EP0693562A1

EP0693562A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut

Info

Publication number: EP0693562A1
Application number: EP95890136A
Authority: EP
Inventors: Georg Dipl.-Ing. Prskawetz; Peter Dipl.-Ing. Dr. Pointner; Alfred Dipl.-Ing. Dr. Moser
Original assignee: Voestalpine Schienen GmbH
Current assignee: Voestalpine Rail Technology GmbH
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1996-01-24
Anticipated expiration: 2015-07-13
Also published as: AU702091B2; HU9502162D0; PL178079B1; RU2101369C1; CZ290866B6; SK282161B6; HRP950386B1; CZ186195A3; SK90195A3; AU2334995A; CA2154090A1; DE59508080D1; CN1045214C; SI9500230A; TW300920B; JP3811865B2; EP0693562B1; HU218230B; HUT72292A; JPH08170120A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut, insbesondere von Schienen. Zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften ist vorgesehen, das Walzgut bei einer Temperatur von höchstens 1100 ° C, mindestens jedoch 750 °C, bei plastischer Formgebung gerade zu richten und in einem ersten Schritt der Abkühlung mit örtlich gleicher Kühlintensität auf eine Temperatur, insbesondere von 5 bis 120 °C über der Ar3-Temperatur der Legierung abzukühlen, worauf in einem zweiten Schritt dem Walzgut in Längsrichtung mit örtlich gleicher, im Querschnitt gesehen, mit umfänglich unterschiedlicher Intensität Wärme entzogen und erhöhte Kühlintensitäten Bereichen mit hoher Massenkonzentration zugeordnet werden, in welchen Bereichen ein martensitfreies feinperlitisches Gefüge gebildet wird, worauf eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt. Eine erfindungsgemäße Einrichtung ist durch einen Bereitstellungsbereich (A), einen Abkühlungsbehndlungsbereich (B) und einen Endkühlbereich (C) für das profilierte Walzgut gekennzeichnet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut, insbesondere von Fahr- bzw. Eisenbahnschienen, mit erhöhter Wärmeabfuhr von Teilen der Profiloberfläche bei einer Abkühlung aus dem Gamma-Gebiet des Eisenbasiswerkstoffes, wobei im (in den) gewünschten Querschnittsbereich(en), insbesondere im Kopfberich von Schienen, eine Umwandlung in ein feinperlitisches Gefüge mit erhöhter Festigkeit, insbesondere erhöhter Abriebfestigkeit und erhöhter Wärte erfolgt und gegebenenfalls eine Verformung bzw. Verbiegung durch thermisch bedingten Verzug des Walzgutes, insbesondere der Schiene, senkrecht zur Längsachse bei eienr Abkühlung auf Raumtemperatur, insbesondere nach einer Gefügeumwandlung im (in den) verstärkt gekühlten Querschnittsbereich(en), verringert, vorzugsweise im wesentlichen vermieden und erhöhte Steifigkeit und Biegewechselfestigkeit des Walzgutes erreicht werden.
Weiters betriffl die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut, insbesondere Fahr- bzw. Eisenbahnschienen, bestehend im wesentlichen aus mindestens einem Bereitstellungsbereich für das Walzgut am Rollgang, mit einer Walzgutpositioniereinrichtung, einem Abkühlbehandlungsreich, mit Einrichtungen zur partiellen Wärmeabfuhr mit hoher Intensität von der Oberfläche des Walzgutes und einem Endkühlberich zur Kühlung des Walzgutes auf Raumtemperatur sowie Ablage-, Quertransport-, Halte- und Manipulationsmittel.
Schließlich befaßt sich die Erfindung mit einem profiliertem Walzgut, insbesondere einer Fahr-oder Eisenbahnschine, bestehend aus einem Schienenkopf mit zumindest teilweise perlitischer Gefügestruktur, einem Schienenfuß und einem Steg zwischen Schienenkopf und Schienenfuß.
Profiliertes Walzgut, insbesonder Fahr- bzw. Eisenbahnschienen, wird bzw. werden zumeist aus Eisenbasislegierungen mit Gehalten an in Gew.-% C 0,4 bis 1,0, Si 0,1 bis 1,2, Mn o,5 bis 3,5, gegebenenfalls an Cr bis 1,5 sowie weiteren Legierungselementen mit Konzentrationen unter 1 %, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen hergestellt. Auf Grund der üblichen Dimensionen, z.B. mit einem Gewicht von 30 bis 100 kg/m, und dem daraus sich ergebenden Verhältnis von Querschnitt zu Umfang von Schienen erfolgt bei einer Abkühlung des Walzgutes aus der Umformhitze an ruhender Luft, z.B. auf Kühlbetten und dgl., der langsamen Abkühlung wegen eine Umwandlung des Grfüges von einer austenitischen in eine, gegebenenfalls Ferritanteile aufweisende grobperlitischen Struktur. Die eingangs genannten Werkstoffe mit obiger Struktur weisen dabei eine Härte im Bereich von 250 HB bis 350 HB auf.
Ein Steigen des Verkehrsaufkommens und größere Achslasten sowie der Wunsch, bei Eisenbahnschienen deren Haltbarkeit im praktischen Einsatz zu verbessern, führte zu einer Vielzahl von Vorschlägen, die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit des Materials zu erhöhen. Dabei können günstigere bzw. verbesserte Materialeigenschaften mit einer Hörte von 400 HB und höher durch Wärmebehandlung und/oder durch legierungstechnische Maßnahmen erzielt werden.
