DE3446794C1 - Verfahren zur Waermebehandlung perlitischer Schienenstaehle - Google Patents
Verfahren zur Waermebehandlung perlitischer SchienenstaehleInfo
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Description
| 0,55 bis 032% | Kohlenstoff |
| 025 bis 0.50% | Silizium |
| 0,80 bis 130% | Mangan |
| < 0,035% | Phosphor |
| S 0,040% | Schwefel |
| <030% | Chrom |
| S 0,10% | Nickel |
| £ 0,05®A» | Molybdän |
| 0.05 bis 0.20% | Vanadium |
| 0,02 bis 0.10% | Niob |
| 0,010 bis 0,025% | Stickstoff |
| 0,010 bis 0,070% | Aluminium |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebe-25 handlung periitischer Schienenstähle gemäß dem Ober-Rest
Eisen und übliche erschmelzungsbedingte begriff des Hauptanspruchs.
. len, bei denen die gesamte Schiene oder nur der Schie-
eingesetzt weraen, nenkopf auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und
— wobei der Schienenkopf im Durchlauf in hinrei- 30 anschließend derartig beschleunigt abgekühlt werden,
chender T?efe bis zu 50 mm mittels Brenner daß durch Umwandlung in der unteren Perlitstufe sich
oder induktiv auf eine Austenitisierungstempe- ein feinlamellares perlitisches Gefüge einstellt, sind aus
ratur vcn 950 bis 10500C erhitzt und der Druckschrift DE-Z »Stahl und Eisen«, 1970, Nr. 17,
— anschließend mit CYeßluft derart abgekühlt Seite 926 ff, bekannt. Ziel derartiger Wärmebehandwird,
daß in einer ersten St .re durch Anblasen 35 längsverfahren ist es, insbesondere bei Schienen mit
mit hoher Luftmenge die Temperatur des Richtanalysen gemäß der Gflte 90 A nach UIC-Merk-Schienenkopfes
innerhalb von 10 bis 20 Sekun- blatt 860-V bzw. gemäß der Standardgüte nach AREA
den auf 650 bis 60O0C vor den Bereich der Per- (0,60 bis 0,75% Kohlenstoff, 0,80 bis 130% Mangan,
litumwandlung und in einer zweiten Stufe mit max. 0,50% Silizium)' an der Fahrflädie der Schiene bis
gegenüber der ersten Stufe gedrosseltem An- 40 zu einer Tiefe von mindestens 10 mm ein feinperlitisches
blasen im Bereich der Perlitumwandlung inner- Gefüge einzustellen, wobei sich durch dieses feinperlitihalb
von 2 bis 4 Minuten auf ca. 400° C bis zur sehe Gefüge ein erhöhter Widerstand gegen Verschleiß
Beendigung der Perlitumwandlung abgesenkt und eine vier- bis sechsfach höhere Lebensdauer gegenwird,
über nicht wärmebehandelten Schienen ergibt
— wonach der Schienenkopf erneut auf 600 bis 45 Bei diesen Verfahren beträgt die übliche Austenitisie-6500C
für einen Zeitraum von 4 bis 6 Minuten rungstemperatur 850 bis 9000C Die Erwärmung erfolgt
erwärmt und sodann mittels Wasser oder ande- in einem Ofen, induktiv oder durch Brenner. Die berer
geeigneter Abschreckmedien schnell auf ei- schleunigte Abkühlung wird durch Abschrecken in öl
ne Temperatur unter 1000C abgekühlt wird. oder Anblasen mit Wasserdampf, einem Wassersprüh-
50 nebel oder Preßluft erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Die bei diesen Verfahren erzielten Härtewerte liegen
zeichnet, daß Stähle mit einer Analyse von zwischen 320 und 380 HV an der Fahrfläche. Zur Schie-
nenkopfmitte hin fällt die Härte je nach Wärmebehandlungsverfahren
allmählich oder mit steilem Über-55 gang auf 280 bis 300 HV ab.
Derartig wärmebehandelte Schienen werden eingesetzt in Strecken mil: hohem Verkehrsaufkommen, engen
Kurvenradien und/oder bei Achslasten über 200 kN sowie in Weichen.
