EP2895632A1 - Verfahren zur herstellung von bainitischen schienenstählen, gleisteil und einrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bainitischen schienenstählen, gleisteil und einrichtung zur durchführung des verfahrens

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EP2895632A1
EP2895632A1 EP13739927.5A EP13739927A EP2895632A1 EP 2895632 A1 EP2895632 A1 EP 2895632A1 EP 13739927 A EP13739927 A EP 13739927A EP 2895632 A1 EP2895632 A1 EP 2895632A1
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EP
European Patent Office
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temperature
rail
cooling
cooling medium
rail head
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13739927.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Pointner
Norbert Frank
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Voestalpine Rail Technology GmbH
Original Assignee
Voestalpine Schienen GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C21D2211/005—Ferrite

Definitions

  • the invention relates to a rail part, in particular a rail for rail vehicles made of a low-alloy steel.
  • the invention further relates to a method for producing a rail part from a hot-rolled profile and to a device for carrying out this method.
  • Rail tracks are therefore subject to difficult operating conditions and must therefore be of higher quality to withstand the higher loads. Concrete problems are manifested in a sharp increase in wear, particularly in the rails mounted in arches, and in the occurrence of material fatigue damage, which mainly develops on the running edge, which is the main contact point of the rail with the wheels in the arch. This leads to rolling contact fatigue damage (RCF - rolling-contact-fatigue).
  • RCF surface damage examples include head checks (rolling fatigue), spalling (flaking), squats (plastic surface deformations), slip waves and herniation. These damage to the surface results in shortened rail life, increased noise emissions and operational disability. The increased occurrence of errors is also accelerated by the ever-increasing traffic loads. The immediate consequence of this development is an increased need for maintenance of the rails. However, the increasing need for maintenance is in conflict with the ever-decreasing number of maintenance windows. Higher train densities more and more reduce the time during which rails can be machined. Although the above-mentioned damage can be eliminated in the early stages by grinding, but the rail is to be replaced in case of severe damage.
  • Bainite is a microstructure that can be produced during the heat treatment of carbon steel by isothermal transformation or continuous cooling. Bainite forms at temperatures and cooling rates that are intermediate to those for perlite or martensite formation. In contrast to the formation of martensite, folding processes in the crystal lattice and diffusion processes are coupled here, which makes various conversion mechanisms possible. Due to the dependence on cooling rate, carbon content, alloying elements and the resulting formation temperature, the bainite has no characteristic structure.
  • Bainite like perlite, consists of the phases ferrite and cementite (Fe3C), but differs from pearlite in shape, size and distribution. Basically, bainite is divided into two main structural forms, the upper bainite and the lower bainite.
  • a rail material is known in which a structural transformation of austenite is expressly formed only in the lower bainite, so that the profiled rolling a hardness of at least 350 HB, in particular 450-600 HB receives.
  • a bainitic ground structure can also be used with higher alloying constituents, such as with a high chromium content of 2.2 to 3.0 wt .-% can be achieved, as described in the publications DE 102006030815 AI and DE 102006030816 AI.
  • the high proportion of alloy components leads to undesirably high costs and a complex welding technology.
  • DE 202005009259 Ul also describes a bainitic high-strength rail part made of a high-alloy steel, in particular with high alloy contents of Mn, Si and Cr. In such a high-alloyed steel, the bainite formation can be easily obtained by cooling in still air. In contrast, bainite formation is only possible with low-alloyed steels if controlled cooling is used.
  • DE 1533982 describes a method for heat treatment of rails, in which the still rolling temperature having rail is taken after leaving the rolling stand with a lifting device and immersed with the rail head down in a maintained at a constant temperature fluidized bed and cooled there, wherein a bainitic microstructure is achieved by selecting the fluid bed temperature between 380 and 460 ° C and leaving the rail in the fluidized bed for between 300 and 900 seconds depending on its temperature.
  • a further production of high-strength rails of low-alloy steels with bainitic structures for achieving a better resistance to fatigue damage due to rolling contact has become known from EP 612852 B1.
  • the head of the rail is subjected to accelerated cooling at a rate of 1-10 ° C / sec from the austenite region to a cooling-down temperature of 500-300 ° C. After this rapid cooling, the rail head is further cooled to near room temperature, in which either a natural Cooling with heat recovery or forced cooling at a rate of 1-40 ° C / min is used.
  • the invention therefore aims to improve a rail part, in particular a rail, which is to consist of a low-alloy steel for cost reasons and for reasons of welding, to the effect that even with increased wheel loads no RollunterermüdungsSWden and in particular no cracks on the running edge and arise at the tread. Furthermore, the wear resistance should be increased so far that a service life of more than 30 years can be ensured. Finally, the track part should be well weldable and similar other material properties such as e.g. a similar electrical conductivity and a similar coefficient of thermal expansion have been proven in rail construction proven steels.
  • the invention aims to provide a simple production process, which is characterized by a short process time (avoiding incandescent phases), high reproducibility and high cost-effectiveness.
  • the method is intended to produce long rails of e.g. be suitable over 100 m in length, over the entire rail length constant material properties are to be ensured.
  • the invention according to a first aspect provides a rail part of the type mentioned, which is developed such that the steel in the rail head of the Rail part has a ferrite content of 5-15 vol.% And a multi-phase bainite structure consisting of upper and lower bainite parts.
  • a ferritic structure By combining a ferritic structure with a bainitic structure, excellent toughness properties and a sufficiently high hardness are achieved.
  • the ferrite microstructure component serves as plasticity carrier and leads to the fact that any cracks which may have occurred can not run into the material as head checks.
  • the ferrite content gives the entire structure a continuous network in which the bainite is embedded.
  • the ferrite is an acicular ferrite.
  • the acicular structure is characterized by a higher tensile strength and wear resistance compared to a non-acicular structure and also to a pearlitic structure.
  • the acicular ferrite has a microstructure characterized by needle-like shaped crystallites or grains, wherein the crystallites are not uniformly aligned, but are completely unoriented, which positively influences the toughness of the steel.
  • the unoriented arrangement of the grains leads to a mutual entanglement of the individual grains, which in combination with the multiphase bainite effectively prevents cracking or propagation.
  • the texture often has a grainy appearance, so the upper bainite is sometimes referred to as granular bainite.
  • the lower bainite is formed during isothermal and continuous cooling in the lower temperature range of bainite formation. Ferritation causes the austenite to accumulate in carbon, and on further cooling, the austenite areas are transformed into ferrite, cementite, needle-like bainite and martensite. Bainitizing reduces residual stresses and increases toughness.
  • the mixing ratio between lower and upper bainite can basically be varied within wide limits according to the respective requirements.
  • the choice of mixing ratio determines the hardness of the steel. It is particularly preferred in the context of the invention that the proportion of the upper bainite 5-75 vol .-%, in particular 20-60 vol .-% and the proportion of the lower bainite 15-90 vol .-%, in particular 40-85 vol .-%, is.
  • the ferrite content is preferably 8-13% by volume.
