DE2919156A1

DE2919156A1 - Verfahren zur herstellung von hochwertigen schienen mit hoher schweissbarkeit

Info

Publication number: DE2919156A1
Application number: DE19792919156
Authority: DE
Inventors: Hideaki Kageyama; Hiroki Masumoto; Kazuo Sugino
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS54148124A; JPS5761093B2; BR7902868A; FR2425476A1; US4426236A; AU4692379A; AU516303B2; US4375995A

Description

Verfahren zur Herstellung von hochwertigen Schienen mit hoher Schweißbarkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger Schienen, deren Eigenschaften durch Schweißen nicht wesentlich beeinträchtigt werden.

Moderne Schienenwege müssen hohe Geschwindigkeiten und/oder hohe Belastungen aushalten können. Ein Beispiel für Hochgeschwindigkeitsschienen sind die sogenannten bullet lines, welche in Japan entwickelt wurden und derzeit weiterentwickelt werden. Schienenwege, die großen Belastungen unterworfen sind, werden im allgemeinen im Bergbau in Minen verwendet. Bei beiden Arten von Schienenwegen ergeben sich entscheidende Schwierigkeiten. Beispielsweise können im Kopfteil der Schienen Fehler auftreten. Außerdem sind die Seiten des Kopfteiles der Schienen starken Abnutzungsbeanspruchungen unterworfen. Man benötigt daher hochwertige Schienen, die starken Belastungen unterworfen werden können. Die meisten Schienenwege benutzen lange Schienen, weiche durch Zusammenschweißen von Standardschienen hergestellt sind. Dabei ist eine ausgezeichnete Schweißbarkeit und Homogenität der Schweißsteilen, auch bei den hochwertigen Schienen, erforderlich. Bei der Herstellung der derzeit verwendeten hochwertigen Schienen wird jedoch lediglich Wert auf die Verbesserung der Festigkeit gelegt, indem man die chemische Zusammensetzung und das Herstellungsverfahren der Schienen entsprechend steuert. Die Schweißbarkeit wurde bisher nicht in Betracht gezogen. Demzufolge lassen sich einige bekannte Schienenarten nur schwer verschweißen und bei anderen Schienenarten tritt in dem Bereich, der beim Schweißen erwärmt wird, eine Änderung der Eigenschaften des Grundmaterials auf. Die Änderungen umfassen Härtung, Versprödung und Erweichung.

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Die bisher bekanntgewordenen hochwertigen Schienen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: nämlich in gewalzte Stahllegierungsschienen und wärmebehandelte Kohlenstoffstahlschienen. Ein Beispiel für eine derartige Schiene ist in der US-PS 37 26 724 beschrieben. Der Stahl, aus dem diese bekannte Schiene hergestellt ist, besteht aus gewöhnlichem Kohlenstoffstahl mit wenigstens einem Zusatz für das Härten, ausgewählt aus der Elementengruppe Mn, Si, Cr, Ni und Mo in einem Gesamtanteil von nicht mehr als 5 %, wenigstens einem Aushärtungselement, nämlich Al, V, Nb, Ti und Zr sowie N in einem Anteil, der chemisch äquivalent zu der Menge des Aushärtungselementes ist. Der Stahl wird zu Schienen gewalzt und dann normal geglüht durch Wie der erhitzen über den A„-Umwandlungspunkt und anschließend luftgekühlt. Wahlweise kann die Schiene einem Fertigwalzen bei gesteuerten Walzbedingungen bei 700 bis 900 C unterworfen werden. Die sich ergebenden Schienen besitzen Ferrit- und Perlitstrukturen mit feiner Ferritkörnung mit einer geringeren Korngröße als 8 nach ASTM.

Da die Schiene Ferrit- und Perlitstruktur aufweist, liegt die Zugfestig-

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keit etwa bei 70-81 kg/mm , wie aus den Beispielen der vorstehenden US-Patentschrift hervorgeht. Dieser Wert liegt beträchtlich unter einer Zugfestigkeit von 120 kg/mm . Dieser Wert oder ein höherer Wert wird bei der Erfindung angestrebt. Die abschließende Wärmebehandlung, d.h. das Erwärmen auf Austenittemperatur und anschließendes Kühlen an Luft für das Normalglühen des Stahls bewirkt an den so hergestellten Schienen beim Verschweißen der Schienen miteinander eine Beeinträchtigung der beim Schweißen erwärmten Zonen. Die vorstehend genannte US-Patentschrift bezieht sich jedoch nicht auf die Eigenschaften der Schweißzonen bzw. der Zonen, welche beim Schweißen erwärmt werden.

