WO1993014230A1 - Gleisteile sowie verfahren zur herstellung dieser - Google Patents

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WO1993014230A1
WO1993014230A1 PCT/EP1993/000035 EP9300035W WO9314230A1 WO 1993014230 A1 WO1993014230 A1 WO 1993014230A1 EP 9300035 W EP9300035 W EP 9300035W WO 9314230 A1 WO9314230 A1 WO 9314230A1
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rail
track part
section
steel
approximately
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PCT/EP1993/000035
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Wilhelm Heller
Gerhard Ratz
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Bwg Butzbacher Weichenbau Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C21D2211/009—Pearlite
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/902—Metal treatment having portions of differing metallurgical properties or characteristics

Definitions

  • the invention relates to track parts produced using steel, the proportions of at least carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), vanadium (V), phosphorus (P) , optionally aluminum (AI), iron and usual melting-related impurities. Furthermore, the invention relates to a method for producing track parts by at least rolling steel, the at least carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), vanadium (V), Contains phosphorus (P), optionally aluminum (Al), iron and usual melting-related impurities.
  • Rails and switches in particular, should have a high resistance to wear, crushing and fatigue damage. Break resistance and suitability for welding should also be provided. These requirements justified the use of rails with 900 N / mm 2 and 1100 N / mm 2 minimum tensile strength.
  • C carbon
  • Mn manganese
  • Si silicon
  • Cr chromium
  • Pmax phosphorus max
  • Smax sulfur max
  • Rm tensile strength
  • A5 elongation at break.
  • a disadvantage of martensitic tempering i.e. austenitizing, quenching and tempering, is inadequate hardening and / or tensile strengths below 1300 N / mm 2 in the case of hardnesses below 400 HV.
  • tempered steels In switch parts, especially in the heart area, the material group of the rail steels was replaced by tempered steels. Steels such as 50 Cr Mo4 and 50 Cr V4 are used. The hardening takes place on tensile strengths of 1100 N / mm 2 to 1350 N / mm 2 .
  • the production of tempered rails has been discontinued.
  • One of the reasons for this was that the use of tempered steels in switches does not allow the manufacture of switches from a uniform type of material, since the tempered steels, when rolled into rails, do not show the required mechanical and technological properties. They also show limits in their remuneration strength.
  • Fine pearlizing is based on UIC 900 A rails according to Table 1 or a comparable AREA quality. Good hardening depths are achieved, although the maximum values are limited to ⁇ 400 HV.
  • the yield strength and tensile strength will be 850 N / mm 2 and 1250 N / mm 2 (see, for. Example, "Er ⁇ probung high strength naturally hard rails on the Gotthard route", Ch. Hoffmann, W. Heller, J. Flugge, R Schweitzer, ETR 38 (1989), pages 775/781.
  • the combination of fine pearlizing with simultaneous precipitation hardening allows hardening from 400 HV to 440 HV at yield strengths of 800 N / mm 2 to 900 N / mm 2 .
  • the steels used are at the limit of the permissible fracture toughness.
  • a tensile strength of 1400 N / mm 2 is generally considered to be the upper limit.
  • the present invention is based on the problem of providing track parts or a method for producing them which can be used both for normal track and for the turnout area, the steel when used as a rail material in its fracture toughness and thus in the fracture resistance of pearlitic splints of corresponding strength levels should be clearly superior.
  • the strength and associated yield point should also ensure resistance to plastic deformation, which in particular can occur in highly stressed switches.
  • the problem is solved according to the invention with a track part made of steel of the type mentioned at the outset in that the steel is vacuum-treated and at least 0.53 to 0.62% C, 0.65 to 1.1% Mn, 0.8 to 1, 3% Cr, 0.05 to 0.11% Mo, 0.05% to 0.11% V, ⁇ 0.02% P, residual iron and usual impurities due to melting, that the track part in the form of a rail rolled steel is with pearlitic structure and that the track part in the form of a switch section is a rolled rail section as the starting material, which by tempering has a martensitic structure at least in the rail head.
  • the Al content without controlled additions of AI should be between 0.001% and 0.005%, if possible below 0.003%.
  • Al As alloy component, 0.015 to 0.025% Al should be added.
  • the hydrogen content should in all cases be below 2 ppm.
  • the Si content is between 0.15% and 0.25%.
  • the ratio of Mn to Cr is approximately
  • the steel can contain niobium (Nb) in a proportion of up to 0.05%, preferably between 0.002% and 0.04%.
