the inner edge of the outer rail, because this is particularly heavily loaded by the flanges of the wheels rolling over it.
- the driving edge breakouts also called shelling, are caused by vibration cracks that form as horizontal separations at a depth of 5 to 10 mm below the driving edge. In an advanced stage, these horizontal separations often kink in the transverse direction and then trigger transverse breaks.
- the horizontal separations are preferably based on non-metallic inclusions, in particular oxide lines, within the rail steel.
- the cause of the horizontal vibration cracks under the running edge are the so-called Hertzian pressures at the contact point of the wheel on the rail, which cause shear stresses below the rail surface. This results in a shear stress maximum at a depth of about 8mm. Its exact location depends on the operating conditions. If coarser oxide lines of high hardness are located in the area of the shear stress maximum, the permanent vibration resistance of the rail material can preferably be exceeded at the oxide-metal interface due to the notch effect and because of the internal stress field that builds up around the line, so that a vibration crack is formed.
- edge breakouts lead to the premature removal of the rails, i.e. after a period of inactivity when the wear reserve of the rail head is far from exhausted, the rail manufacturers and the railway administrations have been trying for a long time to prevent these errors from occurring.
- Two remedial measures have become known to avoid edge breakouts (Archive for Railway Technology,
- Increasing the fatigue strength of rail steels can be achieved by increasing the strength properties. At the same time, wear resistance is improved. The position of the shear stress maximum mentioned at the outset thus remains in one place over a longer period of time than in the case of rail steel of lower strength. However, if there is a coarse inclusion line in this zone, the material can be stressed despite the high strength in the area of the fatigue strength. An increase in the fatigue strength of the rail material can therefore only make sense if a good degree of purity of oxidic non-metallic inclusions is set at the same time.
- the rail steel has an sulfur content of 0.06 to 0.085% by weight with an oxygen content of less than 0.0015% by weight.
- the low oxygen content of the rail steel of less than 0.0015% by weight is preferably set by vacuum deoxidation of the steel.
- the sulfurization can be applied to all rail qualities that are common today, such as those listed in the subclaims 3 to 6 for analysis.
- the rails according to the invention are suitable for avoiding the formation of fatigue damage on the driving edge, in particular the breaking out of the driving edge occurring on the outer strand of a curved track, and thus the service life of the rails to increase significantly.
- rails of the usual quality UIC-90 A had to be removed after a load of around 150,106 t due to edge breakouts, even though the actual wear on the rail running surface was very low.
- rails of the quality UIC-90 A produced in accordance with the invention reached a load of 300.10 6 t without the risk of edge breakouts.
- the rail according to the invention it is thus possible to use the rail profiles in today's rail profiles, e.g. the UIC 60 profile to make better use of the existing wear reserve.
- the driving edges can largely be worn without the need to replace the rails due to premature edge breakouts.
- Rectangular continuous cast sections are preferably used as the starting material for the rolling of the rails according to the invention.
- the adverse side effect of the segregations to be expected at the high sulfur contents can be kept within the limits required by the delivery conditions for rails, since casting in continuous casting achieves a more uniform distribution with a smaller size of the individual sulfides.
- the elongated center elevation with sulfur enrichments present when using rectangular continuous casting cross-sections can be rendered harmless by not rolling out the bloom as usual so that the segregation zone lies in the plane of symmetry of the rails, but that it is offset horizontally by 90 ° in the middle of the rail web comes to lie.
- the raw material with a rectangular cross section is rolled into the respective rail profile in such a way that the narrow sides do not come to rest on the running surface and the underside of the rail but form the side surfaces of the rail.
- the miter increases present in the primary material are thus limited to a narrow zone in the rail web without reaching into the head or foot of the rail, so that the usage behavior of the rail, in particular its fracture resistance, is not impaired.
- the broad side of rectangular continuous cast cross sections lying at the bottom in sheet continuous casting plants has a better oxidic degree of purity than the upper broad side, it is advantageously rolled such that the lower broad side becomes the rail head.
- FIG. 1 shows an arcuate section of a rail in a perspective view with rail head 1, running surface 2, driving edge 3, rail web 4 and rail foot 5.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Schiene mit hoher Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden an der Fahrkante, wie Fahrkantenbrüche, aus Stahl.