  • Precondition for a complete bainitic transformation is the carbide formation from the austenite. Because carbides absorb large amounts of carbon, they are carbon sinks that extract carbon from austenite. Will the Carbide formation, for example, prevented or delayed by silicon as an alloying element, so larger Austenitmen- gene are not converted. After quenching to room temperature, they are then completely or partially present as retained austenite. The amount of retained austenite depends on how much the martensite temperature in the remaining austenite has dropped. In the context of the invention, it is advantageous if the smallest possible proportions of austenite and / or martensite remain. The invention therefore preferably provides in this connection for the steel in the rail head of the rail part to have a Re martensite / austenite content of ⁇ 2 vol. -% having.
  • low-alloy steels are used according to the invention in order to minimize costs and to improve weldability.
  • the low-alloyed steel in the context of the invention preferably contains silicon, manganese and chromium as alloy constituents, as well as possibly vanadium, molybdenum, phosphorus, sulfur and / or nickel.
  • a steel is in the context of the invention then to be referred to as low-alloy steel, if no alloying ingredient in a proportion of greater than 1.5 Ge. -% is available.
  • a particularly good suitability for heavily loaded road sections is preferably given when the rail part in the head region has a tensile strength R m of greater than 1150 N / mm 2 . Furthermore, the track part in the head area preferably has a hardness greater than 340 HB.
  • the invention provides a method for producing the track part described above, wherein the track part is produced from a hot-rolled profile, wherein the rail head of the rolled profile is subjected to controlled cooling immediately after leaving the rolling stand with the rolling heat, wherein the controlled cooling in a first step is an accelerated cooling until reaching a first temperature permitting ferrite formation, in a second step holding the first temperature to effect ferrite formation, in a third step further cooling in one of the poly phases - Bainit Bear permitting temperature range up to a second temperature and in a fourth step comprises holding the second temperature.
  • the controlled cooling is preferably carried out, as known per se, by immersing at least the rail head in a liquid cooling medium.
  • the first step in this case preferably begins at a temperature of 740-850 ° C, in particular about 790 ° C and ends preferably at a temperature of 450-525 ° C.
  • the cooling which takes place during the first step must be controlled in such a way that in the time-temperature conversion diagram one arrives in the area of ferrite and subsequent bainite formation, in particular no conversion in the pearlite stage.
  • the accelerated cooling takes place in the first Step preferably with a cooling rate of 2-5 ° C / sec.
  • the preferred procedure is that the rail part is completely immersed in the cooling medium during the first step.
  • the temperature of preferably 450-525 ° C is maintained and it produces the important for the property property ferrite, in particular the acicular ferrite, with a volume fraction of 5-15%, in particular 8-13%, in particular about 10%. Maintaining the temperature is preferably achieved by holding the splice member in a position taken out of the cooling medium during the second step.
  • a further controlled cooling is carried out for the required limitation of the ferrite content, so that a mixture of upper and lower bainite structure is formed (multiphase bainite).
  • the temperature range in which bainitization occurs is preferably between 450-525 ° C and 280-350 ° C, i. that the rail head of the rail part in the bainite phase from 450-525 ° C to 280-350 ° C is cooled.
  • This third step preferably extends over a period of 50-100 sec, in particular about 70 sec. In the bainite formation phase, it is sufficient if the rail part is preferably immersed in the cooling medium only with the rail head.
  • the hardness of the rail part in the fourth step is then finally fixed depending on the temperature position, falling below the martensite start temperature (usually about 280 ° C) is to be avoided since can form too many martensitic, brittle microstructural constituents in the temperature range.
  • the temperature hold during the fourth step is preferably carried out by cyclic head diving, ie that the track part is dipped cyclically in the cooling medium and taken out of the cooling medium. Since the temperature range of the bainite phase formation and the Martensitstarttemperatur depends on the alloying elements of the respective steel and their proportions, the value of the first temperature and the value of the second temperature must be determined in advance for each steel exactly.
  • the temperature of the rail is then continuously measured during the controlled cooling, wherein the cooling and holding sections are started or terminated upon reaching the respective temperature thresholds. Since the surface temperature of the rail can vary over the entire length of the rail part, but the cooling is carried out uniformly for the entire rail part, it is preferred that the temperature is detected at a plurality of measuring points distributed over the length of the rail part and a mean temperature is formed, which is used for the control of the controlled cooling.
  • austenite transforms to bainite as completely as possible. This occurs at temperatures below the perlite formation up to the martensite start temperature both isothermally and with continuous cooling.
  • By slowly folding the austenite out, starting from the grain boundaries or impurities strongly carbon-supersaturated ferrite crystals with cubic-body-centered crystal lattice are formed.
  • the carbon precipitates within the ferrite grain due to the higher diffusion rate in the cubic body centered lattice in the form of spherical or ellipsoidal cementite crystals.
  • the carbon can diffuse into the austenite area and form carbides.
  • cooling and temperature maintenance are carried out in such a way that a multiphase bainite is formed.
  • a continuous cooling takes place at a lower cooling rate than in a second substep, in which the temperature is lowered abruptly until the second temperature is reached.
  • predominantly upper bainite is formed.
  • a holding at the second temperature takes place, in which case lower bainite is formed. The duration of holding the second temperature during the fourth step determines the extent of lower bainite formation.
  • the upper bainite consists of needle-shaped ferrite, which is arranged in packets. Between the individual Ferritnadeln more or less continuous films of 'carbides are parallel prior to the needle axis.
  • lower bainite is composed of ferrite ⁇ plates, within which the carbides form an angle of 60 ° to the needle axis.
  • the cooling medium passes through three phases of the quenching process.
  • the first phase the vapor film phase
  • the temperature at the surface of the rail head is so high that the cooling medium evaporates rapidly and forms a thin insulating vapor film (Leidenfrost effect).
  • This steam film phase is, inter alia, very much dependent on the vapor formation heat of the cooling medium, the surface condition of the rail part, such as scale, or the chemical composition and design of the cooling pool.
  • the cooling medium comes into direct contact with the hot surface of the rail head and comes immediately to boiling, resulting in a high cooling rate.
  • the third phase the Convection phase, begins when the surface temperature of the rail part has dropped to the boiling point of the cooling medium. In this area, the cooling speed is essentially influenced by the flow velocity of the cooling medium.
  • the cooling medium is preferably in the vapor film phase during the first step. Preference is also given to proceeding so that the cooling is controlled during the third step so that the cooling medium first forms a vapor film on the surface of the rail head and then boils on the surface. There is thus a transition from the vapor film phase into the cooking phase.
  • the vapor film phase extends over the length of the above-mentioned first substep, in which predominantly upper bainite is produced.
  • the temperature Upon reaching the boiling phase, the temperature abruptly drops to the second temperature, i. to preferably 280-350 ° C from.
  • the transition from the vapor film phase to the cooking phase is usually relatively uncontrolled and spontaneous. Since the rail temperature over the entire length of the rail part is subject to certain production-related temperature fluctuations, there is the problem that the transition from the vapor film phase into the cooking phase occurs in different lengths of the rail part at different times. This would lead to a non-uniform microstructure over the length of the rail part and consequently to uneven material properties.
  • a preferred procedure provides that during the third step, a film breaking, gaseous printing medium, such as nitrogen, is fed along the entire length of the rail part to the rail head to the steam film along the entire length of the rail part to break and initiate the cooking phase.
  • the film-breaking, gaseous pressure medium is brought to the rail head approximately 20-100 seconds, in particular approximately 50 seconds after the beginning of the third step.