  • Nb niobium
  • the problem is solved according to the invention in that steel with at least 0.53 to 0.62% C, 0.65 to 1.1% Mn, 0.8 to 1.3% Cr, 0.05 to 0.11% Mo, 0.05 to 0.11% V, ⁇ 0.2% P, residual iron and usual melting-related impurities are used, that a rail is rolled as a sliding part of the steel and a pearlitic structure with a minimum strength of 900 N / mm 2 has that in order to produce a switch section as a track part, a section of the rolled rail, at least in the area of its head, is heated to an austenitizing temperature of approximately 850 ° C.
  • cooling fluid in 60 to 120 seconds a temperature of about 850 ° C to about 500 ° C and in 140 to 400 seconds cooled from a temperature of about 500 ° C to about 200 ° C and then annealed to a minimum strength of 1,500 N / mm 2 becomes. Further cooling to room temperature can take place, for example, in air.
  • the Al content should be between 0.001% and 0.005%, if possible below 0.003%, without the controlled addition of Al.
  • AI alloy component 0.015 to 0.025% AI should be added.
  • the rail section is preferably inductively heated and then compressed air at a cooling rate of about 175 ° C / minute from about 850 ° C to about 500 ° C, then at a cooling rate of about 75 ° C / minute of about 500 ° C to about 200 ° C. optionally subsequently cooled to room temperature in still air and then subjected to a tempering treatment at approximately 500 ° C., which preferably lasts in approximately 30 minutes to 120 minutes.
  • the possibility has been created through material and heat treatment of a pearlitic steel in the rolled state, which is of the same type with standard and special grades and can be butt welded, with initial strengths of> 900 N / mm 2 or> 1000 N / mm 2 or> 1100 N / mmm 2 by hardening and tempering in the rail head to set strengths above 1500 N / mm 2 corresponding to a hardness> 450 HV.
  • the steel in the rolled state is pearlitic in its fracture toughness and thus in fracture resistance Clearly superior rails of the corresponding strength levels.
  • the strength and the associated yield strength make it resistant to plastic deformations, which occur particularly in high-stress switches.
  • the desired strength levels can be achieved with steels, the directional analyzes of which can be found in Table 2:
  • the profile UIC 60 with the same strength compared to rails according to the technical delivery conditions UIC 860 achieved significantly better toughness and above all crack toughness values, as can be seen in Table 3.
  • the fracture toughness is particularly suitable for assessing the fracture behavior and is a measure of the fracture resistance.
  • the rail parts tempered according to the invention also show considerable advantages in terms of their mechanical properties compared to finely pearlized rails, as shown in Table 4 below:
  • the yield strength Rp 02 which is important for maintaining the geometry in turnouts, has increased by 59% and the tensile strength Rm by 24% compared to fine pearlized turnouts.
  • the flexural fatigue strength which determines the resistance to fatigue damage such as breakouts, has improved by 75%.
  • the fracture toughness K, c could be increased by approximately 70%.
  • the teaching according to the invention results in considerable advantages both in track construction and in particular in switch construction.
  • the expected long service life brings an improvement in the safety against breakage, the driving comfort and the economy.
  • Fig. 1 shows a cross section through a heat treated according to the invention
  • Fig. 2 shows a temperature / time profile in a heat treatment (semi-schematic)
  • Fig. 3 shows the course of hardness of heat-treated rails.
  • FIG. 1 shows a cross section of a track part (10) produced according to the invention in the form of a rail, which comprises a rail foot (12), a web (14) and a rail head (16).
  • a vacuum-treated steel analysis was used to manufacture the rail, which can be seen in Table 2.
  • the Al content is preferably 0.001% and 0.005%, if possible below 0.003%.
  • aluminum with a proportion of 0.01% to 0.05% and niobium with a proportion of 0.02% to 0.04% can also be present.
  • the rail is formed by rolling and after rolling has a pearlitic structure with a ULTRASONIC strength of 900 N / mm 2 to 1220 N / mm 2 at Rißzähig ⁇ speeds over 1500 N / mm 3/2.
  • tempering is carried out, that is to say martensitic hardening and tempering.
  • the rail head (16) is heated to the hardening temperature, ie to the austenitizing temperature in the range from 850 ° C. to 1,050 ° C., preferably heated inductively.
  • the temperature range between 850 ° C. and 500 ° C. being carried out in 60 to 120 seconds and the temperature range from 500 ° C. to 200 ° C. in 140 to 400 seconds.
  • the higher cooling rate should be used in the lower alloy area and the lower in the upper alloy area. get fertilized.
  • bainite fractions of up to 70% are formed between 500 ° C and 250 ° C. They prevent the build-up of high cooling and transformation stresses in the transition to the base material and allow the use of comparatively high C contents without the formation of stress cracks.
  • the area provided with the reference symbol (18) (outer head region) is the compensation region
  • the region provided with the reference symbol (20) (inner head region) is the transition region and the region underneath and having the reference symbol (22) the one that corresponds to the rolling condition.
