DE102011014877A1

DE102011014877A1 - Verfahren zum Umschmieden eines Gleisteils und gemäß diesem Verfahren umgeschmidete Gleisteile

Info

Publication number: DE102011014877A1
Application number: DE201110014877
Authority: DE
Inventors: Andreas Martin
Original assignee: DB Netz AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-09-27
Also published as: WO2012126550A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmieden eines Gleisteils und gemäß diesem Verfahren umgeschmiedete Gleisteile. Erfindungsgemäß wird für das Gleisteil Stahl verwendet, der aus bainitischem Grundgefüge besteht. Nach dem Schmieden des Gleishmieden erfolgt innerhalb einer Zeitspanne, in der die Gefügeausbildung des Stahls nicht wesentlich beeinflusst wird. Anschließend wird der Stahl kontrolliert bis zu einer Temperatur abgekühlt, bei der die Umwandlung in das gewünschte bainitische Gefüge vollständig erfolgt. Dann wird die Temperatur so lange gehalten, bis eine komplette Umwandlung über den gesamten Querschnitt des Gleisteils erfolgt ist. Erst danach wird die Abkühlung bis auf Raumtemperatur fortgesetzt. Durch das Verfahren bleiben die Grundeigenschaften des bainitischen Stahls wie Härte, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Streckgrenze nicht unvorteilhaft verändert. Nach diesem Verfahren hergestellte Gleisteile können beispielsweise verwendet werden als Weichenzungen, Weichenherzstücke oder Übergangsschienen. Sie zeichnen sich aus durch hohe Härte, z. B. zwischen 420 und 480 HB bei gleichzeitig hohen Bruchdehnungen von mehr als 9%, hohe Zugfestigkeit von mehr als 1400 N/mm2 und Streckgrenzen größer 1000 N/mm2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmieden eines Gleisteils und gemäß diesem Verfahren umgeschmiedete Gleisteile.
Aufgrund der Geschwindigkeitszunahme von Zügen nehmen die Anforderungen an den Gleisoberbau zu. Dabei wird gefordert, dass insbesondere Schienen und Weichen einen hohen Widerstand gegen Verschleiß, Verquetschungen und Ermüdungsschäden aufweisen. Des Weiteren sollen eine Bruchsicherheit und eine Eignung zum Schweißen gegeben sein. Diese Forderungen begründen den Einsatz von Schienen mit Zugfestigkeiten von mindestens 1100 N/mm².
Aus EP 1 003 920 B1 ist ein Gleisteil bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bekannt, bei dem Stahl einer chemischen Richtanalyse mit 0,3 bis 0,6% C, 0,8 bis 1,5% Si, 0,7 bis 1,0% Mn, 0,9 bis 1,4% Cr, 0,6 bis 1,0% Mo, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen nach einer Abkühlung aus der Walzwärme und Ausbildung eines bainitischen Grundgefüges einer Zugfestigkeit von ungefähr 1100 N/mm² zunächst einer Vorbehandlungsstufe unterzogen wird. Hierbei wird der Stahl mit der bainitischen Grundstruktur auf eine Temperatur T 4 mit 400°C < T 4 < 550°C erwärmt und sodann gesteuert derart abgekühlt, dass der Stahl nach der Vorbehandlung eine Zugfestigkeit von zumindest 1200 N/mm² aufweist. Im Anschluss daran wird er auf eine Temperatur T 1 mit 750°C < T 1 < 920°C angewärmt, anschließend auf eine Temperatur T 2 mit 450°C < T 2 < 250°C in einem Polymer-Wassergemisch, in einer Salzschmelze oder in einem Pulver beschleunigt abgekühlt, erneut auf eine Temperatur T 3 > T 2 mit 400°C < T 3 < 560°C erwärmt und bei der Temperatur T 3 über eine Zeit t1 mit 60 min < t1 < 150 min gehalten und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Aus GB 2 297 094 A ist ein Herstellungsverfahren für bainitische Stähle bekannt, die praktisch frei von Karbiden sind. Hierbei wird ein heißgewalzter Stahl einer chemischen Richtanalyse von 0,05 bis 0,5% C, 0,5 bis 3% Si und/oder Al, 0,5 bis 2,5% Mn und 0,25 bis 2,5% Cr, Rest Eisen sowie üblichen verschmelzungsbedingten Verunreinigungen von der Walztemperatur kontinuierlich und natürlich in Luft abgekühlt.
Aus Boer de, H et al.: Naturharte bainitische Schienen mit hoher Zugfestigkeit" (Stahl und Eisen, Bd. 115, Nr. 2, 1995, S. 93–98) ist bekannt, dass Eigenspannungen in bainitischen Schienen vermindert werden können, wenn die Schienen wärmebehandelt werden. Hierzu werden die Schienen 24 h bei 350°C geglüht.