  • a device for carrying out the method described above comprising a coolant tank which can be filled with cooling medium, a lifting and lowering device for the rail part in order to dip and lift the rail part into the cooling tank
  • Temperature measuring means for measuring the temperature of the rail part Pressure medium generating means, by which the pressure medium is introduced into the cooling medium, means for controlling the temperature of the cooling medium and a control device, which are supplied with the measured values of the temperature measuring device and which with the raising and lowering device for controlling the Heb - and lowering operations and with the means for controlling the temperature of the cooling medium in dependence on the temperature readings and further cooperates with the pressure medium generating means.
  • sensors are provided for detecting cooling medium boiling on the surface of the rail head, the sensor measured values of which are fed to the control device in order to increase the pressure measurement. diumer Wegungsmittel depending on the sensor measured values to control.
  • a plurality of sensors may be provided for detecting cooling medium cooking on the surface of the rail head, which are distributed over the length of the cooling pool.
  • the sensor measured values of the plurality of sensors are fed to the control device, wherein the control device controls the pressure medium generating means as soon as at least one sensor detects boiling cooling medium on the surface of the rail head.
  • control means is adapted to perform a controlled cooling, in a first step, an accelerated cooling until reaching a ferrite permitting first temperature, in a second step, holding the first temperature to effect ferrite formation, in a third Step includes further cooling in a temperature range allowing the multiphase bainite formation to a second temperature and in a fourth step comprising holding the second temperature.
  • the controller may be configured to reduce the temperature of the rail head in the first step at a cooling rate of 2-5 ° C / sec to a first temperature of 450-525 ° C, the temperature of the rail head in the second step on the to maintain the first temperature and the temperature of the rail head during the third step, preferably over a period of 50-100 sec, in particular about 70 sec, to a second temperature of 280-350 ° C to reduce.
  • the control means is adapted to drive the print medium generating means during the third step.
  • a low-alloy steel with the following directional analysis was formed by hot rolling into a rail with a rail profile:
  • the rail was subjected to controlled cooling with the rolling heat.
  • the controlled cooling is explained below with reference to the time-temperature conversion diagram shown in FIG. 1, wherein the line designated by 1 represents the cooling curve.
  • the cooling process starts at a temperature of 790 ° C.
  • the rail is dipped via its ge ⁇ entire length and with its entire cross section in a cooling bath of water and it was a cooling rate of 4 ° C / sec is set. After about 75 seconds, a surface temperature of the rail head of 490 ° C was measured, where point 2 was reached and the rail was taken out of the cooling bath was maintained to hold the temperature for a period of about 30 seconds, whereby the formation of acicular ferrite was achieved.
  • the rail was again immersed in the cooling bath and cooled to point 4.
  • the initial boiling of the cooling water at the surface of the rail head was detected and compressed air was applied to the rail head to break the vapor film surrounding the rail head and initiate the cooking phase over the entire length of the rail.
  • the initiation of the cooking phase led to an abrupt drop in the temperature of the rail head, wherein this cooling was stopped when reaching a temperature of 315 ° C (item 5). By cyclic head diving this temperature was maintained for a certain time.
  • the length of the hold time determines the composition of the multiphase bainite structure, as shown in the following examples.
  • Example 1 In a first embodiment was. a low-alloyed steel with the following guideline analysis by means of hot rolling to form a rail with rail profile:
  • the microstructure is shown in FIG. 2.
  • Example 2 In the second embodiment, the same low alloy steel was used as in Example 1 and formed by hot rolling into a rail with a rail profile. The controlled cooling was carried out the same as in Example 1, but the temperature was kept longer in the fourth step than in Example 1. The following structure was achieved in the rail head: about 10 vol. -% acicular ferrite,

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Abstract

Bei einem Gleisteil, insbesondere einer Schiene für Schienenfahrzeuge aus einem niedriglegierten Stahl, weist der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Ferritanteil von 5-15 Vol.-% und eine Mehrphasen-Bainitstruktur bestehend aus oberen und unteren Bainitanteilen auf.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON BAINITISCHEN SCHIENENSTÄHLEN, GLEISTEIL UND EINRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
Die Erfindung betrifft ein Gleisteil, insbesondere eine Schiene für Schienenfahrzeuge aus einem niedriglegierten Stahl.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung eines Gleisteils aus einem warmgewalzten Profil sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. In jüngster Zeit werden das Gewicht der transportierten Lasten im Schienenverkehr und die Fahrgeschwindigkeit stetig erhöht, um die Effizienz des Schienentransports zu erhöhen. Eisenbahnschienen unterliegen daher erschwerten Betriebsbedingungen und müssen daher eine höhere Qualität haben, um den höheren Belas- tungen standzuhalten. Konkrete Probleme zeigen sich in einer starken Zunahme des Abriebs insbesondere der in Bögen montierten Schienen und durch das Auftreten von Materialermüdungsschäden, die sich vor allem an der Fahrkante entwickeln, die den Hauptkontaktpunkt der Schiene mit den Rädern im Bogen dar- stellt. Dies führt zu Rollkontaktermüdungsschaden (RCF - rol- ling-contact-fatigue) . Beispiele für RCF-Oberflächenschäden sind z.B. Headchecks (Abrollermüdungen), Spalling (Abplatzungen) , Squats (plastische Oberflächenverformungen) , Schlupfwellen und Verriffeiungen . Diese Schädigungen der Oberfläche sor- gen für eine verkürzte Schienenlebensdauer, erhöhte Lärmemissionen und Betriebsbehinderungen. Das vermehrte Auftreten der Fehler wird zudem durch die stetig wachsenden Verkehrslasten beschleunigt. Die unmittelbare Folge dieser Entwicklung ist ein erhöhter Instandhaltungsbedarf der Schienen. Der steigende In- Standhaltungsbedarf steht jedoch im Widerspruch zu den immer kleiner werdenden Instandhaltungsfenstern. Höhere Zugdichten verringern die Zeiträume, in denen Schienen bearbeitet werden können, mehr und mehr. Die genannten Schäden können zwar im Frühstadium durch Schleifen beseitigt werden, jedoch ist die Schiene bei starker Schädigung zu tauschen. Es hat in der Vergangenheit daher nicht an Versuchen gefehlt, sowohl den Verschleißwiderstand als auch den Widerstand gegen RCF-Schädigungen zu verbessern, um den Lebenszyklus der Schienen zu erhöhen. Dies erfolgte u.a. durch die Einführung und Verwendung bainitischer Schienenstähle. Bainit ist ein Gefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl durch isotherme Umwandlung oder kontinuierliche Abkühlung entstehen kann. Bainit bildet sich bei Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten, die zwischen denen für die Perlit- bzw. Martensitbildung liegen. Anders als bei der Bil- dung von Martensit sind hier Umklappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsvorgänge gekoppelt, wodurch verschiedene Umwandlungsmechanismen möglich werden. Aufgrund der Abhängigkeit von Abkühlungsgeschwindigkeit, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und der daraus resultierenden Bildungstemperatur, besitzt der Bainit kein charakteristisches Gefüge. Bainit besteht, ebenso wie Perlit, aus den Phasen Ferrit und Zementit (Fe3C) , unterscheidet sich aber vom Perlit in Form, Größe und Verteilung. Grundsätzlich wird Bainit in zwei Hauptgefügeformen unterschieden, dem oberen Bainit und dem unteren Bainit.
