NO301262B1 - Fremgangsmåte for mellomgodssveising av finperlittiserte skinner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for mellomgodssveising av finperlittiserte skinner ved ifylling av aluminotermisk tilveiebragt stål i en støpeform som omgir de to skinneender.

Oppfinnelsen vedrører særlig en fremgangsmåte for mellomgodssveising av finperlittiserte skinner, hvor de til sveiseskjøten på begge sider tilgrensende skinnehodeområder har en øket skinnefasthet, tilnærmet den finperlittiserte skinnes.

Nedslitingen av en skinne bestemmes ved gitte trafikkbe-lastninger i hovedsaken av skinnefastheten henholdsvis -hårdheten. For tiden anvender man i helsveisede skinnespor som regel naturhårde skinner med en minste strekkfasthet på 900 N/mm2 . Skinnefabrikanten benytter legeringselementene kullstoff og mangan for oppnåelse av skinnefastheten. Ved sterkt økede påkjenninger, slik tilfellet er eksempelvis på ytterskinnen i kurver, er det også aktuelt å benytte de naturhårde, i tillegg med krom og/eller vanadium legerte spesialkvaliteter med en minste strekkfasthet på 1100 N/mm2 .

Alternativt til de naturhårde, legerte spesialkvaliteter er også mulig å oppnå fastheter i forbindelse med en varmebehandling av skinnene etter valsingen. Vanligvis begrenses varmebehandlingen til skinnenes kjøreflatenaere områder. Slike skinner har en kjemisk sammensetning som omtrent svarer til den for skinner med 900 N/mm<2> minste-strekkfasthet, og perl ittstrukturen vil som følge av varmebehandlingen være meget finlamellert, med tilhørende høy hårdhet/fasthet. Foreliggende oppfinnelse vedrører en bedring av herdeforløpet i aluminotermisk tilveiebragte sveisesteder i hodeområdet til denne skinnetype.

Den aluminotermiske sveisemetode vil som smeltesveisemetode gi en karakteristisk utforming av sveiseområdet i form av et mellomgodsområde, bestående av aluminotermisk tilveiebragt stål og oppløst skinnestål, og som befinner seg sentralt i det opprinnelig forhåndenværende sveiserom mellom de to skinneender, såvel som en respektiv varmeinnflytelsessone til høyre og venstre for sveisesømmen.

Fig. IA viser disse områder ved hjelp av et delvis gjennom-skåret perspektivriss av en finperlittisert (hodeherdet) skinne, rent skjematisk. Et mellomgodsområde 1 består av aluminotermisk tilveiebragt stål og oppsmeltet skinnestål. Begrenset av smeltelinj ene 2 følger det på hver side en varmeinnflytelsessone 3. Disse går over i de med henvisnings-tallene 4 betegnede varmeupåvirkede skinnestålområder. Det finperlittiserte skinnehodeområde er betegnet med 5.

For slitasjemotstanden ved bruk er denne utforming meget viktig. Hårdheten og dermed fastheten til sveisesømmen og således også dens nedslitningsmotstand kan ved en gitt avkjølingshastighet påvirkes ganske nøyaktig ved hjelp av den kjemiske sammensetningen til det aluminotermiske stål. Hårdheten i mellomgodsområdet vil således med hensyn til nedslitingsforholdene ikke utgjøre noe problem i forbindelse med skinnesveisingen. Forholdene er imidlertid helt anner-ledes inne i de to varmeinnflytelsessonene. Her vil det være den kjemiske sammensetning og avkjølingshastigheten som sammen bestemmer hårdhetsfordelingen. Sett i skinnens lengderetning avtar hårdheten inne i varmeinnflytelsessonene med økende avstand fra sveisesømmens midte i skinnens lengderetning X, helt til en minimumsverdi ved grensen mot det varmeupåvirkede skinnestål passeres. Her ligger den såkalte mykglødningssone. Da slitasjemotstanden reduseres med avtagende hårdhet vil man under drift, dvs. belastning på skinnene, måtte regne med en øket nedsliting særlig i varmeinnflytelsessonene.