Schienen sollen jedoch am Feld ,u.a. zur Bildung von stoßfreien Strecken-bzw. Mehrfachlängen ,gut schweißbar sein, so daß legierungstechnische Maßnahmen zur Erhöhung der Härte bzw. Festigkeit und Zähigkeit des Materials der Schweißprobleme wegen meist nur im geringen Umfang durchführbar und mit einer auf die Zusammensetzung des Stahles abgestimmten Wärmebehandlung zielführend sind ( DE -C 3 446 794, EP-B- 0187904. EP-B-0186373). Auch aus wirtschaftlichen Gründen haben sich derartige Verfahren nicht in größerem Maßstab bewährt.
Um die Gebrauchseigenschaften von Schienen und Weichenteilen aus den eingangs genannten Werkstoffen zu erhöhen, ist es, wie der Fachmann weiß, möglich, durch eine thermische Vergütungsbehandlung eine feinperlitische Materialstruktur einzustellen. Dabei ist es wichtig, bei der Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur entsprechende Abkühlbedingungen bzw. Abkühlraten einzustellen. In der EP-B-0293002 wird beispielsweise hiefür vorgeschlagen, nach einer anfänglich hohen Kühlintensität eine praktisch isotherme Gefügeumwandlung des Werkstoffes bei ca. 530 °C durchzuführen. Aus der DE-OS-2 820 784 ist weiters bekannt geworden, eine Härtung von Schienen mit bestimmter Zusammensetzung in siedendem Wasser durchzuführen und durch Zusätze sowie Bewegungsmaßnahmen eine gewünschte Kühlintensität zur Einstellung eines feinperlitischen Gefügezustandes zu erreichen.
Es wurde gemäß AT-PS -323 224 schon angeregt, Schienen mit einer homogenen feinen Perlitstruktur bei einer ausgewählten Legierung durch Anwendung bestimmter Kühlungsparameter, z.B. einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10 und 20 ° C/sec bis auf eine Temperatur von höchstens 550°C, herzustellen. Obige Maßnahmen haben jedoch den Nachteil gemeinsam, daß eine gleiche Kühlintensität der Oberfläche, je nach Massenkonzentration des Walzprofiles, unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten und Gefügeausbildungen in den oberflächennahen Zonen bewirken kann und daß oft aufwendige Vorkehrungen getroffen werden müssen, um ungewollte örtliche Gefügeausbildungen bzw. Materialeigenschaften, insbesondere eine übermäßige Härte und Spödigkeit, in vornehmlich auf Biegung beanspruchten Teilen der Schiene zu vermeiden.
Vielfach wurde auch vorgeschlagen, gezielt eine heterogene Mikrostruktur im Querschnitt einer Schiene und zwar den jeweiligen Beanspruchungen entsprechend einzustellen. Aus der DE-C-3 006 695 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, nach welchem aus der Walzhitze durch Abkühlung der Schiene eine Umwandlung im gesamten Querschnitt bewirkt wird, wonach der Kopf der Schiene, insbesondere durch induktive Erwärmung, reaustenitisiert und anschließend gehärtet wird. Weiters wurde gemäß WO 94/02652 vorgeschlagen, den Schienenkopf bis zu einer Oberflächentemperatur zwischen 450 und 550 °C in ein Kühlmittel mit besonders eingestellter Kühlintensität abzukühlen und dadurch in diesem ein feinperlitisches Gefüge zu bewirken. Für eine derartige Behandlung ist eine Vorrichtung zum hängenden Härten von Schienen entsprechend der DE-C-4 003 363 geeignet.
Eine inhomogene Kühlung über den Querschnitt von profiliertem Walzgut kann aber zu Krümmungen bzw. Abweichungen von der Geradheit bei Raumtemperatur führen. Zur Vermeidung dieses Nachteiles wurde vorgeschlagen (DE-A-4 237 991), Schienen hängend, vorzugweise mit dem Kopf nach unten, auf einem Kühlbett zu transportieren bzw. abzukühlen, wobei jedoch eine gezielte Ausbildung einer heterogenen Gefügestruktur über denm Querschnitt kaum möglich ist.
Allen bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist der Nachteil gemeinsam, daß diese bei der Herstellung von profiliertem Walzgut zwar auf begrenzten Gebieten bzw. betreffend einzelne Verfahrensschritte durchaus zielführende Lösungen angeben, daß jedoch eine befriedigende Bewältigung der Gesamtproblematik bei einer wirtschaftlichen Herstellung von qualitativ hochwertigen langen Schienen mit besonderen Güteeigenschaften nicht aufgezeigt werden kann.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, bei Beseitigung der Nachteile der bekannten Herstellarten ein neues Verfahren anzugeben, mit welchem profiliertes Walzgut mit besonders vorteilhaften Gebrauchseigenschaften herstellbar ist. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen und ein Walzgut, insbesondere eine Schiene, für höchste Beanspruchungen auszubilden.
