DE10144498C2 - Verfahren zur induktiven Oberflächenhärtung von Schienen und kompakter Abschnitte innerhalb von Schienenwegen oder anderer Profile - Google Patents
Verfahren zur induktiven Oberflächenhärtung von Schienen und kompakter Abschnitte innerhalb von Schienenwegen oder anderer ProfileInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem Festigkeit und Verschleißwiderstand stark
beanspruchter Oberflächenareale beispielsweise an Vignolschienen, Rillenschienen, Kran
schienen, Weichenzungen und -herzstücken sowie anderer Konstruktionsprofile deutlich
erhöht werden, wobei der sich gegebenenfalls ändernde Querschnitt der Profile in
gleichmäßiger Tiefe behandelbar ist ohne, daß das Induktionswerkzeug in Abständen
gewechselt werden muß.
Es ist bekannt, daß die genannten Schienenprofile in Regelgüten und hochverschleißfesten
Sondergüten geliefert werden, wobei ausschließlich Strangguß-Vormaterial eingesetzt
wird.
Deren Festigkeit und Verschleißwiderstand reicht bei fertig bearbeiteten Profilen für
Schienenwege auf Dauer nicht aus, sodaß entweder der Grundwerkstoff aufwendig legiert
oder einer teuren Wärmebehandlung mit hohem Energieaufwand unterworfen werden
muß. Bei letzterem wird gemäß Stand der Technik das Vergüten von z. B. Weichenteilen,
Kreuzungen und Schienenenden bevorzugt. Die dabei durchgeführte Kombination aus
Härten und Anlassen wird meist in Induktionsöfen oder mittels Vorwärmbrenner
durchgeführt, wobei eine Schiene auf Temperaturen oberhalb der
Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, sodaß das Gefüge vollständig in Austenit
umgewandelt wird. Durch das anschließende schnelle Abkühlen mit einem geeigneten
Medium erfolgt eine Martensitbildung, die durch die Abschreckgeschwindigkeit definiert
ist. In der 2. Stufe der Wärmebehandlung - das Anlassen - erfolgt dann ein teilweises
Herausdiffundieren des zwangsgelösten Kohlenstoffs aus dem Martensit mit der Folge, daß
der Werkstoff bei weitgehender Beibehaltung der Härte an Zähigkeit gewinnt.
Demgegenüber steht das Feinperlitisieren wie es laut H. de Boer "Verbesserung des Be
triebsverhaltens von Eisenbahnschienen durch Feinperlitisieren des Schienenkopfes; Stahl
und Eisen 112 (1992) Nr. 10 beschrieben wird. Hier wird das nach dem Walzvorgang
vorliegende groblamellare perlitische Gefüge durch eine gezielte Wärmebehandlung in
eine feinlamellare Struktur umgewandelt. Da die Struktur des Perlits seine mechanischen
Eigenschaften bestimmt, wird zu seiner Kennzeichnung häufig der Abstand der
Zementitlamellen verwendet. So sind Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung vom
Lamellenabstand abhängig. Streckgrenze und Zugfestigkeit steigen mit abnehmendem
Lamellenabstand stark an, während die Bruchdehnung des Perlits, die einen Hinweis auf
seine Zähigkeit gibt, nur geringfügig vermindert wird.
Der Unterschied des Feinperlitisierens und Vergütens wird z. B. an einem Schienenstahl
der Güte 900 nach UIC 860 V deutlich, wobei dessen Ausgangswerte eine minimale
Zugfestigkeit von 880 N/mm2 und eine Bruchdehnung von ≧ 10% aufweist.
Nach einem Feinperlitisieren ändern sich die mechanischen Eigenschaften in der Weise,
daß die Zugfestigkeit auf ca. 1100-1300 N/mm2 erhöht wird und die Bruchdehnung mit ≧
8% nur unwesentlich zurückgeht.
Beim Vergüten erhöht sich die Zugfestigkeit auf über 1300 N/mm2, während die Bruch
dehnung wesentlich zurückgeht (Gefahr des Sprödbruchs).
