NO178404B - Fremgangsmåte for å forbinde sporvekseldeler av manganstöpestål eller manganstålskinner med en skinne av karbonstål - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å forbinde sporvekseldéler av austenittisk manganstøpestål, som f.eks. hjertestykker eller manganstålskinner, med en skinne av karbonstål ved bruk av et mellomstykke av karbonfattig austenittisk stål, ved hvilken mellomstykket først blir sveiset fast til skinnen eller koblingsskinnen, hvoretter mellomstykket i en andre sveiseprosess sveises fast til manganstøpeståldelen eller manganstålskinnen etter kapping av mellomstykket til en lengde på under 25 mm.

En fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art er kjent fra AT-PS 350 881. Ifølge denne kjente fremgangsmåte ble mellomstykket, i koblingen på en brennsveising, med hvilken mellomstykket ble forbundet med hovedskinnen, kappet til en lengde på høyst 20 til 25 mm, fortrinnsvis 18 til 20 mm, hvoretter en videre brennsveising ble foretatt for å forbinde mellomstykket med sporvekseldelen av manganstøpe-stål. Etter den andre sveiseprosess fulgte en raskere avkjøling enn etter den første sveiseprosess, hvor den langsommere avkjøling skulle forhindre en herding av skinnestålet. Det relativt korte mellomstykket tar hensyn til at austenittisk stål som regel er mindre slitesterkt enn materialet i sporvekseldelen, slik at gropdannelse kan unngås på mellomstykkets glideflate på grunn av den korte dimensjon. Men på grunn av at det nå bare er ønskelig med et så kort mellomstykke, blir den første sveisesøm mellom skinnen og mellomstykket betydelig oppvarmet ved den andre sveiseprosess på grunn av mellomstykkets korte lengde. Oppvarmingen skjer imidlertid til temperaturer på ca. 700°C, og ved en slik temperatur trenger man ikke frykte forsprød-ning når avkjølingen skjer i stillestående luft, selv uten forsinkelse. Bruken av mellomstykket tjener herved i det vesentlige til å dele begge sveisesømmene i termisk henseende, for til enhver tid å kunne overholde de påkrevde avkjølingsbetingelser. En mulig forsprødning i sporveksel-delens manganstøpestål kan til en vesentlig del føres tilbake til at det på sveisesømmen oppstår en blandingssone på grunn av diffusjon, i hvilken blandingssone det kan

oppstå en ugunstig strukturdannelse.

Allerede i DE-PS 29 52 079 ble det foreslått å gjennomføre den nevnte sveiseforbindelse mellom arbeidsstykkene av austenittisk manganstøpestål og skinnene av karbonstål ved bruk av et mellomstykke av austenittisk materiale slik at mellomstykket for det første blir fastsveiset på mangan-støpestålet ved brennsveising, hvoretter arbeidsstykket blir underkastet en varmebehandling bestående av oppløsnings-gløding og en bråkjøling i vann, hvorpå forbindelsen med hovedskinnestålet skjer ved brennsveising på en slik måte at manganstøpestålet på samme tid blir avkjølt og sveiseforbindelsen med hovedskinnen blir langsommere avkjølt slik at man oppnår en omvandling til finstripet perlitt. Ved denne allerede foreslåtte fremgangsmåte ble det foreslått en nikkelbasislegering som spesielt foretrukket som råstoff for mellomstykket. I tilfelle bruk av austenittisk stål ble vanlige krom-nikkel-ståltyper samt manganlegerte krom-nikkel-ståltyper foreslått som materiale for mellomstykket.

Oppfinnelsen har som siktemål å videreutvikle fremgangsmåten av den innledningsvis nevnte art i den retning, at den andre sveisingen kan gjennomføres uten overholdelse av spesielle avkjølingsparametre, hvorved en forbedret utmatningsstyrke og en mer homogen strukturfordeling samtidig kan oppnås i hele sveisesonen. Spesielt bortfallet av varmebehandling etter den andre sveisingen med hovedskinnestålet skal herved forbedre reproduserbarhet i sveiseforbindelsens holdfasthetsegenskaper, hvor både bedre nedbøy-ningsverdier og utmatningsstyrke skal oppnås. For å løse denne oppgaven består fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i det vesentlige i at det anvendes et mellomstykke av karbonfattig, austenittisk stål, stabilisert med Nb og/eller Ti, og at det i tilslutning til den første sveiseforbindelsen blir gjennomført en varmebehandling, spesielt en diffusjonsglødning, ved en temperatur mellom 350°C og 1000°C. Ved at det anvendes et mellomstykke av karbonfattig, austenittisk stål, stabilisert med niob og/eller titan, spesielt krom-nikkel-stål, reduseres andelen av fritt karbon, og samtidig begrenses karbondiffusjonen, som virker negativt på sveiseforbindelsens mekaniske karakteristiske verdier. Fordi det etter denne første brennsveisingen mellom karbonstålet i en skinne og mellomstykket foretas en målrettet varmebehandling, oppnås en utjevning av konsen-trasjonsforskjellene i de helt foreskjellige legeringene i mellomstykket og skinnestålet ved hjelp av diffusjon, hvor det samtidig ikke bare oppnås en konsentrasjonsutjevning i sveisesonen, men også at en eventuell dannet martensitt igjen fjernes. Etter at mellomstykket er kappet til den nødvendige minstelengde for den andre sveiseprosess, kan forbindelsen med delen bestående av manganstøpestål, henholdsvis en manganstålskinne, skje, igjen ved hjelp av brennsveising, hvor man her ikke trenger å overholde noen spesielle betingelser for avkjøling. Den andre sveiseforbindelsen kan ankjøles i stillestående luft, noe som utgjør den foretrukne utførelsesform, uten at det skjer noen ny, uønsket herding i området for den første sveiseprosessen. Ved denne fremgangsmåte får man nedbøyningsverdier for den samlede sveiseforbindelse som er dobbelt så høye som de oppnådde nedbøyningsverdier med den kjente fremgangsmåte, idet det samtidig uten videre kan oppnås utmatningsstyrker på inntil 250 N/mm<2>.

