Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Schienen. Nach dem Richten wird der Steg (2) der Schienen kurzzeitig auf Temperaturen von 200 - 700° C, vorzugsweise 350 - 500° C, erwärmt und kühlt nach Erreichen der gewünschten Temperaturen an Luft auf Raumtemperatur ab. Zur Erwärmung wird die Schiene kontinuierlich an der Erwärmungseinrichtung vorbeigeführt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme werden die Zugeigenspannung im Schienenkopf (1) und -fub (3) auf unter 50 N/mm² abgebaut, wodurch sich eine erhöhte Bruchsicherheit der Schiene ergibt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen.

[0002] Durch Warmwalzen von Schienenstählen in entsprechend kalibrierten Walzen hergestellte Schienen kühlen nach dem Walzen auf Kühlbetten an Luft bis auf Raumtemperatur ab. Wegen der unterschiedlichen Verhältnisse von Masse zu Oberfläche bei Schienenkopf und -fuß verbiegen sich die Schienen jedoch beim Abkühlen. Sie müssen deshalb wegen der Geradheitsanforderungen auf Rollenrichtmaschinen gerichtet und, sofern erforderlich, noch mit Stempelpressen nachgerichtet werden (DE-Fachbuch "Die Eisenbahnschiene", von Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, Seiten 113/114).
Beim Rollenrichten wird der gesamte Schienenquerschnitt plastisch umgeformt. Da die Formänderungen jedoch über den Querschnitt unterschiedlich hoch sind, entstehen in den gerichteten Schienen Eigenspannungen. An der Fahrfläche und an der Fußunterseite, den im Fahrbetrieb am höchsten belasteten Stellen, sind die Eigenspannungen in Längsrichtung positiv, d.h., es liegen Zugeigenspannungen vor (S. 37 des obengenannten DE-Fachbuches). Die Eigenspannungen können 50 % und mehr der Streckgrenze des Schienenstahles erreichen.

[0003] Diesen Spannungen überlagern sich im Betrieb Biegezugspannungen durch die Einwirkung der Räder und Längszugspannungen durch Abkühlung und Kontraktion der Schienen bei tiefen Temperaturen. Die in den Schienen vorhandenen Zugeigenspannungen setzen daher die Bruchsicherheit der Schienen bei Vorhandensein von Oberflächenfehlern, wie z.B. Ermüdungsanrissen, bei statischer oder schlagartiger Beanspruchung herab (Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) Seiten 33 bis 44).

[0004] Zur Absenkung der Zugeigenspannungen im Schienenkopf und im Schienenfuß kann man die Schienen reckrichten (DE-OS 32 23 346) oder gesteuert abkühlen und seitlich richten (DE-PS 19 42 929). Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch verfahrenstechnische Schwierigkeiten (Reckrichten) und z. T. sind die für einen Personenverkehr mit hohen Geschwindigkeiten geforderten Geradheiten nicht sicher einstellbar (Reckrichten, gesteuerte Abkühlung in Verbindung mit seitlichem Richten), so daß sich diese Verfahren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit oder der Praktikabilität nicht durchgesetzt haben.