Den lavere hårdhet i varmeinnflytelsessonene skyldes metall-fysikalske fenomener. I den største del av varmeinnflytelses-sonen, som grenser mot mellomgodsområdet, skjer det en austenitisering av skinnestålet, mens det i den lengre vekk fra sveisesømmen liggende del av varmeinnflytelsessonene oppnås en maksimal temperatur i skinnen på fra 600 til 700°C. Under avkjølingen av sveisen vil det i varmeinnflytelsessonene fremkomme ulike kornstrukturer: ved smeltelinjen, dvs. i overgangen mellomgodsområde/-

varmeinnflytelsessone eksempelvis en grovkornet, hård

perlitt;

ved overgangen varmeinnflytelsessone/varmeupåvirket skinnestål, dvs. ved enden av varmeinnflytelsessonene, en innformet sfærisk, myk perlitt.

Da avkjølingshastigheten til den aluminotermiske sveising er gitt på forhånd, på samme måte som skinnenes kjemiske sammensetning, vil det alt etter skinnestålkvaliteten oppstå en bestemt kornstruktur og dermed en bestemt hårdhetsfordeling i varmeinnflytelsessonene, sett i skinnens lengderetning.

Ved sveising av naturhårde skinner, som altså ikke er underkastet noen varmebehandling hos skinneprodusenten etter valsingen, vil hårdhetsfordelingen innenfor varmeinnflytelsessonene danne seg i avhengighet av skinnestålets kjemiske sammensetning. Legeringselementene C, Mn, V, Cr og andre påvirker hårdhetsnivået via skinnestålets omdannelsesforhold og/eller via karbiddannelsen. Hårdheten til den varmeupåvirkede skinne styres likeledes bare av disse to mekanismer under avkjølingen etter valsingen. Ved sveising av slike naturhårde skinner vil det derfor uavhengig av skinnestål-analysen omtrent bestandig innstille seg samme differanseverdi mellom hårdheten til den upåvirkede skinne og hårdhets-forløpet i varmeinnflytelsessonene. Denne differanseverdi kan man ved slike aluminotermiske sveisinger tolerere i slitasjeteknisk henseende.

Når det dreier seg om en varmeetterbehandlet, finperlitisert skinne, hvor hårdhetsnivået heves "kunstig" etter valsingen, vil det oppstå en større differanseverdi for hårdhetene, fordi den opprinnelig finlaminære perl ittstruktur ødelegges og hårdhetsfordelingen i varmeinnflytelsessonene etter sveisingen da automatisk vil skje på samme måte som i en sveiset, naturhård skinne med en minstestrekkfasthet på 900 N/mm2 . Dette skyldes de to skinnestålkvaliteters like kjemiske sammensetning.

I den nedre del (fig. IB) av den skjematiske fremstilling i fig. 1 er hårdhetsforløpet ved kjøreflaten vist, regnet i skinnens lengderetning X. Hårdhetsforløpet i en sveis mellom finperlittiserte (hodeherdede) skinner er betegnet med I, mens II betegner hårdhetsforløpet i en sveis mellom naturhårde skinner med 900 N/mm<2> minstestrekkfasthet. Kjøreflåtene på de finperlitiserte skinner vil i området til varmeinnflytelsessonene underkastes en relativ sterkere nedsliting sammenlignet med sveisegodset og den upåvirkede skinne enn tilfellet er i en sveis mellom naturhårde skinner. Også av denne grunn stilles det større krav til sveiseteknikken for finperlittiserte skinner.

I praksis er det to metoder for aluminotermisk mellomgodssveising som har vist seg særlig godt egnede. Det dreier seg i denne forbindelse om de metoder som er angitt i DE-PS 22 08 692 og DE-PS 21 61 134.