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Andere gewalzte Legierungsstahlschienen bestehen aus Kohlenstoffstahl mit Legierungszusätzen, wie beispielsweise Si, Mn, Cr, Mo und V. Der Stahl wird zu einer Schiene warmgewalzt und abgekühlt, so daß eine Perlitumwandlung eingeleitet wird. Man erhält eine Zugfestigkeit

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von 100 bis 120 kg/mm . Bei diesem Verfahren erhält man zwar eine relativ hohe Zugfestigkeit, indem man einen Austenitstahl einer relativ langsamen Luftkühlung unterwirft. Diese Verfahren setzt jedoch große Mengen an Legierungs zusätzen voraus. Wenn die Schienen zu einer langen Schiene miteinander verschweißt werden, ist die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißstellen und der beim Schweißen erwärmten Zonen bedeutend rascher als die Kühlgeschwindigkeit nach dem Warmwalzen bei der Schienenherstellung. Hieraus entsteht lokal Martensit. Dies führt zu einem Gefüge mit hoher Härte und Versprödung. Hieraus ergeben sich Brüche oder ein ungleichmäßiger Verschleiß der Schiene. Dies kann sekundär häufig zu Beeinträchtigungen des Schienenbettes führen. Zur Verhinderung der Entstehung von Martensit könnte man nach dem Schweißen bzw. nach der Wärmebehandlung der geschweißten Stelle ein langsames Abkühlen durchführen. Durch diese zusätzliche Behandlung wird jedoch der Wirkungsgrad beim Schweißen verringert und in der Praxis entsteht hierdurch ein relativ hoher Aufwand. Zwei weitere Verfahren zur Schienenvers chweißung finden verbreitet Anwendung: nämlich die Abbrenns chweißung oder die Preßschweißung mit Gaserwärmung. Keines dieser beiden Verfahren beinhaltet jedoch ein Schmelzschweißen und es besteht die Gefahr, daß die Legierungselemente an den Verbindungsflächen oxidieren und die Festigkeit der Verbindungsstelle herabsetzen. Insbesondere während des Transportes der verschweißten Schienen ergeben sich dann Brüche.

Aus der US-PS 31 24 492 ist die Herstellung einer wärmebehandelten Schiene bekannt. Der Kopf der Schiene wird dabei auf die Austenitumwandlungstemperatur bis zu einer maximalen Tiefe von 83, 1 mm, insbesondere auf eine Tiefe zwischen 6,4 bis 25,4 mm erhitzt. Anschlies-

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send wird der Kopf der Schiene beschleunigt durch Gebläseluft abgekühlt, so daß eine Perlitumv/andiüng sich einstellt. Die im inneren Teil der Schiene enthaltene Y/ärme fließt nach außen zur Oberfläche und erhöht die Oberflächentemperatur auf 877°C_S wodurch ein Eigenanlassen erzielt wird. Die Schiene wird dann auf Raumtemperatur wassergekühlt. DiesesAnlassen ist auch als "slack quench tempering" bekannt. Dabei wird die Oberflächenschicht des Schienenkopfes gehärtet. Diese Schicht erhält eine Zugfestigkeit von mehr als 120 kg/mm und es wird eine Perlitstruktur an den wärmebehandelten Zonen erzeugt. Die durch dieses Verfahren hergestellte Schiene ist jedoch im wesentlichen eine aus einem gewalzten Kohlenstoffstahl bestehende Schiene mit einer Zugfestigkeit von 70 bis 90 kg/mm , die auf Austenitstruktur wärmebehandelt ist und anschließend durch Gebläsekühlung abgekühlt ist. Wenn derartige Schienen miteinander verschweißt werden, unterscheiden sich das Erwärmen und Abkühlen wesentlich vom Erwärmen und Abkühlen bei der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlung. Die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen ist bedeutend langsamer als die Abkühlgeschwindigkeit bei der vorstehend genannten Wärmebehandlung, so daß die Zone, welche beim Schweißen erwärmt worden ist, weicher wird. Demzufolge ergeben sich Verformungen und ein erhöhter Verschleiß an den Zonen der Schiene, welche erwärmt worden sind. Dies führt zu grossen Schwierigkeiten auf der Schienenstrecke.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß bei der Herstellung herkömmlicher hochwertiger Schienen im wesentlichen lediglich die Erzeugung des Grundmetalls mit hoher Zugfestigkeit und hoher Materialqualität in Betracht gezogen wurde, jedoch hat man bei der Herstellung der Schienen nicht ins Auge gefaßt, daß beim Schweißen eine Verringerung der Festigkeit und eine Beeinträchtigung des Gefüges an der Schweißzone bzw. in den Bereichen, welche beim Schweißen erwärmt worden sind, auftreten können. Die Schweißzonen dieser Schienen und insbeson-