Es ist bereits bekannt, daß eine Festigkeitssteigerung über 1300 N/mm2 das Verschleiß
verhalten der Paarung Rad/Schiene nicht weiter positiv verbessert, sodaß das
Feinperlitisieren bei einer Bearbeitungstemperatur von ca. 900°C als optimale
Verfahrensvariante angesehen wird. Dies betrifft sowohl die Wärmebehandlung von
unbearbeiteten als auch die gezielte Induktionserwärmung an mechanisch bearbeiteten
Schienenköpfen.
Induktionserwärmungsanlagen haben in den letzten Jahren durch die Entwicklung der Lei
stungstransistortechnik einen Stand erreicht der es gestattete, mobile Frequenzumrichter
mit geringem Bauvolumen zu fertigen. Sie besitzen einen höheren Wirkungsgrad und die
Möglichkeit der Ankopplung sowohl der Mittelfrequenz-(MF) als auch der Hochfrequenz-
(HF) Energie über Kabel an Koaxialtransformatoren, die in Abhängigkeit von der Leistung
auch als Handtransformatoren zum Einsatz kommen können.
So gestaltete Induktionsanlagen sind vielfach im Einsatz und bieten den Vorteil, daß das
Werkzeug (Induktor) zum Werkstück bewegt werden kann, wie z. B. in H.-J. Peter "Einige
Besonderheiten bei der Anwendung des Induktionslötens", DVS-Bericht (1995), Band 166
beschrieben.
Durch die mobile Anlagentechnik, verbunden mit den geringen Abmessungen der HF- oder
MF-Generatoren, wird die Integration in übergeordnete Fertigungseinrichtungen mit
Realisierung kinematischer Abläufe möglich. Durch die Entwicklung der Leistungs
elektronik wurde auch diese Technik weiterentwickelt, sodaß gegenwärtig Induktions
erwärmungsanlagen mit den Abmessungen von Schweißstromquellen kommerziell
verfügbar sind.
Neben dem bekannten Einsatz von Induktionserwärmungsanlagen gibt es auch
Anwendungen zum Schweißen und für Wärmebehandlungen, wie in (anonym),
"Zusammenstellung von Induktionssystemen zum Stumpfschweißen und -löten von
Rohren, Automaticeskaja svarka, Kiev 42 (1990) 5 genannt. So sind Anwendungen von
Induktionserwärmungsanlagen zum Längsnahtschweißen oder Schweißnahtglühen von
Rohren bekannt.
Neben solchen Ausführungen der Außenfelderwärmung sind auch Beispiele zum
Induktionsschweißen mit Innenfelderwärmung üblich. Die Mittelfrequenz-
Induktionserwärmung liegt bei etwa 0,5-10 KHz, während sich die Hochfrequenz-
Induktionserwärmung im Frequenzbereich zwischen 0,1 MHz und 5 MHz bewegt.
Aus der Patentliteratur wird gemäß DD 235 275 A1 vorgeschlagen, einen breitflächigen
Induktor, der abstandsgerecht nachführbar ist, zu verwenden. Nachteilig ist, daß keine
wechselnde Profilgeometrie gleichmäßig erreicht werden kann und als zusätzlicher
Verfahrensschritt abgeschreckt werden muß. Es kann nicht für kontinuierliche
Gefügeübergänge garantiert werden.
In der Hilfsgebrauchsmusteranmeldung DE 17 44 853 U wird auf die Anwendung einer
Steuereinrichtung zur Leistungsanpassung von Mittelfrequenz- oder
Hochfrequenzgeneratoren hingewiesen, wobei die genannten Generatoren die Energie für
induktive Glüh-, Härte- und Lötprozesse liefern.
Die Strahlungsintensität des erwärmten Werkstückes wird dabei außermittig gemessen.
Hinweise zu einer verfahrensgerechten Umsetzung lassen sich hieraus nicht ableiten, zumal
zur Ausbildung des Induktors nichts gesagt ist.
Um den Erfordernissen kompliziert gestalteter Profilquerschnitte in der
Induktionswärmebehandlung besser gerecht zu werden, sind gemäß Eckstein, Hans-
Joachim "Technologie der Wärmebehandlung von Stahl" von 1987, S. 561 bis 568 die
unterschiedlichsten Formen von Induktorwerkzeugen vorgeschlagen worden. Eine solche
spezielle Anpassung ist mit dem erfindungsgemäß durchgeführten Verfahren nicht
notwendig.