  • This area (22) extends from the lower part of the rail head (16) over the web (14) to the rail base (12).
  • tempering takes place in the temperature range between 450 ° C and 600 ° C depending on the selected duration.
  • the 2 shows a semi-schematic representation of the temperature-time curve in the heat treatment provided.
  • the area (24) corresponds to the heating, the area (26) to the temperature compensation, the area (28) to the cooling area between 950 ° C and 500 ° C, the area (30) to the cooling area between 500 ° C and 200 ° C, the area (32) the cooling area between 200 ° C and 20 ° C.
  • the region (34) starts the tempering, ie the heating to the tempering temperature.
  • the area (36) shows the holding time at the starting temperature.
  • the area (38) is intended to reflect the cooling to room temperature.
  • the scatter band (48) thus corresponds to a fine pearlization according to DE 34 46 794 Cl.
  • the scatter band (50) is said to represent a fine pearlization according to "head-hardened rail for the highest operational demands", H. Schmedders, H. Bienzefsler, K.-H-Tücke and K-Wid, ETR (1990) No. 4.
  • the line (52) in FIG. 3 which is an inductive remuneration according to "For rail production and development in Great Britain, in the USA, in Canada and in Japan", Stahl und Eisen 90 (1970), pp. 922/28 , corresponds to the hardness valley which is disadvantageous in the case of martensitic structures and which often already occurs at impermissible depths.
  • the entire cross section of the track part (10) can be austenitized and cooled in such a way that the area (18) in Fig. 1 forms martensite, the area (20) predominantly bainite and the remaining cross section forms pearlite structure. Starting is done as already described.
  • An advantage of this variant is that no softening occurs in the transition from the heat-treated area to the base material.
  • the entire cross section can be hardened and the areas (18) and (20) can be left on as described.
  • the remaining cross section is additionally tempered at a temperature which is 100 to 150 ° C higher in such a way that the strength in this area is approximately 400 N / mm 2 lower than in areas (18) and (20).
  • the advantage of this variant is also that a particularly high level of break resistance is set in the web (14) and foot (12) of the rail section (10).

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Abstract

Um ein Gleisteil (10) sowohl für das normale Gleis als auch für den Weichenbereich verwenden zu können, wird ein vakuumbehandelter Stahl mit zumindest 0,53 bis 0,62 % C, 0,65 bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 % Mo, 0,05 bis 0,11 % V, « 0,02 % P, Resteisen sowie übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen benutzt. Dabei ist das Gleisteil (10) in Form einer Schiene gewalzter Stahl mit perlitischem Gefüge. Soll das Gleisteil als Weichenabschnitt zum Einsatz gelangen, so wird ein gewalzter Schienenabschnitt als Ausgangsmaterial verwendet, der durch Vergütung ein martensitisches Gefüge zumindest im Schienenkopfbereich (16) aufweist.

Description

Beschreibung
Gleisteile sowie Verfahren zur Herstellung dieser
Die Erfindung bezieht sich auf Gleisteile hergestellt unter Verwendung von Stahl, der Anteile von zumindest Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Phosphor (P), gegebenenfalls Aluminium (AI), Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Gleisteilen durch zumindest Walzen von Stahl, der zumindest Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Phosphor (P), gegebenenfalls Aluminium (AI), Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält.
Insbesondere durch die Geschwindigkeitszunahme von Zügen bedingt werden immer höhere Anforderungen an den Oberbau gestellt. Dabei sollen insbesondere Schienen und Weichen einen hohen Widerstand gegen Verschleiß, Verquetschun- gen und Ermüdungsschäden aufweisen. Auch soll eine Bruchsicherheit und eine Geeignetheit zum Schweißen gegeben sein. Diese Forderungen haben den Einsatz von Schienen mit 900 N/mm2 und 1100 N/mm2 Mindestzugfestigkeit begründet.
Die chemische Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften entsprechender zum Einsatz gelangender Schienen, wie sie sich z. B. aus Werkstoffkunde Stahl, Band 2, D 27, Seite 594/602, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1985 "Stähle für den Eisenbahnoberbau" ergeben, sind beispielhaft der Tabelle 1 zu entnehmen.
Figure imgf000004_0001
* (Es können zulegiert werden: Mo < 0,1%, V < 0,2%)
Dabei bedeuten:
C = Kohlenstoff, Mn = Mangan, Si = Silizium, Cr = Chrom, Pmax = Phosphor max, Smax = Schwefel max, Rm = Zugfestigkeit, A5 = Bruchdehnung.
