EP1003920A1 - Verfahren zur herstellung eines hochfesten gleisteils sowie gleisteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines hochfesten gleisteils sowie gleisteil

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EP1003920A1
EP1003920A1 EP98943853A EP98943853A EP1003920A1 EP 1003920 A1 EP1003920 A1 EP 1003920A1 EP 98943853 A EP98943853 A EP 98943853A EP 98943853 A EP98943853 A EP 98943853A EP 1003920 A1 EP1003920 A1 EP 1003920A1
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EP
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steel
temperature
track part
strength
cooled
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EP98943853A
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Gerhard Ratz
Walter Kunitz
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Voestalpine Turnout Technology Germany GmbH
Original Assignee
Voestalpine BWG GmbH
Butzbacher Weichenbau GmbH
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a high-strength track part made of steel, in particular a switch part such as a centerpiece, tongue or wing rail. Furthermore, the invention relates to a high-strength track part, in particular a switch part such as a crosspiece, tongue or wing rail, which is made of steel.
  • Rails and switches in particular should have a high resistance to wear, crushing and fatigue damage. Break resistance and suitability for welding should also be provided. These requirements justified the use of rails with a minimum tensile strength of 11000 N / mm 2 .
  • a track part or a method for producing such in which a vacuum-treated steel with 0.53 to 0.62% C, 0.1 to 0.25 Si, 0.65 to 1.1% Mn, 0.8 to 1.3% Cr, 0.05 to 0.11% Mo, 0.05% to 0.11% V, ⁇ 0.02 % P, optionally up to 0.025% Al, optionally up to 0.5% Nb, remainder iron and usual melting-related impurities, the ratio of Mn: Cr being approximately 0.80 ⁇ Mn: Cr ⁇ 0.85 and the ratio of Mo: V is approximately 1 and the track part in the form of a switch section is a rolled rail section as the starting material, which has a martensitic structure, at least in the rail head, through tempering. This results in strengths of over 1500 N / mm 2 in the rail head.
  • the present invention is based on the problem of further developing a method for producing a track part of the type mentioned at the outset, or such itself, in such a way that there is high strength and yield strength with an increase in the service life, so that it is used in particular in switches subject to high loads can.
  • the problem is solved in that steel undergoes a chemical directional analysis with 0.3 to 0.6% C, 0.8 to 1.5% Si, 0.7 to 1.0% Mn, 0.9 to 1.4 % Cr, 0.6 to 1.0% Mo, remainder iron and usual fusion-related impurities with a bainitic basic structure heated to a temperature T, with 750 ° C ⁇ T, ⁇ 920 ° C, then to a temperature T 2 with 450 ° C ⁇ T 2 ⁇ 250 ° C cooled, then heated again to a temperature T 3 > T 2 with 400 ° C ⁇ T 3 ⁇ 560 ° C and at the temperature T 3 for a time t, with 60 min ⁇ t, ⁇ Hold 150 min and then cooled to room temperature.
  • the steel can be cooled from the temperature T, to the temperature T 2, preferably in a polymer-water mixture, in a molten salt or in a powder such as aluminum sump.
  • the steel is held in its core over a period of time t 2 with 10 min ⁇ t 2 ⁇ 30 min, in particular t 2, in about 20 min after reaching the temperature T (
  • the steel is heated to a temperature T, in particular of approximately 860 ° C., after a specific cooling from the rolling heat and formation of the bainitic basic structure of a tensile strength of approximately 1100 N / mm 2 , in order then to accelerate the steel to the Cool temperature T 2 and expose it to a cooling medium so that the core of the steel has cooled to temperature T 2 .
  • Particularly high strength or yield limit values can be achieved if the steel is subjected to a pretreatment step before it is heated to the temperature T, for example by the steel with the bainitic basic structure, for example in a heat treatment furnace to a temperature T 4 at 400 ° C. T 4 heated to ⁇ 550 ° C. and then cooled in a controlled manner in such a way that the steel after the pretreatment has a tensile strength of at least 1200 N / mm 2 , in particular a tensile strength between 1300 N / mm 2 and 1400 N / mm 2 .
  • the steel with a bainitic basic structure can be connected to conventional rail steels such as 900 A and S 1100 by flash butt welding, the connected rail parts subsequently being subjected to a common heat treatment.
  • the volume of a steel bainitic basic structure is tempered, whereby tensile strengths of up to 1700 N / mm 2 , yield strengths (technical yield strengths with 0.2% permanent elongation) to 1400 N / mm 2 , elongation at break A 5 (%) are readily achieved through targeted heat treatment. ) of more than 10 and constrictions of more than 25%.