Fremgangsmåten ifølge DE-PS 22 08 692 er kjennetegnet ved kombinasjonen av følgende trekk: a) bredden til åpningen mellom de to skinneender innstilles til en verdi på 1- til 2-ganger skinnestegtykkelsen; b) hulrommet i støpeformen velges slik at det for sveise-vulsten fremkommer en bredde på 2- til 4-ganger og en dybde på 0,15- til 0,6-ganger skinnestegtykkelsen; c) bredden til forvarmebrennerens flammebånd innstilles til 1,5- til 2,5-ganger skinnestegtykkelsen.

En slik gjennomføring av skinnesveisingen krever en forvarmetid for skinneendene som omgis av formhalvdelene på ca. 6-10 minutter.

Fremgangsmåten ifølge DE-PS 21 61 134 er karakterisert ved at de to skinneender som skal sveises sammen forvarmes innenfor et tidsrom på maksimalt 2 minutter til en temperatur mellom minst 300°C og maksimalt 700°C, og at vekten til den aluminotermiske blanding utgjør 0,15 til 0,25 vektdeler av skinnenes metervekt. Denne fremgangsmåte betegnes som en sveising med kort forvarming (SkV).

Den med den korte forvarming i SkV-metoden forbundne bratte temperaturgradient i skinnens lengderetning gir en mindre utvidelse av varmeinnflytelsessonene sammenlignet med metoden med normal forvarming. Hårdhetsreduksjonen i varmeinnflytelsessonene er derfor ved SkV-metoden begrenset til et sett i skinnens lengderetning mindre område, noe som har en gunstig innvirkning på slitasjeforholdene under bruk. Av denne grunn blir derfor vanligvis SkV-metoden foretrukket ved sveising av finperlitiserte skinner. For jernbaner, hvor man som normalmetode benytter en sveisemetodikk med en nødvendig forvarmetid på fra 6 til 10 minutter, betyr dette at man for de ved sveising av finperlitiserte skinner ønskede smale varmeinnflytelsessoner benytter en andre metode, nemlig SkV-metoden med kort forvarming. Det nødvendige utstyr i denne forbindelse er en økonomisk ulempe, og det vil derfor være ønskelig dersom man kunne forbinde finperliserte skinner også ved hjelp av sveisemetoder med lange forvarmingstider, uten tilhørende ulemper.

En bedring av hårdhetsforløpet i varmeinnflytelsessonene kan også oppnås på kjent måte ved hjelp av en ekstra varmebehandling av skinnene i sveiseområdet. Vanligvis foretas en slik varmebehandling - uavhengig av om det benyttes en aluminotermisk sveisemetode eller en avbrenningsstumpsveising - når sveisen er avkjølt til omgivelsestemperatur eller i det minste til en temperatur under 700°C, dvs. til en temperatur hvor austenitt-perlitt-omdannelsen er avsluttet. Sveisen austenitiseres igjen ved hjelp av en egnet gassbrenner-anordning og blir deretter akselerert avkjølt ved hjelp av trykkluft, en trykkluft-vannblanding eller et tilsvarende kjølemedium. Denne fremgangsmåte har imidlertid den ulempe at den er vanskelig å gjennomføre i et lagt skinnespor og at den dessuten krever relativt meget utstyr, som må transporteres frem til sveisestedet.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en varmeetterbehandlingsmetode som muliggjør en bedring av hårdhetsforløpet i varmeinnflytelsessonene i det kjøreflate-nære område, uten at det derved er nødvendig å gjøre bruk av et kjølemedium. Dette ville være for komplisert. En slik ny fremgangsmåte skal kunne gjennomføres med minst mulig oppbud av utstyr på skinnesveisestedet i det lagte skinnespor og skal også gi høy grad av driftssikkerhet. Økonomien til fremgangsmåten spiller herunder også en vesentlig rolle.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen derved at etter avkjølingen av sveisen blir kjøreflaten ved sveisen og de tilgrensende varmepåvirkningssoner ovenfra sjokkaktig oppvarmet over et tidsrom på fra 50 til 150 sek. ved hjelp av en brenner, idet brenneren pådras med minst 10.000 liter/time surstoff og 3.500 liter/time propan eller acetylen, og brennerhodets brennflate holdes i en avstand, målt i millimeter, fra kjøreflaten til sveisen og varmeinnflytelsessonene svarende til 0,1- til 1-ganger tallverdien til den anvendte skinnes metervekt, målt i kilo.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen muliggjør en finperlittisering av det skinnekjøreflatenære område av sveisen og varmeinnflytelsessonene i skinnesporet uten bruk av et eksternt kjølemiddel. Avkjølingen fra austenitt-temperaturen skjer tvert i mot gjennom selve skinnen. Det var overraskende at det ved bruk av den nye fremgangsmåte innstiller seg en for finperlittiseringen spesifikk avkjølingshastighet og ønsket hårdhetsfordeling i sveisen og varmeinnflytelsessonene og dermed i hele det behandlende område.