Aus der AT 407057 B ist ein Schienenwerkstoff bekannt, bei dem eine Gefügeumwandlung von Austenit ausdrücklich nur im Bereich der unteren Bainitstufe gebildet wird, sodass das profilierte Walzgut eine Härte von mindestens 350 HB, insbesondere 450-600 HB erhält.
Ein bainitisches Grundgefüge kann auch mit höheren Legierungsbestandteilen, wie z.B. mit einem hohen Chromgehalt von 2,2 bis 3,0 Gew.-% erreicht werden, wie dies in den Schriften DE 102006030815 AI und DE 102006030816 AI beschrieben ist. Der hohe Anteil an Legierungsbestandteilen führt jedoch zu unerwünscht hohen Kosten und einer aufwendigen Schweißtechnik. Auch die DE 202005009259 Ul beschreibt ein bainitisches hochfestes Gleisteil aus einem hochlegierten Stahl, insbesondere mit hohen Legierungsanteilen von Mn, Si und Cr. Bei einem derartigen hochlegierten Stahl kann die Bainitbildung in einfacher Weise durch Abkühlung an ruhender Luft erwirkt werden. Bei niedrigle- gierten Stählen hingegen ist eine Bainitbildung nur dann möglich, wenn eine gesteuerte Abkühlung vorgenommen wird.
Dementsprechend beschreibt beispielsweise die DE 1533982 ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen, bei dem die noch Walztemperatur aufweisende Schiene nach dem Verlassen des Walzgerüstes mit einer Hebevorrichtung aufgenommen wird und mit dem Schienenkopf nach unten in ein auf konstanter Temperatur gehaltenes Fließbett eingetaucht und dort abgekühlt wird, wobei eine bainitische Gefügeausbildung dadurch erreicht wird, dass die Fließbett-Temperatur zwischen 380 und 460 °C gewählt wird und die Schiene im Fließbett in Abhängigkeit von dessen Temperatur zwischen 300 und 900 Sekunden belassen wird.
Eine weitere Herstellung von hochfesten Schienen aus niedrig legierten Stählen mit Bainitstrukturen für die Erreichung einer besseren Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden durch Rollkontakt ist aus der EP 612852 Bl bekannt geworden. Der Kopf der Schiene wird einer beschleunigten Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 1-10 °C/sec aus dem Austenit-Bereich bis zu einer Abkühlun- terbrechungstemperatur von 500-300°C unterzogen. Nach dieser Schnellabkühlung wird der Schienenkopf weiter bis in die Nähe der Raumtemperatur abgekühlt, in dem entweder eine natürliche Abkühlung mit Wärmerückgewinnung oder eine Zwangskühlung mit einer Geschwindigkeit von 1-40 °C/min zur Anwendung kommt.
Mit den genannten Maßnahmen konnte die Rissbildung und -fortpflanzung am Schienenkopf zwar verzögert, nicht aber verhindert werden.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Gleisteil, insbesondere eine Schiene, das bzw. die aus Kostengründen und aus Gründen der Schweißtechnik aus einem niedriglegierten Stahl bestehen soll, dahingehend zu verbessern, dass auch bei erhöhten Radlasten keine Rollkontaktermüdungsschäden und insbesondere keine Risse an der Fahrkante und an der Lauffläche entstehen. Weiters soll auch die Verschleißfestigkeit soweit erhöht werden, dass eine Liegedauer von mehr als 30 Jahren sichergestellt werden kann. Schließlich soll das Gleisteil gut verschweißbar sein und ähnliche sonstige Materialeigenschaften wie z.B. eine ähnliche elektrische Leitfähigkeit und einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie bisher im Schienenbau bewährte Stähle.
Weiters zielt die Erfindung darauf ab, ein einfaches Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches sich durch eine kurze Verfahrensdauer (Vermeidung von Glühphasen) , eine hohe Reproduzierbarkeit und durch eine hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Das Verfahren soll zur Herstellung von langen Schienen von z.B. über 100 m Länge geeignet sein, wobei über die gesamte Schienenlänge konstante Materialeigenschaften sichergestellt werden sollen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Gleisteil der eingangs genannten Art vor, das derart weitergebildet ist, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Ferritanteil von 5-15 Vol.-% und eine Mehrpha- sen-Bainitstruktur bestehend aus oberen und unteren Bainitan- teilen aufweist. Durch die Kombination einer ferritischen Struktur mit einer bainitischen Struktur werden hervorragende Zähigkeitseigenschaften und eine ausreichend hohe Härte erreicht. Der Ferrit-Gefügebestandteil dient hierbei als Plastizitätsträger und führt dazu, dass ggf. entstandene Risse nicht als Headchecks ins Material verlaufen können. Der Ferritanteil verleiht dem Gesamtgefüge ein durchgehendes Netzwerk, in das der Bainit eingelagert ist. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Perkolationsschwelle ( "Percolation-Threshold" ) , die erreicht werden muss, um diese Ausbildung von zusammenhängenden Gebieten (Clustern) zu erhalten. Bevorzugt ist der Ferrit ein acikularer Ferrit. Das acikulare Gefüge zeichnet sich gegenüber einem nicht acikularen Gefüge und auch gegenüber einem perliti- schen Gefüge durch eine höhere Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Der acikulare Ferrit weist eine Mikrostruktur auf, die durch nadelartig geformte Kristallite oder Körner gekennzeichnet ist, wobei die Kristallite nicht einheitlich ausge- richtet sind, sondern völlig unorientiert vorliegen, was die Zähigkeit des Stahls positiv beeinflusst. Die unorientierte Anordnung der Körner führt zu einer gegenseitigen Verhakung der einzelnen Körner, was in Kombination mit dem Mehrphasen-Bainit die Rissbildung bzw. -fortpflanzung wirksam unterbindet. Insbe- sondere wird dadurch erreicht, dass ggf. an der Oberfläche entstandene Risse ( "Head-Checks" ) nicht in die Tiefe des Materials hineinwachsen, wie dies z.B. bei einem Perlitgefüge der Fall ist. Das Gleisteil ist somit nur mehr dem Verschleiß ausgesetzt, sodass sich seine Einsatzdauer präzise festlegen lässt und eine weitere Beobachtung wegen Rissbildung nicht erfolgen muss . Entscheidend ist weiters das Vorliegen eines Mehrphasen- Bainits, der obere und untere Bainitanteile umfasst. Der obere Bainit entsteht hierbei im oberen Temperaturbereich der Bainit- bildung und hat ähnlich wie Martensit ein nadeiförmiges Gefüge. In diesem oberen Temperaturbereich der Bainitbildung bestehen günstige Diffusionsbedingungen, sodass der Kohlenstoff an die Korngrenzen der Ferritnadeln diffundieren kann. Es entstehen hier unregelmäßige und unterbrochene Zementit kristalle . Wegen der regellosen Verteilung hat das Gefüge oft ein körniges Aus- sehen, sodass der obere Bainit manchmal auch als körniger Bainit bezeichnet wird. Der untere Bainit entsteht bei isothermer und kontinuierlicher Abkühlung im unteren Temperaturbereich der Bainitbildung. Durch die Ferritbildung reichert sich der Auste- nit an Kohlenstoff an, bei weiterer Abkühlung wandeln sich die Austenitbereiche in Ferrit, Zementit, nadeligen Bainit und Martensit um. Durch das Bainitisieren werden Eigenspannungen vermindert und die Zähigkeit erhöht.
