WO2009043068A1 - Zwischenstück für die verbindung von manganstahlformkörper mit kohlenstoffstahl sowie verfahren zum verbinden von manganhartstahlgussteilen mit regelschienen - Google Patents

Zwischenstück für die verbindung von manganstahlformkörper mit kohlenstoffstahl sowie verfahren zum verbinden von manganhartstahlgussteilen mit regelschienen Download PDF

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    • C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/005—Ferrite

Definitions

  • the invention relates to an intermediate piece for the connection of manganese steel shaped bodies with carbon steel, in particular of Manganhartstahlgussherz Publisheden with standard rails and a method for connecting manganese hard castings with standard rails.
  • Manganese-hard steel casting can not be welded directly to the standard rail steel because the welding requires a relatively high temperature.
  • Austenitic manganese steel casting has the characteristic of becoming brittle when heated to over 300 ° C. because of carbide precipitations in the microstructure, as a result of which the brittle microstructure remains upright with slow cooling. It is therefore necessary to carry out heating to high temperatures and, as a consequence, to carry out a rapid cooling in order to avoid such embrittlement. Such a rapid cooling can be done for example by quenching in water.
  • Carbon steel, as it is used as a standard rail steel in turn has the property to become brittle when rapidly cooled, so that here after a welding, in order to avoid embrittlement, the cooling must be slow.
  • a method for welding austenitic Manganese hartstahlgussschienen and in particular frogs with standard rails, for example, the AT 343712 refer.
  • an intermediate piece is used with a height less than the height of the tread of the center piece or the rule rail steel and made an armor made of wear-resistant manganese steel.
  • the length of such an intermediate piece was typically sized over 50 mm to avoid overlapping heat affected zones from the two welds.
  • EP 391007 Bl has now been proposed to make a simple cooling by ambient air also in the welding of the intermediate piece with the Manganhartstahlguss.
  • special materials were selected which essentially comprise 6 to 11 wt% manganese, 5 to 8 wt% nickel, 17 to 20 wt% chromium and a delta ferrite content in the range between 5 and 15 wt%.
  • the intermediate piece according to the invention consists of a steel from the group of austenitic-ferritic duplex steels with a ferrite content of ⁇ 60% by weight.
  • Such steels from the group of duplex steels are characterized by a ferrite content of up to 60% by weight, of which the material X2CrNiMoN22-5-3 may be mentioned as an example of such a material, which is particularly preferred for the choice of a suitable material for the Adapter can apply.
  • Such a steel has the following directional analysis:
  • Such a duplex steel spacer having a ratio of austenite to ferrite of about 50:50 not only has very good properties for welding to both the austenitic hard manganese steel on one side and the pearlitic steel (ferrite and cementite) on the other side. Due to the high ferrite content, it is also possible to provide the intermediate piece by targeted heat treatment, during and / or after welding to the strength which is approximately in the range of the rail steel and the Hartmanganstahls. On a remaining length of the intermediate piece in such a training no consideration must be taken, since the risk of Eindeinens is no longer present by a too soft intermediate piece material.
  • the tensile strength of the intermediate piece can be increased to 600 to 800 N / mm 2 by such a heat treatment at the choice of the suitable intermediate piece.
  • the intermediate piece is used in solution-annealed and subsequently quenched form, wherein advantageously the intermediate piece is used in solution-annealed at 900 ° C to 1100 ° C and then quenched with water and then quenched with air.
  • the method according to the invention for joining manganese steel castings with standard rails is essentially characterized in that an austenitic-ferritic intermediate piece of duplex steel with ⁇ 60% by weight ferrite is welded to the manganese steel casting and the control rail, preferably an intermediate piece with subsequent directional analysis
  • N 0.1 - 2.22% is first welded to the control rail and then welded to the manganese hard steel casting.
  • the chosen intermediate piece allows a cooling of the welding heat by means of compressed air, both in the first and in the second welding process.
  • the weld joint with the manganese steel casting can be annealed after cooling at 200 ° C to 600 ° C for tempering.
  • the length of the intermediate piece may be, for example, about 50 mm, with an increase in tensile strength to 600 to 800 N / mm 2 by a simple hardening treatment, such as may be achieved by an explosive bonding process.
  • the procedure is such that the intermediate piece is subjected to a hardening treatment before or after welding, wherein an explosion hardening can be carried out in the unwelded or already welded to the workpiece state of the intermediate piece.