60 Für besonders extreme Belastungen reichen jedoch die Festigkeits- und Versehleißeigensehaften der o.a.
wärmebehandelten Schienen nicht aus. Eine Festigkeitssteigerung unter Beibehaltung des angestrebten, für die
Verschleißeigenschaften günstigen feinperlitischen Ge-65 füges durch Zusatz von festigkeitssteigernden Legie-Rest
Eisen und übliche Verunreinigungen rungselementen wie Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän
ist nicht möglich, da bei der beschriebenen Wärwärmebehandelt werden. mebehandlung bei Zugabe dieser Legierungselemente
| 0,70 bis 030% | Kohlenstoff |
| 0,40 bis 0,50% | Silizium |
| 0,90 bis 1.20% | Mangan |
| S 0,035% | Phosphor |
| S 0,040% | Schwefel |
| S 030% | Chrom |
| <: 0,10% | Nickel |
| S 0,02% | Molybdän |
| 0,08 bis 0,12% | Vanadium |
| 0,02 bis 0,05% | Niob |
| 0,012 bis 0,018% | Stickstoff |
| 0,010 bis 0,050% | Aluminium |
anstelle einer Umwandlung in der unteren Perlitstufe
die Umwandlung z.T. in der Bainit- und Martensitstufe
erfolgt und somit Gefüge entstehen, die sich ungünstig auf die Verschleißeigenschaften und die Bruchsicherheit
auswirken.
Zwar sind aus der Literafurstelle DE-Z Technische
Mitteilungen Krupp. Werksberichte. Bd. 37 (1979), H. 3,
Seiten 79—87 und 89—94, hochfeste perlitische Schienenstähle
bekannt, die bei einem feinkörnigen Gefüge
mit geringem Lamellenabstand und geringer Dicke der Zementit- und Ferritlamellen nach Zusatz von max.
1,4% Chrom und max. 2% Nickel, bezogen auf einen Stahl mit ca. 0,75% Kohlenstoff und ca. 1% Mangan
Zugfestigkeiten bis 1350 N/mm2 im naturharten — luftabgekühlten
— Zustand aufweisen. Eine Steigerung dieser Festigkeit durch eine Wärmebehandlung, z. B. beschleunigte
Abkühlung in das Gebiet der unteren Perlitstufe, führt Jedoch zu den obenerwähnten unerwünschten
Anteilen an Bainit und Martensit im Gefüge.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienenstählen
der eingangs genannten Art so weiterzuentwjVkeln, daß unter Beibehaltung des feinlamellaren perlitischen Gefüges
an der Schienenfahrfläche Härtewerte von
380 HV erreicht werden, wobei die Härte auch noch in einer Tiefe von 15 mm unter der Fahrfläche oberhalb
360 HV liegen solL
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß Schienenstähle mit der im Hauptanspruch angegebenen Analyse
wärmebehandelt werden, wobei die Wärmebehandlung selbst bestimmten Austenitisierungs- und Abkühlbedingungen,
wie im Kennzeichen des Hauptanspruches niedergelegt, folgt
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatz von Vanadium in der Größenordnung von 0,05 bis
0.20% in Verbindung mit dem vorgesehenen Stickstoffgehalt von 0,010 bis 0,025% wird insbesondere erreicht,
daß nach Abschluß der Wärmebehandlung in den Ferritlamellen des feinstreifigen Perlits feindisperse Ausscheidung«
von Vanadiumnitriden bzw. Vanadiumcarbonitriden vorliegen.
Diese feindispersen Ausscheidungen bewirken eine Festigkeitssteigerung (Ausscheidungshärtung), die sich
der Phasengrenzenhärtung durch Einstellung eines geringen Lamellenabstandes überlagert Die Härte der erfindungsgeaiäß
wärmebehandelten Schienen wird dadurch
gegenüber einem Vanadium-freien Stahl erhöht
Entscheidend für den erfindungsgemäßen Erfolg ist bei den Verfahrensschritten insbesondere die Kombination
der gegenüber der.; Stand der Technik erhöhten Austenkisierungstemperatur von 950 bis 10500C in Verbindung
nrt dem erneuten Erwärmen des Schienenkopfes auf 600 bis 6500C nach Beendigung der Perlitumwandlung.
