DE3501523C1 - Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen - Google Patents

Description

• Die Geschwindigkeit, mit der die Schiene sich an der Erwärmungsvorrichtung vorbeibewegt, ist von der Leistung der gewählten Erwärmungsvorrichtung abhängig.
• Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Schienen im Gegensatz zum bekannten Spannungsarmglühen nicht über den gesamten Querschnitt erwärmt werden, sondern nur im Steg, ermöglicht eine sehr kurze und somit kostengünstige Behandlungsdauer der Schienen. So kann, ausreichende Leistung der Erwärmungseinrichtung vorausgesetzt, eine 30-m-Schiene z. B. in nur 30 Sekunden wärmebehandelt werden, wohingegen die beim Spannungsarmglühen aufzuwendende Zeit mehrere Stunden beträgt.
• Überraschenderweise zeigt sich, daß nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung die Zugeigenspannungen an der Fahrfläche und an der Fußunterseite weitgehend beseitigt sind. In der nachstehenden Tabelle sind als Beispiel die Eigenspannungen einer hochfesten Schiene mit einer Zugfestigkeit von 1230 N/mm2 im rollengerichteten Zustand sowie nach zusätzlicher Stegerwärmung auf 300,400,500 bzw. 680" C aufgeführt.
• F i g. 1 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil dieser Schiene mit Kopf 1, zu erwärmenden Steg 2 und Fuß 3.
• Tabelle Eigenspannungen an einer Schiene UIC 60 in Güte S 1200 Behandlungszustand Längseigenspannungen in N/mm2 Fahrfläche Fußunterseite rollengerichtet ohne nachfolgende Stegerwärmung +211 +259 rollengerichtet und Stegerwärmung 3000 C + 153 + 15 rollengerichtet und Stegerwärmung 400" C + 38 + 40 rollengerichtet und Stegerwärmung 5000 C - 21 + 21 rollengerichtet und Stegerwärmung 6800 C - 42 + 49 (+) = Zugspannung.
• (-) = Druckspannung.
• Man erkennt, daß die Längseigenspannungen durch die Stegerwärmung auf Werte unter 50 N/mm2 abgesenkt werden. Bei den höheren Erwärmungstemperaturen stellen sich an der Fahrfläche sogar geringe Druckeigenspannungen ein. Bei einer Erwärmung auf 300° C ist der Abbau der Eigenspannungen noch unvollständig.
• Durch einen Abbau der Eigenspannungen von Schienen läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Bruchsicherheit erreichen. Dieser Zusammenhang konnte an den erfindungsgemäß wärmebehandelten Schienen bestätigt werden. Dazu wurden im Fuß mit einem Querkerb versehene Schienenabschnitte mit der in Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) S. 33 bis 44 beschriebenen Prüfanordnung untersucht. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene brach bei einer Spannung von 200 N/mm2 mit einem Schwingbruch von rd. 10 mm Tiefe, bei der rollengerichteten Vergleichsschiene trat der Bruch dagegen bereits bei einer Rißtiefe von rd. 2 mm ein. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene erträgt also bei gleicher Beanspruchung einen wesentlich größeren Anriß als die rollengerichtete Vergleichsschiene. Die erfindungsgemäß wärmebehandelte Schiene weist mithin eine erheblich höhere Bruchsicherheit auf.
• Die Rißzähigkeit ist eine Werkstoffgröße, die die Bedingungen für instabiles Rißwachstum (Sprödbruch) in Abhängigkeit von der Spannung und der Rißgröße angibt. Wie in der oben angegebenen Literaturstelle dargestellt, ist es zulässig, die Gesetze der linear-elastischen Bruchmechanik auf Schienen anzuwenden und daraus die Bedingungen für Sprödbruch quantitativ abzuleiten. Man muß allerdings die Eigenspannungen bei der Berechnung berücksichtigen.