  • the problem is also solved by a track part in that the track part is a steel chemical analysis with 0.3 to 0.6% C, 0.8 to 1.5% Si, 0.7 to 1.0% Mn, 0 , 9 to 1.4% Cr, 0.6 to 1.0% Mo, remainder iron as well as usual fusion-related impurities with a bainitic basic structure, a tensile strength is at least 1400 N / mm 2 and a technical yield strength of at least 1100 N / mm 2 .
  • the steel has a chemical directional analysis of 0.4 to 0.5% C, approximately 1% Si, approximately 0.8% Mn, approximately 1.0% Cr and 0.6 to 1.0% Mo , the strength is up to 1700 N / mm 2 and the yield strength is up to 1400 N / mm 2 .
  • the steel is heat treated in such a way that the elongation at break is> 10% and the constriction is> 25%.
  • a steel with a chemical directional analysis of 0.45% C, 1% Si, 0.8% Mn, 1% Cr, 0.8% Mo, remainder iron as well as usual fusion-related impurities is formed into a track part by rolling in order to be controlled Cooling from the rolling heat to achieve a structure with a bainitic basic structure and a strength of approximately 1100 N / mm 2 .
  • the switch component cooled to room temperature is then heated in a heat treatment furnace to a temperature of approximately 500 ° C. in order to achieve a strength of 1300 to 1400 N / mm 2 by subsequent controlled cooling.
  • the switch component is then heated to approx. 860 ° C. After reaching this temperature in the core of the switch component, the polymer-water mixture cools down to about 350 ° C.
  • a corresponding switch component was then connected to a UIC 900 A or UIC S 1100 rail by flash butt welding and installed in a track. Regular inspections revealed a high level of wear resistance, which showed an increase in stability of around 50% compared to conventional switch components.

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Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Gleisteils sowie Gleisteil
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Gleisteils aus Stahl, insbesondere Weichenteils wie Herzstück, Zungen- oder Flügelschiene. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein hochfestes Gleisteil, insbesondere Weichenteil wie Herzstück, Zungen- oder Flügelschiene, das aus Stahl hergestellt ist.
Durch die Geschwindigkeitszunahme von Zügen bedingt nehmen die Anforderungen an den Gleisoberbau zu. Dabei sollen insbesondere Schienen und Weichen einen hohen Widerstand gegen Verschleiß, Verquetschungen und Ermüdungsschäden aufweisen. Auch soll eine Bruchsicherheit und eine Eignung zum Schweißen gegeben sein. Diese Forderungen haben den Einsatz von Schienen mit Mindestzugfestigkeiten von 11000 N/mm2 begründet.
Aus der EP 0 620 865 Bl ist ein Gleisteil bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bekannt, bei dem ein vakuumbehandelter Stahl mit 0,53 bis 0,62 % C, 0,1 bis 0,25 Si, 0,65 bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 %Mo, 0,05% bis 0,11 % V, < 0,02 % P, wahlweise bis 0,025 % AI, wahlweise bis 0,5 % Nb, Rest Eisen sowie üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen verwendet wird, wobei das Verhältnis von Mn : Cr in etwa 0,80 < Mn : Cr < 0,85 und das Verhältnis von Mo : V in etwa 1 beträgt und wobei das Gleisteil in Form eines Weichenabschnitts ein gewalzter Schienenabschnitt als Ausgangsmaterial ist, der durch Vergütung ein martensitisches Gefüge zumindest im Schienenkopf aufweist. Hierdurch ergeben sich im Schienenkopf Festigkeiten über 1500 N/mm2.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Gleisteils der eingangs genannten Art bzw. ein solches selbst derart weiterzubilden, dass sich eine hohe Festigkeit und Streckgrenze bei Erhöhung der Lebensdauer ergibt, so dass insbesondere ein Einsatz in hoch beanspruchten Weichen erfolgen kann.
Verfahrensmäßig wird das Problem dadurch gelöst, dass Stahl einer chemischen Richtanalyse mit 0,3 bis 0,6 % C, 0,8 bis 1,5 % Si, 0,7 bis 1,0 % Mn, 0,9 bis 1,4 % Cr, 0,6 bis 1,0 % Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen mit einer bainitischen Grundstruktur auf eine Temperatur T, mit 750 °C < T, < 920 °C angewärmt, anschließend auf eine Temperatur T2 mit 450 °C < T2 < 250 °C abgekühlt, sodann erneut auf eine Temperatur T3 > T2 mit 400 °C < T3 < 560 °C erwärmt und bei der Temperatur T3 über eine Zeit t, mit 60 min < t, < 150 min gehalten und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Dabei kann der Stahl von der Temperatur T, auf die Temperatur T2 vorzugsweise in einem Polymer- Wasser-Gemisch, in einer Salzschmelze oder in einem Pulver wie Aluminium-Sumpf beschleunigt abgekühlt werden.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich dann erzielen, wenn der Stahl nach Erreichen der Temperatur T( in seinem Kern über einen Zeitraum t2 mit 10 min < t2 < 30 min , insbesondere t2 in etwa 20 min gehalten wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Stahl nach einer gezielten Abkühlung aus der Walzwärme und Ausbildung des bainitischen Grundgefüges einer Zugfestigkeit von ungefähr 1100 N/mm2 auf eine Temperatur T, von insbesondere in etwa 860 °C angewärmt wird, um anschließend den Stahl beschleunigt auf die Temperatur T2 abzukühlen und einem Kühlmedium auszusetzen, so dass der Stahl in seinem Kern auf die Temperatur T2 abgekühlt ist.