Das erneute Erwärmen des Schienenkopfes führt zu einer vollständigen Ausscheidung feinster Vanadiumcarbonitridteilchen
aus der übersättigten Lösung, in der sich Vanadium, Stickstoff und Kohlenstoff
nach Austenitisieren auf 950 bis 10500C befinden. Bei
der beschleunigten Abkühlung auf Temperaturen von etwa 400° C kann die Ausscheidung der Vanadiumcarbonitridteilchen
nur unvollständig ablaufen; deshalb wird dabei die gewünschte Festigkeitssteigerur.g nur
teilweise eintreten.
Sind die Vanadiumcarbide bzw. Vanadiumcarbonitride feindispers ausgeschieden, wird anschließend der
Schienenkopf mitteis Wasser oder anderer geeigneter Abschreckmedien schnell auf eine Temperatur unter
10O°Cabeekühlt.
Die Wiedererwärmung des Schienenkopfes auf 600 bis 6500C bewirkt somit eine vollständige Aushärtung
durch Ausscheidung feinster Vanadiumcarbide bzw. Vanadiumcarbonitride.
Die vorherige Abkühlung des Schienenkopfes auf ca. 4000C stellt sicher, daß die Umwandlung
in der Perlitstufe abgeschlossen ist und daß die nachfolgende Aushärtung mit einer hohen Keimdichte ablaufen kann.
ίο in der Größenordnung von 0,02 bis 0,1 0% bewirkt kaum
eine zusätzliche Ausscheidungshärtung. Er ist dazu bestimmt,
während der austenitisierenden Erwärmung das Kornwachstum in Verbindung mit den vorgesehenen
Aluminiumzusätzen von 0,010 bis 0,070% zu verhindern.
Die Merkmale der Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
So empfiehlt es sich, gemäß Anspruch 2 eine in den einzelnen Elementen eingeschränkte Stahlanalyse zu
verwenden. Zur beschleunigten Abkühlung können gemaß
Anspruch 3 der Preßluft, insbesondere in der ersten Abkühlstufe, weitere flüssige Medien wie Wasser oder
Wasserdampf, beigemischt werden.
Eine wirtschaftliche Verfahrensvariante stellen die Merkmale des Anspruches 5 dar, nach dem die Schienen
aus der Warmverformungshitze heraus bei Walzendtempenituren
von 950 bis 10000C behandelt werden. Bei dieser Verfahrensvariante entfällt das Erwärmen der erkalteten
Schiene auf die Austenitisierungstemperatur, wodurch Energiekosten eingespart werden. Bei dieser
Verfahrensabwandlung wird zunächst der Schienenkopf durch Anblasen mit Preßluft auf feinlamellares perlitisches
Gefüge gebracht, worauf nach Beendigung der Perlitumwaiidlung bei 4000C der Schienenkopf erneut
auf 600 bis 6500C erwärmt und anschließend die gesamte
Schiene (Kopf, Steg und Fuß) mittels Wasser oder anderer geeigneter Abschreckmedien auf eine Temperatur
unter 1000C schnell abgekühlt wird.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren durch zwei grafische Darstellungen näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 den Temperatur-Zeit-Ablauf des Wärmebehandlungsverfahrens
für einen Stahl mit definierter Analyse,
handelter Schienen im Schienenkopf in bestimmten Abständen
von der Lauffläche.
In F i g. 1 sind die bei Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens einzustellenden Temperaturen in 0C während bestimmter Verfahrensschritte A bis G in Abhängigkeit
von der Zeit in Minuten für einen Schienenstahl mit einer chemischen Zusammensetzung von
0,75% C10,46% Si, 1,05% Mn, 0,10% V,
u.04% Nb, 0,020% Al, 0,015% N,
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
u.04% Nb, 0,020% Al, 0,015% N,
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
aufgetragen.