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dere die Bereiche, welche beim Schweißen erwärmt worden sind, sind anfällig gegen Härten, Versprödung und Erweichung. Bei der Schienenherstellung ist es daher schwierig, geeignete Schweißverfahren anzu-, wenden. Außerdem ergibt sich hieraus eine Verringerung der Lebensdauer der Schiene. Das Schweißen ist jedoch unbedingt notwendig bei der Herstellung langer Schienen. Schwerwiegende Schweißprobleme ergeben sich sowohl bei den aus gewalztem Legierungsstahl bestehenden Schienen, bei denen die Legierungselemente in der Weise ausgewählt sind, daß sie an die natürliche Abkühlgeschwindigkeit nach dem Warmwalzen angepaßt sind, als auch bei den aus wärmebehandeltem Kohlenstoffstahl bestehenden Schienen, bei denen die Abkühlgeschwindigkeit bei der Wärmebehandlung so ausgewählt wird, daß sie an die Elemente in herkömmlichem Kohlenstoffstahl angepaßt ist. Bei beiden Schienenarten ergeben sich Schweißprobleme.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger Schienen zu schaffen, bei denen beim Schweißen keine Beeinträchtigung des Schienenmaterials, insbesondere hinsichtlich der Zugfestigkeit und des Gefüges an den geschweißten Stellen und den beim Schweißen erwärmten Stellen auftritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird auf den Patentanspruch 1 verwiesen. Im Unteranspruch ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung angegeben.

Der Schienenstahl gemäß der Erfindung besteht aus hochgekohltem Stahl und Legierungselementen, w eiche unter dem Gesichtspunkt ausgewählt sind, daß die Festigkeit erhöht wird und daß die Materialeigenschaften beim Schweißen, insbesondere an den Schweißsteilen und den beim Schweißen erhitzten Stellen beibehalten werden. Der Schienenkopf wird dabei einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei beim Abkühlen die Ab-

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kühlgeschwindigkeit im wesentlichen die gleiche ist, wie die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Verschweißen der Schienen. Eine derartig hergestellte Schiene kann leicht und wirkungsvoll verschweißt werden. Die beim Schweißen erwärmten Zonen besitzen im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie das Grundmetall.

Das Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Schiene mit hoher Schweißbarkeit gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch das Walzen eines Stahls zu einer Schiene, welcher 0, 65 bis 0, 85 % C, 0, 50 bis 1, 20 % Si, 0, 50 bis 150 % Mn, 0, 005 bis 0, 050 % Al, 0, 004 bis 0, 050 % Nb und/oder Ti sowie den Rest Eisen und nicht vermeidbare Verunreinigungen enthält, anschließendem. Erhitzen einer Oberflächenschicht des Schienenkopfes auf 850 C oder mehr, so daß eine Austenitstruktur erhalten wird, Abkühlen des erhitzten Teiles mit Gas oder mit einer Gas-Flüssigkeitsmischung von 800 C auf 550 C innerhalb von 50 bis 400 Sekunden, so daß sich die Oberflächenschicht des Schienenkopfes in ein feines Perlitgefüge umwandelt, insbesondere mit einer Tiefe von 10 mm, wobei die Zugfestigkeit der Oberflächenschicht

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120 kg/mm un

H_B33O beträgt.

120 kg/mm und die Härte der Schienenkopfoberfläche nicht mehr als

Bei der Erfindung wird eine hochwertige Schiene mit hervorragender Schweißbarkeit hergestellt, wobei die Zusammensetzung des Schienenstahls und die Wärmebehandlungsbedingungen, insbesondere in der Oberflächenschicht des Schienenkopfes, so ausgewählt sind, daß der Schienenstahl eine hohe Festigkeit erhält und daß gewährleistet wird, daß beim Schweißen an der Schweißstelle und an den beim Schweißen erwärmten Zonen keine Beeinträchtigung der Eigenschaften des Stahls hervorgerufen werden.