Nachteil von einer Zungenvorrichtung, Zungenschiene und/oder Backenschiene, eines Schienauszuges oder Isolierstoßes des Standes der Technik sind hoher Verschleiß, Rollkontaktermüdungsschäden und plastische Deformationen der Belasteten Bereiche, wie des Zungenanfanges bis hin zu Ausbrüchen der Zungen- und der Backenschienen die somit häufige Instandsetzungsarbeiten, insbesondere Schleifen, nach sich ziehen. Hierdurch wird insbesondere maßgeblich die Liegedauer der Bauteile negativ beeinflusst.
Insbesondere die derzeitig verwendeten perlitischen Standardmaterialien (R 350 HT) genügen diesen enormen Belastungen nicht und zeigen die o. g. Schädigungen auf. Dieser perlitische Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von ≥ 1180 N/mm² erhält durch eine Wärmebehandlung zwar eine erhöhte Verschleißfestigkeit, neigt jedoch auch in seiner feinperlitischen Ausführung unter den derzeitigen Belastungen zur Oberflächenrissbildung, den so genannten Rollkontaktermüdungsschäden.
Die DE 195 23 542 A1 beschreibt ein Verfahren zur Wärme- bzw. Vergütebehandlung eines Gleisteils, insbesondere Weichenteils wie Federzunge oder Herzstück, wobei das Gleisteil über seine gesamte Länge aufgeheizt und anschließend in einem Kühlmittelbad derart gekühlt wird, dass das Gleisteil gegebenenfalls partiell und unterbrochen und von seinem Kopf her in das Kühlmittelbad getaucht wird. Um in dem Gleisteil ein gewünschtes Gefüge reproduzierbar einstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass das Gleisteil während des Kühlens in vorgegebener zeitlicher Abfolge nacheinander einerseits bereichsweise und andererseits vollständig in das Kühlmittelbad getaucht wird. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt insbesondere darin, dass keine definierten Temperaturen und Zeiträume vorgegeben werden, die gewährleisten, dass die gewünschten Materialeigenschaften des bainitischen Gleisteils nicht verloren gehen.
Die DE 10 2006 030 815 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Gleisteils aus bainitischem Stahl, insbesondere einer Zungenvorrichtung, Zungenschiene und/oder Backenschiene. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Zungenvorrichtung, Zungenschiene und/oder Backenschiene, die aus bainitischem Stahl hergestellt ist sowie auf Schienenauszüge und Isolierstöße.
Hierbei wird allerdings nicht berücksichtigt, dass durch ein Umschmiedevorgang des entsprechenden Gleisteils die ursprünglichen Materialeigenschaften verändert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, Gleisbauteile, die aus dem gewünschten bainitischen Stahl bestehen und durch Schmieden umgeformt werden müssen, so umzuschmieden, dass die gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben bzw. wieder hergestellt werden, sodass sich eine hohe Festigkeit und Verschleißresistenz bei Erhöhung der Lebensdauer ergeben und somit insbesondere ein Einsatz in hochbeanspruchten Weichen und anderen Gleisbauteilen erfolgen kann.
Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 und erfindungsgemäß hergestellte Gleisbauteile gemäß Anspruch 4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird gemäß Anspruch 1 für das Gleisteil Stahl verwendet, der aus bainitischem Grundgefüge besteht. Durch das Verfahren bleiben die Grundeigenschaften des bainitischen Stahls wie Härte, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Streckgrenze nicht unvorteilhaft verändert. Dies wird dadurch erreicht, dass nach dem Schmieden des Gleisteils die Abkühlung in zwei Stufen erfolgt. Das Schmieden erfolgt innerhalb einer Zeitspanne, in der die Gefügeausbildung des Stahls nicht wesentlich beeinflusst wird. Hierfür reichen die üblicherweise verwendeten Zeiten von wenigen Minuten aus. Anschließend wird der Stahl nicht sofort an der Luft oder durch Abschrecken in Bädern oder Besprühen durch Wasseremulsion abgekühlt, sondern kontrolliert bis zu einer Temperatur abgekühlt, bei der die Umwandlung in das gewünschte bainitische Gefüge vollständig erfolgt. Dann wird die Temperatur so lange gehalten, bis eine komplette Umwandlung über den gesamten Querschnitt des Gleisteils erfolgt ist. Erst danach wird die Abkühlung bis auf Raumtemperatur fortgesetzt.
Nach diesem Verfahren hergestellte Gleisteile können beispielsweise verwendet werden als Weichenzungen, Weichenherzstücke oder Übergangsschienen. Sie zeichnen sich aus durch hohe Härte, z. B. zwischen 420 und 480 HB bei gleichzeitig hohen Bruchdehnungen von mehr als 9%, hohe Zugfestigkeit von mehr als 1400 N/mm² und Streckgrenzen größer 1000 N/mm².