- Die Lebendauer von Schienen wird in der Regel durch die Zugfestigkeit des Schienenstahls an sich, das Verschleißvolumen des Schienenkopfes und die Betriebsbedingungen bestimmt. In der Vergangenheit wurde häufig die Lebensdauer, die vom Verschleißvolumen im Schienenkopf her zu erwarten war, auch bei hoch verschleißfesten Schienen nicht erreicht, weil die Schienen aufgrund von Ermüdungsschäden vorzeitig ausgebaut werden mußten. Bei diesen Schäden handelte es sich insbesondere um waagerechte Risse im Schienenkopf, Fahrkantenausbrechungen sowie um Querbrüche oder Querrisse.
- Die Fahrkantenausbrechungen treten bei höheren Beanspruchungen, meistens im Kurvenau- Benstrang der Gleise auf, insbesondere an der Innenkante der Außenschiene, weil diese durch die Spurkränze der über sie rollenden Räder besonders stark belastet wird.
- Die Fahrkantenausbrechungen, auch Shelling genannt, werden durch Schwingungsrisse hervorgerufen, die sich als Horizontaltrennungen in 5 bis 10 mm Tiefe unterhalb der Fahrkante bilden. In einem fortgeschrittenen Stadium knicken diese Horizontaltrennungen häufig in Querrichtung ab und lösen dann Querbrüche aus. Die Horizontaltrennungen gehen bevorzugt aus von nichtmetallischen Einschlüssen, insbesondere Oxidzeilen, innerhalb des Schienenstahls.
- Ursache der horizontal verlaufenden Schwingungsrisse unter der Fahrkante sind die sogenannten Hertz'schen Pressungen am Aufstandspunkt des Rades auf der Schiene, die unterhalb der Schienenoberfläche Schubspannungen hervorrufen. Dabei entsteht rechnerisch in einer Tiefe von etwa 8mm ein Schubspannungsmaximum. Seine exakte Lage ist abhängig von den Betriebsbedingungen. Befinden sich im Bereich des Schubspannungsmaximums gröbere Oxidzeilen hoher Härte, so kann bevorzugt an der Grenzfläche Oxid-Metall infolge Kerbwirkung und wegen des Eigenspannungsfeldes, das sich um die Zeile herum aufbaut, die Dauerschwingfestigkeit des Schienenwerkstoffes überschritten werden, so daß sich ein Schwingungsriß bildet.
- Da Fahrkantenausbrechungen zum vorzeitigen Ausbau der Schienen führen, also nach einer Liegezeit, zu der die Verschleißreserve des Schienenkopfes bei weitem noch nicht erschöpft ist, sind die Schienenhersteller und die Bahnverwaltungen seit langem bemüht, das Auftreten dieser Fehlerscheinungen zu unterbinden. Zur Vermeidung von Fahrkantenausbrechungen sind zwei Abhilfemaßnahmen bekannt geworden (Archiv für Eisenbahntechnik,
- Dezember 1973, Seiten 81 bis 89)
- - Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit des Schienenstahls und
- - Verbesserung des Reinheitsgrades, bezogen auf oxidische nichtmetallische Einschlüsse.
- Die. Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit von Schienenstählen läßt sich durch Anhebung der Festigkeitseigenschaften erreichen. Zugleich wird dadurch die Verschleißbeständigkeit verbessert. Die Lage des eingangs erwähnten Schubspannungsmaximums bleibt damit über einen längeren Zeitraum an einer Stelle als bei Schienenstahl geringerer Festigkeit. Liegt jedoch in dieser Zone eine gröbere Einschlußzeile vor, so kann der Werkstoff trotz hoher Festigkeit im Bereich der Zeitfestigkeit beansprucht werden. Eine Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit des Schienenwerkstoffs kann also nur dann sinnvoll sein, wenn zugleich ein guter Reinheitsgrad an oxidischen nichtmetallischen Einschlüssen eingestellt wird.