Das Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß das Walzgut, insbesondere die Schiene, mit einer durchschnittlichen Temperatur von höchstens 1100°C, vorzugsweise von höchstens 900 °C, mindestens jedoch von 750 °C, in deren Längsrichtung bei plastischer Formgebung gerade ausgerichtet, in ausgerichtetem Zustand in Querrichtung verbracht und gehalten wird, und in einem ersten Schritt der Abkühlung des Walzgutes bzw. der Schiene dieses bzw. diese ausgleichend auf eine Temperatur von unter 860 °C, vorzugsweise von ca. 820 °C, insbesondere von 5 bis 120 °C, über der Ar₃-Temperatur der Legierung mit gleicher örtlicher Kühlintensität, vorzugsweise im wesentlichen durch Strahlung an ruhender Luft, abkühlen gelassen wird, worauf in einem zweiten Schritt der Abkühlung dem Walzgut in Längsrichtung mit örtlich im wesentlicher gleicher, im Querschnitt gesehen mit umfänglich unterschiedlicher, Intensität Wärme entzogen und die Kühlintensität in mindestens einer Zone am Umfang des profilierten Walzgutes vergrößert ausgebildet wird, wobei die größere(n) Kühlintensität(en) dem(den) Bereich(en) mit großem Verhältnis von Querschnitt zu Umfang bzw. mit hohem Volumsanteil bezogen auf die Oberfläche bzw. mit hoher Massenkonzentration und/oder jenen mit örtlich hoher Temperatur des Walzgutes, insbesondere der Schiene, zugeordnet wird(werden) und der(die) Bereich(e) mit derart erhöhter Abkühlungsgeschwindigkeit auf Umwandlungstempertur gebracht wird(werden), bei welchen Kühlbedingungen ein martensitfreies feinperlitisches Gefüge gebildet wird, wonach in einem Folgeschritt mit gleicher örtlicher Kühlintensität, zum Beispiel an ruhender Luft, die Abkühlung bis Raumtemperatur durchgeführt wird. Es ist wichtig, daß eine gerade Ausrichtung des Walzgutes bei plastischer Formgebung erfolgt und dies in einem Temperaturbereich zwischen 750 °C und 1100 °C durchgeführt wird. Niedrigere Temperaturen als 750 °C können, wie gefunden wurde, zu einer teilelastischen Biegung mit Abweichungen von einer geraden Ausrichtung und in der Folge zu inhomogener Kühlintensität in Längsrichtung der Schiene führen. Walzguttemperaturen von über 1100 °C bewirken meist ein Wachstum der Austenitkörner bzw. eine Grobkornbildung, wodurch letztlich die Materialeigenschaften nachteilig beeinflußt werden können. Ausgehend von einem gerade ausgerichteten Walzgut hat es sich für eine Ausbildung eines in Längsrichtung gleichmäßig eingestellten feinperlitischen Bereiches vom Querschnitt als wichtig erwiesen, daß das Walzgut gehalten und in einem ersten Schritt der Abkühlung ausgleichend auf eine Temperatur von unter 860 °C mit gleicher örtlicher Kühlintensität abkühlen gelassen wird. Dabei kann einerseits eine örtliche Inhomogenität der Temperaturverteilung in Längsrichtung, welche gegebenenfalls durch ein stellenweises Aufliegen an einer Quertransporteinrichtung verursacht ist, ausgeglichen werden, andererseits wird eine achssymmetrische oder zentrischsymmetrische Temperaturverteilung im Querschnitt des profilierten Walzgutes eingestellt und dadurch dessen Geradheit stabilisiert. Es ist besonders vorteilhaft, diese ausgleichende Abkühlung auf eine Temperatur von 5° C bis 120 °C über die Ar₃-Temperatur der Legierung durchzuführen, um günstige Bedingungen für eine partielle Umwandlung des Gefüges in eine feinperlitische Strukturform in Teilen des Querschnittes zu schaffen. Dabei ist die Ar₃Temperatur jene Temperatur, bei welcher eine Umwandlung des Gamma-Gitters in das Alpha-Gitter der Legierung bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 3°C/min. beginnt.
Ein Abkühlen des Walzgutes mit einer in Längsrichtung im wesentlichen gleicher, im Querschnitt gesehen mit umfänglich unterschiedlicher, Intensität des Wärmeentzuges ist an sich bekannt. Es ist jedoch wichtig, die Bereiche mit vergrößerter Kühlintensität der Oberfläche der Massenkontentration des Walzgutes entsprechend zuzuordnen. In Verbindung mit einer geraden Ausrichtung, einer ausgleichenden Abkühlung und Einstellung einer symmetrischen Temperaturverteilung und einer Zuordnung der Abkühlbereiche kann eine über die Querschnittsbereiche unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeit in Längsrichtung des Walzgutes im wesentlichen gleich gehalten werden. Es ist dabei wichtig, die Größe der Abkühlgeschwindigkeit, mit welcher der vorgesehene Bereich des Walzgutes auf Umwandlungstemperatur gebracht wird, durch an sich bekannte Maßnahmen einzustellen. Wie in Bild 3, einem dem Fachmann geläufigen Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild einer Legierung mit bestimmter Zusammensetzung ersichtlich ist, werden bei höheren Abkühlraten von der Ar₃-Temperatur, z.B. die Kurven c und d, im Gefüge Martensitanteile gebildet, wodurch der Werkstoff zwar eine höhere Härte annimmt, jedoch wesentlich an Elastizität verliert und höhere Bruchgefahr aufweist und eine vorgesehene Verwendung nicht mehr möglich ist. Geringe Abkühlraten, z.B. der Kurve h bewirken eine grobperlitische, weiche Gefügestruktur. Es ist somit wichtig, die örtlichen Abkühlraten derart hoch einzustellen, daß bei einer Umwandlung eine Martensitbildung in jedem Fall vermieden wird, jedoch ein feinperlitisches Gefüge im Bereich der erhöhten Kühlintensität entsteht. Nach einer vollständigen Gefügeumwandlung wird, um eine Verbiegung des Walzgutes zu verringern bzw. im wesentlichen zu vermeiden, dieses mit gleicher örtlicher Kühlintensität auf Raumtemperatur gebracht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmebehandlung nach einer Warmverformung des Walzgutes mit einem Verformungsgrad von 1,8 bis 8%, vorzugsweise von 2 bis 5 %, im letzten Stich bei einer Temperatur von mindestens 750°C und höchstens 1050 °C aus der Warmumformhitze durchgeführt wird. Eine Endverformung mit einem Verformungsgrad bzw. einer Querschnittsflächenverminderung von 1,8 bis 8% bewirkt eine günstige Austenitkornfeinung, wenn die Umformung in einem Temperaturbereich von 770 °C bis 1050 °C erfolgt. Geringere Umformgrade als 1,8 verursachen, wie sich gezeigt hat, stellenweise ein besonders starkes Grobkorn bzw. Kornwachstum, hingegen bewirken größere Umformungen als 8% eine starke Temperaturerhöhung in zentralen-bzw. Innenbereichen offensichtlich auf Grund von freiwerdender Umformenergie, wodurch örtlich Gefügeinhomogenitäten bewirkt und Qualitätsnachteile verursacht werden können.