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bildung von für das Gleisteil schädlichen Carbiden, wie z. B. Chrom-Carbiden an den Korngrenzen vermieden.
Anspruch 2 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Anspruchs 1. Für die Umschmiedung des Gleisteils wird der Stahl zunächst auf eine Temperatur zwischen der Ac3-Temperatur des verwendeten Bainit-Stahls und 1250°C erwärmt. Der Umschmiedevorgang wird bei dieser Temperatur innerhalb weniger Minuten durchgeführt. Durch Abkühlung wird die Temperatur des Gleisteils nach dem Schmieden in einen Temperaturbereich von 450°C bis 350°C gebracht. Dies kann schnell, z. B. durch Eintauchen in ein vortemperiertes Bad oder in einem Zeitraum von ca. bis zu 20 Minuten an Luft erfolgen. Die Art der Kühlung ist maßgebend für die zu erreichende Zielhärte. Zwischen 350°C und 450°C verwandelt sich die durch die hohen Temperaturen beim Umschmiedevorgang entstandene austenitische Gefügestruktur wieder in ein bainitisches Gefüge. Je näher die Temperatur bei 350°C liegt, desto höher wird der bainitische Anteil. Für diese Umwandlung wird ein Zeitraum von etwa 5 bis 30 Minuten benötigt. Anschließend kann das Gleisteil auf niedrige Temperaturen weiter abkühlen. Dies erfolgt vorzugsweise innerhalb von 60 bis 120 Minuten.
Gemäß Anspruch 3 besteht der Stahl aus 0,3 bis 0,4% C, 0,7 bis 0,9% Si, 0,6 bis 0,8% Mn, 2,6 bis 3,0% Cr.
Mit Stahl dieser Zusammensetzung ist es möglich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach der Umschmiedung die gewünschten Eigenschaften erreicht werden.
Anspruch 4 beschreibt ein Gleisteil aus Stahl, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß mindestens einem der vorigen Ansprüche hergestellt wurde.
Das Gleisteil besteht aus Stahl mit bainitischem Grundgefüge. Bei der Umschmiedung des Gleisteils erfolgt im Bereich der Schmiedung eine Wärmebehandlung, wobei der erwärmte Stahl in zwei Stufen abkühlt.
Solche Gleisteile können beispielsweise als Weichenzungen, Weichenherzstücke oder Übergangsschienen verwendet werden.
Sie zeichnen sich aus durch hohe Härte, z. B. zwischen 420 und 480 HB bei gleichzeitig hohen Bruchdehnungen von mehr als 9%, hohe Zugfestigkeit von mehr als 1400 N/mm² und Streckgrenzen größer 1000 N/mm².
In Anspruch 5 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens aus Anspruch 4 beschrieben. Der Stahl, aus dem das Gleisbauteil besteht, ist zusammengesetzt aus 0,3 bis 0,4% C, 0,7 bis 0,9% Si, 0,6 bis 0,8% Mn, 2,6 bis 3,0% Cr. Dadurch erreicht das Gleisteil auch nach der Umschmiedung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die gewünschten Eigenschaften.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen und durch zwei Figuren näher erläutert.
1 zeigt beispielhaft den erfindungsgemäß zu behandelnden Bereich eines Gleisteils, hier einer Zungenschiene.
2 zeigt schematisch den Zeit-/Temperaturverlauf des zu behandelnden Gleisteils während des Verfahrens. 2a) zeigt eine Abkühlung, bei der das Gleisteil in der ersten Stufe durch Eintauchen in ein Salzbad oder Ähnliches abgekühlt wird. In 2b) erfolgt die Abkühlung während der ersten Stufe an Luft.
In einem ersten Ausführungsbeispiel soll eine Zungenschiene für eine Weiche erfindungsgemäß umgeschmiedet werden.
Hierfür wird ein Stahl mit einem bainitischen Grundgefüge verwendet, der aus 0,35% C, 0,8% Si, 0,7% Mn, 2,6% Cr besteht. Die weiteren Bestandteile wie P, S, V, Mo, Nb, N und Al werden fachgemäß so gewählt, dass sich eine gute Schweißeignung, verbunden mit einem feinkörnigen Gefüge und einer geringen Versprödungsneigung einstellt.
Die Zungenschiene wird nun auf eine Temperatur von 1000°C erwärmt (2). Dies kann z. B. durch eine Induktionsschleife oder einen separaten Wärmeofen geschehen. Bei dieser Temperatur ist der Stahl weich genug für ein Umformen durch Schmieden, wobei die austenitische Umwandlung bereits komplett abgeschlossen ist.