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Die Schiene erhält eine hohe Zugfestigkeit, indem die ausgewählte Abkühlgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der Abkühlgeschwindigkeit beim normalen Schweißen ist.

Beim Verschweißen der Schienen zu langen Schienen werden die Eigenschaften des Stahls an den erwärmten Zonen nicht beeinträchtigt, so daß man lange Schienen erhält, die im wesentlichen gleiche Eigenschaften auf eine lange Strecke hin aufweisen. Es ergeben sich praktisch entlang der gesamten Schienenstrecke keine lokal gehärteten oder erweichten Stellen.

Im folgenden werden Ausführungs beispie Ie der Erfindung beschrieben. Diese dienen zur Erläuterung der Erfindung.

In der beigefügten Figur sind in grafischer Darstellung die Härten an verschiedenen Abständen von der Mitte der durch Abbrennschweißen hergestellten Schweißstellen in der Schiene dargestellt. Bekannte Schienen sind dabei Schienen, welche nach der Erfindung hergestellt worden sind , gegenübergestellt. Die Härten wurden innerhalb eines langgestreckten Bereiches in einer Tiefe von 5 mm, gerechnet von der oberen Oberfläche des Schienenkopfes, gemessen.

Bei der Herstellung einer hochwertigen Schiene mit ausgezeichneter Schweißbarkeit gemäß der Erfindung, wird ein niedriglegierter hochgekohlter Stahl verwendet, der 0, 65 bis 0, 85 % C, 0, 50 bis 1, 20 % Si, 0, 50 bis 1, 50 % Mn, 0, 005 bis 0, 050 % Al und 0, 004 bis 0, 050 % Nb und/oder Ti aufweist, verwendet, wobei dieser Stahl in einem Konverter oder elektrischen Ofen zu einer Schiene gewalzt wird. Von den chemischen Elementen ist Kohlenstoff notwendig, um eine hohe Festigkeit und verbesserte Verschlcißfesti^teit zu erzielen. Bei einem Kohlenstoffgehalt unter 0, 65 % entsteht Kohlenstoffbainit während der Wärmebehand-

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lung, wodurch die \ferschMß£estii|seit des Stahls verringert wird. Beträgt der Kohlenstoffgehalt mehr als 0, 85 %, entsteht proeutektoides Zementit an den Austenitkorngrenzen oder Martensit an den feinen Ausscheidungsstellen in der wärmebehandelten Schicht und die Schweißstellen härten und verspröden. Deshalb ist der Kohlenstoffgehalt auf 0, 65 bis 0, 85 %, bevorzugt 0, 7 bis 0_f 8 %, begrenzt. Man erhält dann eine hochwertige Schiene. Durch Silizium erhöht sich die Zugfestigkeit durch Anreicherung von Ferrit im Perlitstahl und es wird die Abriebfestigkeit erhöht. Andererseits hat es eine nur geringe Einwirkung auf die Startzeit und Temperatur bei der Perlitumwandlung und vereinfach; die Steuerung der Kühlgeschwindigkeit erheblich bei der Wärmebehandlung und beim Schweißen. Beträgt der Siliziumgehalt weniger als 0, 5Q %,sind die vorstehenden Wirkungen gering. Liegt der Siliziumgehalt höher als 1, 20 %, tritt Versprödung auf und die Festigkeit der Schweißverbindung wird verringert. Demzufolge ist der Siliziumgehalt auf 0, 50 bis 1, 20 %,bevorzugt 0, 70 bis 1, 0 %, beschränkt. Mangan ist ein Element, das die Perlitumwandlung verzögert. Durch entsprechende Wahl des Mangangehaltes ist es daher möglich, den Beginn der Perlitumwandlung und damit die Zugfestigkeit zu steuern. Liegt der Mangangehalt unter 0, 50 %, ist die Wirkung gering. Liegt der Mangangehalt über 1, 50 %, ergibt sich eine Wasserstoffversprödung, sowie eine durch Ausscheidung eingeleitete Erzeugung von Martensit. Der Mangangehalt ist daher auf 0, 50 bis 1, 50 %, bevorzugt 1, 0 bis 1,4 %, beschränkt.