Im Hinblick auf einen Erhalt von weitgehend gerade ausgerichtetem bzw. achsfluchtendem Walzgut nach einer Abkühlung auf Raumtemperatur und insbesondere auf erhöhte Steifigkeit und Biegewechselfestigkeit aufweisende Schienen ist es von großem Vorteil, wenn im zweiten Schritt der Abkühlung die Kühlintensität in zwei oder mehreren Zonen am Umfang des profilierten Walzgutes vergrößert ausgebildet wird.. Dadurch können in mehreren oberflächennahen Bereichen einer Querschnittsfläche eine höhere Härte und eine höhere Festigkeit des Werkstoffes durch eine feinere Perlitstruktur des Gefüges erreicht werden. Bei einer Beanspruchung des Walzgutes auf Biegung, bei welcher die von der neutralen Faser oder Nullinie am weitesten entfernt liegenden Querschnittszonen die größten Spannungen aufweisen, ist es nun möglich, zumindest zwei dieser peripheren Zonen mit höherer Festigkeit auszubilden. Bei einer Schiene kann dabei, wie gefunden wurde, auch die Rißbruchzähigkeit des Materials im Fußbereich erhöht werden.
Bevorzugt wird der Teil des Walzgutes, der die höchste Massenkonzentration aufweist, zum Beispiel der Kopf der Schiene, im Tauchverfahren bzw. in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht, abgekühlt, wobei gleichzeitig dem(den) weiters für eine verstärkte Kühlung vorgesehenen Walzgutteil(en), mit geringere Massenkonzentration, zum Beispiel dem Fuß der Schiene, durch Mittel mit geringerer Kühlintensität, zum Beispiel Druckluft oder Luft- Wasser-Sprühung, Wärme entzogen wird. Mit einer derartigen Vorgangsweise können einer Bildung eines hohen inneren Spannungszustandes und einem thermischen Verzug eines Walzgutes entgegengewirkt werden.
Um bei den eingangs genannten Eisenbasislegierungen eine nachteilige Martensitbildung zu vermeiden und eine feine Perlitstruktur des Gefüges zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Größe der Kühlintensität, insbesondere die Zusammensetzung der Kühlflüssigkeit für die Tauchabkühlung derart eingestellt wird, daß im Temperaturbereich von 800 °C bis 450 °C eine Abkühlung der oberflächennahen Zone, insbesondere des eingetauchten Teiles, im wesentlichen mit 1,6 bis 2,4 °C/sec, vorzugsweise mit etwa 2,0 °C, erreicht wird. Diese Abkühlgeschwindigkeit ist auch aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt, weil bei einem Erreichen einer gewünschtern Güte des Walzerzeugnisses eine kurze Abkühlzeit im zweiten Schritt erforderlich und somit ein hoher Durchsatz erreichbar sind.
Für eine Minimierung der Krümmung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei profiliertem Walzgut mit T-förmigem Querschnittsbereich, wie dies zum Beispiel am Fuß einer Eisenbahnschiene gegeben ist, die dem Steg gegenüberliegende Zone bzw. Fläche mit erhöhter Intensität, vorzugsweise mittels Druckluft oder mittels Luft-Wasser-Gemisches, gekühlt wird. Dabei hat es sich im Sinne einer Verbesserung der Langzeiteigenschaften als besonders günstig herausgestellt, wenn die dem Steg gegenüberliegende Oberflächenzone mit erhöhter Kühlintensität im wesentlichen symmetrisch zur Stegachse ausgebildet und lateral begrenzt wird.
Wenn weiters eine erhöhte Kühlintensität der bezüglich einer Massenkonzentration oder einer Stegeinmündung distalen Bereiche des Querschnittes des profilierten Walzgutes vermieden und/oder diese Bereiche vor einem vermehrten Wärmeentzug geschützt oder zumindest kurzzeitig gewärmt werden, ist es möglich, in den Walzgutkanten ein Gefüge mit gleicher oder geringerer Materialfestigkeit einzustellen. Überraschenderweise wird dadurch eine Bruchgefahr insbesondere bei stoßweise und/oder bei wechselnder Dauerbelastung des Walzmateriales gesenkt.
Besondere Formstabilität kann erreicht werden, wenn die Kühlintensität an der Oberfläche des profilierten Walzgutes, insbesondere der Schiene, derart eingestellt wird, daß die Zonen, in denen die Umwandlung des Gamma- Gefüges bei der Abkühlung erfolgt, im wesentlichen parallel symmetrisch und/oder parallel zur neutralen Ebene, vorzugsweise konzentrisch zur Schwerpunktslinie bzw. zum Schwerpunkt der Querschnittsfläche ausgebildet werden.