Besondere hohe Festigkeits- bzw. Streckgrenzwerte lassen sich dann erzielen, wenn der Stahl vor seinem Anwärmen auf die Temperatur T, einer Vorbehandlungsstufe unterzogen wird, indem der Stahl mit der bainitischen Grundstruktur zum Beispiel in einem Wärmebehandlungsofen auf eine Temperatur T4 mit 400 °C < T4 < 550 °C erwärmt und sodann gesteuert derart abgekühlt wird, dass der Stahl nach der Vorbehandlung eine Zugfestigkeit von zumindest 1200 N/mm2, insbesondere eine Zugfestigkeit zwischen 1300 N/mm2 und 1400 N/mm2 aufweist.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Stahl mit bainitischem Grundgefüge mit üblichen Schienenstählen wie 900 A und S 1100 durch Abbrennstumpfschweißen verbunden werden kann, wobei die verbundenen Gleisteile nachfolgend einer gemeinsamen Wärmebehandlung unterzogen werden können.
Erfmdungsgem.äß erfolgt eine Volumenvergütung eines Stahl bainitischer Grundstruktur, wobei sich durch gezielte Wärmebehandlung Zugfestigkeiten bis ohne Weiteres 1700 N/mm2 , Streckgrenzen (technische Streckgrenzen mit 0,2 % bleibender Dehnung) bis 1400 N/mm2, Bruchdehnung A5 ( %) von mehr als 10 und Einschnürungen von mehr als 25 % ergeben.
Erfindungsgemäß wird das Problem auch durch ein Gleisteil dadurch gelöst, dass das Gleisteil ein Stahl chemischer Richtanalyse mit 0,3 bis 0,6 % C, 0,8 bis 1,5 % Si, 0,7 bis 1,0 % Mn, 0,9 bis 1,4 % Cr, 0,6 bis 1,0 % Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen mit bainitischer Grundstruktur, einer Zugfestig- keit von zumindst 1400 N/mm2 und einer technischen Streckgrenze von zumindest 1100 N/mm2 ist.
Insbesondere weist der Stahl eine chemische Richtanalyse von 0,4 bis 0,5 % C, in etwa 1 % Si, in etwa 0,8 % Mn, in etwa 1,0 % Cr und 0,6 bis 1,0 % Mo auf, wobei die Festigkeit bis 1700 N/mm2 und die Streckgrenze bis 1400 N/mm2 beträgt. Dabei ist der Stahl derart wärmebehandelt, dass die Bruchdehnung > 10 % und die Einschnürung > 25 % beträgt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert.
Ein Stahl mit einer chemischen Richtanalyse von 0,45 % C, 1 % Si, 0,8 % Mn, 1 % Cr, 0,8 % Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen wird durch Walzen zu einem Gleisteil geformt, um durch gezieltes Abkühlen aus der Walzwärme ein Gefüge mit bainitischer Grundstruktur und einer Festigkeit von in etwa 1100 N/mm2 zu erzielen. Sodann wird das auf Raumtemperatur abgekühlte Weichenbauteil in einem Wärmebehandlungsofen auf eine Temperatur von in etwa 500 °C erwärmt, um durch anschließendes erneutes gesteuertes Abkühlen eine Festigkeit von 1300 bis 1400 N/mm2 zu erreichen. Sodann wird das Weichenbauteil auf ca. 860 °C angewärmt. Nach Erreichen dieser Temperatur im Kern des Weichenbauteils erfolgt eine beschleunigte Abkühlung in einem Polymer- Wassergemisch auf in etwa 350 °C. Nach Erreichen dieser Temperatur im Kern des Weichenbauteils erfolgt wiederum ein Erwärmen auf in etwa 450 °C, wobei das Weichenbauteil bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von in etwa 2 h gehalten wird. Durch diese Wärmebehandlung ergibt sich ein feinnadliges bainitisches Gefüge mit nachfolgenden Eigenschaften: Zugfestigkeit ca. 1680 N/mm2, technische Streckgrenze ca. 1350 N/mm2,
Bruchdehnung > 10 %,
Einschnürung > 25 %.