• Der Zusammenhang lautet: Darin ist adie Spannung Klcdie Rißzähigkeit, Mein Geometriefaktor und tdie Rißtiefe.
• Fig. 2 zeigt für die Schiene UIC 60 mit 1230 im2 Zugfestigkeit, zur Erläuterung des Einflusses von Eigenspannungen, den Zusammenhang zwischen der Spannung und der Rißtiefe mit der Rißzähigkeit als Parameter. Bei einer Rißzähigkeit von 1000 N/mm3'2 wird eine eigenspannungsfreie Schiene unter einer äußeren Beanspruchung von 200 N/mm2 einen Riß von etwa 10 mm Tiefe ertragen; dagegen wird eine Schiene mit einer Eigenspannung von 200 N/mm2 bei gleicher äußerer Beanspruchung bereits bei einer Rißtiefe von rd. 2 mm brechen. Die eigenspannungsarme Schiene hat eine wesentlich höhere Bruchsicherheit, da kleine Anrisse oder Kerben nicht zum Versagen führen. Andererseits können größere Anrisse durch eine zerstörungsfreie Prüfung rechtzeitig erfaßt werden, so daß ein Versagen der Schiene vermieden werden kann.
• Betrachtet man die Schiene als Bauteil und die Eigenspannungen als eine Größe, welche die kritische Spannungsintensität an der Rißspitze (= Rißzähigkeit des Bauteils) vermindert, so ergibt sich die in F i g. 3 gezeigte Darstellung. Aufgetragen ist die Rißzähigkeit des Bauteils Schiene K, über der Rißzähigkeit des Schienenstahls K Der kritische K,-Wert stellt dabei ein Maß für die Bruchsicherheit der Schiene dar. Für den Fall der eigenspannungsfreien Schiene, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt ist, gruppieren sich die Werte um die 45"-Gerade. Für Schienen mit Eigenspannungen liegt der kritische Kl-Wert dagegen deutlich unterhalb dieser Geraden.
• Neben der Verbesserung der Bruchsicherheit ergibt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Erhöhung der Gestaltfestigkeit, die ein Maß für die Haltbarkeit eines Bauteils unter Schwingbeanspruchung ist. Die Zunahme beträgt etwa 10 bis 20%.
• Schienen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt sind, haben folgende Vorteile: - Unter gegebenen äußeren Beanspruchungen (Betriebsbedingungen) haben die Schienen eine verbesserte Bruchsicherheit und eine erhöhte Beständigkeit gegenüber der Entstehung von Schwingrissen.
• - Bei gleicher Bruchsicherheit kann die Belastung der Schienen, z. B. durch höhere Achslasten, vergrößert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit Vorteil zum Abbau von Eigenspannungen bei gewalzten und anschließend gerichteten Stahlprofilen angewendet werden, die einen Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließende Kopf- und/oder Fußteile aufweisen, wie z. B. T- oder Doppel-T-Träger.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Wärmebehandlungsverfahren zur Verminderung der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß rollengerichteter Schienen, bestehend aus einem Glühen der Schienen im Temperaturbereich von 200-700"C und einem nachfolgenden langsamen Abkühlen, d a d u r c h g e k e n n z e ich ne t, daß die Schienen über einen Rollgang kontinuierlich an einer Erwärmungseinrichtung mit einer auf die Leistung der Erwärmungseinrichtung abgestimmten Geschwindigkeit zwischen 0,2 m/min und 1 m/s vorbeigeführt werden und daß während der entsprechenden Durchlaufzeit nur der Steg der Schienen auf die Glühtemperatur erwärmt und nach Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wird.
2. 2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf gewalzte und anschließend gerichtete Stahlprofile mit einem Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließenden Kopf- und/oder Fußteilen, wie T- bzw.