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Abstract

Bei einem Zwischenstück für die Verbindung von Manganstahlformkörpern mit Kohlenstoff stahl, insbesondere von Manganhartstahlgussherzstücken mit Regelschienen, besteht das Zwischenstück aus Stahl aus der Gruppe der austenitisch-ferritischen Duplexstähle mit einem Ferritanteil von < 60 Gew.%. Das Verfahren zum Verbinden von Manganhartstahlgussteilen mit Regelschienen zeichnet sich dadurch aus, dass ein austenitisch-ferritisches Zwischenstück aus einem Duplexstahl mit < 60 Gew.% Ferrit mit dem Manganstahlgussteil und der Regelschiene verschweißt wird.

Description

Zwischenstück für die Verbindung von Manganstahlformkörper mit Kohlenstoffstahl sowie Verfahren zum Verbinden von Manganhart- stahlgussteilen mit Reqelschienen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Zwischenstück für die Verbindung von Manganstahlformkörpern mit Kohlenstoffstahl, insbesondere von Manganhartstahlgussherzstücken mit Regelschienen sowie auf ein Verfahren zum Verbinden von Manganhart- stahlgussteilen mit Regelschienen.
Manganhartstahlguss lässt sich nicht umittelbar mit dem Regelschienenstahl verschweißen, da für die Verschweißung eine verhältnismäßig hohe Temperatur erforderlich ist. Austeniti- scher Manganstahlguss hat die Eigenschaft, sich bei Erwärmung auf über 300° C aufgrund von Karbidausscheidungen im Gefüge stark zu verspröden, wobei in der Folge bei einer langsamen Abkühlung das spröde Gefüge aufrecht bleibt. Es ist daher erforderlich, eine Erhitzung auf hohe Temperaturen vorzunehmen und in der Folge eine rasche Abkühlung vorzunehmen, um eine derartige Versprödung zu vermeiden. Eine derartige rasche Abkühlung kann beispielsweise durch Abschrecken in Wasser erfolgen. Kohlenstoffstahl, wie er als Regelschienenstahl eingesetzt wird, hat wiederum die Eigenschaft, bei rascher Abkühlung spröde zu werden, sodass hier im Anschluss an eine Verschweißung, um eine Versprödung zu vermeiden, die Abkühlung langsam erfolgen muss. Wegen der überragenden Festigkeitseigenschaften werden Herzstücke und Kreuzungsstellen im Schienenverkehr in aller Regel aus austenitischem Manganstahlguss hergestellt, wodurch konträre Bedingungen für die Wärmebehandlung der Schweißstellen bestehen. Um diesen unterschiedlichen Erfordernissen Rechnung tagen zu können, wurden Zwischenstücke zwischen Regelschienen und Manganhartstahlgussherzstücken vorgeschlagen, welche in Hinblick auf ihre gute Schweißbarkeit und eine entsprechende Wärmebehandlung der jeweiligen Schweißverbindung ausgewählt wurden. Derartige zumindest teilweise austenitische Zwischenstücke weisen aber relativ schlechtere Festigkeitseigenschaften als der benachbarte Regelstahl bzw. das Manganhartstahlgussstück auf.
Ein Verfahren zum Verschweißen von austenitischem Mangan- hartstahlgussschienenstücken und insbesondere Herzstücken mit Regelschienen ist beispielsweise der AT 343712 zu entnehmen. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Zwischenstück mit geringerer Höhe als der Höhe der Lauffläche des Herzstücks bzw. des Regelschienenstahls eingesetzt und eine Aufpanzerung aus verschleißfestgem Manganstahl vorgenommen. Auf diese Weise soll dem Umstand Rechnung getragen werden, dass im Bereich der Schweißstellen ein Material von wesentlich geringerer Härte vorliegt, welches in der Folge die Gefahr von Eindellungen durch den rollenden Verkehr zur Folge hat. Die Länge eines derartigen Zwischenstücks wurde in der Regel mit über 50 mm bemessen, um überlappende Wärmeeinflusszonen aus den beiden Verschweißungen zu vermeiden.
In Weiterbildung dieser bekannten Vorgangsweise wurde in der AT 350881 bereits vorgeschlagen, das Zwischenstück auf eine geringere Länge zu beschränken, wobei hier nunmehr mit einer Länge zwischen 15 und 25 mm das Auslangen gefunden werden sollte. Mit dieser Maßnahme sollte die Gefahr einer Dellenbildung aufgrund des wesentlich kürzeren, weicheren Teilbereichs der Lauffläche verringert werden. Die prinzipiellen zugrundeliegenden Schwierigkeiten mit einer ausreichenden Härte des Zwischenstücks bleiben aber bei einer derartigen Ausbildung ungelöst.