Der Umschmiedevorgang wird bei dieser Temperatur innerhalb weniger Minuten durchgeführt (3). Danach wird der erwärmte und umgeschmiedete Bereich (1) der Zungenschiene in ein Salzbad eingetaucht, das auf 390°C vortemperiert ist (4). Bei dieser Temperatur verwandelt sich die durch die hohen Temperaturen beim Umschmiedevorgang entstandene austenitische Gefügestruktur wieder in ein bainitisches Gefüge. Dieser Vorgang erfolgt isothermisch im Salzbad innerhalb von 10 Minuten (5).
Anschließend lässt man die Zungenschiene innerhalb von 120 Minuten kontrolliert an ruhender Luft auf niedrige Temperaturen weiter abkühlen (6).
In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll eine Herzstückschmiedespitze für eine Weiche erfindungsgemäß umgeschmiedet werden.
Hierfür wird wieder ein Stahl mit einem bainitischen Grundgefüge wie im vorigen Beispiel verwendet.
Die Herzstückschmiedespitze wird auf eine Temperatur von 1000°C erwärmt (2). Dies kann z. B. durch eine Induktionsschleife oder einen separaten Wärmeofen geschehen. Bei dieser Temperatur ist der Stahl weich genug für ein Umformen durch Schmieden, wobei die austenitische Umwandlung bereits komplett abgeschlossen ist.
Der Umschmiedevorgang wird bei dieser Temperatur innerhalb weniger Minuten durchgeführt (3). Danach wird der erwärmte und umgeschmiedete Bereich der Herzstückschmiedespitze an ruhender Luft auf 450°C abgekühlt. Dies erfolgt kontrolliert, innerhalb von 30 Minuten (7). Bei dieser Temperatur verwandelt sich die durch die hohen Temperaturen beim Umschmiedevorgang entstandene austenitische Gefügestruktur wieder in ein bainitisches Gefüge. Wenn die 450°C erreicht sind, wird in einem Induktor die Temperatur für 30 Minuten gehalten, sodass sich wieder eine bainitische Gefügestruktur einstellt (8). Anschließend lässt man die Herzstückschmiedespitze innerhalb von 120 Minuten kontrolliert an ruhender Luft auf niedrige Temperaturen weiter abkühlen (9).
Bezugszeichenliste

1: Umschmiedebereich bei einer Weichenzunge
2: Erwärmung auf Schmiedetemperatur
3: Umschmiedevorgang
4: Stufe 1 der Abkühlung durch Eintauchen in Salzbad
5: Isotherme Umwandlung der austenitischen Gefügestruktur in ein bainitisches Gefüge
6: Stufe 2 der Abkühlung
7: Stufe 1 der Abkühlung an ruhender Luft
8: Isotherme Umwandlung der austenitischen Gefügestruktur in ein bainitisches Gefüge
9: Stufe 2 der Abkühlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1003920 B1 [0003]
GB 2297094 A [0004]
DE 19523542 A1 [0008]
DE 102006030815 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Boer de, H et al.: Naturharte bainitische Schienen mit hoher Zugfestigkeit” (Stahl und Eisen, Bd. 115, Nr. 2, 1995, S. 93–98) [0005]

Claims

Verfahren zum Umschmieden eines Gleisteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleisteil aus Stahl mit bainitischem Grundgefüge besteht, und im Bereich der Schmiedung eine Wärmebehandlung erfolgt, wobei der erwärmte Stahl in zwei Stufen abgekühlt wird.
Verfahren zum Umschmieden eines Gleisteils gemäß Anspruch 1, wobei für die Umschmiedung der Stahl zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Ac3-Temperatur bis hin zu 1250°C gewählt wird, und bei der Abkühlung zunächst innerhalb von 20 Minuten bis auf einen Temperaturbereich von 450°C bis 350°C abgekühlt wird, anschließend für 5 bis 30 Minuten in diesem Temperaturbereich gehalten wird und dann innerhalb von 60 bis 120 Minuten auf unter 200°C abgekühlt wird.
Verfahren zum Umschmieden eines Gleisteils gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Stahl besteht aus 0,3 bis 0,4% C, 0,7 bis 0,9% Si, 0,6 bis 0,8% Mn, 2,6 bis 3,0% Cr.
Gleisteil aus Stahl, hergestellt nach dem Verfahren gemäß mindestens einem der vorigen Patentansprüche, wobei das Gleisteil aus Stahl mit bainitischem Grundgefüge besteht und bei der Umschmiedung im Bereich der Schmiedung eine Wärmebehandlung erfolgt, wobei der erwärmte Stahl in zwei Stufen abkühlt.
Gleisteil aus Stahl gemäß Anspruch 4, wobei der Stahl aus 0,3 bis 0,4% C, 0,7 bis 0,9% Si, 0,6 bis 0,8% Mn, 2,6 bis 3,0% Cr besteht.