- Obwohl die Schienenhersteller und die Bahnverwaltungen in den Lieferbedingungen für Schienenstähle für Regelgüten Schwefelgehalte bis max. 0,050 Gew.-% und für höherverschleißfeste Güten bis max. 0,030 Gew.-% zulassen, ist man dennoch bemüht, bei der Erschmelzung von Schienenstählen den Schwefelgehalt so niedrig wie möglich zu halten. Denn Schwefel ist metallurgisch gesehen bekanntermaßen ein stark seigerndes Element. Beim Vergießen kommt es in der Mitte der vergossenen und erstarrten Blöcke, die als Ausgangsmaterial für die Schienenwalzung dienen, zu sogenannten "Mittenseigerungen". Gemäß den technischen Lieferbedingungen, z.B. UIC 860 V, sind Stärke und Ausbildung dieser Seigerungen durch Richtreihen begrenzt.
- Jedoch können weder die absolute Erhöhung der Verschleißfestigkeit noch die Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit noch die Einstellung guter oxidischer bzw. sulfidischer Reinheitsgrade das Auftreten von Fahrkantenausbrüchen sicher verhindern. Auch bei sehr hoch verschleißfesten Schienen mit ausgezeichnetem Reinheitsgrad werden diese schädlichen Ausbrüche, nach wie vor, insbesondere in den Außensträngen von engen Gleiskurven, beobachtet.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schiene mit verbesserter Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden an der Fahrkante, wie Fahrkantenausbrüche, zu schaffen, die gestattet, daß das den Schienen innewohnende hohe Verschleißvolumen voll ausgenutzt werden kann.
- Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Schienenstahl bei einem Sauerstoffgehalt kleiner 0,0015 Gew.-% Schwefelgehalte von 0,06 bis 0,085 Gew.-% aufweist. Der niedrige Sauerstoffgehalt des Schienenstahls von kleiner 0,0015 Gew.-% wird vorzugsweise durch eine Vakuumdesoxidation des Stahles eingestellt.
- Das Aufschwefeln kann auf alle heute üblichen Schienenqualitäten angewendet werden, wie sie beispielsweise in den Unteransprüchen 3 bis 6 analysenmäßig aufgeführt sind.
- Die erfindungsgemäßen Schienen sind geeignet, die Bildung von Ermüdungsschäden an der Fahrkante, insbesondere die an dem Außenstrang eines Kurvengleises auftretenden Fahrkantenausbrechungen, zu vermeiden und somit die Lebensdauer der Schienen wesentlich zu steigern. Bei Betriebsversuchen in einer hochbelasteten und kurvenreichen Strecke mit engen Kurvenradien zwischen 250 und 500 m mußten Schienen der üblichen Güte UIC-90 A bereits nach einer Belastung von rund 150.106 t wegen Fahrkantenausbrechungen ausgebaut werden, obwohl der eigentliche Verschleiß der Schienenlauffläche nur sehr gering war. Dagegen erreichten erfindungsgemäß hergestellte Schienen der Güte UIC-90 A eine Belastung von 300.106 t, ohne daß Fahrkantenausbrüche zu beobachten waren.
- Mit der erfindungsgemäßen Schiene ist es somit möglich, die in heutigen Schienenprofilen, wie z.B. dem Profil UIC 60, vorhandene Verschleißreserve besser auszunutzen. Die Fahr kanten können weitgehend abgenutzt werden, ohne daß die Schienen wegen vorzeitiger Fahrkantenausbrüche ausgewechselt werden müssen.
- Als Vormaterial für das Walzen der erfindungsgemäßen Schienen werden vorzugsweise rechteckige Stranggußquerschnitte verwendet. Dadurch kann die bei den hohen Schwefel-Gehalten zu erwartende nachteilige Nebenwirkung der Seigerungen in den von den Lieferbedingungen für Schienen verlangten Grenzen gehalten werden, da über das Vergießen im Strangguß eine gleichmäßigere Verteilung bei gleichzeitig kleinerer Größe der einzelnen Sulfide erreicht wird. Die bei Einsatz von rechteckigen Stranggußquerschnitten vorliegende gestreckte Mittenseigerung mit Schwefelanreicherungen kann unschädlich gemacht werden, indem man den Vorblock nicht wie bisher üblich so zu Schienen auswalzt, daß die Seigerungszone in der Symmetrieebene der Schienen liegt, sondern daß sie um 90° versetzt horizontal in Schienenstegmitte zu liegen kommt.
