Schiene mit hoher Verschleissfestigkeit im Kopf und hoher Bruchsicherheit im Fuss

Abstract

 Der Erfindung betrifft eine Schiene mit hoher Verschließfestigkeit im Schienenkopf und hoher Bruchsicherheit im Schienenfuß. Kennzeichen der Erfindung ist, daß sie nach dem Walzen und einer anschließenden Wärmebehandlung im Kopf ein feinperlitisches Gefüge und im Fuß ein martensitisches Vergütungsgefüge aufweist. Die Erfindung umfaßt ferner bevorzugte Wärmebehandlungsverfahren für die Schiene.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schiene mit hoher Verschleißfestigkeit im Schienenkopf und hoher Bruchsicherheit im Schienenfuß.

[0002] Schienen für den schienengebundenen Verkehr sollen einerseits im Schienenkopf einen hohen Verschleißwiderstand und andererseits wegen der Biegezugbeanspruchung im Gleis, im Schienenfuß eine hohe Bruchsicherheit aufweisen. Da mit steigender Festigkeit der Schienen der Verschleißwiderstand zu- und die Bruchsicherheit abnimmt, konnte man beide Eigenschaften bei einer Werkstoffzusammensetzung bisher nicht gleichzeitig verbessern. Eine Lösung wurde in der sogenannten Zweistoffschiene gesehen. Sie weist durch Verbundguß im Schienenkopf einen hochfesten Werkstoff mit hohem Verschleißwiderstand und im Schienensteg und -fuß einen weichen Werkstoff mit guten Zähigkeitseigenschaften auf. Wegen der geringen Festigkeit im Schienensteg und -fuß sind solche Schienen jedoch nicht für hohe Beanspruchungen geeignet, da sie sich unter hohen Achslasten (>22 t) plastisch verformen. Auch sind im Bereich des Werkstoff- überganges metallurgische Störungen nicht mit hinreichender Sicherheit vermeidbar. Von ihnen können Dauerbrüche ausgehen. Verbundgußschienen kommen deshalb seit längerem nicht mehr zum Einsatz.

[0003] Andere Lösungen versuchen, bei Schienen, die im naturharten luftabgekühlten Zustand ein perlitisches Gefüge aufweisen, entweder durch nachträgliche Wärmebehandlung die Festigkeit im Schienenkopf zu erhöhen (so z.B. DE-Z "Stahl und Eisen" 90, 1970, Nr. 17, S. 922/ 928) oder die Zähigkeit im Schienenfuß durch Anlassen des perlitischen Gefüges der naturharten Schienen zu verbessern (OE-PS Nr. 259 610). Zu einer optimalen Lö- _' sung gelangt man auch auf diese Weise nicht, da auch über ein angelassenes perlitisches Gefüge im Schienenfuß nur eine geringe Verbesserung der Bruchsicherheit zu erreichen ist.

[0004] Die Sicherheit von Schienen gegen Sprödbruch wird bisher ausschließlich aufgrund der Sprödbruchunempfindlichkeit des Schienenstahls beurteilt. Die Kennwerte hierfür werden im Zugversuch und im Schienenschlagversuch ermittelt. Sie sind ein Maß für das Verformungsvermögen des Stahles bis zum Bruch. Diese Versuche werden im Rahmen der Schienen-Abnahme durchgeführt. Sie haben sich für die Beurteilung der Bruchsicherheit von Schienen bewährt. In Einzelfällen werden weitere Informationen aus Kerbschlagbiegeversuchen in Abhängigkeit von der Prüftemperatur gewonnen. All diese Prüfmethoden ermöglichen aber nur eine vergleichende Einstufung der Stähle. Eine quantitative übertragung auf das Verhalten des Bauteils, hier auf die Schiene im Gleis, ist dagegen nicht möglich.

[0005] Um die Bruchsicherheit von Schienen quantitativ erfassen zu können, wird in jüngerer Zeit die in bruchmechanischen Untersuchungen als Werkstoffkennwert ermittelte Rißzähigkeit zur Beurteilung des Bruchverhaltens herangezogen. Die Rißzähigkeit wird dabei nach ASTM-Standard E 399-74 ermittelt.