In der EP 391007 Bl wurde nun bereits vorgeschlagen, eine einfache Abkühlung durch Umgebungsluft auch bei der Verschweißung des Zwischenstücks mit dem Manganhartstahlguss vorzunehmen. Zu diesem Zweck wurden spezielle Werkstoffe ausgewählt, die im Wesentlichen aus 6 bis 11 Gew.% Mangan, 5 bis 8 Gew.% Nickel, 17 bis 20 Gew.% Chrom und einen Deltaferritgehalt im Bereich zwischen 5 und 15 Gew.% aufweisen. Mit derartigen Stählen ebenso wie mit anderen bisher vorgeschlagenen Stählen für das Zwischenstück wurden zwar die Probleme, die eine Di- rektverschweißung zwischen den beiden Stählen mit sich bringen würde, im Wesentlichen vermieden, wobei aber die Schwachstellen in Bezug auf Dauerfestigkeit und Biegebruchfestigkeit der Gesamtschweißverbindung nicht vollständig gelöst werden konnten, da die austenitischen Bauteile, und insbesondere der Werkstoff des Herzstücks und des Zwischenstücks, nur eine maximale Zugfestigkeit von 500 bis 600 N/mm2 erreichen lassen, was daher zu Eindellungen führt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, Eindellungen im Bereich der Schweißverbindung und insbesondere im Übergangsbereich zwischen Regelschiene und Hartmanganstahl besser zu verhindern und einen besonders gleichmäßigen Härte- und Festigkeitsverlauf über die Gesamtverbindung zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Zwischenstück aus einem Stahl aus der Gruppe der austenitisch-ferritischen Du- plexstähle mit einem Ferritanteil von < 60 Gew.%. Derartige Stähle aus der Gruppe der Duplexstähle zeichnen sich durch einen Ferritanteil von bis zu 60 Gew.% aus, wobei als Beispiel für einen derartigen Werkstoff der Werkstoff X2CrNiMoN22-5-3 genannt sei, welcher als besonders bevorzugt für die Wahl eines geeigneten Werkstoffs für das Zwischenstück gelten kann. Ein derartiger Stahl weist die nachfolgende Richtanalyse auf:
C max 0,03 %
Cr 21 - 23 %
Ni 4,5 - 6,5 %
Mo 2,5 - 3,5 %
N 0,1 - 2,22 %
Ein derartiges Duplexstahl-Zwischenstück mit einem Verhältnis von Austenit zu Ferrit von etwa 50 : 50 hat nicht nur sehr gute Eigenschaften zum Verschweißen sowohl mit dem austenitischen Hartmanganstahl auf der einen Seite als auch mit dem perlitischen Schienstahl (Ferrit und Zementit) auf der anderen Seite. Durch den hohen Ferritanteil wird es auch möglich, das Zwischenstück durch gezielte Wärmebehandlung vor, während und/oder nach dem Schweißen auf jene Festigkeit zu bringen, die annähernd im Bereich des Schienenstahls und des Hartmanganstahls vorliegt. Auf eine verbleibende Länge des Zwischenstücks muss bei einer derartigen Ausbildung keine Rücksicht mehr genommen werden, da die Gefahr eines Eindellens durch ein zu weiches Zwischenstückmaterial nicht mehr vorliegt. Insbesondere kann die Zugfestigkeit des Zwischenstücks durch eine derartige Wärmebehandlung nach Wahl des geeigneten Zwischenstücks auf 600 bis 800 N/mm2 gesteigert werden. In besonders bevorzugter Weise wird hierbei das Zwischenstück in lösungsgeglühter und nachfolgend abgeschreckter Form eingesetzt, wobei mit Vorteil das Zwischenstück in bei 900° C bis 1100° C lösungsgeglühter und nachfolgend mit Wasser und anschließend mit Luft abgeschreckter Form eingesetzt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden von Manganhart- stahlgussteilen mit Regelschienen ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass ein austenitisch-ferritisches Zwischenstück aus einem Duplexstahl mit < 60 Gew.% Ferrit mit dem Manganstahlgussteil und der Regelschiene verschweißt wird, wobei vorzugsweise ein Zwischenstück mit nachfolgender Richtanalyse
C max 0,03 %
Cr 21 - 23 %
Ni 4,5 - 6,5 %
Mo 2,5 - 3,5 %
N 0,1 - 2,22 % zunächst mit der Regelschiene verschweißt wird und anschließend mit dem Manganhartstahlguss verschweißt wird. Prinzipiell erlaubt es das gewählte Zwischenstück während des Schweißvorgangs eine Abkühlung aus der Schweißhitze mittels Pressluft vorzunehmen, und dies sowohl bei dem ersten als auch beim zweiten Schweißvorgang. Um die gewünschten Festigkeitswerte und insbesondere ein Erhöhung der Dauerfestigkeit von ca. 140 N/mm2 auf ca. 190 N/mm2 zu erreichen, kann mit Vorteil so vorgegangen werden, dass das Zwischenstück vor dem Verschweißen bei 900° C bis 1100° C lösungsgeglüht und anschließend mit Was- ser und weiters mit Luft abgeschreckt wird, wobei mit Vorteil die Schweißverbindung mit der Regelschiene nach dem Abkühlen bei 200° C bis 600° C zum Anlassen geglüht wird. Ebenso kann mit Vorteil die Schweißverbindung mit dem Manganstahlgussstück nach dem Abkühlen bei 200° C bis 600° C zum Anlassen geglüht werden. Bei einer derartigen Verfahrensweise kann die Länge des Zwischenstücks beispielsweise etwa 50 mm betragen, wobei eine Erhöhung der Zugfestigkeit auf 600 bis 800 N/mm2 durch eine einfache Härtungsbehandlung, wie sie beispielsweise durch ein Explosionsverfestigungsverfahren erreicht werden kann, erzielt werden kann. Mit Vorteil wird daher erfindungsgemäß so vorgegangen, dass das Zwischenstück vor oder nach dem Verschweißen einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, wobei eine Explosionsverfestigung im unverschweißten oder im bereits am Werkstück verschweißten Zustand des Zwischenstücks vorgenommen werden kann.