Det er kjent fremgangsmåter for øking av slitasjefastheten i skinnekjøreflater ved hjelp av varmebehandling. Dersom det gis avkall på et kjølemedium, så dreier det seg om metoder som benyttes i forbindelse med naturhårde, altså ikke finperlittiserte skinner, slik tilfellet er eksempelvis for den i tidsskriftet "Railway Engineering and Maintenance", februar 1937, på sidene 97-99 beskrevne metode. Her oppnås en hårdhet søkning, og dermed kan man også forvente bedre slitasjeforhold, men det gås ikke nærmere inn på at det ved slutten av det varmebehandlende område vil måtte danne seg et mykglødet sted, med tilhørende selektiv nedsliting. Dette skyldes dannelsen av innformet, sfærisk og myk perlitt av den opprinnelig lamellære perlitt.

I tilfelle av en aluminotermisk sveising i finperlittiserte skinner vil det imidlertid være nødvendig for det første å tilstrebe en høy hårdhet på og under kjøreflaten - i en dybde på minst 10 mm under kjøreflatenivået, av slitasjetekniske grunner - og for det andre skal utformingen av en ny hårdhetsdal med innformet perlitt ikke forskyves i lengde-retningen, men i prinsippet undertrykkes henholdsvis reduseres så sterkt som mulig. Denne dobbelte målsetning, med den forutsetning at man skal gi avkall på et kjølemedium, omtales ikke i den foran nevnte artikkel i fagtidsskriftet.

Det har vist seg at den ifølge oppfinnelsen meget raske tilføring av varme til skinnekjøreflaten er nødvendig for oppnåelse av den ønskede finperlittisering av sveisen og dens tilgrensende varmeinnflytelsessoner, med den dermed forbundne hårdhetsøkning. Best egnet er en kraftig gassbrenner 11, hvis flammer 9 på kortest tid kan bringe skinnens kjøreflatenære område opp til austenitt-temperatur. Den største del av hodet, steget og foten i sveisen henholdsvis skinnen forblir imidlertid kaldt. Så snart brennerflammen fjernes vil de kalde deler raskt trekke varme fra det austenitiserte overflateområde. Som følge herav vil det i det kjøreflatenære område til sveisen og varmeinnflytelsessonene danne seg den ønskede finperlittiserte struktur med tilsvarende høy sl itasjemotstand, uten at det oppstår en ny hårdhetssenkning i uønsket grad ved kanten av det varmepådratte område eller andre steder. Avgjørende for det gode resultat vil være at dybden til den finperlittiserte sone for det første er stor nok som følge av den generelle forventede nedsliting under bruk, mens dybden på den annen side skal være begrenset. Dersom nemlig det austenitiserte område strekker seg for langt inn i skinnehodet, så vil ikke varmen kunne trekkes raskt nok vekk igjennom det resterende skinnetverrsnitt. Til tross for denne begrensning har det overraskende vist seg at finperlittiseringen allikevel kan gjennomføres med en i slitasjeteknisk henseende tilstrekkelig dybde i skinnehodet.

Den tilstrebede avkjølingshastighet for utforming av den finlamellare struktur i sveisen og varmeinnflytelsessonene ned til en dybde på minst 10 mm, med samtidig undertrykkelse av en stor hårdhetsreduksjon ved kanten av varmebehandlingen, bevirkes av en rask innføring av varme over et nøyaktig fastlagt tidsrom og dermed ved hjelp av en definert temperaturgradient i vertikalretningen, og en fastlagt dybde for den fra skinnekjøreflaten utgående austenitisering.