[0006] Die Prüfung auf Rißzähigkeit ist ausführlich beschrieben in der DE-Z "Tech. Mitt. Krupp Werksberichte", Band 39 (1981), Heft 1, S. 33/42.

[0007] Aus dieser Literaturstelle ergibt sich ferner, daß Schienenstähle mit Festigkeiten über 900 N/mm nach dem Stand der Technik, z.B. nach UIC-Kodex 860 V im walzharten oder in auf perlitisches Gefüge wärmebehandelten Zustand in der Regel Rißzähigkeitswerte von 1000 bis 2000 N/mm^3/2 haben. Im walzharten Zustand liegt die zug- Festigkeit von Standardschienen bei über 900 N/mm² und die Streckgrenze über 450 N/mm . Bei einer Wärmebehandlung mit anschließender Abkühlung auf feinperlitisches Gefüge im Kopf oder über den gesamten Querschnitt der Schiene können diese Werte zwar auf > 1100 N/mm² für die Zugfestigkeit und auf >600 _N/mm² für die Streckgrenze angehoben werden, die Rißzähigkeit verändert sich jedoch kaum. Allgemein ist festzustellen, daß Schienenstähle, die aufgrund ihrer Analyse höhere Festigkeitswerte besitzen, schlechtere Rißzähigkeitswerte im unteren Streubereich aufweisen. Das bedeutet, daß diese Schienen im Gleis zwar ein besseres Verschleißverhalten zeigen, jedoch insbesondere bei hohen Achslasten über 22 t eine erhöhte Sprödbruchneigung besitzen.

[0008] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schienen mit einer optimalen Kombination hoher Festigkeit im Schienenkopf und hoher Rißzähigkeit im Schienenfuß bereitzustellen, die im Gleis auch bei hohen Achslasten über 22 t eine gute Verschleißfestigkeit im Kopf und eine so hohe Bruchsicherheit im _Fuß aufweisen, daß plastische Deformationen und Sprödbrüche vermieden werden.

[0009] Gelöst wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches dadurch, daß die Schienen nach dem Walzen und einer anschließenden Wärmebehandlung im Kopf ein feinperlitisches Gefüge und im Fuß ein martensitisches Vergütungsgefüge aufweisen.

[0010] Ausschlaggebend für die hohe Bruchsicherheit der Schiene ist das im Fuß der Schiene eingestellte martensitische Vergütungsgefüge.

[0011] Bei diesem Gefüge haben Schienen mit einer Analyse gemäß Anspruch 2 bei Zugfestigkeitswerten im Kopf von >1100 N/mm² und im _Fuß von > 900 N/mm² _Ri_ßzähigkeitswerte von > 3000 _N/mm³/²_.

[0012] Schienen mit einer Grundanalyse gemäß Anspruch 3 weisen bei Zugfestigkeitswerten von > 1100 N/mm² im Kopf und > 1000 N/mm² im Fuß Rißzähigkeitswerte von > 2000 _N/mm^3/2 auf.

[0013] Ohne das martensitische Vergütungsgefüge im Fuß würde eine Schiene mit der Analyse nach Anspruch 2 nur Rißzähigkeitswerte in der Größenordnung von 1500 bis 2000 N/mm^3/2, eine Schiene mit der Grundanalyse gemäß Anspruch 3 nur Rißzähigkeitswerte in der Größenordnung von 1000 bis 1400 N/mm^3/2, aufweisen.

[0014] Schienenstähle mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3 weisen somit hohe Festigkeiten im Schienenkopf auf, was gleichbedeutend ist mit einer hohen Verschleißfestigkeit. Die gleichzeitig hohen Festigkeits- und guten Rißzähigkeitswerte im Schienenfuß machen sie geeignet, auch bei hohen Achslasten über 22 t eingesetzt zu werden, ohne daß plastische Deformationen der Schienen auftreten und eine hohe Sicherheit gegen Sprödbrüche gegeben ist.