Die Zugabe von Niob und/oder Titan ist eines der Merkmale der Erfindung. Hierdurch wird die Schienenoberfläche gegen Naarlaea und dgl. geschützt, da die Elemente insbesondere gegen Ausmuschelung wirken. Darüber hinaus wird die Periode, welche für die Perlitumwandlung benötigt wird, erheblich verkürzt. Dabei wird die Bildung von unerwünschtem Martensit im Schienengefüge während des Schweißens oder während der Wärmebehandlung verhindert. D?rüber hinaus wird die Än-

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derung der Oberflächenhärte erheblich verringert, welche während des Schweißens in dem Schienenteil auftreten kann, der durch die Wärmebehandlung gemäß der Erfindung in seiner Zugfestigkeit erhöht worden ist. Diese letztgenannte Wirkung ergibt sich dann, wenn gemäß der Erfindung die Abkühlzeit zwischen 50 und 400 Sekunden gewählt wird. Ein vierter Effekt beruht daraif, daß das Austenitkornwachstum während der Wärmebehandlung innerhalb des Austenitbereiches zurückgehalten wird. Hierdurch wird die Formbarkeit erhöht. Diese Wirkungen werden durch feine Kohlenstoffnitride, welche während der Wärmebehandlung des Grundmetalls ausgeschieden werden, erzielt. Diese Wirkungen ergeben sich durch die Zugabe von entweder Niob oder Titan oder durch die Zugabe beider Elemente. Beträgt der Gesamtanteil an Niob und/oder Titan weniger als Oj 004 %, werden die vorstehenden Wirkungen nicht erzielt. Liegt der Gehalt höher als 0, 050 %, ergibt sich eine Vergröberung der bei der Ausscheidung entstehenden Teile, wodurch die Verformbarkeit und die Dauerfestigkeit verringert werden. Demzufolge ist der Gehalt auf 0, 004 bis 0, 050 % beschränkt. Zur Erzielung der vorstehenden Wirkungen wird Niob bevorzugt mit einem Anteil von 0, 004 bis 0, 02 % und Titan mit einem Anteil von 0, 004 bis 0, 015 % zugegeben.

Aluminium wird zwecks Desoxidation zugegeben. Hierdurch wird der Stahl homogenisiert und es wird die Entstehung von Silikateinschlüssen verhindert, was zur Verringerung der Dauerfestigkeit führen würde. Liegt der Aluminium gehalt unter 0, 005 %, werden diese Wirkungen nicht erzielt. Beträgt der Aluminiumgehalt mehr als 0, 050 %, tritt Versprödung auf. Demzufolge ist der Aluminiumgehalt auf 0, 005 bis 0, 50 %,bevorzugt 0, 005 bis 0, 015 %, beschränkt.

Die Wärmebehandlung der Schiene aus einem Stahl obiger Zusammensetzung soll nun im einzelnen beschrieben werden.

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Die Oberflächenschicht, bevorzugt mit einer Tiefe von wenigstens 10 mm, gemessen von der Oberseite und den Seitenflächen des Schienenkopfes, wird durch Austenitumwandlung und Abschreckung bzw. Abkühlung verfestigt. Die Aufheiztemperatur ist wenigstens so hoch wie dsr A„-Umwandlungspunkt 85O⁰C. Die Kühlung wird durchgeführt, nachdem die Wärmebehandlung innerhalb des Temperaturbereichs beendet ist. Die Abkühlzeit ist so bemessen, daß sie äquivalent ist der Abkühlgeschwindigkeit, welche beim Schweißen auftritt. Die Schiene wird demzufolge kontinuierlich von 800 C auf 550 C innerhalb von 50 bis 400 Sekunden abgekühlt. Die Abkühlzeit kann ausgewählt werden in Abhängigkeit von der Schienengröße und dem Anteil der Legierungselemente. Bei geeigneter Wahl der Abkühlgeschwindigkeit erzielt man eine äußerst feine Perlitstruktur und die Schiene kann ohne Beeinträchtigungen der Eigenschaften des Schienenmaterials in den beim Schweißen erhitzten Zonen verschweißt werden. Wenn die Abkühlzeit auf weniger als 50 Sekunden bemessen wird, wird ein Martensitgefüge erzeugt. Wenn die Abkühlzeit mehr als 400 Sekunden beträgt, ist es nicht möglich, ein feines Perlit-

2 gefüge bzw. eine Zugfestigkeit von 120 kg/mm oder mehr zu erzielen.