Die mit steigender Zugfestigkeit bei naturharten Schienen in der Regel abneh¬ mende Bruchzähigkeit hat sowohl bei Schienen als auch bei Weichenteilen zu Entwicklungen geführt, um die Gebrauchseigenschaften durch eine Wärmebe¬ handlung weiter zu verbessern. Durchgesetzt haben sich dabei das martensitische Vergüten und das Feinperlitisieren (siehe z. B. "Zur Schienenherstellung und - entwicklung in Großbritannien, in den U.S.A., in Kanada sowie in Japan", Stahl und Eisen 90 (1970), Seite 922/28 oder DE-PS 25 41 978 oder DE 34 46 794 Cl).
Nachteilig beim martensitischen Vergüten, also Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen, ist eine unzureichende Einhärtung und/oder Zugfestigkeiten unter 1300 N/mm2 bei Härten unter 400 HV.
In Weichenteilen, insbesondere im Herzstückbereich wurde die Werkstoffgruppe der Schienenstähle durch Vergütungsstähle ausgetauscht. Hierbei kommen Stähle wie 50 Cr Mo4 und 50 Cr V4 zur Anwendung. Dabei erfolgt das Vergüten auf Zugfestigkeiten von 1100 N/mm2 bis 1350 N/mm2. Allerdings ist die Herstellung vergüteter Schienen wieder eingestellt worden. Anlaß hierfür war unter anderem, daß der Einsatz von Vergütungsstählen in Weichen die Herstellung von Weichen aus einer einheitlichen Werkstoffsorte nicht gestattet, da die Vergütungsstähle, wenn sie zu Schienen gewalzt werden, nicht die geforderten mechanischen und technologischen Eigenschaften zeigen. Auch zeigen sie Grenzen in ihrer Vergütungsfestigkeit.
Beim Feinperlitisieren geht man von UIC 900 A Schienen gemäß Tabelle 1 bzw. einer vergleichbaren AREA-Güte aus. Dabei erreicht man gute Einhärtetiefen, wobei allerdings die Höchstwerte auf < 400 HV begrenzt sind. Die Streckgrenze und die Zugfestigkeit liegen bei 850 N/mm2 bzw. 1250 N/mm2 (siehe z. B. "Er¬ probung hochfester naturharter Schienen auf der Gotthardstrecke", Ch. Hoffmann, W. Heller, J. Flügge, R. Schweitzer, ETR 38 (1989), Seite 775/781.
Die Verbindung eines Feinperlitisierens mit gleichzeitiger Ausscheidungshärtuπg erlaubt Härten von 400 HV bis 440 HV bei Streckgrenzen von 800 N/mm2 bis 900 N/mm2. Die eingesetzten Stähle bewegen sich jedoch dabei an der Grenze der zulässigen Rißzähigkeit. Allgemein wird eine Zugfestigkeit von 1400 N/mm2 als obere Grenzen angesehen.
Um eine höhere Festigkeit an kritisch beanspruchten Stellen in einer Weiche herzustellen, ist auch vorgeschlagen worden, besonders harten Sonderstahl (HV > 500) im Bereich der Herzstückspitze einzuschweißen ("Developments in high- peed turnout design", Dr. Helmut Adelsberger, Voest-Alpine GmbH (1991)).
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, Gleisteile bzw. ein Verfahren zur Herstellung solcher zur Verfügung zu stellen, die sowohl für das normale Gleis als auch für den Weichenbereich verwendet werden können, wobei der Stahl bei der Verwendung als Schienenmaterial in seiner Rißzähigkeit und damit in der Bruchsicherheit perlitischer Schienen entsprechender Festigkeitsstufen deutlich überlegen sein soll. Auch soll die Festigkeit und damit verbundene Streck¬ grenze eine Beständigkeit gegen plastische Verformung gewähren, die insbesondere in hochbeanspruchten Weichen auftreten können.
Das Problem wird erfindungsgemäß mit einem Gleisteil hergestellt aus Stahl der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Stahl vakuumbehandelt ist und zumindest 0,53 bis 0,62 % C, 0,65 bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 % Mo, 0,05 % bis 0,11 % V, < 0,02 % P, Resteisen sowie übliche erschmelzungs¬ bedingte Verunreinigungen enthält, daß das Gleisteil in Form einer Schiene gewalzter Stahl mit perlitischem Gefüge ist und daß das Gleisteil in Form eines Weichenabschnitts ein gewalzter Schienenabschnitt als Ausgangsmaterial ist, der durch Vergüten ein martensitisches Gefüge zumindest im Schienenkopf aufweist.
Bei einem AI-freien Stahl sollte der Al-Gehalt ohne kontrollierte Zugaben von AI zwischen 0,001 % und 0,005 %, möglichst unter 0,003 % liegen. Bei AI als Legie¬ rungsbestandteil sollte 0,015 bis 0,025 % AI zugegeben werden. Der Wasserstoff¬ gehalt soll in allen Fällen unter 2 ppm liegen.