[0015] Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung der Schienen gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 sind Gegenstand der Ansprüche 4 bis 9.

[0016] Die Verfahrensmerkmale nach den Ansprüchen 4 bis 7 betreffen die Herstellung einer Schiene gemäß den Ansprüchen 1 und 2. Schienen mit der im Anspruch 2 niedergelegten Analyse haben im naturharten, d.h. nach dem Walzen an Luft abgekühlten Zustand ein perlitisches Gefüge mit einer Festigkeit über 900 N/mm². Es ist daher erforderlich, sowohl den Schienenkopf als auch den Schienenfuß entsprechend wärmezubehandeln, so daß im Kopf ein feinperlitisches, im Fuß ein martensitisches Vergütungsgefüge erzielt wird.

[0017] Die Verfahrensmerkmale nach den Ansprüchen 8 und 9 betreffen Schienen gemäß den Ansprüchen 1 und 3. Diese Schienenstähle haben aufgrund ihrer Analyse im naturharten Zustand bereits nach Luftabkühlung ein feinperlitisches Gefüge. Aus diesem Grund ist nur eine Wärmebehandlung auf ein martensitisches Vergütungsgefüge im Fuß erforderlich. Bei der Endabkühlung der Schiene stellt sich im Kopf der Schiene das feinperlitische Gefüge aufgrund der Stahlanalyse von alleine ein.

[0018] Vorteilhafterweise wird bei der Wärmebehandlung der erfindungsgemäßen Schienen die Wärmebehandlung aus der Walzhitze heraus durchgeführt. Bei diesen Schienenstählen liegen die Endwalztemperaturen oberhalb des Bereichs der Austenitisierungstemperaturen, d.h. zwischen 800 bis 900°C. So kann vermieden werden, daß die Schienen nach Abkühlung auf Raumtemperatur auf dem Kühlbett an Luft erneut auf Temperaturen im Bereich von 810 bis 890°C aufgeheizt werden müssen. Diese Maßnahme empfiehlt sich, wenn in Walzwerken hinter den Walzgerüsten geeignete Abkühlvorrichtungen direkt vorhanden sind oder geschaffen werden können.

[0019] Die in den Verfahrensansprüchen niedergelegten Verfahrensparameter sind als Rahmenbedingungen zu verstehen. Sie können je nach der vorgegebenen Analyse der Schienenstähle anhand der dem Fachmann bekannten ZTU-Schaubilder, in denen die Abkühlgeschwindigkeiten in °C/s für die jeweiligen Gefügezustände und Analysen festgelegt sind, präzisiert werden.

[0020] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert:

Beispiel 1.

[0021] Bei den Versuchen nach der Erfindung wurde ein Stahl mit folgender Zusammensetzung in Gew.% verwendet:

C - 0,72

Si - 0,35

Mn - 1,28

Cr - -

V - -

P - 0,022

S - 0,018

Fe - Rest

[0022] Die aus diesem Werkstoff gefertigte Schiene kühlte nach dem Walzen an Luft ab und wies im Walzzustand die in Tafel 1, Spalte 1 aufgeführten mechanischen Eigenschaften auf. Nach einer Austenitisierung des gesamten Schienenquerschnittes bei 830°C wurde der Kopf in 15 s mit Preßluft auf 450°C an der Oberfläche abgekühlt. Die Abkühlung des Schienenfußes erfolgte mit einem Preßluft/ Wassergemisch in 20 s auf Raumtemperatur. Der Schienenfuß wurde anschließend bei 650°C angelassen. Durch die Wärmebehandlung entstand im Schienenkopf bis 20 mm Tiefe von der Oberfläche aus ein feinperlitisches Gefüge und im Schienenfuß mit Ausnahme eines begrenzten Bereiches unterhalb des Steges ein martensitisches Vergütungsgefüge. Die mechanischen Eigenschaften nach der Wärmebehandlung sind für den Schienenkopf in Tafel 1, Spalte 3 und für den Schienenfuß in Tafel 1, Spalte 4 angegeben. Die Zugfestigkeit war im Schienenkopf um 180 _N/mm² auf 1150 N/mm² angestiegen. Der Verschleißwiderstand hatte sich in etwa verdoppelt. Bruchdehnung und Rißzähigkeit hatte sich im Schienenkopf nur unwesentlich verändert. Durch das Vergüten des Schienenfußes war die Streckgrenze in etwa gleicher Weise angehoben worden wie im Schienenkopf. Auf diese Weise wurde die Belastbarkeit der Schienen auch für hohe Achslasten, bis zu 35 t, gesteigert. Die Rißzähigkeit wurde durch das Vergüten mehr als verdoppelt.