Das Mischungsverhältnis zwischen unterem und oberem Bainit kann grundsätzlich innerhalb weiter Grenzen entsprechend den jeweiligen Anforderungen variiert werden. Insbesondere bestimmt die Wahl des Mischungsverhältnisses die Härte des Stahls. Besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Anteil des oberen Bainits 5-75 Vol.-%, insbesondere 20-60 Vol.-% und der Anteil des unteren Bainits 15-90 Vol.-%, insbesondere 40-85 Vol.-%, beträgt.
Der Ferritanteil beträgt vorzugsweise 8-13 Vol.-%. Voraussetzung für eine vollständig ablaufende bainitische Umwandlung ist die Carbidbildung aus dem Austenit. Da Carbide große Mengen an Kohlenstoff aufnehmen, stellen sie Kohlenstoffsenken dar, die Kohlenstoff aus dem Austenit absaugen. Wird die Carbidbildung, beispielsweise durch Silizium als Legierungselement verhindert oder verzögert, so werden größere Austenitmen- gen nicht umgewandelt. Sie liegen dann nach dem Abschrecken auf Raumtemperatur ganz oder teilweise als Restaustenit vor. Die Restaustenitmenge ist davon abhängig, wie weit sich die Marten- sitstarttemperatur im verbliebenen Austenit abgesenkt hat. Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn möglichst geringe Anteile an Austenit und/oder Martensit verbleiben. Die Erfindung sieht in diesem Zusammenhang daher bevorzugt vor, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Re s t - Martensit/Austenit-Anteil von < 2 Vol . -% aufweist.
Wie bereits erwähnt, kommen erfindungsgemäß niedriglegierte Stähle zum Einsatz, um die Kosten zu minimieren und die Schwei- ßeignung zu verbessern. Allgemein enthält der niedriglegierte Stahl im Rahmen der Erfindung als Legierungsbestandteile bevorzugt Silizium, Mangan und Chrom sowie ggf. Vanadium, Molybdän, Phosphor, Schwefel und/oder Nickel. Ein Stahl ist im Rahmen der Erfindung dann als niedriglegierter Stahl zu bezeichnen, wenn kein Legierungsbestandteil in einem Anteil von größer 1,5 Ge . -% vorhanden ist.
Besonders gute Ergebnisse konnten mit einem niedriglegierten Stahl mit der folgenden Richtanalyse erzielt werden:
0,4 - 0,55 Gew.-% C
0,3 - 0,6 Gew. -% Si
0,9 - 1,4 Gew.-% Mn
0,3 - 0,6 Gew. -% Cr
0,1 - 0,3 Gew.-% V
0,05 - 0,20 Gew.-% Mo
0 - 0,02 Gew.-% P
0 - 0,02 Gew.-% S 0 - 0,15 Gew.% Ni
Eine besonders gute Eignung für hochbelastete Streckenabschnitte ist bevorzugt dann gegeben, wenn das Gleisteil im Kopfbe- reich eine Zugfestigkeit Rm von größer 1150 N/mm2 aufweist. Weiters weist das Gleisteil im Kopfbereich bevorzugt eine Härte von größer 340 HB auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Gleisteils zur Verfügung, bei dem das Gleisteil aus einem warmgewalzten Profil hergestellt wird, wobei der Schienenkopf des gewalzten Profils unmittelbar nach dem Verlassen des Walzgerüsts mit der Walzwärme einer gesteuerten Abkühlung unterworfen wird, wobei die ge~ steuerte Abkühlung in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen- Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt das Halten der zweiten Temperatur umfasst. Die gesteuerte Abkühlung erfolgt bevorzugt, wie an sich bekannt, durch Eintauchen zumindest des Schienenkopfes in ein flüssiges Kühlmedium.
Der erste Schritt beginnt hierbei bevorzugt bei einer Temperatur von 740-850°C, insbesondere ca. 790°C und endet bevorzugt bei einer Temperatur von 450-525°C. Die während des ersten Schrittes erfolgende Abkühlung muss so gesteuert werden, dass man im Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild in den Bereich der Ferrit- und nachfolgenden Bainitbildung kommt, wobei insbesondere keine Umwandlung in der Perlitstufe stattfinden soll. Zu diesem Zweck erfolgt die beschleunigte Abkühlung im ersten Schritt bevorzugt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec. Zur Erzielung dieser Kühlrate wird bevorzugt so vorgegangen, dass das Gleisteil während des ersten Schritts vollständig in dem Kühlmedium eingetaucht ist.
Im zweiten Schritt wird die Temperatur von bevorzugt 450-525°C gehalten und es entsteht der für die Gebrauchseigenschaft wichtige Ferritanteil, insbesondere der acikulare Ferritanteil, mit einem Volumenanteil von 5-15 % insbesondere 8-13 %, insbesonde- re etwa 10 %. Das Halten der Temperatur wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Gleisteil während des zweiten Schritts in einer aus dem Kühlmedium herausgenommenen Position gehalten wird .
In einem dritten Schritt wird für die erforderliche Begrenzung des Ferritanteiles eine weitere gesteuerte Abkühlung durchgeführt, sodass eine Mischung aus oberem und unterem Bainitgefüge entsteht (Mehrphasen-Bainit ) . Der Temperaturbereich, in dem die Bainitbildung erfolgt, liegt bevorzugt zwischen 450-525°C und 280-350°C, d.h. dass der Schienenkopf des Gleisteils in der Bainitbildungsphase von 450-525°C auf 280-350°C abgekühlt wird. Dieser dritte Schritt erstreckt sich bevorzugt über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec. In der Bainitbildungsphase reicht es aus, wenn das Gleisteil bevorzugt nur mit dem Schienenkopf in das Kühlmedium eingetaucht ist.
Beim anschließenden Temperaturhalten des Gleisteils im vierten Schritt im Bereich von bevorzugt 280~350°C wird in Abhängigkeit von der Temperaturlage die Härte des Gleisteils dann endgültig fixiert, wobei ein Unterschreiten der Martensitstarttemperatur (meist ca. 280°C) zu vermeiden ist, da sich in dem Temperaturbereich zu viele martensitische, spröde Gefügebestandteile bilden können. Das Temperaturhalten während des vierten Schritts erfolgt bevorzugt durch zyklisches Kopftauchen, d.h. dass das Gleisteil zyklisch in das Kühlmedium eingetaucht und aus dem Kühlmedium herausgenommen wird. Da der Temperaturbereich der Bainitphasenbildung und die Mar- tensitstarttemperatur von den Legierungselementen des jeweiligen Stahls und deren Anteilen abhängen, muss der Wert der ersten Temperatur und der Wert der zweiten Temperatur vorab für den jeweiligen Stahl genau bestimmt werden. Die Temperatur der Schiene wird während der gesteuerten Abkühlung dann kontinuierlich gemessen, wobei die Kühl- und Halteabschnitte bei Erreichen der jeweiligen Temperaturschwellen begonnen bzw. beendet werden. Da die Oberflächentemperatur der Schiene über die gesamte Länge des Gleisteils variieren kann, die Abkühlung aber für den gesamten Gleisteil einheitlich vorgenommen wird, wird bevorzugt so vorgegangen, dass die Temperatur an einer Mehrzahl von über die Länge des Gleisteils verteilten Messpunkten er- fasst und ein Temperaturmittelwert gebildet wird, der für die Steuerung der gesteuerten Abkühlung herangezogen wird.