In Ausgestaltung der Erfindung beläuft sich der Si-Gehalt zwischen 0,15 % und 0,25 %.
Insbesondere ist vorgesehen, daß das Verhältnis von Mn zu Cr in etwa
0,80 < Mn : Cr < 0,85
beträgt.
In bezug auf das Verhältnis von Mo zu V ist vorgesehen, daß sich dieses auf in etwa 1 beläuft.
Gegebenenfalls kann der Stahl Niobium (Nb) mit einem Anteil von bis zu 0,05 %, vorzugsweise zwischen 0,002 % und 0,04 % aufweisen. Verfahrensmäßig wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Stahl mit zumindest 0,53 bis 0,62 % C, 0,65 bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 % Mo, 0,05 bis 0,11 % V, < 0,2 % P, Resteisen sowie üblichen erschmelzungsbeding- ten Verunreinigungen verwendet wird, daß zur Herstellung eine Schiene als Glei - teil der Stahl gewalzt wird und ein perlitisches Gefüge mit einer Mindestfestigkeit von 900 N/mm2 aufweist, daß zur Herstellung eines Weichenabschnitts als Gleisteil ein Abschnitt der gewalzten Schiene zumindest im Bereich ihres Kopfes auf Austenitisierungstemperatur von ca. 850 °C bis ca. 1050 °C erwärmt, mittels Kühl- fluids in 60 bis 120 Sekunden von einer Temperatur von ca. 850 °C auf ca. 500 °C und in 140 bis 400 Sekunden von einer Temperatur von ca. 500 °C auf ca. 200 °C abgekühlt und anschließend auf eine Mindestfestigkeit von 1.500 N/mm2 angelas¬ sen wird. Eine weitere Abkühlung auf Raumtemperatur kann z.B. an Luft erfolgen.
Sofern ein AI-freier Stahl zum Einsatz gelangt, sollte der Al-Gehalt ohne kon¬ trollierte Zugabe von AI zwischen 0,001 % und 0,005 %, möglichst unter 0,003 % liegen. Bei AI Legierungsbestandteil sollte 0,015 bis 0,025 % AI zugegeben werden.
Der Schienenabschnitt wird vorzugsweise induktiv erwärmt, um anschließend mit Preßluft mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von in etwa 175 °C/Minute von in etwa 850 °C auf in etwa 500 °C, sodann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von in etwa 75 °C/Minute von in etwa 500 °C auf in etwa 200 °C,. gegebenenfalls anschließend an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wird und sodann bei in etwa 500 °C einer Anlaßbehandlung unterzogen wird, die vorzugsweise in etwa 30 Minuten bis 120 Minuten andauert.
Mit der erfindungsgemäßen Lehre ist durch Werkstoff und Wärmebehandlung die Möglichkeit geschaffen worden, an einem im Walzzustand perlitischen Stahl, der mit Standard- und Sondergüten artgleich ist und stoßgeschweißt werden kann, bei Ausgangsfestigkeiten von > 900 N/mm2 bzw. > 1000 N/mm2 bzw. > 1100 N/mmm2 durch Härten und Anlassen im Schienenkopf Festigkeiten über 1500 N/mm2 entsprechender einer Härte > 450 HV einzustellen. Dabei ist der Stahl im Walzzu¬ stand in seiner Rißzähigkeit und damit in der Bruchsicherheit den perlitischen Schienen der entsprechenden Festigkeitsstufen deutlich überlegen. Die Festigkeit und damit verbundene Streckgrenze macht ihn gegen plastische Verformungen, die insbesondere in hochbeanspruchten Weichen auftreten, beständig.
Erfindungsgemäß lassen sich die angestrebten Festigkeitsstufen mit Stählen errei¬ chen, deren Richtanalysen der Tabelle 2 zu entnehmen sind:
Figure imgf000008_0001
Durch die erfindungsgemäße Lehre werden im Walzzustand an Schienen z. B. des Profils UIC 60 bei gleicher Festigkeit gegenüber Schienen nach den technischen Lieferbedingungen UIC 860 deutlich bessere Zähigkeits- und vor allem Rißzähig¬ keitswerten erreicht, wie der Tabelle 3 zu entnehmen ist. Insbesondere die Rißzä¬ higkeit eignet sich zu Beurteilung des Bruchverhaltens und ist ein Maß für die Bruchsicherheit.
