DE2416055C3

DE2416055C3 - Verwendung eines Stahles als Werkstoff für Schienen

Info

Publication number: DE2416055C3
Application number: DE2416055A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Ing. Fluegge; Wilhelm Dr.-Ing. Heller
Original assignee: Fried Krupp Huettenwerke AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1978-08-17
Also published as: ZA751864B; JPS50140316A; FR2266747B3; DE2416055B2; SE7503364L; GB1449591A; US4008078A; FR2266747A1; IT1034681B; DE2416055A1

Description

35

Im Rahmen der Erfindung sind Stahlschienen angesprochen, die beim Befahren mittels stählerner Räder hohen Beanspruchungen unterliegen und im unvergüteten Zustand verwendet werden können.

Die heute gebräuchlichen, unvergüteten Schienen basieren im wesentlichen auf den Festigkeitsbildnern Kohlenstoff (037 bis 0.82%), Silizium (unter 0,80%), Mangan (0,60 bis 2,10%) und Chrom (unter 1,70%). Daneben können sie weitere Legierungselemente wie Molybdän, Vanadin, Nickel und Titan enthalten. Ihr Gefüge ist perlitisch. Die erreichten Mindestfestigkeiten betragen 70,80,90 und 110 kp/mm².

Bei ihrer Anwendung kommt es in erster Linie auf ein günstiges Verschleißverhalten an, vergleiche z. B. DT-AS 12 39110. Für höhere Achslasten werden Schienen mit Zwischenstufengefüge empfohlen, deren Mindestfestigkeit bei 125 kp/mm² liegt, vergl. »BRAUNKOHLE« (1972), S. 219-227. Eine solche Schiene weist folgende Zusammensetzung auf: 0,3% Kohlenstoff, 0,4% Silizium, 1,0% Mangan und 3% Chrom (sieheSeite 220).

Aus der US-PS 32 90 183 sind Schienen mit verbessertem Korrosionswiderstand bekannt. Diese in Japan entwickelten Schienenstähle enthalten an obligatorischen Elementen 0,05—0,25% Kohlenstoff, 0,1-1,0% Molybdän und 2,0-6,0% Chrom. An möglichen weiteren Legierungsgehalten werden genannt: unter 1% Nickel und unter 0,5% Vanadium, unter 1% Kupfer, unter 1,0% Silizium, unter 0,5% Niob, unter 0,5% Titan und unter 0,01% Bor. Der Mindestgehalt von ft 2% Chrom wird als wesentlich angesehen, um die erstrebte Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Da der vorbekannte Schienenstahl bei Luftabkühlung zu spröde ist, muß eine Wärmebehandlung vorgenommen werden, bei welcher der Schienenstahl allmählich von der Temperatur von 500—750⁰C auf 150—200⁰C abgekühlt wird. Die Mindestabkühlzeit soll 7 Std, betragen. Die angeführten Chromgehalte und die Wärmebehandlung sind im Rahmen der vorbekannten Lehre als unerläßlich anzusehen.

Bekannt sind auch Wärmebehandlungen von Schienen zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes und der Dauerfestigkeft im Schienenkopf sowie zur Erhöhung der Bruchsicherheit, vergl. z.B. DT-PS 15 08 415 und 20 30 224. Solche Wärmebehandlungen erlauben nur eine bescheidene Verbesserung der Zähigkeit.

In England werden zur Erhöhung der Bruchsicherheit probeweise Schienen auf der Basis 035% Kohlenstoff und 1,5% Mangan mit kornfeinenden Zusätzen von Aluminium, Vanadium, Niob und Titan in Verbindung mit erhöhtem Stickstoffgehalt (0,015—0,022%) erzeugt. Um günstige Zähigkeitswerte einzustellen, war ein zusätzliches Normalglühen erforderlich. Mindestfestigkeiten über 70 kp/mm² lassen sich auf dieser Basis nicht einstellen.

Bei allen Bahnverwaltungen wird die Schienenschädenstatistik wesentlich durch die Zunahme der Sprödbrüche bei Eintritt und während des Winters geprägt. Während solche Eirüche bei den heute üblichen Geschwindigkeiten in der Regel nicht zu Folgeschäden führen, bestehen bei einem Hochgeschwindigkeitsverkehr erheblich größere Risiken, die eine Schiene mit wesentlich verbesserter Bruchsicherheit erfordern.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schienenstahl vorzuschlagen, der eine Brucheinschnürung von über 50%, eine Kerbschlagzähigkeit an DVMF-Proben bei -30⁰C von mind. 20 kpm/cm², eine Zugfestigkeit von mindestens 90 kp/mm² und eine Streckgrenze von mind. 65—100 kp/mm² aufweisen sollte. Der Schienenstahl soll ein hohes Streckgrenzenverhältnis und eine hervorragende Schweißeignung aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, als Werkstoff für Schienen einen Stahl zu verwenden, der

0,07 bis 0,12% Kohlenstoff,
0,20 bis 0,50% Silizium,
4,0 bis 5,0% Mangan,
0,07 bis 0,12% Niob,
0,007 bis 0,012% Stickstoff,
0,005 bis 0,025% metallisches Aluminium,
0 bis 2% Kupfer,
0 bis 0,5% Molybdän,
0 bis 0,2% Zirkon,
0 bis 0,01% Bor,
3 bis 0,3% Titan,