[0005] Ein weiteres Verfahren zur Absenkung der Zugeigenspannungen im Schienenkopf und im Schienenfuß ist das Spannungsarmglühen.
Das Spannungsarmglühen zur Verminderung der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß gerichteter Schienen ist in sinngemäßer Anwendung der von Houdremont im Fachbuch "Handbuch der Sonderstahlkunde", Springer-Verlag 1956, S. 238 - 240 beschriebenen Maßnahmen zum Abbau von Eigenspannungen durch Spannungsfreiglühen bei höheren Temperaturen ein Wärmebehandlungsverfahren, bestehend aus einem Glühen der Schienen im Temperaturbereich von 200 - 700^* C und einem nachfolgenden langsamen Abkühlen. Da der Abbau der Eigenspannungen durch bei höheren Temperaturen einsetzende und den Schienenwerkstoff entlastende Fließvorgänge erfolgt, ist ein Vermindern der Zugeigenspannungen bis auf geringe Restwerte von 20 - 60 N/mm² nur bei einer für den Ablauf der Fließvorgänge ausreichenden Zeit gegeben. Aus diesem Grunde dauert in der Praxis eine derartige Glühbehandlung von Schienen mehrere Stunden. In der Literaturstelle "Technische Mitteilungen Krupp", Werksberichte 39 (1981), S. 33, ist eine Behandlungszeit von sechs Stunden bei 550° C angegeben.
Das Verfahren ist somit sehr kostenaufwendig. Es kann insbesondere nicht wegen der langen Glühdauer in kontinuierlich arbeitenden Durchlauföfen, die sich in die Produktionslinie von Schienen einordnen lassen, durchgeführt werden, da diese sich hemmend auf den Produktionsfluß auswirken. Aber auch die außerhalb der Produktionslinie vorgesehenen öfen, in denen die Schienen satzweise geglüht werden, lassen eine optimale Ausnutzung eines Schienenwalzwerkes nicht zu.

[0006] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksames und kostengünstiges Wärmebehandlungsverfahren zum Abbau der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß rollengerichteter Stahlschienen zu schaffen, das in den üblichen Produktionsfluß bei der Schienenherstellung integriert werden kann.

[0007] Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Schienen über einen Rollgang kontinuierlich an einer Erwärmungseinrichtung mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,2 m/min und 1 m/s vorbeigeführt werden und daß während der entsprechenden Durchlaufzeit von 1 bis 300 s/m Schienen nur der Steg der Schienen auf die Glühtemperatur erwärmt wird und nach Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abkühlt.
Die Stegerwärmung kann mit Brennern oder induktiv vorgenommen werden.
Die Geschwindigkeit, mit der die Schiene sich an der Erwärmungsvorrichtung vorbeibewegt, ist von der Leistung der gewählten Erwärmungsvorrichtung abhängig.

[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Schienen im Gegensatz zum bekannten Spannungsarmglühen nicht über den gesamten Querschnitt erwärmt werden, sondern nur im Steg, ermöglicht eine sehr kurze und somit kostengünstige Behandlungsdauer der Schienen. So kann, ausreichende Leistung der Erwärmungseinrichtung vorausgesetzt, eine 30 m-Schiene z.B. in nur 30 Sekunden wärmebehandelt werden, wohingegen die beim Spannungsarmglühen aufzuwendende Zeit mehrere Stunden beträgt.

[0009] überraschenderweise zeigt sich, daß nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung die Zugeigenspannungen an der Fahrfläche und an der Fußunterseite weitgehend beseitigt sind. In der nachstehenden Tabelle sind als Beispiel die Eigenspannungen einer hochfesten Schiene UIC 60 mit einer Zugfestigkeit von 1230 N/mm' (0,72 % C, 0,70 % Si, 1,1 % Mn, 0,94 % Cr, 0,12 % V, 0,025 % Al) im rollengerichteten Zustand sowie nach zusätzlicher Stegerwärmung auf 300, 400, 500 bzw. 680° C aufgeführt. Figur 1 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil dieser Schiene mit Kopf 1, zu erwärmenden Steg 2 und Fuß 3.

Man erkennt, daß die Längseigenspannungen durch die Stegerwärmung auf Werte unter 50 N/mm² abgesenkt werden. Bei den höheren Erwärmungstemperaturen stellen sich an der Fahrfläche sogar geringe Druckeigenspannungen ein. Bei einer Erwärmung auf 300° C ist der Abbau der Eigenspannungen an der Fahrfläche noch unvollständig.