Figure imgf000008_0002
Aber auch gegenüber feinperlitisierten Schienen zeigen die erfindungsgemäß vergüteten Gleisteile in ihren mechanischen Eigenschaften erhebliche Vorteile, wie die nachstehende Tabelle 4 belegt:
Figure imgf000009_0001
Wie die Tabelle verdeutlicht, ist die für die Erhaltung der Geometrie in Weichen wichtige Streckgrenze Rp02 um 59 %, die Zugfestigkeit Rm um 24 % gegenüber feinperlitisierten Weichen angestiegen. Die Biegewechselfestigkeit, die den Wider¬ stand gegen Ermüdungsschäden wie Fahrkantenausbrechungen bestimmt, hat sich um 75 % verbessert. Gleichzeitig konnte die Rißzähigkeit K,c um in etwa 70 % gesteigert werden.
Durch die erfindungsgemäße Lehre ergeben sich sowohl im Gleisbau als insbeson¬ dere im Weichenbau erheblich Vorteile. Die zu erwartende lange Lebensdauer birgt eine Verbesserung der Bruchsicherheit, des Fahrkomforts und der Wirt¬ schaftlichkeit.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der zeichneri¬ schen Darstellungen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß wärmebehandelte
Schiene,
Fig. 2 einen Temperatur-/Zeitverlauf bei einer Wärmebehandlung (halb- schematisch) und
Fig. 3 den Härteverlauf wärmebehandelter Schienen.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten Gleisteils (10) in Form einer Schiene dargestellt, die einen Schienenfuß (12), einen Steg (14) sowie einen Schienenkopf (16) umfaßt.
Zur Herstellung der Schiene ist ein vakuumbehandelter Stahl einer Analyse genutzt worden, die der Tabelle 2 zu entnehmen ist. Bei einem Al-freien Stahl beträgt der AI-Anteil vorzugsweise 0,001 % und 0,005 %, möglichst unter 0,003 %. Es kann jedoch auch Aluminium mit einem Anteil von 0,01 % bis 0,05 % sowie Niobium mit einem Anteil von 0,02 % bis 0,04 % vorhanden sein.
Die Schiene wird durch Walzen geformt und weist nach dem Walzen ein perliti- sches Gefüge mit einer Festigkeit von 900 N/mm2 bis 1220 N/mm2 bei Rißzähig¬ keiten über 1500 N/mm3/2 auf.
Um aus dem Gleisteil (10) ein Weichenteil herzustellen, erfolgt ein Vergüten, das heißt martensitisches Härten und Anlassen. Hierzu wird der Schienenkopf (16) auf Härtetemperatur, d. h. auf Austenitisierungstemperatur im Bereich von 850 °C bis 1.050 °C erhitzt, vorzugsweise induktiv erwärmt. Anschließend erfolgt eine Ab¬ kühlung, wobei der Temperaturbereich zwischen 850 °C und 500 °C in 60 bis 120 Sekunden und der Temperaturbereich von 500 °C bis 200 °C in 140 bis 400 Sekun¬ den durchlaufen wird. Dabei sollte im unteren Legierungsbereich die höhere und im oberen Legierungsbereich die geringere Abkühlungsgeschwindigkeit zur Anwen- düng gelangen.
Bei dieser Abkühlung stellen sich bei den angegebenen chemischen Zusammen¬ setzungen Martensit mit geringen Bainitanteilen im Bereich des außenliegenden Schienenkopfbereiches ( 18) ein. Im darunterliegenden Bereich (20) bilden sich zwischen 500 °C und 250 °C Bainitanteile bis 70 %. Sie verhindern den Aufbau hoher Abkühl- und Umwandlungsspannungen im Übergang zum Grundwerkstoff und erlauben die Verwendung vergleichsweiser hoher C-Gehalte ohne Bildung von Spannungsrissen.
Mit anderen Worten ist der mit dem Bezugszeichen (18) versehene Bereich (äuße¬ rer Kopfbereich) der Vergütungsbereich, der mit dem Bezugszeichen (20) ver¬ sehene Bereich (innenliegender Kopfbereich) der Übergangsbereich und der darunterliegende und das Bezugszeichen (22) aufweisende Bereich derjenige, der dem Walzzustand entspricht. Dieser Bereich (22) erstreckt sich vom unteren Teil des Schienenkopfes (16) über den Steg (14) zu dem Schienenfuß (12).
Nachdem eine Temperatur von 200 °C erreicht ist, kann gegebenenfalls eine weitere Abkühlung beliebiger Art erfolgen. Das Anlassen erfolgt je nach gewählter Anlaßdauer im Temperaturbereich zwischen 450 °C und 600 °C.