Som gass for brenneren skal her fortrinnsvis nevnes propan og surstoff. Surstoffets arbeidstrykk skal være så stort som mulig, for derved å muliggjøre en rask varmetilførsel. Ved siden av propan og surstoff kan man også tenke seg kombi-nasjoner såsom acetylen/surstoff eller bensin/surstoff og andre.

Særlig gunstig (se fig. 2) er en loddrett tilføring av gassflammen 9 direkte mot skinnens kjøreflate 8. For den definerte varmetilførsel eksisterer det en optimal brenneravstand a til kjøreflaten 8 på skinnen 13. I samsvar med foreliggende oppfinnelse plasseres brennerhodets brennflate i en avstand fra kjøreflaten i sveisen og varmeinnflytelsessonene som, målt i millimeter, tilsvarer 0,1- til 1-ganger tallverdien til den anvendte skinnes metervekt, uttrykt i kilo. Ved en skinne med en metervekt på 60 kilo vil således brennflatens avstand være 6 til 60 mm.

Av stor betydning for oppnåelsen av finperlittiseringen er, som allerede nevnt, også varmetilførselens varighet, som må avstemmes i avhengighet av den anvendte brennertype. Ved bruk av en med fem bar surstoff og 1,5 bar propan drevet brenner med 78 gassutløpsboringer, hver med en diameter på 1 mm, i brennerhodet og et forbruk på 18.000 liter surstoff/time og 6.000 liter propan/time, vil eksempelvis en varmetid på 10 sek. være for kort, da austenitiseringstemperaturen ikke vil nås. Det kan heller ikke anbefales en bare kortvarig oppnåelse av austenitiseringstemperaturen, fordi avkjøl-ingshastigheten da vil være for stor, slik at det skjer en utskilling med uønsket herdestruktur. Tider på mer enn 180 sekunder vil også være ugunstige for en slik brenner, fordi dypevarmen i skinnen vil bli for stor og den senere avkjøling vil skje for langsomt. Det finnes således en gunstig tidsvarighet for varmetilførselen, alt avhengig av brennertype og brennergass/-trykk. For kraftige brennere vil det for det meste dreie seg om en tid på mellom 50 og 150 sekunder.

En foretrukken utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består i at det som tidsrom for oppvarming for skinner med en metervekt på fra 45 til 70 kg velges 80 til 120 sekunder, og at brennerhodets brennflate holdes i en avstand målt i millimeter tilsvarende 0,3- til 0,7-ganger den tilsvarende tallverdi til skinnens metervekt, målt i kilo.

Sammensetningen av mellomgodsområdet må tilsvare sammensetningen i den finperlittiserte skinne som skal sveises, slik at man således har like omdannelsesforhold og det kan oppnås en jevnt hårdhetsfordeling. Sveiseporsjonen må også være tilsvarende legert. Sveisingen vil i samsvar hermed først gi et mellomgodsområde, som hårdhetsmessig omtrent svarer til en sveis med naturhårde skinner med minste strekkfasthet på 900 N/mm2 . Også varmeinnflytelsessonene svarer til en sveis på slike skinner, da jo den finperlittiserte skinne i sin kjemiske sammensetning tilsvarer skinnens med 900 N/mm<2> minste strekkfasthet. Etter en avkjøling av sveisen 10 til omgivelsestemperatur, startes brenneren 11. Gassflammene 9 vil herunder dekke sveisen 10, de to varmeinn-f lytelsessonene og dessuten også områdene 12 som ikke påvirkes av sveisen 10 (fig. 2); altså et område, som er større enn avstanden mellom de to hårdhetsdalene (fig. IA og

IB ).

Man må ta hensyn til de forhold som hersker på sveisestedet, slik at de der herskende ulike værforhold ikke får noen innflytelse på kvaliteten til finperlittiseringen. Særlig vil eksempelvis skarpe kalde vinder føre til for store avkjøl-ingshastigheter. Dette kan man unngå ved bruk av tilsvarende vindbeskyttelse.