Demzufolge ist die Abkühlzeit für die erhitzte Schicht von 800 C auf 550 C beschränkt auf einem Bereich von 50 bis 400 Sekunden. Das feine Perlitgefüge, das bei dieser Wärmebehandlung erzielt wird, besitzt einen interlamellaren Abstand von etwa 0, 1 μΐη.

Diese Abkühlzeit ist kürzer als die natürliche Äbkühlzeit von etwa 800 Sekunden für eine 60 kg-Schiene, so daß ein beschleunigtes Abkühlen notwendig ist, um die bei der Erfindung gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Das beschleunigte Abkühlen kann durch ein von Düsen ausgesprühtes fließfähiges Medium, beispielsweise kann hierfür ein Gas, insbesondere Luft oder ein inertes Gas sowie ein Gas, das mit einer geringen Flüssigkeitsmenge vermischt ist, verwendet werden. Bei der Abkühlung durch eine Flüssigkeit allein ist es schwierig, eine entspre-

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chende Steuerung zu erzielen. Insofern kommt bei der Erfindung bevorzugt die Kühlung mit Hilfe eines Gases oder mit Hilfe eines Gas-Flüssigkeitsgemisches zur Anwendung. Es wird praktisch kein Temperaturanstieg aufgrund eines Haltepunktes sowohl während als auch nach der Abkühlung beobachtet. Es sei bemerkt, daß die Temperatur, auf die hier Bezug genommen wird, die Oberflächentemperatur der Schiene ist.

Die Struktur, welche nach Beendigung der Abkühlung erzielt wird, ist eine feine Perlitstruktur. Im Falle eines hochwertigen Stahls mit einer

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Zugfestigkeit von über 120 kg/mm , ist die feine Perlitstruktur dem Martensitgefüge, dem niedriggekohlten Bainit und dem gehärteten Martensit bezüglich Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Ausmuschelung überlegen. Die Zugfestigkeit der wärmebehandelten Oberflä-

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chenschicht beträgt mehr als 120 kg/mm . Damit ist die Schiene mit einer höheren Zugfestigkeit versehen als herkömmliche hochwertige Schienen. Da das feine Perlitgefüge beibehalten wird, ist es möglich, die Zugfestigkeit, falls erwünscht, noch zu erhöhen.

Um eine leichte Bestimmung der Zugfestigkeit zu erzielen, ist es möglich, die Zugfestigkeit des Schienenkopfes durch die Härte der Oberseite des Schienenkopfes zu bestimmen. Die Härte der Oberfläche ist so begrenzt, daß sie nicht weniger als H_B330 beträgt (EL wird verwendet bei der Bestimmung der Oberflächenhärte). Die wärmebehandelte Oberflächenschicht im Schienenkopf besitzt eine Zugfestigkeit von mehr als 120 kg/mm innerhalb einer Schichtdicke von wenigstens 10 mm, gemessen von der Oberseite und von den Seitenflächen des Schienenkopfes. Avismuschelung und ein Vernarben kann nur an den Oberflächenteilen des Schienenkopfes auftreten. Es ist nicht unbedingt notwendig, die Schiene tiefer als 10 mm, gemessen von der Schienenkopfoberfläche aus, zu verfestigen. Insbesondere ist es nicht nötwendig, die Schiene über ihren gesamten Querschnitt hin zu verfestigen. Da eine derartige tiefwirkende Wär-

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mebehandlung große Schwierigkeiten mit eich bringt, wäre es bei der Durchführung der Erfindung unsinnig, eine tief wirkende Wärmebehanlung anzuwenden. Der Steg und der Fuß der Schiene werden daher nicht wärmebehandelt. Diese behalten daher ihren Zustand bei, den sie beim Walzen erhalten haben. Die Zugspannung der nichtbehandelten Schienenteile beträgt jedoch etwa 100 kg/mm . D
und den Fuß einer hochwertigen Schiene.

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teile beträgt jedoch etwa 100 kg/mm . Dies ist ausreichend für den Steg

Die Schiene mit hoher Zugfestigkeit gemäß der Erfindung ist so hoch, daß sie für den Verwendungszweck ausreicht. Die Zugfestigkeit bleibt auch in den beim Schweißen erwärmten Zonen beibehalten. Insofern entstehen keine Beeinträchtigungen, wenn mehrere Schienen zu einer langen Schiene zusammengeschweißt werden.

Im folgenden werden Versuchsergebnisse wiedergegeben.