Gemäß dem vorbeschriebenen Stand der Technik ist es lediglich üblich und möglich,
Werkstücke im wesentlichen in vollem Querschnitt oder mit flächigem Induktor, bei
Schienenprofilen (nach DD 235 275 A1), mit der Wärmebehandlung zu erfassen
(Vergüten, Feinperlitisieren) mit entsprechenden Induktionsöfen beim Brennhärten oder in
Verbindung mit Fügeprozessen des Stumpf-Längsnahtschweißens von Rohren mit
speziellen Einrichtungen im Außen- oder Innenbereich Induktionserwärmungen zu
koppeln. Letztere beschränken sich auf den unmittelbaren Nahtbereich.
Eine Ausnahme bildet da das Brennhärten, welches mit großem technischen Aufwand des
Vorwärmens, Härtens mittels Härtebrenner, Abschreckens und Abkühlens, auch für
Weichenherzstücke zum Einsatz kommt. Die Einstellung der Parameter für wechselnde
Profile bzgl. des Querschnitts ist dabei äußerst kompliziert, wobei die Einstellung der
Brenner über Supporte erfolgt.
Für eine oberflächennahe Wärmebehandlung zähharter Grundwerkstoffe im Sinne des
Einsatzhärtens sind dagegen keine Induktions-Lösungen bekannt, die in einem Zuge und in
ständiger Rückkopplung mit einem z. B. MF-Generator die erforderliche Arbeitstemperatur
bei der Wärmebehandlung zur Verfügung stellen wenn es darum geht, variable
veränderbare Profilquerschnitte gewalzter Schienenprofile oder anderer Profile für
Tragwerke zu behandeln.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Lösung vorzuschlagen, mit der kostengünstig
Verschleißflächen kompliziert verlaufender Profilquerschnitte durchgängig, unter der
Anwendung von in Grenzen festgelegter Arbeitsparameter, reproduzierbar
wärmebehandelt werden können, wobei die Ausbildung des auch in mehrfacher Weise
einsetzbaren - die Induktionswärme aussendenden Werkzeuges - von untergeordneter
Bedeutung ist und gegebenenfalls zur Erwärmung sehr kompakter Profilquerschnitte eine
zusätzliche Energiequelle vorgesehen wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der
grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.
Folgende ergänzende Hinweise zur erfindungsgemäßen Lehre sind erforderlich.
Verfahrensgemäß werden entsprechend von Rost, Verzunderungen u. ä. Verunreinigungen
befreite Schienen, Schienenherzstücke, Weichenzungen o. a. Profile parallel zur
Hauptachse des verwendeten Schweißtisches darauf abgelegt bzw. ausgerichtet, wobei der
in 3 Translationsachsen (x, y, z) bewegbare Induktor in seine Ausgangsstellung gebracht
wird. Nach Erreichen der für die Induktionswärmebehandlung erforderlichen Temperatur
in den Grenzen von 850 bis 950°C beginnt die temperaturgesteuerte, elektromotorisch
durchgeführte Verfahrung des Induktors entlang der profilierten Oberfläche einer Schiene
oder eines anderen Profils, wobei die Areale der bekannten Verschleißflächen erfaßt
werden. Die Translation des Induktors erfolgt während der kontinuierlichen Behandlung in
der x-Achse, wobei Nachstellungen des optimalen Abstandes vom Werkstück entweder
von Hand oder mittels Stellmotore (Sterlingmotore) vorgenommen werden. Die mittels
eines verwendeten Mittelfrequenzgenerators erzeugte Arbeitstemperatur, die an dem mit
einem Koaxialtransformator gekoppelten Induktor anliegt, wird durch ein geeignetes
Meßmittel, welches mit dem Induktor funktionell in Wirkverbindung steht, ständig
dahingehend kontrolliert, daß die Verfahrgeschwindigkeit eine vorgesehene Eindringtiefe
zur Oberflächenhärtung ergibt. Der Meßpunkt für die Abnahme, der Arbeitstemperatur
sollte im Zentrum des Induktors liegen, wobei deren Auswertung in der mit dem MF-
Generator in Verbindung stehender Temperatur-Meß- und Regeleinheit vorgenommen
wird.