Varmebehandlingsmetoder av den beskrevne type muliggjør fordelaktig nå også bruk av aluminotermiske sveisemetoder med lengre forvarmetider for finperlittiserte skinner, uten ulemper, fordi de større varmeinnflytelsessoner likeledes trekkes med i varmebehandlingen og således herdes.

At det ved kanten av varmebehandlingen ikke igjen oppstår en kraftig hårdhetsreduksjon, må erklæres med den korte tid som dette område utsettes for temperaturer fra 600 til 700°C. Som følge av den korte tid kan perlittstrukturen ikke innforme seg og anta den sfæriske, myke form. Dette muliggjøres som følge av den korte, men raske varmetilførsel, som allikevel gir en tilstrekkelig stor dybde for gjennomherdingen av kjøreflaten. For å oppnå de ønskede egenskaper må man finne optimale verdier for parametere såsom gasstrykk, flytehastig-het, brenneravstand til kjøreflate og sveisegodsets eller porsjonens kjemiske sammensetning. Av betydning her er videre skinnens størrelse henholdsvis masse, fordi større eller tyngre skinner krever større varmetilførsel, mens man ved lettere skinner må passe på at man har en mindre varmetil-førsel .

Nedenfor skal fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen forklares nærmere i form av et eksempel og under henvisning til fig. 2.

Det anvendes en skinne 13 av finperlittisert kvalitet med følgende kjemiske sammensetning i vekt-#:

rest Fr og smeltebetingede forurensninger.

Denne skinne 13 har en gjennomsnittlig kjøreflatehårdhet på 345 HV. Varmebehandlingen skjer ovenfra mot skinnekjøreflaten 8 etter en avkjøling av sveisen 10 til omgivelsestemperatur. Oppvarmingen skjer med den allerede beskrevne surstoff/- propanbrenner (arbeidstrykk 5 bar surstoff, 1,5 bar propan, brennerhode 11 med 78 boringer 14, hver med en diameter på 1,0 mm, forbruk 18.000 liter surstoff/time og 6.000 liter propan/time). Avstanden a mellom brennerhodet 11 og skinne-kjøreflaten 8 utgjør 25 mm. Tiden for varmetilførselen utgjør 100 sekunder. Den austenitiserte kjøreflate 8 avkjøles deretter under et beskyttende deksel.

Diagrammet i fig. 3 viser resultatet av den ifølge oppfinnelsen foretatte varmebehandling. Opptegnet er kjøre-flatens herding i sveisen og varmeinnflytelsessonene i skinnens lengderetning (kurve IV). Sammenlignet med en ubehandlet sveis, som tilveiebringes ifølge teknikkens stand under utnyttelse av SKV-metoden (kurve III) og bruk av en høylegert porsjon, ser man at man som følge av varmebehandlingen bare får meget beskjedne hårdhetsdaler.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for mellomgodssveising av finperlittiserte skinner ved ifylling av aluminotermisk frembragt stål i en støpeform som omgir de to skinneender, karakterisert ved at etter avkjølingen av sveisen blir kjøreflaten i sveisen og de tilgrensende varmepåvirkningssoner sjokkaktig ovenfra oppvarmet ved hjelp av en brenner over et tidsrom på fra 50 til 150 sekunder, idet brenneren herunder pådras med minst 10.000 liter/time surstoff og 3.500 liter/time propan eller acetylen, og brennerhodets brennflate plasseres i en avstand, målt i millimeter, fra kjøreflaten i sveisen og varmeinnflytelsessonene tilsvarende 0,1- til 1-ganger tallverdien til den anvendte skinnes metervekt, målt i kilo.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som tidsrom for oppvarmingen av skinner med en metervekt på fra 45 til 70 kg velges 80 til 120 sekunder, og at brennerhodets brennflate plasseres i en avstand målt i millimeter svarende til 0,3 til 0,7 ganger tallverdien til skinnenes metervekt, målt i kilo.