Die Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung und die Festigkeitseigenschaften der verfestigten Oberflächenschicht für zwei Schienen (A und B), welche nach der Erfindung hergestellt worden sind und für zwei herkömmliche Schienen (C und D).

Bei der Wärmebehandlung zur Herstellung der Schienen A und B wurden die Oberflächenschichten von 800⁰C auf 55O⁰C in 80 Sekunden und 150 Sekunden abgekühlt. Die herkömmliche Schiene C ist eine aus Si-Cr-Legierungsstahl gewalzte Schiene mit feinem Perlitgefüge. Die herkömmliche Schiene D ist eine wärmebehandelte Schiene aus unlegiertem Stahl. Der Schienenkopf der Schiene D wurde durch Induktionsheizung erwärmt und abgekühlt und gehärtet, so d"aß sich ein Sorbitgefüge bildete.

Die Schienen A und B besitzen Zugfestigkeiten (σ_β ) höher als 120 kg/mm

und unterlagen einer Querschnittsänderung (φ) von mehr als 40 %. Dem-

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ORIGINAL INSPECTED

zufolge besitzen die Schienen A und B eine ausreichende Formbarkeit und eine ausreichende Zugfestigkeit.

Im Vergleich zu den Schienen A und B besitzt die herkömmliche Schiene C weniger Kohlenstoff, jedoch etwa den gleichen Silizium- und Mangangehalt und etwas mehr Chrom. Die Zugfestigkeit der Schiene C beträgt

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lediglich 102 kg/mm . Die Querschnittsänderung ist etwa gleich der Querschnittsänderung der Schienen A und B. Die herkömmliche Schiene D enthält weniger Legierungszusätze als die Schienen A und B.

Die Schiene D besitzt etwa die gleiche Zugfestigkeit (118 kg/mm ) und ein höheres Streckgrenzenverhältnis als die Schienen A und B. Dies beruht auf der Abkühlung und Wärmebehandlung, welche angewendet wurde.

Die beiliegende Figur zeigt, wie die Härte sich ändert mit dem Abstand von der Mitte, der durch Abbrennschweißen hergestellten Schweißstelle in den Schienen A, C und D.

Die Schiene A, welche nach der Erfindung hergestellt worden ist, besitzt erweichte Teile zu beiden Seiten, etwa 20 mm von der Schweißmitte entfernt, jedoch ist die Maximalabweichung der Härte gering. Im Schweißzentrum beträgt die Härte etwa Hy.360. Das Grundmetall rechts und links davon besitzt im wesentlichen die gleiche Härte, nämlich H„370 (H_v wird verwendet, wenn die Härte eines Teiles oder eines geschweißten Teiles eines Produkts gemessen wird). Die geschweißte Zone bzw. die beim Schweißen erwärmte Zone besitzt ein feines Perlit gefüge wegen der kontinuierlichen Abkühlung, so daß das Gefüge der geschweißten Schiene im wesentlichen homogen über die gesamte Schienenlänge hin ist.

Die herkömmliche Schiene C ist auf mehr als H_v400 an der Schweißstelle gehärtet. Diese Härte liegt beträchtlich über der Härte des Grund-

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metalls, welche etwa H..300 beträgt. Die Untersuchung des Gefüges zeigte, daß aufgrund der Bildung von Martensit eine Härtung und Versprödung stattgefunden hat. Wenn die geschweißte Schiene in Betrieb genommen wird, besteht daher die Gefahr, daß an den geschweißten Stellen eher ein Bruch auftritt. Um die Bildung eines gehärteten und versprödeten Gefüges zu verhindern, ist es notwendig, den erwärmten Teil nach dem Schweißen langsam abzukühlen. Es ist auch möglich, ein Erwärmen und Anlassen nach dem Schweißen durchzuführen. In beiden Fällen ergibt sich jedoch ein zusätzlicher Zeitaufwand, wodurch der Wirkungsgrad des Schweißens verringert wird. Aufgrund seines hohen Chromgehalts besitzt der Schienenstahl außerdem eine niedrige Schweißbarkeit, so daß die Auswahl geeigneter Schweißbedingungen schwierig ist.