Ein entsprechendes Weichenbauteil ist sodann mit einer Schiene der Güte UIC 900 A bzw. UIC S 1100 durch Abbrennstumpfschweißen verbunden und in einem Gleis eingebaut worden. Regelmäßige Überprüfungen ergaben eine hohe Verschleißfestigkeit, die im vergleich zu üblichen Weichenbauteilen eine Erhöhung der Standfestigkeit von in etwa 50 % zeigten.
Zu erwähnen ist, dass es sich bei dem erneuten Anwärmen auf ca. 860 °C und der sodann beschriebenen Verfahrensschritte um bevorzugte Maßnahmen handelt.

Claims

AnsprücheVerfahren zur Herstellung eines hochfesten Gleisteils sowie Gleisteil
1. Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Gleisteils aus Stahl, insbesondere eines Weichenbauteils wie Herzstück, Zungen- oder Flügelschiene, dadurch gekennzeichnet, dass Stahl einer chemischen Richtanalyse mit 0,3 bis 0,6 % C, 0,8 bis 1,5 % Si, 0,7 bis 1,0 % Mn, 0,9 bis 1,4 % Cr, 0,6 bis 1,0 % Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen mit einer bainitischen Grundstruktur auf eine Temperatur T, mit 750 °C < T,^ < 920 °C angewärmt, anschließend auf eine Temperatur T2 mit 450 °C < T2 < 250 °C abgekühlt, sodann erneut auf eine Temperatur T3 > T2 mit 400 °C < T3 < 560 °C erwärmt und bei der Temperatur T3 über eine Zeit t) mit 60 min < t{ < 150 min gehalten und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl mit bainitischer Grundstruktur von der Temperatur T, auf die Temperatur T2 vorzugsweise in einem Polymer- Wassergemisch, in einer Salzschmelze oder in einem Pulver wie Aluminium-Sumpf beschleunigt abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach Erreichen der Temperatur Tt in seinem Kern über einen Zeitraum t2 mit 10 min < t2 < 30 min , insbesondere t2 in etwa 20 min gehalten wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach einer gezielten Abkühlung aus der Walzwärme und Ausbildung des bainitischen Grundgefüges einer Zugfestigkeit von ungefähr 1100 N/mm2 auf eine Temperatur T[ von insbesondere in etwa 860 °C angewärmt wird, dass anschließend der Stahl beschleunigt auf die Temperatur T2 abgekühlt und einem Kühlmedium derart ausgesetzt wird, dass der Stahl in seinem Kern auf die Temperatur T2 abgekühlt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl vor seinem Anwärmen auf die Temperatur Tj einer Vorbehandlungsstufe unterzogen wird, indem der Stahl mit der bainitischen Grundstruktur vorzugsweise in einem Wärmebehandlungsofen auf eine Temperatur T4 mit 400 °C < T4 < 550 °C erwärmt und sodann gesteuert derart abgekühlt wird, dass der Stahl nach der Vorbehandlung eine Zugfestigkeit von zumindest 1200 N/mm2, insbesondere eine Zugfestigkeit zwischen 1300 N/mm2 und 1400 N/mm2 aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl mit bainitischem Grundgefüge mit üblichen Schienenstählen wie 900 A und S 1100 durch Abbrennstumpfschweißen verbunden wird, wobei die verbundenen Gleisteile nachfolgend einer gemeinsamen Wärmebehandlung unterzogen werden.
7. Hochfestes Gleisteil, insbesondere Weichenbauteil wie Herzstück, Zungen- oder Flügelschiene, aus Stahl, der durch Walzen geformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil aus Stahl einer chemischen Richtanalyse mit 0,3 bis 0,6 % C, 0,8 bis 1,5 % Si, 0,7 bis 1,0 % Mn, 0,9 bis 1,4 % Cr, 0,6 bis 1,0 % Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen hergestellt ist, ein bainitisches Grundgefüge, eine Zugfestigkeit von mehr als 1600 N/mm2 und einer technische Streckgrenze von mehr als 1250 N/mm2 aufweist.
8. Gleisteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil aus Stahl einer chemischen Richtanalyse von 0,4 bis 0,5 % C, in etwa 1 % Si, in etwa 0,8 % Mn, in etwa 1,0 % Cr und 0,6 bis 1,0 % Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen hergestellt ist sowie eine Zugfestigkeit bis 1700 N/mm2 und eine technische Streckgrenze bis 1400 N/mm2 aufweist.
9. Gleisteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, der Stahl derart wärmebehandelt ist, dass die Bruchdehnung > 10 % und die Einsschnürung > 25 % beträgt.
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