[0023] Während die Schiene im Walzzustand bei einer üblichen Zugeigenspannung an der Schienenfußunterseite von ca. 240 N/mm² und einer zusätzlichen Biegezugspannung durch Verkehrslasten von 200 N/mm2 nur Oberflächenfehler bis zu 3 mm Tiefe erträgt, bevor sie spröde bricht, erhöht sich durch die verbesserte Rißzähigkeit im Schienenfuß die ertragbare Fehlertiefe auf über 25 mm. Fehler oder Schäden dieser Tiefe kommen nur äusserst selten vor und können zudem leicht durch die üblichen zerstörungsfreien Prüfungen im Gleis rechtzeitig erkannt werden. Die Bruchsicherheit der neuartigen Schienen ist damit gegenüber herkömmlichen, hochfesten Schienen wesentlich verbessert worden.

Beispiel 2

[0024] Ein in der Zusammensetzung abgeänderter Werkstoff mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.%.

C - 0,77

Si - 0,80

Mn - 1,05

Cr - 0,98

V - 0,011

S - 0,023

Fe - Rest

weist aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung bereits im Walzzustand eine hohe Festigkeit auf.

[0025] Der Schienenkopf wurde deshalb nicht mehr wärmebehandelt. Der Schienenfuß wurde bei 860°C austenitisiert und anschließend mit einem Preßluft/Wassergemisch in 12o s auf 100°C abgeschreckt. Die Anlaßtemperatur betrug 680°C. Durch das Vergüten wurde im gesamten _Fußquer- schnitt ein martensitisches Vergütungsgefüge eingestellt. Die an der Schiene gemessenen mechanischen Eigenschaften sind in Tafel 2 zusammengestellt.

[0026] Die hohe Festigkeit des Schienenkopfes verleiht der Schiene einen hohen Verschleißwiderstand. In Verbindung mit den hohen mechanischen Eigenschaften, insbesondere der hohen Streckgrenze im Schienenfuß, ist die Schiene für den Einsatz im Schwerlastverkehr mit hohen Achslasten (ca. 35 t) besonders geeignet. Unter den in Beispiel 1 genannten Beanspruchungsbedingungen (Zugeigenspannung an der Schienenfußunterseite und Biegezugspannung durch Verkehrslasten) erhöht sich die ertragbare Rißtiefe von ca. 2 mm im Walzzustand auf ca. 20 mm nach der Wärmebehandlung des Schienenfußes. Auch bei dieser Schiene ist die Bruchsicherheit damit wesentlich verbessert.

[0027] Durch gezielte Einstellung der chemischen Zusammensetzung, der Wärmebehandlung des Schienenfußes oder des Schienenkopfes und Schienenfußes ergibt sich eine Vielzahl von Kombinationnsmöglichkeiten von unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Schienenkopf und Schienenfuß und damit die Freiheit im Hinblick auf die jeweiligen Anforderungen optimale Kombinationen von Verschleißfestigkeit und Bruchsicherheit einzustellen. Dabei sind auch andere chemische Zusammensetzungen als die in Anspruch 2 und 3 genannten möglich. Die in Beispiel 1 und 2 genannten chemischen Zusammensetzungen beziehen sich auf heute gebräuchliche Schienenstähle.