Um in Längsrichtung eine im wesentlichen vollkommen gleiche örtliche Kühlintensität zu erreichen und den Wärmeübergang in das Kühlmedium stabil zu halten, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß das Walzgut, von welchem, bezogen auf den Querschnitt, ein Teil in eine Kühlflüssigkeit in einem Tauchbecken eingetaucht wird, während der Abkühlung in dieser in Längsrichtung relativ zum Kühlflüssigkeitsbehältnis bzw. Tauchbecken bewegt wird und/oder daß zumindest in der Zeit, in welcher ein Teil des Walzgutes in die Kühlflüssigkeit eingetaucht ist, diese mit einer Schwingung beaufschlagt bzw. in Schwingung versetzt wird. Diese Maßnahmen, wie gefunden wurde, verbessern entscheidend die Homogenität der erreichten Güte.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur integralen Lösung der Probleme bei einer Herstellung von besondere Eigenschaften aufweisenden profiliertem Walzgut ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Rollgang im Bereitstellungsbereich eine an sich bekannte Walzgutpositionierung und Mittel zur geraden bzw. achsfluchtenden Ausrichtung des profilierten Walzgutes bei plastischer Formgebung desselben aufweist, eine Quertransporteinrichtung für ein gerades bzw. achsfluchtendes Verbringen des Walzgutes im wesentlichen senkrecht zu dessen Achse vom Bereitstellungsbereich in den Abkühlungsbehandlungsbereich besitzt, bei welchem Bereich eine an sich bekannte Vorrichtung zum Härten eines Walzgutes, insbesondere den Kopf von Schienen, mittels Kühlflüssigkeit in einem Tauchbecken mit Halte- und Manipulationseinrichtungen und eine regelbare Zusatzkühleinrichtung für ein intensiviertes Abkühlen von mindestens einem weiteren Bereich des Walzgutes, insbesondere den Fuß einer Schiene, angeordnet sind und der Endkühlbereich eine Ablage für das Walzgut zur Kühlung desselben auf Raumtemperatur aufweist.
Es wurde erkannt, daß eine gerade bzw. achsfluchtende Ausrichtung, insbesondere bei einer, den Querschnitt betreffend, partiellen bzw. in Teilbereichen durchzuführenden Vergütung eines profilierten Walzgutes wichtig ist. Durch eine Verhinderung einer über die gesamte Länge oder in Teilbereichen dieser vorliegenden Krümmung können die vorbestimmten Abkühlungsbedingungen oder die Abkühlintensitäten des Walzgutes, in Achsrichtung gesehen, gleich gehalten werden, so daß Festigkeits- bzw. Härteunterschiede entlang einer Erzeugenden des Profiles ausgeschaltet sind. Untersuchungen haben ergeben, daß unterschiedliche Abstände zur Wand eines Kühlmittelbehältnisses und/oder zur Sprühkühlungsachse überproportionale Abweichungen der Härte- und Festigkeitswerte bewirken können.
Bei einer Ausrichtung ist es weiters wichtig, daß das Walzgut durch entsprechende Einrichtungen einer plastischen Formgebung unterworfen wird, um elastische Rückstellungen in eine gegebenenfalls teilgekrümmte Form zu vermeiden. Eine achsfluchtende Verbringung des profilierten Walzgutes in einen Abkühlungsbereich durch einen geradlinigen Quertransport ist zur Vermeidung einer Nachrichtvorrichtung von großer Wichtigkeit. Zusätzlich dazu ist im Abkühlbereich eine Manipulationsvorrichtung vorgesehen, mit welcher eine Übernahme und ein Halten, ein Eintauchen in ein Kühlflüssigkeitsbecken bzw. Härten von Teilbereichen des Walzgutes sowie ein Übergeben in einen Endkühlbereich durchführbar ist. Dabei kann für intensivierte Kühlung von weiteren Querschnittsbereichen mindestens eine Zusatzkühleinrichtung vorgesehen sein.
In Weiterbildung der Vorrichtung ist von Vorteil, wenn die Zusatzkühleinrichtung an das Walzgut anstellbar und deren Kühlintensität regelbar ist und damit eine weitere örtliche Wärmeabfuhr, dem Verfahren entsprechend, eingestellt werden kann.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei welcher die Zusatzkühleinrichtung Teile zur Ausbildung eines lokalen in Längs-bzw. Achsrichtung des Walzgutes im wesentlichen ununterbrochenen in Querrichtung begrenzten Kühlmittelstromes besitzt und gegebenenfalls Mittel zur Verhinderung eines verstärkten Wärmeentzuges der der gekühlten Fläche benachbarten Fläche(n) aufweist. Dadurch ist es möglich, scharf begrenzt Kühlzonen auszubilden und daneben liegende Bereiche von einem intensivierten Wärmeentzug auszuschließen bzw. in diesen eine geringere Materialhärte auszubilden, wobei einer weiteren Ausführungsform entsprechend die Zusatzkühleinrichtung als Drucklauf- oder Sprühkühlung ausgebildet ist.
Die Homogenität der Härte und Festigkeitswerte in Längsrichtung des profilierten Walzgutes kann weiter gesteigert werden, wenn das Walzgut in der Kühlflüssigkeit in Längsachsrichtung relativ zum Tauchbecken und/oder relativ zur Zusatzkühleinrichtung bewegbar ist und/oder, wenn am Tauchbecken und/oder in der Kühlflüssigkeit selbst Einrichtungen angeordnet sind, durch welche die Kühlflüssigkeit turbulent bewegbar und/oder in Schwingung versetzbar ist. Es wurde gefunden, daß Relativbewegungen und auch Schwingungsbewegungen oder Druckwellen zwischen Kühlmedium und Werkstück die örtliche Kühlintensität vergleichmäßigen und vorteilhafte Vergütungsbedingungen schaffen.