In der Bainitbildungsphase wandelt sich Austenit so vollständig wie möglich zu Bainit um. Dies geschieht bei Temperaturen unterhalb der Perlitbildung bis hin zur Martensitstarttemperatur sowohl isotherm als auch bei kontinuierlicher Abkühlung. Durch eine langsame Umklappung des Austenits entstehen, von den Korngrenzen oder Störstellen ausgehend, stark an Kohlenstoff übersättigte Ferrit-Kristalle mit kubisch-raumzentriertem Kristallgitter. Der Kohlenstoff scheidet sich aufgrund der höheren Diffusionsgeschwindigkeit im kubisch-raumzentrierten Gitter in Form kugeliger oder ellipsoider Zementitkristalle innerhalb des Ferritkorns aus. Ebenso kann der Kohlenstoff in den Austenitbe- reich eindiffundieren und Carbide bilden. Im Rahmen der Erfindung erfolgt während des dritten Schritts und vierten Schritts eine Abkühlung sowie ein Temperaturhalten derart, dass ein Mehrphasen-Bainit gebildet wird. Während eines ersten Teilschritts erfolgt eine kontinuierliche Abkühlung mit einer geringeren Kühlrate als in einem zweiten Teilschritt, in dem die Temperatur abrupt gesenkt wird bis die zweite Temperatur erreicht wird. Während des ersten Teilschritts entsteht vorwiegend oberer Bainit. Nach der abrupten Abkühlung erfolgt im vierten Schritt ein Halten auf der zweiten Temperatur, wobei hier unterer Bainit gebildet wird. Die Dauer des Haltens der zweiten Temperatur während des vierten Schritts bestimmt hierbei das Ausmaß der unteren Bainitbildung.
Der obere Bainit besteht aus nadeiförmigem Ferrit, der in Pake- ten angeordnet ist. Zwischen den einzelnen Ferritnadeln liegen mehr oder weniger kontinuierliche Filme aus' Carbiden parallel zur Nadelachse vor. Unterer Bainit besteht dagegen aus Ferrit¬ platten, innerhalb derer sich die Carbide unter einem Winkel von 60° zur Nadelachse bilden.
Während der gesteuerten Abkühlung mittels des flüssigen Kühlmediums durchläuft das Kühlmedium drei Phasen des Abschreckvorganges. In der ersten Phase, der Dampffilmphase, ist die Temperatur an der Oberfläche des Schienenkopfes so hoch, dass das Kühlmedium rasch verdampft und sich ein dünner isolierender Dampffilm bildet (Leidenfrost-Effekt) . Diese Dampffilmphase ist u.a. sehr stark von der Dampfbildungswärme des Kühlmediums, der Oberflächenbeschaffenheit des Gleisteils, wie z.B. Zunder, oder der chemischen Zusammensetzung und Gestaltung des Kühlbeckens abhängig. In der zweiten Phase, der Kochphase, gelangt das Kühlmedium in direkten Kontakt mit der heißen Oberfläche des Schienenkopfes und kommt unverzüglich zum Kochen, wodurch sich eine hohe Abkühlgeschwindigkeit ergibt. Die dritte Phase, die Konvektionsphase, beginnt, wenn die Oberflächentemperatur des Gleisteils auf den Siedepunkt des Kühlmediums abgesunken ist. In diesem Bereich wird die Kühlgeschwindigkeit im Wesentlichen durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums beeinflusst.
Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen gesteuerten Abkühlung befindet sich das Kühlmedium während des ersten Schritts bevorzugt in der Dampffilmphase . Bevorzugt wird weiters so vorgegangen, dass die Abkühlung während des dritten Schritts so gesteu- ert wird, dass das Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes zuerst einen Dampffilm ausbildet und danach an der Oberfläche kocht. Es erfolgt somit ein Übergang von der Dampffilmphase in die Kochphase. Die Dampffilmphase erstreckt sich hierbei über die Länge des oben genannten ersten Teilschritts, in dem vorwiegend oberer Bainit entsteht. Nach Erreichen der Kochphase sinkt die Temperatur abrupt auf die zweite Temperatur, d.h. auf bevorzugt 280-350°C ab.
Der Übergang von der Dampffilmphase in die Kochphase erfolgt üblicherweise relativ unkontrolliert und spontan. Da die Schienentemperatur über die gesamte Länge des Gleisteils gewissen produktionsbedingten Temperatu Schwankungen unterliegt, besteht das Problem, dass der Übergang von der Dampffilmphase in die Kochphase in verschiedenen Längenbereichen des Gleisteils zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Dies würde zu einer über die Länge des Gleisteils ungleichmäßigen Gefügeausbildung und demzufolge zu ungleichmäßigen Materialeigenschaften führen. Um den Zeitpunkt des Übergangs von der Dampffilmphase in die Kochphase über die gesamte Schienenlänge zu vereinheitlichen, sieht eine bevorzugte Verfahrensweise vor, dass während des dritten Schritts ein filmbrechendes, gasförmiges Druckmedium, wie z.B. Stickstoff, entlang der gesamten Länge des Gleisteils an den Schienenkopf herangeführt wird, um den Dampffilm entlang der gesamte Länge des Gleisteils zu brechen und die Kochphase einzuleiten.
Insbesondere kann so vorgegangen werden, dass der Zustand des Kühlmediums während des dritten Schritts entlang der gesamten Länge des Gleisteils überwacht wird und das filmbrechende, gasförmige Druckmedium an den Schienenkopf herangeführt wird, sobald in einem Teilbereich der Gleisteillänge das erste Auftreten der Kochphase festgestellt wird.
Bevorzugt wird das filmbrechende, gasförmige Druckmedium ca. 20-100 sec, insbesondere ca. 50 sec nach Beginn des dritten Schritts an den Schienenkopf herangeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, umfassend ein der Länge des Gleisteils entsprechendes, mit Kühlmedium befüllbares Kühlbecken, eine Heb- und Senkeinrichtung für das Gleisteil, um das Gleisteil in das Kühlbecken einzutauchen und herauszuheben, eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Gleisteils, Druckmediumerzeugungsmittel, durch das das Druckmedium in das Kühlmedium eingeleitet wird, Mittel zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums und eine Steuereinrichtung, welcher die Messwerte der Temperaturmesseinrichtung zugeführt sind und welche mit der Heb- und Senkeinrichtung zur Steuerung der Heb- und Senkvorgänge und mit den Mitteln zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten und weiters mit den Druckmediumerzeugungsmitteln zusammenwirkt .