   Doppel-T-Träger.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen.

   Durch Warmwalzen von Schienenstählen in entsprechend kalibrierten Walzen hergestellte Schienen kühlen nach dem Walzen auf Kühlbetten an Luft bis auf Raumtemperatur ab. Wegen der unterschiedlichen Verhältnisse von Masse zu Oberfläche bei Schienenkopf und -fuß verbiegen sich die Schienen jedoch beim Abkühlen. Sie müssen deshalb wegen der Geradheitsanforderungen auf Rollenrichtmaschinen gerichtet und, sofern erforderlich, noch mit Stempelpressen nachgerichtet werden (DE-Fachbuch »Die Eisenbahnschiene«, von Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, Seiten 113/114).

   Beim Rollenrichten wird der gesamte Schienenquerschnitt plastisch umgeformt. Da die Formänderungen jedoch über den Querschnitt unterschiedlich hoch sind, entstehen in den gerichteten Schienen Eigenspannungen.

   An der Fahrfläche und an der Fußunterseite, den im Fahrbetrieb am höchsten belasteten Stellen, sind die Eigenspannungen in Längsrichtung positiv, d. h es liegen Zugeigenspannungen vor (S. 37 des obengenannten DE-Fachbuches).

   Die Eigenspannungen können 50% und mehr der Steckgrenze des Schienenstahles erreichen.

   Diesen Spannungen überlagern sich im Betrieb Biegezugspannungen durch die Einwirkung der Räder und Längszugspannungen durch Abkühlung und Kontraktion der Schienen bei tiefen Temperaturen. Die in den Schienen vorhandenen Zugeigenspannungen setzen daher die Bruchsicherheit der Schienen bei Vorhandensein von Oberflächenfehlern, wie z. B. Ermüdungsanrissen, bei statischer oder schlagartiger Beanspruchung herab (Technische Mitteilungen Krupp, Werksberichte 39 (1981) Seiten 33 bis 44).

   Zur Absenkung der Zugeigenspannungen im Schienenkopf und im Schienenfuß kann man die Schienen reckrichten (DE-OS 32 23 346) oder gesteuert abkühlen und seitlich richten (DE-PS 19 42 929). Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch verfahrenstechnische Schwierigkeiten (Reckrichten) und z. T. sind die für einen Personenverkehr mit hohen Geschwindigkeiten geforderten Geradheiten nicht sicher einstellbar (Reckrichten, gesteuerte Abkühlung in Verbindung mit seitlichem Richten), so daß sich diese Verfahren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit oder der Praktikabilität nicht durchgesetzt haben.

   Ein weiteres Verfahren zur Absenkung der Zugeigenspannungen im Schienenkopf und im Schienenfuß ist das Spannungsarmglühen.

   Das Spannungsarmglühen zur Verminderung der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß gerichteter Schienen ist in sinngemäßer Anwendung der von Houdremont im Fachbuch »Handbuch der Sonderstahlkunde, Springer-Verlag 1956«, S.238-240 beschriebenen Maßnahmen zum Abbau von Eigenspannungen durch Spannungsfreiglühen bei höheren Temperaturen ein Wärmebehandlungsverfahren, bestehend aus einem Glühen der Schienen im Temperaturbereich von 200-700"C und einem nachfolgenden langsamen Abkühlen. Da der Abbau der Eigenspannungen durch bei höheren Temperaturen einsetzende und den Schienenwerkstoff entlastende Fließvorgänge erfolgt, ist ein Vermindern der Zugeigenspannungen bis auf geringe Restwerte von 20-60 N/mm2 nur bei einer für den Ablauf der Fließvorgänge ausreichenden Zeit gegeben. Aus diesem Grund dauert in der Praxis eine derartige Glühbehandlung von Schienen mehrere Stunden. In der Literaturstelle »Technische Mitteilungen Krupp«, Werksberichte 39 (1981), S 33, ist eine Behandlungszeit von sechs Stunden bei 550"C angegeben.

   Das Verfahren ist somit sehr kostenaufwendig. Es kann insbesondere nicht wegen der langen Glühdauer in kontinuierlich arbeitenden Durchlauföfen, die sich in die Produktionslinie von Schienen einordnen lassen, durchgeführt werden, da diese sich hemmend auf den Produktionsfluß auswirken. Aber auch die außerhalb der Produktionslinie vorgesehenen Öfen, in denen die Schienen satzweise geglüht werden, lassen eine optimale Ausnutzung eines Schienenwalzwerkes nicht zu.

   Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksames und kostengünstiges Wärmebehandlungsverfahren zum Abbau der Zugeigenspannungen in Kopf und Fuß rollengerichteter Stahlschienen zu schaffen, das in den üblichen Produktionsfluß bei der Schienenherstellung integriert werden kann.

   Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Schienen über einen Rollgang kontinuierlich an einer Erwärmungseinrichtung mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,2 m/min und 1 m/s vorbeigeführt werden und daß während der entsprechenden Durchlaufzeit von 1 bis 300 s/m Schienen nur der Steg der Schienen auf die Glühtemperatur erwärmt wird und nach Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abkühlt.

   Die Stegerwärmung kann mit Brennern oder induktiv vorgenommen werden.