[0010] Durch einen Abbau der Eigenspannungen von Schienen läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Bruchsicherheit erreichen. Dieser Zusammenhang konnte an den erfindungsgemäß wärmebehandelten Schienen bestätigt werden. Dazu wurden im _Fuß mit einem Querkerb versehene Schienenabschnitte mit der in Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) _S. 33 bis 44 beschriebenen Prüfanordnung untersucht. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte und somit weitgehend eigenspannungsfreie Schiene brach bei einer äußeren Beanspruchung von 200 N/mm² mit einem Schwingbruch von rd. 10 mm Tiefe, bei der rollengerichteten Vergleichsschiene trat der Bruch dagegen bereits bei einer Rißtiefe von rd. 2 mm ein. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene erträgt also bei gleicher Beanspruchung einen wesentlich größeren Anriß als die rollengerichtete Vergleichsschiene. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene weist mithin eine erheblich höhere Bruchsicherheit auf.
Kennzeichnend für die Sprödbruchsicherheit eines Werkstoffs ist seine Rißzähigkeit.

[0011] Die Rißzähigkeit ist eine Werkstoffgröße, die die Bedingungen für instabiles Rißwachstum (Sprödbruch) in Abhängigkeit von der Spannung und der Rißgröße angibt. Wie in der oben angegebenen Literaturstelle dargestellt, ist es zulässig, die Gesetze der linear-elastischen Bruchmechanik auf Schienen anzuwenden und daraus die Bedingungen für Sprödbruch quantitativ abzuleiten. Man muß allerdings die Eigenspannungen bei der Berechnung berücksichtigen. Der Zusammenhang lautet:

Darin ist 6 die Spannung (N/mm2), R_Ic die Rißzähigkeit N/mm3/2, _M ein Geometriefaktor und t die Rißtiefe (mm).

[0012] Figur 2 zeigt für die Schiene UIC 60 mit 1230 N/mm2 _Zug- festigkeit, zur Erläuterung des Einflusses von Eigenspannungen, den Zusammenhang zwischen der Spannung und der Rißtiefe mit der _Rißzähigkeit als Parameter. Bei einer _Rißzähigkeit von 1000 N/mm3/2 wird eine eigenspannungsfreie Schiene unter einer äußeren Beanspruchung von 200 N/mm² einen Riß von etwa 10 mm Tiefe ertragen; dagegen wird eine Schiene mit einer Eigenspannung von 200 N/mm² bei gleicher äußerer Beanspruchung bereits bei einer Rißtiefe von rd. 2 mm brechen. Die eigenspannungsarme Schiene hat eine wesentlich höhere Bruchsicherheit, da kleine Anrisse oder Kerben nicht zum Versagen führen. Andererseits können größere Anrisse durch eine zerstörungsfreie Prüfung rechtzeitig erfaßt werden, so daß ein Versagen der Schiene vermieden werden kann.

[0013] Betrachtet man die Schiene als Bauteil und die Eigenspannungen als eine Größe, welche die kritische Spannungsintensität an der Rißspitze (= Rißzähigkeit des Bauteils) vermindert, so ergibt sich die in Figur 3 gezeigte Darstellung. Aufgetragen ist die Rißzähigkeit des Bauteils Schiene K_I über der Rißzähigkeit des Schienenstahls K_Ic. Der kritische K_I-Wert stellt dabei ein Maß für die Bruchsicherheit der Schiene dar. Für den Fall der eigenspannungsfreien Schiene, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt ist, gruppieren sich die Werte um die 45°-Gerade. Für Schienen mit Eigenspannungen liegt der kritische K_I-Wert dagegen deutlich unterhalb dieser Geraden.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit Vorteil zum Abbau von Eigenspannungen bei gewalzten und anschließend gerichteten Stahlprofilen angewendet werden, die einen Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließende Kopf- und/oder Fußteile aufweisen, wie z.B. T- oder Doppel-T-Träger.