Der Fig. 2 ist eine halbschematische Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs bei der vorgesehenen Wärmebehandlung zu entnehmen. So entspricht der Bereich (24) dem Aufheizen, der Bereich (26) dem Temperaturausgleich, der Bereich (28) dem Abkühlungsbereich zwischen 950 °C und 500 °C, der Bereich (30) dem Abkühlungs¬ bereich zwischen 500 °C und 200 °C, der Bereich (32) dem Abkühlungsbereich zwischen 200 °C und 20 °C. Mit dem Bereich (34) beginnt das Anlassen, d. h. das Aufheizen auf die Anlaßtemperatur. Der Bereich (36) gibt die Haltezeit auf Anlaßtemperatur wieder. Schließlich soll durch den Bereich (38) die Abkühlung auf Raumtemperatur widergespiegelt werden. Bei induktiver Erwärmung auf 950 °C und Anwendung einer Preßluftabkühlung mit 150 °C/Minute im Temperaturbereich von 85 °C bis 500 °C und 75 °C/Minute von 500 °C auf 200 °C mit anschließender Abkühlung an ruhender Luft auf Raumtem¬ peratur und einer Anlaßbehandlung von 30 Minuten bei 500 °C wurde an Stahl 3 gemäß Tabelle 2 ein Härteverlauf entsprechend der gestrichelten Linie (40) im Streuband (42) gemäß Fig. 3 eingestellt. Dabei ist in der Graphik der Abstand von der Fahrfläche (44) des Schienenkopfes (16) entlang der Hochachse (46) gegenüber der Härte HV aufgetragen.
Die weiteren in der Fig. 3 dargestellten Härteverläufe entsprechen Weichenteilen, die nach dem Stand der Technik vergütet worden sind.
So entspricht das Streuband (48) einer nach der DE 34 46 794 Cl erfolgten Fein- perlitisierung.
Das Streuband (50) soll eine Feinperlitisierung gemäß "Kopfgehärtete Schiene für höchste Betriebsansprüche", H. Schmedders, H. Bienzefsler, K.-H- Tücke und K- Wid , ETR (1990) Heft 4, representieren.
Ferner soll in Fig. 3 die Linie (52), die einer induktiven Vergütung nach "Zur Schienenherstellung und -entwicklung in Großbritannien, in den USA, in Kanada sowie in Japan", Stahl und Eisen 90 (1970), S. 922/28, entspricht, das bei martensi- tischen Gefügen nachteilige Härtetal verdeutlichen, das häufig bereits in unzulässi¬ gen Tiefen auftritt.
Vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Lehre sind im folgenden zu sehen:
So kann der gesamte Querschnitt des Gleisteils (10) austenitisiert und so abgekühlt werden, daß der Bereich (18) in Fig. 1 Martensit, der Bereich (20) überwiegend Bainit und der restliche Querschnitt Perlitgefüge bildet. Das Anlassen erfolgt wie bereits beschrieben. Ein Vorteil dieser Variante ist, daß im Übergang vom wärme¬ behandelten Bereich zum Grundwerkstoff keine Entfestigung eintritt. Es besteht auch die Möglichkeit, den gesamten Querschnitt zu härten und wie bereits beschrieben anzulassen.
Schließlich können der gesamte Querschnitt gehärtet und die Bereiche (18) und (20) wie beschrieben angelassen werden. Der restliche Querschnitt wird zusätzlich bei einer um 100 bis 150 °C höheren Temperatur so angelassen, daß in diesem Bereich die Festigkeit um ca. 400 N/mm2 niedriger liegt als in den Bereichen (18) und (20). Der Vorteil dieser Variante liegt zusätzlich darin, daß im Steg (14) und Fuß (12) des Schienenabschnitt (10) eine besonders hohe Bruchsicherheit einge¬ stellt wird.
Zu erwähnen ist, daß die jeweils angegebenen %- Angaben für Sollanteile selbstver¬ ständlich Gewichts-% sind.

Claims

PatentansprücheGleisteile sowie Verfahren zur Herstellung dieser
1. Gleisteil hergestellt aus Stahl, der Anteile von zumindest Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Phosphor (P), gegebenenfalls Aluminium (AI), Eisen und üblichen erschmel- zungsbedingten Verunreinigungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein vakuumbehandelter Stahl mit zumindest 0,53 bis 0,62 % C, 0,65 bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 % Mo, 0,05 bis 0,11 % V, ≤ 0,02 % P, Resteisen sowie übliche erschmelzungsbedingte Verunreini¬ gungen ist, daß das Gleisteil in Form einer Schiene (10) gewalzter Stahl mit perlitischem Gefüge ist und daß das Gleisteil in Form eines Weichenab¬ schnitts ein gewalzter Schienenabschnitt als Ausgangsmaterial ist, der durch Vergütung ein martensitisches Gefüge zumindest im Schienenkopfbereich (18) aufweist.
2. Gleisteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl einen Al-Gehalt zwischen 0,001 % und 0,005 %, vorzugsweise unter 0,003 % aufweist.