Es bedeuten
Es bedeuten
urnwandlung
| 5 | 20 | 0,78 bis 0,80% C, 0,47 bis 0,50% Si, | 45 | 6 | . | I | |
| In F i g. 2 ist die Härte HV im Schienenkopf in Abhän | 1,15 bis 1,20% Mn, 0.11 bis 0,12% V. | 50 | ' | I | |||
| gigkeit des Abstandes in mm von der Schienenlaiiffläche | 0,03 bis 0,05% Nb. 0.015 bis 0,040<>/o Al. | 55 | S Ϊ |
||||
| aufgetragen, und zwar in Form eines Streubandes für | 0,016 bis 0,018% N. | 60 | |||||
| erfindungsgemäß wärmebehandelte Schienen mit fol | 25 Durch die neben der Härteskala gezeichnete Zugfe |
||||||
| gender Richtanalyse: 5 | stigkeitsskala ist die Umrechnung der Härte HV (Härte | 65 | |||||
| 0,73 bis 0,80% C, 0,40 bis 0,50% Si, | werte nach Vickerü) in Festigkeitswerte N/mm2 (N = | ||||||
| 0,90 bis 1,20% Mn, 0,09 bis 0,12% V, | Newton) gegeben. | ||||||
| 0,03 bis 0.05% Nb. 0,015 bis 0,040% Al, | Innerhalb der o. a. Richtanalyse werden bei Durch- 30 | ! | |||||
| 0,012 bis 0.018% N, Rest Eisen. io | führung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungs | 1 | |||||
| Der untere Bereich des Streubandes gilt für | verfahrens an der Schienenfahrfläche Härtewerte von | ||||||
| 0.73 bis 0.75% C. 0.40 bis 0,43% Si, | 400 bis 445 HV entsprechend einer Festigkeit von 1350 | ||||||
| 0,90bis0,95% Mn.0,09 bis0.10% V. 15 | bis 1500 N/mm2 erreicht. | ||||||
| 0,03 bis 0,05% Nb. 0,015 bis 0.040% A!, | In einer Tiefe von 15 mm unter der Schienenlaufflä- 35 | ||||||
| 0012 bis0,014% N. | ehe (= Fahrfläche) liegen die Härtewerte in einem Be | ||||||
| Der obere Bereich lies Sireubanucs giii für | reich vnn 380 his 425 HV weit oherhalb der Beförderten | ||||||
| Werte von 360 HV. | |||||||
| Der Härteverlauf der nach F i g. 1 wärmebehandelten | |||||||
| Schiene mit der dort vorgegebenen chemischen Zusam- 40 | |||||||
| mensetzung trifft ungefähr die Mittelwerte des Streu | |||||||
| bandes nach F i g. 2. | |||||||
| Hierzu 2 Blatt Zeichnungen | |||||||
| 34 46 794 | |||||||
Claims (1)
1. Verjähren zur Wärmebehandlung periitischer Wasser oder Wasserdampf, beigemischt werden.
Schienenstähle, bei dem zur Erhöhung der Festigkeit 5 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
und der Verschleißbeständigkeit zumindest der dadurch gekennzeichnet, daß die Austenitisierungs-
Kopf der Schienen auf Austenitisierungstemperatur temperatur 950 bis 1000° C beträgt
erwärmt und anschließend derart beschleunigt abge- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
kühlt wird, daß durch Umwandlung in der unteren dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen ;.us der
Perütstufe sich ein feinlamellares perlitisches Gefü- 10 Warmverformungshitze heraus bei Walzendtempege
einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß raturen von 950 bis 10000C behandelt werden, wobei
Stähle mit zunächst der Schienenkopf durch Anblasen mit
Preßluft ein feinlamellares perlitisches Gefüge erhält,
nach Beendigung der Perlitumwandlung bei 15 4000C der Schienenkopf erneut auf 600 bis 6500C
erwärmt und anschließend die gesamte Schiene (Kopf, Steg und Fuß) mittels Wasser oder anderer
geeigneter Abschreckmedien schnell auf eine Temperatur unter 100°C abgekühlt wird.
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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