Der als einfach gewendelter, in etwa haarnadelförmig ausgebildet, vorliegende Induktor
erreicht, in gleichmäßigem Abstand zur Werkstückoberfläche gehalten, reproduzierbare
Eindringtiefen zur. Feinperlitisierung, sodaß keine abrupten Übergänge zwischen
gehärtetem Gefüge und Grundwerkstoff zugelassen werden sowie gleichzeitig der
Querschnitt eines abzufahrenden Profils veränderbar sein kann. Als Beispiel seien dafür
Weichenzungen angeführt. Die Besonderheit des Verfahrens liegt hauptsächlich darin, daß
keine Materialverwerfungen, die ein Nachrichten erfordern würden, auftreten,
keine Verzunderungen beseitigt werden müssen und die Abkühlung an
ruhender Luft erfolgt, sodaß infolge des sonst üblichen Abschreckens mit nachfolgendem
Anlassen auf die Beseitigung von Martensit nicht zu orientiert werden braucht.
Es ist denkbar, daß bei entsprechend in kompakter Form (breite Schienenköpfe)
vorliegenden Profilen, die Oberflächenbehandlung - falls erforderlich - in Tandemführung
des Induktors erfolgen kann und beispielsweise Weichenherzstücke, zur Vermeidung von
Materialspannungen, an ihrer Unterseite mittels Gasbrenner vorgewärmt werden.
Ebenso kann der Meßpunkt zur Messung der Temperaturverhältnisse aus dem Zentrum des
Induktors hinaus verlegt werden, wobei die gewonnenen Meßwerte in modifizierbarer
Weise mit der Temperatur-Meß- und Regeleinheit sowie nachfolgend mit dem
verwendeten MF-Generator zur Erreichung der Arbeitstemperatur zu bewerten wären.
Folgende weitere Erläuterungen zur Erfindung sind anhand eines Ausführungsbeispiels
erforderlich, wobei auf die Fig. 1 bis 4 verwiesen wird.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 Schematische Blockbilddarstellung
Fig. 2 Schnitt B-B am Ende eines variablen Profilquerschnitts
Fig. 3 Schnitt A-A am Beginn eines variablen Profilquerschnitts
Fig. 4 Schnitt C-C, unterhalb des Induktors im Stahlprofil ausgebildetes Wärmefeld
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:
1 Schienenkopf
2 Induktor
3 Mittelfrequenz-(MF-) Generator
4 Temperatur-Meß- und Regeleinheit
5 Koaxialtransformator
6 Meßpunkt
7 wärmebehandelter Bereich
8 wärmebehandelter Bereich
2 Induktor
3 Mittelfrequenz-(MF-) Generator
4 Temperatur-Meß- und Regeleinheit
5 Koaxialtransformator
6 Meßpunkt
7 wärmebehandelter Bereich
8 wärmebehandelter Bereich
Ein einfach gewendelter und mit dem Koaxialtransformator 5 als Einheit aufzufassender
Induktor 2 nimmt die vom Mittelfrequenz-(MF)-Generator 3 bereitgestellte Energie auf,
die von ihm in definiertem Abstand zur Oberfläche des Schienenkopfes 1 abgegeben wird.
Der Abstand sollte dabei konstant innerhalb der Grenzen von 2 bis 5 mm eingehalten
werden. Letzteres geschieht über die nutzbaren Translationsachsen einer modifiziert
ausgebildeten Roboterschweißanlage, wobei der Induktor 2 in Richtung der x-Achse mit
konstanter Geschwindigkeit entlang der wärmezubehandelnden Bereiche 7, 8 verfahren
wird. In ständiger Auswertung der Arbeitstemperatur im Meßpunkt 6 und Rückkopplung
mit der Temperatur-Meß- und Regeleinheit 4 wird eine konstante Verfahrgeschwindigkeit
realisiert, in der Regel zwischen 0,5 . . . 1,5 cm/min., sodaß die Eindringtiefe der
wärmezubehandelnden Bereiche 7, 8 den üblicherweise geforderten Wert von 15 mm
erreicht, wobei ein allmählicher Übergang des oberflächengehärteten Werkstoffs in den
Grundwerkstoff im allgemeinen mit zähharten Eigenschaften - erfolgt und im Zuge der
Feinperlitisierung eine Martensitbildung unterbleibt.