[0028] Bei Werkstoffen für Schienen, die aufgrund ihrer Analyse bei schroffer Abschreckung spannungsrißanfällig sind, empfiehlt es sich Kühlmedien zu verwenden, die die Spannungsrißanfälligkeit mindern, wie beispielsweise öl.

[0029] Die Zeichnung zeigt die Schiene 1 mit ihrem Kopf 2, Steg 3 unf Fuß 4.

Ansprüche

1. Schiene mit hoher Verschleißfestigkeit im Schienenkopf und hoher Bruchsicherheit im Schienenfuß,
dadurch gekennzeichnet ,
daß sie nach dem Walzen und einer anschließenden Wärmebehandlung im Kopf ein feinperlitisches Gefüge und im Fuß ein martensitisches Vergütungsgefüge aufweist.

2. Schiene nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß sie bei einer Analyse von 0,60 bis 0,82 % Kohlenstoff, bis 0,5 % Silizium, 0,70 bis 1,70 % Mangan, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, im Kopf die Zugfestigkeit über 1100 N/mm² und im Fuß bei Zugfestigkeiten von > 900 N/mm² Rißzähigkeitswerte von > 3000 N/mm^3/2 aufweist.

3. Schiene nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß sie bei einer Analyse von 0,65 bis 0,82 % Kohlenstoff, 0,10 bis 1,20 % Silizium, 0,70 bis 1,50 % Mangan, 0,40 bis 1,30 % Chrom, bis 0,2 % Vanadium, bis 0,15 % Molybdän, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, im Kopf eine Zugfestigkeit von über 1100 N/mm² und im _Fu_ß bei Zugfestigkeiten von über 1000 N/mm² Rißzähigkeitswerte > 2000 _N/mm^3/2 aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Schiene nach
den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet , daß die .Schiene nach dem Walzen und Abkühlen an Luft auf Raumtemperatur im Temperaturbereich von 810 bis 890° C austenitisiert und anschließend beschleunigt abgekühlt wird, wobei in Anpassung an die jeweilige Werkstoffzusammensetzung die Abkühlgeschwindigkeit im Bereich des Kopfes so gewählt wird, daß nach Abkühlen auf Raumtemperatur feinperlitisches Gefüge vorliegt, und wobei in Anpassung an die jeweilige Werkstoffzusammensetzung die Abkühlgeschwindigkeit im Bereich des Fußes so gewählt wird, daß ein martensitisches Gefüge entsteht, das anschließend bei Temperaturen von 600 bis 700°C angelassen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet ,
daß im Bereich des Kopfes die mittlere Abkühlgeschwindigkeit 15 bis 50°C/s bis zu einer Temperatur von 450 °C und im Bereich des Fußes 5 bis 60°C/s bis zu einer Temperatur von 100°C beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schiene im Durchlauf auf Austenitisierungstemperaturen erwärmt und anschließend im Durchlauf über Düsen mit Preßluft oder Preßluft/Wassergemischen oder Preßluft/Wasserdampfgemischen abgeschreckt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schiene aus der Walzhitze heraus abgeschreckt wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Schiene nach den Ansprüchen 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet , daß nach dem Walzen der Schiene und Abkühlen an Luft auf Raumtemperatur der Schienenfuß im Durchlauf auf Temperaturen von 810 bis 890°C austenitisiert und anschließend im Durchlauf beschleunigt bei mittleren _Ab-kühlgeschwindigkeiten von 5 bis 60°C/s über Düsen mittels Preßluft/Wasser oder Wasser/Wasserdampfgemischen auf ein martensitisches Gefüge abgekühlt wird, das anschließend bei Temperaturen von 600 bis 700°C angelassen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet , daß die Schiene aus der Walzhitze heraus im Fuß beschleunigt abgekühlt wird und die weitere Abkühlung der Schiene bis auf Raumtemperatur zur Erzielung eines feinperlitischen Gefüges im Schienenkopf durch Ablegen der Schiene an Luft erfolgt.

Zeichnung