3. Gleisteil nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Si-Gehalt zwischen 0,15 % und 0,25 % liegt.
4. Gleisteil nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Mn zu Cr in etwa 0,80 < Mn : Cr < 0,85 beträgt.
5. Gleisteil nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Mo zu V in etwa 1 beträgt.
6. Gleisteil nach zumindest Anspruch 1, d du rc gekennzeichnet, daß der Anteil von AI zwischen 0,015 % und 0,025 % liegt.
7. Gleisteil nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl Niobium (Nb) mit einem Anteil von bis zu 0,05 % enthält.
8. Gleisteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Nb zwischen 0,001 % und 0,05 % liegt.
9. Gleisteil nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem gewalzten Stahl mit dem perlitischen Gefüge bestehende Schiene eine Festigkeit von 900 N/mm2 bis 1200 N/mm2 bei einer Rißzähig¬ keit von in etwa zumindest 1.500 N/mm3/2 aufweist.
10. Verfahren zu Herstellung eines Gleisteils durch zumindest Walzen von Stahl, der zumindest Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn). Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Vanadium (V), Phosphor (P), gegebenenfalls Alumi¬ nium (AI), Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß vakuumbehandelter Stahl mit zumindest 0,53 bis 0,62 % C, 0,65 bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 % Mo, 0,05 bis 0,11 % V, 0,02 % P, Resteisen sowie üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen verwendet wird, daß zur Herstellung einer Schiene als Gleisteil der Stahl gewalzt wird und eine perlitisches Gefüge mit einer Mindestfestigkeit von 900 N/mm2 aufweist und daß zur Herstellung eines Weichenabschnitts als Gleisteil ein Abschnitt der Schiene zumindest im Bereich ihres Kopfes auf Austenitisierungstemperatur von 850 °C bis 1050 °C erwärmt, mittel Kühl- fluid in 60 bis 120 Sekunden von in etwa 850 °C auf in etwa 500 °C, in in etwa 140 bis 400 Sekunden von in etwa 500 °C bis 200 °C abgekühlt und anschließend auf eine Mindestfestigkeit von 1.500 N/mm2 angelassen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenabschnitt induktiv erwärmt und anschließend vorzugsweise mittels Preßluft mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von in etwa 175 °C/Minuten von ca.850 °C auf ca.500 °C, sodann mit einer Abkühlungs¬ geschwindigkeit von in etwa 75 °C/Minuten von ca.500 °C auf ca.200 °C, anschließend gegebenenfalls an ruhender Luft auf Raumtemperatur abge¬ kühlt und sodann bei in etwa 500 °C einer Anlaßbehandlung unterzogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßbehandlung in etwa 30 Minuten bis 120 Minuten dauert.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Querschnitt des Schienenabschnitts austenitisiert und derart abgekühlt wird, daß sich im äußeren Kopfbereich (18) Martensit, im sich anschließenden inneren Kopfbereich (20) überwiegend Bainit und im verbleibenden Bereich Perlitgefüge bildet.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenabschnitt über seinen gesamten Querschnitt gehärtet wird.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenabschnitt über seinen gesamten Querschnitt gehärtet und sodann in seinem äußeren und inneren Kopfbereich (18, 20) bei einer Anlaßtemperatur TΛ mit vorzugsweise 500 °C < TA < 600 °C angelassen wird, und daß anschließend der verbleibende Querschnitt (12, 14, 22) bei einer Temperatur TB mit TB > TA, vorzugsweise TB in etwa 100 °C bis 150 °C höher als TΛ derart angelassen wird, daß sich eine Festigkeit ergibt, die in etwa 400 N/mm2 niedriger als in dem äußeren und inneren Kopfbereich liegt.
16. Verfahren zur Herstellung von Weichenteilen mit Festigkeiten > 1.500 N/mm2 im Schienenkopf, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem vakuumbehandelten Stahl mit zumindest 0,53 % bis 0,62 % C, 0,65 % bis 1,1 % Mn, 0,8 bis 1,3 % Cr, 0,05 bis 0,11 % Mo, 0,05 bis 0,11 % V, < 0,02 % P, Resteisen sowie üblichen erschmelzungsbedingten Ver¬ unreinigungen durch Walzen ein Schienenabschnitt mit perlitischem Gefüge mit Festigkeiten von 900 N/mm2 bis 1200 N/mm2 bei Rißzähigkeiten von über 1550 N/mm/2 hergestellt wird, daß durch Erwärmen des Schienenkop¬ fes auf in etwa 850 °C bis 1050 °C Austenit ausgebildet wird, der mittels eines Kühlfluids von in etwa 850 °C auf in etwa 500 in 60 bis 120 Sekunden, von in etwa 500 °C auf in etwa 200 °C in 140 bis 400 Sekunden abgekühlt und anschließend auf Festigkeiten in etwa über 1500 N/mm2 angelassen wird.
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