Eine erfindungsgemäße Schiene, insbesondere hergestellt nach einem vorher genannten Verfahren, gegebenenfalls hergestellt in einer oben beschriebenen Vorrichtung ist gekennzeichnet, daß im Querschnitt der Schiene diese im oberen Bereich des Kopfes hohe Materialfestigkeitswerte und- härte aufweist, welche Werte im unteren Kopfbereich im Steg und in den peripheren Teilen des Fußes abgesenkt sind und im zentrischen Bereich an der Fußgrundfläche, verglichen mit den peripheren Teilen und dem Steg, erhöhte Härtewerte des Werkstoffes vorliegen, wobei besonders gleichmäßige Gütemerkmale erreicht werden, wenn symmetrisch zur Hauptachse des Querschnittprofiles bzw. symmetrisch zur senkrechten Achse des Schienenquerschnittes im wesentlichen gleiche Materialhärtewerte eingestellt sind. Eine derartige Schiene weist auch bei erschwerten Beanspruchungen wie hohen Achslasten und/oder hohe Benutzungsfrequenz und/oder geringe Kurvenradien der Strecke verbesserte Gebrauchseigenschaften auf.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

Fig. 1 eine Ablaufdarstellung zur Wärmebehandlung von Schienen
Fig. 2 eine Schiene im Querschnitt
Fig. 3 ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild eines Schienenwerkstoffes

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, wird in einem Bereitstellungsbereich A am Rollgang 21 ein profiliertes Walzgut wie eine Schiene durch zum Beispiel einfahrbare Puffer oder dgl. (nicht dargestellt) positioniert. Durch Richtmittel 22 und 23 wird darauf die Schiene 1 gerade fluchtend ausgerichtet, wobei eine zentrierende Form der Richtmittel, welche auch eine vertikale Krümmung korrigiert, vorteilhaft ist. Nach einer Ausrichtung des Walzgutes 1 erfolgt ein Quertransport über eine Ablage 2 in einen Abkühlungsbereich B und eine Aufnahme in einer Manipulationseinrichtung mit Haltemitteln 24, wobei eine Abstützung bei einer Verbringung derart vorzusehen ist, daß keine Verbiegung quer zur Längsachse erfolgt. In an sich bekannter Weise wird das Walzgut bzw. die Schiene 1 mittels Haltemitteln 24 in eine Kühlflüssigkeit 37, welche sich in einem Tauchbecken 38 befindet, teilweise eingebracht. Dabei ist wichtig, daß der Abstand der Oberfläche der Schiene 1 zur Wandung des Tauchbeckens über die Länge beidseitig gleich groß ist, wobei auch zur Intensivierung und insbesondere zur Vergleichmäßigung einer Kühlintensität einer Walzgutoberfläche in vorteilhafter Weise das Walzgut 1 im Tauchbecken 38 bzw. im Kühlmedium 37 in Längsrichtung in einem Ausmaß von zum Beispiel 0,5 bis 5 m bewegbar sein kann. Im Kühlmedium 37 oder am Tauchbecken angebracht können auch Schwingungserzeuger (nichtdargestellt) eingesetzt sein, welche das Kühlmedium in eine die Kühlintensität vorteilhaft beeinflussende Schwingung mit einer Frequenz von zum Beispiel 100 bis 800/min versetzten.
Auf einen Flachteil eines Walzprofiles, gegebenenfalls auf den Fuß 13 einer Schiene 1 kann eine Zusatzkühlung 3 gesetzt oder eingebracht werden. Eine derartige Zusatzkühleinrichtung kann eine Wasser-32 und eine Luft-33-Zuführung aufweisen und einen auf einen Oberflächenteil eines Walzgutes bzw. den Fuß der Schiene gerichteten Sprühstrom 31 ausbilden. Um in den peripheren Teilen 132 eine geringere Kühlintensität einzustellen und nur in einem zentralen Bereich 131 einer Walzgut- oder Schienenfußfläche eine Zone mit erhöhter Materialhärte auszubilden, kann es vorteilhaft sein, zum Beispiel mittels einer Absaugvorrichtung einen Kühlmittelaustrag vorzusehen.