Gemäß Fig. 4 wird eine prinzipielle Darstellung des Wärmefeldes am universell
einsetzbaren Induktor 2 gegeben, wobei die Ausbildung eines quasistationären
Temperaturfeldes mit zwei Maxima und einem Minimum im Zuge der relativen Bewegung
des Induktors 2 zur Bauteiloberfläche an ruhender Luft deutlich wird. Die Erwärmung
erfolgt in gezielter Weise von Innen heraus, sodaß neben geringerem Energieaufwand
gegenüber den Verfahren des Brennhärtens, metallurgisch gesehen, feinere Gefügestufen
geschaffen werden.
Die besonderen Vorteile des Verfahrens können zusammengefaßt dargestellt werden in
folgenden Punkten:
- - Im Gegensatz zu gleichwertigen Verfahren des Brennhärtens sind aufwendige Ver fahrensschritte des Vorwärmens, Abschreckens und nachfolgendem Anlassens nicht erforderlich
- - gezielter Temperatureintrag mit geringen Abstrahlungsverlusten
- - geringer gerätetechnischer Aufwand
- - wechselnde Profilquerschnitte sind in einem Arbeitsgang behandelbar, wobei das Werkzeug (Induktor) nicht gewechselt werden muß
- - vorteilhaft einsetzbar für Schienen-(Profil-) längen bis 5000 mm und/oder länger bzw. kürzer
- - Abkühlung an ruhender Luft.
Claims (3)
1. Verfahren zur induktiven Oberflächenhärtung von Schienen und kompakten
Abschnitten innerhalb von Schienenwegen oder anderen Profilen mit stabförmiger
Gestalt und/oder einem grossen Längen-/Querschnittsverhältnis unter Verwendung einer
Induktionserwärmungsanlage, einer einen u-förmigen Induktor (2) mit konstanter
Geschwindigkeit bewegenden Linearführungseinheit und einer Temperatur-Mess- und
Regeleinheit (4), gekennzeichnet dadurch, dass als Parameter zur Durchführung des
Verfahrens eine Verfahrgeschwindigkeit des u-förmigen Induktors (2) in den Grenzen
von 0,5 bis 1,5 cm/min, in Induktorabstand von 2 bis 5 mm und eine
Arbeitstemperatur von 850°C bis 950°C gewählt werden, so dass sich ein
quasistationäres Temperaturfeld mit 2 Maxima und einem Minimum einstellt, bei einer
zu erfolgenden Aufheizung in definierter Haltezeit und einer nachfolgenden Abkühlung,
wobei der u-förmige Induktor (2) auch in Mehrfachausführung eingesetzt wird und die
Erwärmung von kompakten Schienenstücken/Weichenherzstücken durch einen
zusätzlichen Gasbrenner von unten unterstützt wird.
2. Verfahren zur induktiven Oberflächenhärtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, dass zur Durchführung des Verfahrens bei kompakten
Schienenstücken/Weichenherzstücken zusätzlich ein Gasbrenner unterhalb derselben
parallel zum u-förmigen Induktor (2) mitgeführt wird und dazu angepasste
Arbeitsparameter eingestellt werden.
3. Verfahren zur induktiven Oberflächenhärtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, dass der u-förmige Induktor (2) auch in Tandemausführung eingesetzt wird.
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| DE10144498C2 true DE10144498C2 (de) | 2003-09-18 |
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Family Applications (1)
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- 2001-09-06 DE DE10144498A patent/DE10144498C2/de not_active Revoked
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE1744853U (de) * | 1955-09-14 | 1957-05-16 | Alfons Schultheiss | Einrichtung zur steuerung der leistung der hochfrequenz- oder mittelfrequenz-generatoren von elektro-induktiven glueh-, haert- und loetanlagen. |
| DD235275A1 (de) * | 1985-03-19 | 1986-04-30 | Werkzeugmaschinenbau Fz | Einrichtung zur steuerung von induktionswaermebehandlungsparametern |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DE BOER, Harald (u.a.): Verbesserung des Betriebsverhaltens von Eisenbahnschienen durch Feinperlitisieren des Schienenkopfes, in: Stahl Eisen, 1992, Nr. 10, S. 101-107 * |
| ECKSTEIN, Hans-Joachim: Technologie der Wärmebe- handlung von Stahl, 2., stark überarb. Auflage Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffin- dustrie, 1987, S. 148-149, S. 561-568. ISBN: 3-342-00220-4 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10144498A1 (de) | 2003-04-03 |
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