Claims

Patentansprüche :
1. Zwischenstück für die Verbindung von Manganstahlformkörpern mit Kohlenstoffstahl, insbesondere von Manganhartstahlguss- herzstücken mit Regelschienen, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Stahl aus der Gruppe der austenitisch-ferritischen Duplexstähle mit einem Ferritanteil von < 60 Gew.% besteht.
2. Zwischenstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Stahl mit der nachfolgenden Richtanalyse
C max 0,03 %
Cr 21 - 23 %
Ni 4,5 - 6,5 %
Mo 2,5 - 3,5 %
N 0,1 - 2,22 % besteht.
3. Zwischenstück nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück in lösungsgeglühter und nachfolgend abgeschreckter Form eingesetzt ist.
4. Zwischenstück nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück in bei 900° C bis 1100° C lösungsgeglühter und nachfolgend mit Wasser und anschließend mit Luft abgeschreckter Form eingesetzt ist.
5. Verfahren zum Verbinden von Manganhartstahlgussteilen mit Regelschienen, dadurch gekennzeichnet, dass ein austenitisch- ferritisches Zwischenstück aus einem Duplexstahl mit < 60 Gew.% Ferrit mit dem Manganstahlgussteil und der Regelschiene verschweißt wird.
6. Verfahren nach Anspurch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenstück mit nachfolgender Richtanalyse C max 0 , 03 %
Cr 21 - 23 %
Ni 4 , 5 - 6 , 5 %
Mo 2 , 5 - 3 , 5 %
N 0 , 1 - 2 , 22 % zunächst mit der Regelschiene verschweißt wird und anschließend mit dem Manganhartstahlguss verschweißt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück während des Schweißvorgangs mit Pressluft gekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück vor dem Verschweißen bei 900° C bis 1100° C lösungsgeglüht und anschließend mit Wasser und weiters mit Luft abgeschreckt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung mit der Regelschiene nach dem Abkühlen bei 200° C bis 600° C zum Anlassen geglüht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, daduch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung mit dem Manganstahlgussstück nach dem Abkühlen bei 200° C bis 600° C zum Anlassen geglüht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück vor oder nach dem Verschweißen einer Härtungsbehandlung unterworfen wird.
PCT/AT2008/000338 2007-10-05 2008-09-22 Zwischenstück für die verbindung von manganstahlformkörper mit kohlenstoffstahl sowie verfahren zum verbinden von manganhartstahlgussteilen mit regelschienen WO2009043068A1 (de)

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