Varmebehandlingen kan med fordel gjennomføres over en tidsperiode på 2 til 5 timer, for at faren for martensitt-dannelse med sikkerhet igjen kan fjernes. Dannelsen av martensitt kan selv ikke ved en målrettet fremgangsmåte med sikkerhet forhindres under den første sveisingen og spesielt ved forsinket avkjøling etter den første sveisingen, idet konsentrasjonsprofilen i de kjemiske elementer i sveiseområdet i størst mulig utstrekning utjevnes ved hjelp av den målrettede varmebehandlingen ved siden av fjerningen av eventuell dannet martensitt, hvorigjennom de høyere holdfasthets- og nedbøyningsverdier viser seg.

På en spesielt fordelaktig måte blir varmebehandlingsfrem-gangsmåten gjennomført slik at varmebehandlingen utføres over en tidsperiode på 2 til 5 timer, hvorpå det umiddelbart deretter foretas avkjøling i stillestående luft.

På grunn av den ved varmebehandlingen oppnåelige homogeni-sering av konsentrasjonsfordelingen i sveiseområdet etter den første brennsveisingen og på grunn av at eventuell dannet martensitt pålitelig blir fjernet, kan man i overensstemmelse med en foretrukket videreføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, la avkjølingen foregå i stillestående luft i tilslutning til den andre sveiseprosessen.

Som material for mellomstykket kan man med fordel bruke stål av kvalitet X5CrNiTi 18 9, XlOCrNiTi 18 10, X1OCrNiNb 18 9 eller X5CrNiNb 18 10. Slike niob- henholdsvis titanstabili-serte ståltyper oppviser et maksimalt karboninnhold på 0,06 vekt-%. En viss mengde titan henholdsvis niob benyttes for stabilisering, noe som i tilfelle av titan tilvarer minst det femdobbelte av karboninnholdet og i tilfelle av niob, minst det tidobbelte av karboninnholdet. Som spesielt foretrukket har det fremhevet seg et mellomstykke med følg-ende sammensetning:

eller

resten er jern og vanlige jernfølgeelementer.

Ved å bruke dette materialet til mellomstykket ifølge oppfinnelsen og overholde de påkrevde betingelser for varmebehandlingen, lar sprekkdannelse i området for sveiseforbindelsen ved en brennsveising seg fullstendig unngå, idet bruddsikkerheten blir større og høyere utmatningsstyrke samt bedre nedbøyningsverdier oppnås. Slike sveiseforbindelser egner seg derfor godt for de høye påkjenninger og belastninger som forekommer ved høyhastig-

hetsskinnetrafikk.