Nach einer Abkühlung eines in ein Kühlmittel 37 eingetauchten und eines insbesondere diesem gegenüberliegenden von einem Sprühstrom 31 beaufschlagten Teiles eines Walzgutes, insbesondere einer Schiene 1, unter die Umwandlungstemperatur des Werkstoffes mit einer feinperlitisches Gefüge bewirkenden Intensität, zum Beispiel gemäß Fig. 3 auf ca. 500 °C mit einer Abkühlrate entsprechend Kurve f, kann diese in einem Endkühlbereich C auf eine Ablage 25 zur Kühlung auf Raumtemperatur gebracht werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, besitzt eine erfindungsgemäße Schiene 1 drei Bereiche mit unterschiedlicher Gefügestruktur bzw. Härte, wobei die Übergänge kontinuierlich ausgebildet sind. Im Schienenkopf 11 ist eine feinperlitische Zone 111 mit Härtewerten zwischen 340 und 390 HB, gegebenenfalls bis 425 HB, gegeben, welche nach unten in eine Zone 112 mit geringerer Härte , zum Beispiel von 300 bis 340 HB, übergeht. Im anschließenden Steg 12, welcher im praktischen Einsatz hohe Zähigkeit aufweisen muß, sind dementsprechend Härtewerte von 280 bis 320 HB eingestellt. Im Schienenfuß 13 ist in den peripheren Bereichen 132 wie im Steg 12 ein perlitisches Gefüge mit gröberer Struktur bzw. Lamellenausbildung und einer Härte von 280 bis 320 HB gegeben. Durch diese Gefügausbildung und die Materialeigenschaften den geringen Härtewerten wird eine Riß- oder Bruchinitiation weitgehend vermieden. Zentrisch bodenseitig am Fuß 13 hingegen ist ein Bereich 131 mit erhöhter Materialfestigkeit und Härtewerten von 300 bis 350 HB und höher gebildet. Eine derartige erfindungsgemäße Verteilung der mechanischen Materialeigenschaften über den Querschnitt einer Schiene bewirkt, wie gefunden wurde, eine hohe Stabilität und ein vorteilhaftes Langzeitverhalten insbesondere bei erschwerten Bedingungen.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut, insbesondere von Fahr-bzw. Eisenbahnschienen, mit erhöhter Wärmeabfuhr von Teilen der Profiloberfläche bei einer Abkühlung aus dem Gamma-Gebiet des Eisenbasiswerkstoffes, wobei im (in den) gewünschten Querschnittsbereich(en), insbesondere im Kopfbereich von Schienen, eine Umwandlung in ein feinperlitisches Gefüge mit erhöhter Festigkeit, insbesondere erhöhter Abriebfestigkeit, und erhöhter Härte erfolgt und gegebenenfalls eine Verformung bzw. Verbiegung durch thermisch bedingten Verzug des Walzgutes, insbesondere der Schiene senkrecht zur Längsachse bei einer Abkühlung auf Raumtemperatur, insbesondere nach einer Gefügeumwandlung im (in den) verstärkt gekühlten Querschnittsbereich(en), verringert, vorzugsweise im wesentlichen vermieden und erhöhte Steifigkeit und Biegewechselfestigkeit des Walzgutes erreicht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut, insbesondere die Schiene, mit einer durchschnittlichen Temperatur von höchstens 1100°C ,vorzugsweise von höchstens 900°C ,mindestens jedoch von 750°C, in deren Längsrichtung bei plastischer Formgebung gerade ausgerichtet, in ausgerichtetem Zustand in Querrichtung verbracht und gehalten wird, und in einem ersten Schritt der Abkühlung des Walzgutes bzw. der Schiene dieses bzw. diese ausgleichend auf eine Temperatur von unter 860°C, vorzugweise von ca. 820°C, insbesondere von 5 bis 120°C über der Ar₃- Temperatur der Legierung mit gleicher örtlicher Kühlintensität, vorzugsweise im wesentlichen durch Strahlung an ruhender Luft, abkühlen gelassen wird, worauf in einem zweiten Schritt der Abkühlung dem Walzgut in Längsrichtung mit örtlich im wesentlichen gleicher, im Querschnitt gesehen mit umfänglich unterschiedlicher, Intensität Wärme entzogen und die Kühlintensität in mindestens einer Zone am Umfang des profilierten Walzgutes vergrößert ausgebildet wird, wobei die größere(en) Kühlintensität(en) dem(den) Bereich(en) mit großem Verhältnis von Querschnitt zu Umfang bzw. mit hohem Volumsanteil bezogen auf die Oberfläche bzw. mit hoher Massenkonzentration und/oder jenen mit örtlich hoher Temperatur des Walzgutes, insbesondere der Schiene, zugeordnet wird (werden) und der(die) Bereich(e) mit derart erhöhter Abkühlungsgeschwindigkeit auf Umwandlungstemperatur gebracht wird(werden), bei welchen Kühlbedingungen ein martensitfreies feinperlitisches Gefüge gebildet wird, wonach in einem Folgeschritt mit gleicher örtlicher Kühlintensistät, zum Beispiel an ruhender Luft, die Abkühlung bis auf Raumtemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung nach einer Warmverformung des Walzgutes mit einem Verformungsgrad von 1,8 bis 8%, vorzugsweise von 2 bis 5%,im letzten Stich bei einer Temperatur von mindestens 770 °C und höchstens 1050 °C aus der Warmumformhitze durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Schritt der Abkühlung die Kühlintensität in zwei oder in mehreren Zonen am Umfang des profilierten Walzgutes vergrößert ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des profilierten Walzgutes, der die höchste Massenkonzentration aufweist, zum Beispiel der Kopf einer Schiene, im Tauchverfaren bzw. in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht abgekühlt wird, wobei gleichzeitig dem(den) weiters für eine verstärkte Kühlung vorgesehenen Walzgutteil(en), mit geringerer Massenkonzentration, zum Beispiel dem Fuß der Schiene, durch Mittel mit geringerer Kühlintensität, zum Beispiel Druckluft oder Luft- Wasser-Sprühung, Wärme entzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Kühlintensität, insbesondere die Zusammensetzung der Kühlflüssigkeit für die Tauchabkühlung derart eingestellt wird, daß im Temperaturbereich von 800°C bis 450°C eine Abkühlung der oberflächennahen Zone, insbesondere des eingetauchten Teiles, im wesentlichen mit 1,6 bis 2,4°C/sec, vorzugsweise mit etwa 2,0, °C/sec, erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei profiliertem Walzgut mit T-förmigem Querschnittsbereich, wie dies zum Beispiel am Fuß einer Eisenbahnschiene gegeben ist, die dem Steg gegenüberliegende Zone bzw. Fläche mit erhöhter Intensität, vorzugsweise mittels Druckluft oder mittels Luft- Wasser-Gemisches, gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Steg gegenüberliegende Oberflächenzone mit erhöhter Kühlintensität im wesentlichen symmetrisch zur Stegachse ausgebildet und lateral begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine erhöhte Kühlintensität der bezüglich einer Massenkonzentration oder einer Stegeinmündung distalen Bereiche des Querschnittes des profilierten Walzgutes vermieden und/oder diese Bereiche vor einem vermehrten Wärmeentzug geschützt oder zumindest kurzzeitig gewärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlintensität an der Oberfläche des profilierten Walzgutes, insbesondere der Schiene, derart eingestellt wird, daß die Zonen, in denen die Umwandlung des Gamma-Gefüges bei der Abkühlung erfolgt, im wesentlichen parallel symmetrisch und/oder parallel zur neutralen Ebene, vorzugweise konzentrisch zur Schwerpunkslinie bzw. zum Schwerpunkt der Querschnittsfläche ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut, von welchem, bezogen auf den Querschnitt, ein Teil in eine Kühlflüssigkeit in einem Tauchbecken eingetaucht wird, während der Abkühlung in dieser in Längsrichtung relativ zum Kühlflüssigkeitsbehältnis bzw. Tauchbecken bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in der Zeit, in welcher ein Teil des Walzgutes in die Kühlflüssigkeit eingetaucht ist, diese mit einer Schwingung beaufschlagt bzw. in Schwingung versetzt wird.