- Dazu wird das Vormaterial mit rechteckigem Querschnitt so zu dem jeweiligen Schienenprofil gewalzt, daß die Schmalseiten nicht auf die Fahrfläche und die Fußunterseite der Schiene zu liegen kommen, sondern die Seitenflächen der Schiene bilden. Die im Vormaterial vorliegenden Mittenseigerungen beschränken sich so auf eine schmale Zone im Schienensteg, ohne in den Kopf oder den Fuß der Schiene zu reichen, so daß das Gebrauchsverhalten der Schiene, insbesondere deren Bruchsicherheit, nicht beeinträchtigt wird.
- Da die in Bogenstranggießanlagen unten liegende Breitseite von rechteckigen Stranggußquerschnitten einen besseren oxidischen Reinheitsgrad aufweist als die obere Breitseite, wird vorteilhafterweise so gewalzt, daß die untere Breitseite zum Schienenkopf wird.
- In Fig. 1 ist ein bogenförmiger Abschnitt einer Schiene in perspektivischer Ansicht dargestellt mit Schienenkopf 1, Fahrfläche 2, Fahrkante 3, Schienensteg 4 und Schienenfuß 5.
Claims (6)
1. Schiene mit hoher Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden an der Fahrkante, wie Fahrkantenausbrüche, aus Stahl,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl bei einem Sauerstoffgehalt kleiner 0,0015 Gew.-% Schwefelgehalte von 0,06 bis 0,085 Gew.-% aufweist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl bei einem Sauerstoffgehalt kleiner 0,0015 Gew.-% Schwefelgehalte von 0,06 bis 0,085 Gew.-% aufweist.
2. Schiene nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl nach der Erschmelzung unter Vakuum auf Sauerstoffgehalte kleiner 0,0015 Gew.-% desoxidiert ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl nach der Erschmelzung unter Vakuum auf Sauerstoffgehalte kleiner 0,0015 Gew.-% desoxidiert ist.
3. Schiene nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte UIC-90 A (mindestens 900 N/mm2 Festigkeit) aus 0,6 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,50 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,30 Gew.-% Mangan, max. 0,05 Gew.-% Phosphor, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte UIC-90 A (mindestens 900 N/mm2 Festigkeit) aus 0,6 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,50 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,30 Gew.-% Mangan, max. 0,05 Gew.-% Phosphor, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
4. Schiene nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte UIC-90 B (mindestens 900 N/mm2 Festigkeit) aus 0,55 bis 0,75 Gew.-% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,50 Gew.-% Silizium, 1,30 bis 1,70 Gew.-% Mangan, max. 0,05 Gew.- % Phosphor, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte UIC-90 B (mindestens 900 N/mm2 Festigkeit) aus 0,55 bis 0,75 Gew.-% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,50 Gew.-% Silizium, 1,30 bis 1,70 Gew.-% Mangan, max. 0,05 Gew.- % Phosphor, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
5. Schiene nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte S 1100 (mindestens 1100 N/mm2 Festigkeit) aus 0,60 bis 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, 0,60 bis 1,20 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,30 Gew.-% Mangan, max. 0,030 Gew.-% Phosphor, 0,70 bis 1,20 Gew.-% Chrom, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte S 1100 (mindestens 1100 N/mm2 Festigkeit) aus 0,60 bis 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, 0,60 bis 1,20 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,30 Gew.-% Mangan, max. 0,030 Gew.-% Phosphor, 0,70 bis 1,20 Gew.-% Chrom, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
6. Schiene nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte S 1200 (mindestens 1200 N/mm2 Festigkeit) aus 0,70 bis 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, 0,80 bis 1,20 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,30 Gew.-% Mangan, max. 0,030 Gew.-% Phosphor, 0,80 bis 1,20 Gew.-% Chrom, bis 0,25 Gew.-% Titan und/oder Vanadiun, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schienenstahl entsprechend der Güte S 1200 (mindestens 1200 N/mm2 Festigkeit) aus 0,70 bis 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, 0,80 bis 1,20 Gew.-% Silizium, 0,80 bis 1,30 Gew.-% Mangan, max. 0,030 Gew.-% Phosphor, 0,80 bis 1,20 Gew.-% Chrom, bis 0,25 Gew.-% Titan und/oder Vanadiun, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
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