Med mellomstykket ifølge oppfinnelsen ble det sveiset sporvekseldeler av manganstål med en retningsanalyse C 0,95 til 1,30, mangan 11.5 til 14 i støpt, valset eller smidd tilstand samt valsede manganstålskinner med analog retningsanalyse med austenittiske mellomstykker av en ståltype av sammensetningen X1OCrNiNb 18 9 samt XlOCrNiTi 18 9, likeledes i støpt, fortrinnsvis i smidd eller valset tilstand. Som skinneståltype ble det benyttet hovedskinne-gods ifølge UIC, henholdsvis skinner med herdet hodeparti. Den første sveisingen mellom karbonstålet i skinnen og mellomstykket ble foretatt med et mellomstykke av en lengde på ca. 500 mm. Etter den første brennsveisingen ble mellomstykket, som allerede var forbundet med hovedskinnen, kappet til en lengde på fra 8 til 20 mm, for å sikre at det etter den andre brennsveisingen av mellomstykket til manganstøpestålstykket, henholdsvis manganstålskinnen, ville forbli en virksom lengde på mellomstykket på ca. 5 mm. Betinget av stabiliseringen av austenitten ved hjelp av niob og/eller titan, ble karbondiffusjonen effektivt begrenset under den første sveiseforbindelsen, som skjedde ved vesentlig høyere temperatur enn den etterfølgende varmebehandling. En sammenligning mellom sveiseforbindelser utført ifølge AT-PS 350 881 og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har vist at det ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kunne oppnås en vesentlig forhøyelse av nedbøyningsverdiene fra tidligere maksimalt 18 til 35 mm. Utmatningsstyrkene kunne forhøyes fra 200 N/mm^ til 250 N/mm^. Samtidig kunne det arbeides med lavere varmetilfør-sel, hvorigjennom sprekkdannelsen kunne reduseres betrakte-lig. Den til nå vanlige etteroppvarmingen av sveis i sveisemaskinen ved hjelp av strømimpulser, kunne bortfalle ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved bruk av mellomstykket stabilisert med niob henholdsvis titan, noe som også resulterte i en forhøyet lønnsomhet. Etter den andre sveiseforbindelsen kunne, på grunn av den tidligere nevnte varmebehandling, en vesentlig raskere avkjøling skje, idet særlig den til nå vanlige etteroppvarmingen kunne bortfalle. Ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås det kortere sveisetider og lengre levetid for sveiseforbindelsen.

Oppfinnelsen blir i det etterfølgende nærmere anskueliggjort ved hjelp av et utførelseseksempel skjematisk vist på tegningen. På denne viser figur 1 en sporvekseldel i et kryss med den tilsluttede hovedskinnen av karbonstål av kvalitet UIC 860, figur 2 et snitt langs linje II-II på figur 1 i større målestokk og figur 3 et snitt langs linje III-III på figur 1 .

Sporvekseldelen 1 består av manganstøpestål. På denne sporvekseldelen er hovedskinnene 2 påsveiset under mellom-kobling av mellomstykker 3 ved hjelp av brennsveising.

Mellomstykker med en lengde på ca. 500 mm ble satt inn i en brennsveisemaskin. Mellomstykkene 3 oppviser en hovedskinne-profil illustrert på figur 3. Disse 500 mm lange mellomstykkene blir deretter sveiset sammen med hovedskinnen 2 ved hjelp av brennsveising, idet den i figur 3 viste sveisesøm oppstår. Denne sveisesømmens 4 område blir i det følgende underkastet den ovenfor beskrevne varmebehandling for å eliminere dannelse av martensitt. Deretter blir mellomstykkene kappet slik at deres lengde fra sveisesømmen utgjør ca. 15 mm, hvorpå den andre sveisingen til sporvekseldelen 1 følger på samme måte ved hjelp av brennsveising. Ved sveisingen brenner en lengde på 5 til 10 mm av mellomstykket bort, slik at det gjenværende mellomstykket mellom sveisesøm 4 og sveisesøm 5 forblir på en minstelengde på 5 mm. Mangansporvekseldelen 1 er derved forbundet med mellomstykket via sveisesømmen 5.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å forbinde sporvekseldeler (1) av austenittisk manganstøpestål eller manganstålskinner med en skinne (2) av karbonstål ved bruk av et mellomstykke (3) av karbonfattig austenittisk stål, ved hvilken mellomstykket (3) først sveises sammen med skinnen (2) henholdsvis tilkoblingsskinnen, hvoretter mellomstykket (3) i en andre sveiseprosess sveises sammen med delen av manganstøpestål henholdsvis manganstålskinnen (1 ), etter kapping av mellomstykket (3) til en lengde på under 25 mm, karakterisert ved at det benyttes et mellomstykke (3) av karbonfattig, austenittisk stål stabilisert med Nb og/eller Ti, særlig Cr-Ni-stål, og at det i forbindelse med den første sveiseforbindelsen gjennomføres en varmebehandling, særlig en diffusjonsglød-ning, ved en temperatur mellom 350°C og 1000°C.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varmebehandlingen gjennomføres over en tidsperiode på 2 til 5 timer, med påfølgende avkjøling i stillestående luft.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at varmebehandlingen gjennomføres over en tidsperiode på 3 timer ved en temperatur på ca. 850°C.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at det i forbindelse med den første sveiseprosess foretas avkjøling i stillestående luft.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at det som materiale for mellomstykket (3) blir brukt en ståltype av kvaliteten XlOCrNiTi 18 9, X1OCrNiNb 18 9, X1OCrNiTi 18 10 eller X5CrNiNb 18 10.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at Nb-innholdet i stålet for mellomstykket (3) velges i det minste 10 ganger større enn C-innholdet og Ti-innholdet i det minste 5 ganger større enn C-innholdet.

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at stålet i mellomstykkets (3) materiale oppviser en retningsanalyse eller hvor resten er jern og vanlige jernfølgeelementer.