Die herkömmliche Schiene D erweicht an den erwämten Zonen und kehrt auf die Härte des Grundmetalls, welche vor der Wärmebehandlung vorhanden war, zurück. Die Härte kehrt auf einen Wert von etwa H„300, ausgehend von der Härte des erwärmten Grundmetalls von H_v320, zurück. Jedoch ergibt sich eine Erweichung über mehr als 100 mm. Dies beruht darauf, daß die Abkühlgeschwindigkeit bei der Wärmebehandlung im Vergleich zur Abkühlgeschwindigkeit beim Schweißen bedeutend höher ist. Der erweichte Teil unterliegt frühzeitig einem lokalen Verschleiß und einer lokalen Verformung. Dies kann zur frühzeitigen Beeinträchtigung des Schienenbettes führen.

Bei der Herstellung einer hochwertigen Schiene mit hoher Schweißbarkeit gemäß der Erfindung werden die Stahlzusammensetzung und die Wärmebehandlungsbedingungen so ausgewählt, daß man einen Stahl mit hoher Zugfestigkeit gewinnt, bei dem sichergestellt ist, daß beim Schweißen die geschweißten Stellen und die beim Schweißen erwärmten Zonen hinsichtlich der Zugfestigkeit und der anderen Eigenschaften nicht beeinträchtigt sind. Die Zugfestigkeit des Grundmetalls der Schiene

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ist im wesentlichen gleich der einer herkömmlichen hochwertigen Schiene mit hoher Zugfestigkeit. Die. Zugfestigkeit ist gleichbleibend über die gesamte Schienenlänge hin. Dies gilt auch für lange Schienen, welche aus zwei oder mehr Schienen durch Schweißen hergestellt sind. Bei einer derartigen langen Schiene besitzen auch die beim Schweißen erwärmten Teile die gleiche Zugfestigkeit wie der übrige Schienenteii. Demzufolge kann die gemäß der Erfindung hergestellte Schiene über einen längeren Zeitraum hin in Betrieb gehalten werden, ohne daß lokale Fehler, insbesondere an den Schweißstellen, auftreten, wie das jedoch bei herkömmlichen Schienen der Fall ist, bei denen die Zonen, welche beim Schweißen erwärmt worden sind, gehärtet, versprödet oder erweicht sind.

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Tabelle 1

	C	Erfindung	A	B	Stand der Technik	D
	Si	0,75	0. 72	C	0.66
Chemische Zusammen setzung ■ (%)	Mn	0.75	0.93	0.55	0.22
Eigen schaften der ver festigten Schicht	P	1.21	1.40	0.75	0.88
	S	0.017	0.017	1.49	0. 012
Nb	0.011	0.008	0. 024	0.018
Ti	0.019		0.016
Al		0,012		0.013
Cr	0.021	0.015	0. 007	0.012
Dehngrenze (σθ.2£ (kg/mm )			0.017
Zugfestigkeit 2 (kg/mm )	88.0	86.0	1.08	92.6
Dehnung (δ) (%)	130.0	126.3	64.8	118. 3
Querschnitts änderung (φ) (%)	14.0	14.3	101.9	21.2
Schienengröße (kg/m)	44.4	41.2	17.9	55.5
60	60	41.2	60
60

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Leerseite

Claims

Patentanwälte — J I b I ϋ b 8000 München 22 · Steinsdorfstraße 21 - 22 - - Telefon 089 / 22 94 41 NIPPON STEEL CORPORATION No. 6-3, 2-chome, Ohtemachi,- Chiyoda-ku, Tokyo, JAPAN Verfahren zur Herstellung von hoch¥/ertigen Schienen mit hoher Schweißbarkeit Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schienen aus hochwertigem

Stahl mit guter Schweißbarkeit, gekennzeichnet durch Walzen eines Stahls zu einer Schiene, der 0, 65 bis 0, 85 % C, 0, 50 bis 1, 20 % Si, 0, 50 bis 1, 50 Mn, 0, 005 bis 0, 050 % Al, 0, 004 bis 0, 050 % Nb und/oder Ti und den Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, Erwärmen einer Oberfläclienschicht des Schienenkopfes auf wenigstens 850 C, so daß ein Austenitgefüge erreicht wirdjund Abkühlen des erwärmten Teils mit Gas oder einer Mischung aus Gas und Flüssigkeit von 800⁰C auf 55O⁰C in einem Zeitraum von 50 bis 400 Sekunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Oberflächenschicht des Schienenkopfes ein feines Perlitgefüge

erhält und eine Zugfestigkeit von wenigstens 120 kg/mm und eine Oberflächenhärte von wenigstens H-330 aufweist.

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