Vorrichtung zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut, insbesonder Fahr-bzw. Eisenbahnschienen mit erhöhter Wärmeabfuhr von Teilen der Profiloberfläche bei einer Abkühlung aus dem Gamma-Gebiet des Eisenbasiswerkstoffes, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bestehend im wesentlichen aus mindestens einem Bereitstellungsbereich (A) für das Walzgut (1) am Rollgang (21), mit einer Walzgutpositioniereinrichtung, einem Abkühlbehandlungsbereich (B), mit Einrichtungen zur partiellen Wärmeabfuhr mit hoher Intensität von der Oberfläche des Walzgutes (1) und einem Endkühlbereich (C) zur Kühlung des Walzgutes (1) auf Raumtemperatur sowie Quertransport-, Halte- und Manipulationsmittel, dadurch gekennzeichnet daß der Rollgang (21) im Bereitstellungsbereich (A) eine an sich bekannte Walzgutpositioniereinrichtung und Mittel (22, 23) zur geraden bzw. achsfluchtenden Ausrichtung des profilierten Walzgutes (1) bei plastischer Formgebung desselben aufweist, eine Quertransporteinrichtung für ein gerades bzw. achsfluchtendes Verbringen des Walzgutes (1) im wesentlichen senkrecht zu dessen Achse vom Bereitstellungsbereich (A) in den Abkühlungsbehandlungsbereich (B) besitzt, in welchem Bereich (B) eine an sich bekannte Vorrichtung zum Härten eines Walzgutes, insbesondere des Kopfes von Schienen, mittels Kühlflüssigkeit (37) in einem Tauchbecken (38) mit Halte- und Manipulationseinrichtungen (24) und eine regelbare Zusatzkühleinrichtung (3) für ein intensiviertes Abkühlen von mindestens einem weiteren Bereich des Walzgutes, insbesondere den Fuß einer Schiene, angeordnet sind und der Endkühlbereich (C) eine Ablage (25) für das Walzgut (1) zur Kühlung desselben auf Raumtemperatur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühleinrichtung (3) an das Walzgut (1) anstellbar und deren Kühlintensität regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühleinrichtung (3) Teile zur Ausbildung eines lokalen in Längs-bzw. Achsrichtung des Walzgutes (1) im wesentlichen ununterbrochenen in Querrichtung begrenzten Kühlmittelstromes (31) besitzt und gegebenenfalls Mittel (34) zur Verhinderung eines verstärkten Wärmeentzuges der der gekühlten Fläche benachbarten Fläche(n) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkühleinrichtung als Druckluft- oder Sprühkühlung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut (1) in der Kühlflüssigkeit (37) in Längsachsrichtung relativ zum Tauchbecken (38) und/oder relativ zur Zusatzkühleinrichtung (3) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am Tauchbecken (38) und/oder in der Kühlflüssigkeit (37) selbst Einrichtungen angeordnet sind, durch welche die Kühlflüssigkeit (37) turbulent bewegbar und/oder in Schwingung versetzbar ist.
Profiliertes Walzgut, insbesondere Fahr- oder Eisenbahnschiene (1) bestehend aus einem Schienenkopf (21) mit zumindest teilweise feinperlitischer Gefügestruktur (111), einem Schienenfuß (13) und einem Steg (12) zwischen Schienenkopf (11) und Schienenfuß (13), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, vorzugsweise in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt der Schiene (1) diese im oberen Bereich (111 ) des Kopfes (11) hohe Materialhärte aufweist, welche Werte im unteren Kopfbereich (112) im Steg (12) und in den peripheren Teilen (132) des Fußes (13) abgesenkt sind und im zentrischen Bereich (131) an der Fußgrundfläche erhöhte Härtewerte des Werkstoffes vorliegen.
Profiliertes Walzgut nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zur Hauptachse des Querschnittprofiles bzw. symmetrisch zur senkrechten Achse des Schienenquerschnittes im wesentlichen gleiche Materialhärtewerte eingestellt sind.