Bevorzugt sind Sensoren zur Erfassung von an der Oberfläche des Schienenkopfes kochendem Kühlmedium vorgesehen, deren Sensormesswerte der Steuereinrichtung zugeführt sind, um die Druckme- diumerzeugungsmittel in Abhängigkeit von den Sensormesswerten anzusteuern. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung von an der Oberfläche des Schienenkopfes kochendem Kühlmedium vorgesehen sein, die über die Länge des Kühlbeckens verteilt sind.
Bevorzugt sind die Sensormesswerte der Mehrzahl von Sensoren der Steuereinrichtung zugeführt, wobei die Steuereinrichtung die Druckmediumerzeugungsmittel ansteuert, sobald wenigstens ein Sensor kochendes Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes feststellt.
Mit Vorteil ist die Steuereinrichtung ausgebildet, um eine gesteuerte Abkühlung vorzunehmen, die in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen-Bainitbildung erlaubenden Temperaturbe- reich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt dass Halten der zweiten Temperatur umfasst.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die Temperatur des Schienenkopfes in dem ersten Schritt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec auf eine erste Temperatur von 450- 525°C zu reduzieren, die Temperatur des Schienenkopfes in dem zweiten Schritt auf der ersten Temperatur zu halten und die Temperatur des Schienenkopfes während des dritten Schritts vorzugsweise über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec, auf eine zweite Temperatur von 280-350°C zu reduzieren. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung ausgebildet, um die Druckmediumerzeugungsmittel während des dritten Schritts anzusteuern . Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Ein niedriglegierter Stahl mit der folgenden Richtanalyse wurde mittels Warmwalzen zu einer Fahrschiene mit Regelschienenprofil geformt:
0,49 Gew.-% C
0,36 Gew.-% Si
1, 11 Gew. -% Mn
0,53 Gew.-% Cr
0, 136 Gew. -% V
0,0085 Gew.-% Mo
0,02 Gew.-% P
0,02 Gew.-% S
0,1 Gew.-% Ni
Unmittelbar nach dem Verlassen des Walzgerüstes wurde die Schiene mit der Walzwärme einer gesteuerten Abkühlung unterworfen. Die gesteuerte Abkühlung wird nachfolgend anhand des in Fig. 1 dargestellten Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilds erläutert, wobei die mit 1 bezeichnete Linie den Kühlverlauf wiedergibt. Der Kühlvorgang beginnt bei einer Temperatur von 790°C. In einem ersten Schritt wird die Schiene über ihre ge¬ samte Länge und mit ihrem gesamten Querschnitt in ein Kühlbad aus Wasser eingetaucht und es wurde eine Kühlrate von 4°C/sec eingestellt. Nach ca. 75 sec wurde eine Oberflächentemperatur des Schienenkopfes von 490°C gemessen, wobei der Punkt 2 erreicht wurde und die Schiene aus dem Kühlbad herausgenommen wurde, um die Temperatur während eines Zeitraums von ca. 30 sec zu halten, wodurch die Bildung von acikularem Ferrit erreicht wurde. Bei Erreichen des Punktes 3 wurde die Schiene wieder in das Kühlbad eingetaucht und bis zum Punkt 4 abgekühlt. Bei Punkt 4 wurde das beginnende Kochen des Kühlwassers an der Oberfläche des Schienenkopfes festgestellt und es wurde der Schienenkopf mit Druckluft beaufschlagt, um den den Schienenkopf umgebenden Dampffilm zu durchbrechen und über die gesamte Länge der Schiene die Kochphase einzuleiten. Das Einleiten der Kochphase führte zu einem abruptem Absinken der Temperatur des Schienenkopfes, wobei diese Kühlung bei Erreichen einer Temperatur von 315°C (Punkt 5) abgebrochen wurde. Durch zyklisches Kopftauchen wurde diese Temperatur eine bestimmte Zeit lang gehalten. Die Länge der Haltezeit bestimmt die Zusammensetzung des Mehrphasen-Bainitgefüges , wie sich aus den folgenden Beispielen ergibt .
Beispiel 1 In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde . ein niedriglegierter Stahl mit der folgenden Richtanalyse mittels Warmwalzen zu einer Fahrschiene mit Regelschienenprofil geformt:
0,49 Ge .-% C
0,36 Gew.-% Si
1, 11 Gew. -% Mn
0,53 Gew.-% Cr
0, 136 Gew. -% V
0,0085 Gew.-% Mo
0,02 Gew.-% P
0,02 Gew.-% S
0, 1 Gew. -% Ni Durch die oben beschriebene gesteuerte Abkühlung wurde im Schienenkopf das folgende Gefüge erzielt: ca. 10 Vol.-% acikularer Ferrit,
ca. 74 Vol.-% oberer Bainit,
ca. 16 Vol.-% unterer Bainit,
< 1 Vol.-% Martensit-Restaustenit .
Die Gefügestruktur ist in Fig. 2 dargestellt.
Auf Grund des höheren Anteils von oberem Bainit wurde eine geringere Härte des Schienenkopfes erreicht als im nachfolgenden, zweiten Ausführungsbeispiel. Es wurden die folgenden Materialeigenschaften gemessen.
Härte: 347 HB
Zugfestigkeit: 1162 MPa
0.2% Dehngrenze: 977 MPa
Bruchdehnung: 14,4%
Kerbschlagprüfung:
Prüfung bei +20°C: 110 J/cm2
Prüfung bei -20°C: 95 J/cm2
Risswachstum da/dN:
Prüfung bei ΔΚ=10 [MPaVm] : 8,9[m/Gc]
Prüfung bei ΔΚ=13 , 5 [MPaVm] : 15,8 [m/Gc] ,
wobei m/Gc = Meter/Gigacycle
Verschleißwiderstand:
(AMSLER Test: Schlupf 10%, Normalkraft 1200N)
Materialverschleiß: 1,72 mg/m2
Vergleich R260 Materialverschleiß: 1,79 mg/m2
Bruchzähigkeit: 39 MPaVm
Beispiel 2 Im zweiten Ausführungsbeispiel wurde derselbe niedriglegierte Stahl genommen wie im Beispiel 1 und mittels Warmwalzen zu einer Fahrschiene mit Regelschienenprofil geformt. Die gesteuerte Abkühlung wurde gleich durchgeführt wie im Beispiel 1, jedoch wurde die Temperatur im vierten Schritt länger gehalten als bei Beispiel 1. Es wurde im Schienenkopf das folgende Gefüge erzielt : ca. 10 Vol . -% acikularer Ferrit,
ca. 15 Vol.-% oberer Bainit,
ca. 75 Vol.-% unterer Bainit,
< 1 Vol.-% Martensit-Restaustenit . Die Gefügestruktur ist in Fig. 3 dargestellt.
Es wurden die folgenden Materialeigenschaften gemessen.
Härte: 405 HB
Zugfestigkeit: 1387 MPa
0.2% Dehngrenze: 1144 MPa
Bruchdehnung: 12,6%
Kerbschlagprüfung :
Prüfung bei +20°C: 100 J/cm2
Prüfung bei -20 °C : 75 J/cm2
Risswachstum da/dN:
Prüfung bei ΔΚ=10 [MPaVm] : 9,5[m/Gc]
Prüfung bei ΔΚ=13, 5 [MPVm] : 16,5[m/Gc]
Verschleißwiderstand :
(AMSLER Test: Schlupf 10%, Normalkraft 1200N)
Materialverschleiß: 1,55 mg/m2
Vergleich R260 Materialverschleiß: 1,79 mg/m2
Bruchzähigkeit: 36 MPaVm

Claims

Patentansprüche :
1. Gleisteil, insbesondere Schiene für Schienenfahrzeuge aus einem niedriglegierten Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Ferritanteil von 5- 15 Vol.-% und eine Mehrphasen-Bainitstruktur bestehend aus oberen und unteren Bainitanteilen aufweist.
2. Gleisteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des oberen Bainits 5-75 Vol.-%, insbesondere 20-60
Vol . -% und der Anteil des unteren Bainits 15-90 Vol . -% , insbesondere 40-85 Vol.-%, beträgt.
3. Gleisteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritanteil 8-13 Vol.-% beträgt.
4. Gleisteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferrit ein acikularer Ferrit ist.
5. Gleisteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrphasen-Bainit in die acikulare Ferritstruktur eingelagert ist.
6. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Stahl im Schienenkopf des Gleisteils einen Rest-Martensit /Austenit-Anteil von < 2 Vol.-% aufweist .
7. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der niedriglegierte Stahl Silizium, Mangan und Chrom sowie ggf. Vanadium, Molybdän, Phosphor, Schwefel und/oder Nickel als Legierungsbestandteile enthält.
8. Gleisteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass kein Legierungsbestandteil in einem Anteil von größer 1,5 Gew.- % vorhanden ist.
9. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein niedriglegierter Stahl mit der folgenden Richtanalyse eingesetzt ist:
o, 4 - 0,55 Gew . - % C
o, 3 - 0, 6 Gew.-% Si
o, 9 - 1,4 Gew.-% Mn
o, 3 - 0, 6 Gew. -% Cr
o, 1 - 0,3 Gew.-% V
o, 05 - - 0,20 Gew. -% 1
0 - o, 02 Gew.-% P
0 - 0,02 Gew.-% S
0 - 0,15 Gew. % Ni
10. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil im Kopfbereich eine Zugfestig- keit Rm von größer 1150 N/mm2 aufweist.
11. Gleisteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil im Kopfbereich eine Härte von größer 340 HB aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Gleisteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aus einem warmgewalzten Profil, dadurch gekennzeichnet, dass der Schienenkopf des gewalzten Profils unmittelbar nach dem Verlassen des alzgerüsts mit der Walzwärme einer gesteuerten Abkühlung unterworfen wird, wobei die gesteuerte Abkühlung in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbildung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ers- ten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen- Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt dass Halten der zweiten Temperatur umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt bei einer Temperatur von 740-850°C, insbesondere ca. 790°C beginnt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur 450-525°C beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zweite Temperatur 280-350°C beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beschleunigte Abkühlung im ersten Schritt mit einer Kühlrate von 2-5°C/sec erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt sich über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec erstreckt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an einer Mehrzahl von über die Länge des Gleisteils verteilten Messpunkten erfasst und ein Temperaturmittelwert gebildet wird, der für die Steuerung der gesteuerten Abkühlung herangezogen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Abkühlung durch Eintauchen zumindest des Schienenkopfes in ein flüssiges Kühlmedium erfolgt .
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Abkühlung während des dritten Schritts so gesteuert wird, dass das Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes zuerst einen Dampffilm ausbildet und danach an der Oberfläche kocht.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass während des dritten Schritts ein filmbrechendes, gasförmiges Druckmedium, wie z.B. Stickstoff, entlang der gesamten Länge des Gleisteils an den Schienenkopf herangeführt wird, um den Dampffilm entlang der gesamten Länge des Gleisteils zu brechen und die Kochphase einzuleiten.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Kühlmediums während des dritten Schritts entlang der gesamten Länge des Gleisteils überwacht wird und das filmbrechende, gasförmige Druckmedium an den Schienenkopf herangeführt wird, sobald in einem Teilbereich der Gleisteillänge das erste Auftreten der Kochphase festgestellt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeich- net, dass das filmbrechende, gasförmige Druckmedium, ca. 20-100 sec, insbesondere ca. 50 sec nach Beginn des dritten Schritts an den Schienenkopf herangeführt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des ersten Schritts vollständig in dem Kühlmedium eingetaucht ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des zweiten Schritts in einer aus dem Kühlmedium herausgenommenen Position gehalten wird .
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des dritten Schritts nur mit dem Schienenkopf in das Kühlmedium eingetaucht ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil während des vierten Schritts zyklisch in das Kühlmedium eingetaucht und aus dem Kühlmedium herausgenommen wird.
28. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 27, umfassend ein der Länge des Gleisteils entsprechendes, mit Kühlmedium befüllbares Kühlbecken, eine Heb- und Senkeinrichtung für das Gleisteil, um das Gleisteil in das Kühlbecken einzutauchen und herauszuheben, eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Gleisteils, Druckmediumerzeugungsmittel, durch das das Druckmedium in das Kühlmedium eingeleitet wird, Mittel zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums und eine Steuereinrichtung, welcher die Messwerte der Temperaturmesseinrichtung zugeführt sind und welche mit der Heb- und Senkeinrichtung zur Steuerung der Heb- und Senkvorgänge und mit den Mitteln zur Regelung der Temperatur des Kühlmediums in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten und weiters mit den Druckmediumerzeugungsmitteln zusammenwirkt.
29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung von kochendem Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes vorgesehen sind, deren Sensormesswerte der Steuereinrichtung zugeführt sind, um die Druckmediumerzeu- gungsmittel in Abhängigkeit von den Sensormesswerten anzusteuern .
30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung von kochendem Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes vorgesehen ist, die über die Länge des Kühlbeckens verteilt sind.
31. Einrichtung nach Anspruch 28, 29 oder 30, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Sensormesswerte der Mehrzahl von Sensoren der Steuereinrichtung zugeführt sind, wobei die Steuereinrichtung die Druckmediumerzeugungsmittel ansteuert, sobald wenigstens ein Sensor kochendes Kühlmedium an der Oberfläche des Schienenkopfes feststellt.
32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um eine gesteuerte Abkühlung vorzunehmen, die in einem ersten Schritt eine beschleunigte Abkühlung bis zur Erreichung einer eine Ferritbiidung erlaubenden ersten Temperatur, in einem zweiten Schritt das Halten der ersten Temperatur, um eine Ferritbildung zu erwirken, in einem dritten Schritt eine weitere Abkühlung in einem die Mehrphasen-Bainitbildung erlaubenden Temperaturbereich bis zu einer zweiten Temperatur und in einem vierten Schritt dass Halten der zweiten Temperatur umfasst.
33. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Temperatur des Schienenkopfes in dem ersten Schritt mit einer Kühlrate von 2- 5°C/sec auf eine erste Temperatur von 450-525°C zu reduzieren, die Temperatur des Schienenkopfes in dem zweiten Schritt auf der ersten Temperatur zu halten und die Temperatur des Schienenkopfes während des dritten Schritts vorzugsweise über eine Dauer von 50-100 sec, insbesondere ca. 70 sec, auf eine zweite Temperatur von 280-350°C zu reduzieren.
34. Einrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeich- net, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Druckmediumerzeugungsmittel während des dritten Schritts anzusteuern .
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