[0015] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksames und kostengünstiges Verfahren zum Abbau der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen zu schaffen, das in den üblichen Produktionsfluß bei der Schienenherstellung integriert werden kann, wird alternativ auch dadurch gelöst, daß die nach dem Warmwalzen unter 100° C abgekühlten Schienen kontinuierlich vor dem Einlauf in die Rollenrichtmaschine im Schienensteg auf 100 - 500° C, vorzugsweise um 150 - 350^* C, erwärmt werden und nach dem Richten an Luft auf Raumtemperatur abkühlen.

[0016] Durch diese Maßnahme ergeben sich im Steg Druckvorspannungen in Höhe der Streckgrenze. Das Rollenrichten kann mit geringeren Kräften erfolgen und führt zu gleichmäßigeren Verformungen über den Schienenquerschnitt. Nach dem Richten gleicht sich die Temperatur des Steges der von Schienenkopf und -fuß an. Die Längszugspannungen in Kopf und Fuß werden abgebaut und können sogar in Druckspannungen umgewandelt werden.

[0017] Die Erwärmung des Steges wird bevorzugt induktiv mittels den zu erwärmenden Schienenquerschnitten angepaßter Induktionsspulen vorgenommen, sie kann jedoch auch über Brenner erfolgen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Steg einerseits und Kopf und Fuß andererseits kann in Abhängigkeit von der Leistung der jeweiligen Erwärmungseinrichtung und der Durchlaufgeschwindigkeit der Schienen in der Rollenrichtmaschine in einem Schritt oder in mehreren Schritten bei Einlauf in die Richtmaschine, und auch noch während des Richtens erhalten werden. Durch Veränderung des erwärmten Schienenquerschnittes können die Eigenspannungen mehr oder weniger stark abgebaut oder in Druckspannungen umgewandelt werden. Druckspannungen ergeben sich, wenn über den Steg hinaus der untere Bereich des Schienenkopfes und der obere Bereich des Schienenfußes miterwärmt werden.

[0018] Die Wirksamkeit des alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens kann am Beispiel einer hochfesten naturharten Schiene UIC 60 in Güte S 1200 mit 1250 N/mm² Zugfestigkeit verdeutlicht werden. Die Schiene hatte folgende chemische Zusammensetzung (Gewichts-%): 0,75 % C, 0,72 % Si, 1,1 % Mn, 0,95 % Cr, 0,11 % V, 0,018 % S, 0,017 % P, 0,025 % Al. Bei normalem Richten stellen sich auf der Fahrfläche und auf der Fußunterseite Längszugspannungen von 250 bis 260 N/mm² ein. Beim Richten mit einem um 300' C erwärmten Steg werden die Längszugspannungen auf Werte unter 50 N/mm² abgesenkt.

[0019] Das alternative erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls zum Abbau von Eigenspannungen gewalzter Stahlprofile mit einem Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließenden Kopf- und/oder Fußteilen, wie T- bzw. Doppel-T-Träger und dergleichen, angewendet werden.

[0020] Im folgenden wird der alternative Lösungsvorschlag anhand von Zeichnungen näher erläutert.

[0021] Figur 4 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil einer Schiene UIC 60 mit einem Kopf 1, einem Steg 2 und einem Fuß 3. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens empfiehlt es sich, nicht nur den Steg 2, sondern weitere Querschnitte zu erwärmen, so den unteren Bereich 1' des Schienenkopfes 1 im Übergang zum Steg 2 und den oberen Bereich 3' des Schienenfußes 3 im Übergang zum Steg 2.

[0022] Die Verbesserung des Eigenspannungszustandes im Schienenquerschnitt verdeutlicht Fig. 5. Bei normalem Richten ergab sich an der untersuchten naturharten Schiene mit 1250 N/mm² Zugfestigkeit der Verlauf a mit hohen Zugspannungen in Kopf und Fuß. Beim Richten mit Stegerwärmung auf 300° C stellte sich der wesentlich günstigere Verlauf b ein.