Rest Eisen rnit den üblichen niedrigen Verunreinigungen,

enthält, wobei dieser Stahl im luftabgekühlten Zustand oder im abgeschreckten Zustand verwendet wird. Innerhalb der Gesamtkombination hat der verwendete Stahl bei höheren Mangangehalten relativ niedrige Kohlenstoffgehalte. Für Stähle mit max. 0,04% C ist eine derartige Kombination grundsätzlich durch einen in Schweden entwickelten Baustahl bekannt. Ein derartiger Stahl wird z. B. in der US-PS 35 18 080 beschrieben. Dieser Stahl hat gleichzeitig gute Streckgrenz-, Zugfestigkeits- und Kerbschlagzähigkeitswerte. Als wesentlich wird bei diesem hochmanganhaltigen Baustahl angesehen, daß der Kohlenstoffgehalt den Wert

von 0,04% nicht Oberschreitet, Auf die Bedeutung dieser Höchstgrenze für den vorbekannten Stahl wird z, B, auch in der Literaturstelle »Scandinavian Journal of Metallurgy«, I (1972), Seiten 319—326, hingewiesen. Dort wird ausgeführt, daß der C-Gehalt 0,02—0,03% betragen sollte-, auf keinen Fall höher liegen sollte, da sonst eine Versprödung durch Zwischenstufengefüge und Korngrenzenzementit auftritt, welche die Kerbschlagzähigkeit nachhaltig beeinträchtigt

Beim Erfindungsgegenstand, der sich auf die Verwendung der beanspruchten Analysenkombination als Werkstoff für Schienen bezieht, stehen neben Brucheinschnürung, Kerbschlagzähigkeit, Zugfestigkeit und Streckgrenze die Gebrauchseigenschaften im Vordergrund, die für den Höchstgeschwindigkeitsverkehr unerläßlich sind. Zu diesen Gebrauchseigenschaften gehören die Verschleißfestigkeit, die Dauerfestigkeit, das. plastische Verformungsvermögen und die Vermeidung von Reibmartensit-Schichten. Es hat sich gezeigt, dall beim Erfindungsgegenstand in Verbindung mit dem immer zu unterstellenden Schlupf keine Neigung zur Bildung von Reibmaitensit-Schichten besteht.

Eies der Herstellung des Stahles ist es zweckmäßig, für einen niedrigen Wasserstoffgehalt im Stahl zu sorgen,

Tafel 1

Chemische Zusammensetzung der Schienenstähle

wozu eine Reihe von Behandlungsmöglichkejten gegeben ist. Der Stahl kann wasserstoffarm erschmolzen und/oder durch eine der bekannten Stahlentgasungsbehandlungen im Wasserstoffgebalt auf verminderte Werte gebracht werden. Eine bevorzugte Maßnahme besteht darin, den für Schienen verwendeten Stahl nach dem Warmwalzen in ein oder zwei Hitzen zwecks Wasserstoffeffusion bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur von 300—450° C genügend lange

ία auszulagern.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anh.md der Tafeln 1 und 2 näher erläutert. Tafel 1 gibt die Analyse an und Tafel 2 die mechanischen Eigenschaften der Schienenstähle. Die Stahlnummern 1 und 2 spiegeln den Stand der Technik wider, während die Stahlnummern 3—4 sich auf den Erfindungsgegenstand beziehen. Die ^xabelle zeigt, daß hinsichtlich der Zugfestigkeit sich der Erfindungsgegenstand im Bereich der Vergleichsstähle beweg-L Die Streckgrenzwerte liegen höher.

Deutlich höher sind die Werte für die Bruchdehnung, wobei sogar die Werte für die Brucheinschnürung um ein Mehrfaches besser sind als bei den Vergleichsstählen. Die im Kerbschlagbiegeversuch ermittelten .Schlagarbeiten liegen sogar um eine Größenordnung höher.

Stahl Nr.	Behdlg.- zustand	C	Si	Mr
1 2	warmgewalzt warmgewabt	0,75 0,73	0,25 0,60	1,1 1,0
3	warmgewalzt	0,0/	0,30	4,5
4	warmgewalzt	0,08	0,4-	4,6

Cu Cr

Nb

Bemerkungen

- 1.1

0,1
0,11

- 0,005

- 0,007

- 0,011

Schienengüte A¹)

Schienensonder-

güte

Stähle entsprechend

der Erfindung

Stahl entsprechend

der Erfindung

Sämtliche Schmelzen enthalten 0,005-0,025% Al.
¹J Nach den technischen Lieferbedingungen UIC860-V.

TaHeI 2

Mechanische Eigenschaften der Schienenstähle

Stahl Nr.	*"03*	"β	%	Y	(DVM F-Probe)
			13,5		ak -30° C
	kp/mm²	kp/mm²	11,4	%	kp · m/cm²
1	56	98	16,4	23	2
2	68	116	16,5	22	2
3	79	110	67	29
4	104	109	57	25

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Stahles mit

0,07 bis 0,12% Kohlenstoff, ^s

0,20 bis 0,50% Silizium,
4,0 bis 5,0% Mangan,
0,07 bis 0,12% Niob,
0,007 bis 0,012% Stickstoff,
0,005 bis 0,025% metallisches Aluminium, '

0 bis 2% Kupfer,
0 bis 04% Molybdän,
0 bis 0,2% Zirkon,
Obis0,01% Bor,

Obis 0,3% Titan, ^IS

Rest Eisen mit den üblich niedrigen Verunreinigungen,

als Werkstoff für Schienen, die nach einer Luftabkühlung oder einem Abschrecken bei einer Brucheinschnürung von über 50% und einer Kerbschlagzähigkeit von mind. 20 kpm/cm² an DVMF-Proben, eine Zugfestigkeit von mind. 90 kp/mm² und eine Streckgrenze von mind. 65 bis 100 kp/mm² aufweisen sollen.

2. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1 für Schienen nach Anspruch I₁ die nach dem Warmwalzen in ein oder zwei Hitzen zwecks Wasserstoffeffusion bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur von 300—450⁰C genügend lange ausgelagert sind.