[0023] Die Verbesserung des Gebrauchsverhaltens dieser Schiene läßt sich am Beispiel von Dauerschwingversuchen mit Ermüdungsanrissen im Schienenfuß 3 belegen. Bei einer Oberspannung von 200 N/mm² brach die normal gerichtete Schiene mit einem Ermüdungsanriß von c = 1,7 mm Tiefe

[0024] (Fig. 6). Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gerichteten spannungsarmen Schiene erhöht sich die ertragene Rißtiefe auf d = 7 mm (Fig. 7). Figur 6 und Figur 7 sind maßstäblich gezeichnet.

[0025] _Da Oberflächenfehler dieser Tiefe an Schienen nicht oder nur äußerst selten vorkommen, tritt somit auch bei Schienen, die nach dem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren spannungsarm gerichtet werden, eine wesentliche Verbesserung der Bruchsicherheit ein.

[0026] In Figur 8 ist - entsprechend den Ausführungen zu Figur 3 - die Rißzähigkeit des Bauteils Schiene K_I über der Rißzähigkeit des Schienenstahls K_Ic aufgetragen. Der kritische K_I-Wert stellt dabei ein Maß für die Bruchsicherheit der Schiene dar. Auch für die eigenspannungsfreie Schiene, die nach dem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren behandelt ist, gruppieren sich die Werte um die 45°-Gerade. Für Schienen mit Eigenspannungen liegt der kritische K_r-Wert dagegen deutlich unterhalb dieser Geraden. Die Bruchsicherheit der erfindungsgemäß gerichteten Schiene ist folglich deutlich höher als diejenigen von normal gerichteten Schienen.

[0027] Durch den Abbau der Eigenspannungen wird auch die Dauerschwingfestigkeit des Bauteils Schiene als Träger, also die Gestaltfestigkeit, die ein Maß für die Haltbarkeit eines Bauteils unter Schwingbeanspruchung ist, verbessert. Die Erhöhung der Gestaltfestigkeit liegt in der Größenordnung von 10 bis 20 %.

[0028] Erfindungsgemäß behandelte eigenspannungsarme Schienen können in folgender Weise vorteilhaft eingesetzt werden:

- Ohne Veränderung der gegebenen Betriebsbedingungen (gleiche Schienenfestigkeit, gleiches Schienen-Profil, gleiche Achslasten) ergibt sich eine verbesserte Bruchsicherheit und Dauerhaltbarkeit (Gestaltfestigkeit) der Schiene.

- Unter Beibehaltung der Bruchsicherheit kann bei gleichem Schienen-Profil und gleicher Schienenfestigkeit die Beanspruchung, d.h., die Achslast, erhöht werden.

Ansprüche

1. Wärmebehandlungsverfahren zur Verminderung der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß rollengerichteter Schienen bestehend aus einem Glühen der Schienen im Temperaturbereich von 200 - 700° C und einem nachfolgenden langsamen Abkühlen, dadurch gekennzeichnet , daß die Schienen über einen Rollgang kontinuierlich an einer Erwärmungseinrichtung mit einer auf die Leistung der Erwärmungseinrichtung abgestimmten Geschwindigkeit zwischen 0,2 m/min und 1 m/s vorbeigeführt werden und daß während der entsprechenden Durchlaufzeit nur der Steg der Schienen auf die Glühtemperatur erwärmt und nach Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird.

2. Verfahren zur Herstellung eigenspannungsarmer rollengerichteter Stahlschienen, dadurch gekennzeichnet , daß die nach dem Warmwalzen unter 100° C abgekühlten Schienen kontinuierlich vor dem Einlauf in die Rollenrichtmaschine im Schienensteg auf 100 - 500° C erwärmt werden und nach dem Richten an Luft auf Raumtemperatur abkühlen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schienensteg um 150 - 350° C erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß über den Schienensteg hinaus der untere Bereich des Schienenkopfes und der obere Bereich des Schienenfußes miterwärmt werden.

5. Anwendung der Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 auf gewalzte Stahl-Profile mit einem Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließenden Kopf- und/oder Fußteilen, wie T- bzw. Doppel-T-Träger.

Zeichnung