EP0187904B1

EP0187904B1 - Verfahren zur Wärmebehandlung perlitischer Schienenstähle

Info

Publication number: EP0187904B1
Application number: EP85113653A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. Heller; Jürgen Dr.-Ing. Flügge; Gerhard Ratz
Original assignee: Vereinigte Weichenbau GmbH; Butzbacher Weichenbau GmbH
Current assignee: Voestalpine Turnout Technology Germany GmbH
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-10-26
Publication date: 1990-09-05
Anticipated expiration: 2005-10-26
Also published as: DE3446794C1; EP0187904A2; ATE56226T1; JPS61157636A; DE3579578D1; CA1256004A; US4714500A; EP0187904A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung perlitischer Schienenstähle.
Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienenstählen, bei denen die gesamte Schiene oder nur der Schienenkopf auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend derartig beschleunigt abgekühlt werden, daß durch Umwandlung in der unteren Perlitstufe sich ein feinlamellares perlitisches Gefüge einstellt, sind aus der Druckschrift DE-Z "Stahl und Eisen", 1970, Nr. 17, Seite 926 ff., bekannt. Ziel derartiger Wärmebehandlungsverfahren ist es, insbesondere bei Schienen mit Richtanalysen gemäß der Güte 90 A nach UIC-Merkblatt 860-V bzw. gemäß der Standardgüte nach AREA (0,60 bis 0,75% Kohlenstoff, 0,80 bis 1,30% Mangan, max. 0,50% Silizium) an der Fahrfläche der Schiene bis zu einer Tiefe von mindestens 10 mm ein feinperlitisches Gefüge einzustellen, wobei sich durch dieses feinperlitische Gefüge ein erhöhter Widerstand gegen Verschleiß und eine vier- bis sechsfach höhere Lebensdauer gegenüber nichtwärmebehandelten Schienen ergibt.
Bei diesen Verfahren beträgt die übliche Austenitisierungstemperatur 850 bis 900°C. Die Erwärmung erfolgt in einem Ofen, induktiv oder durch Brenner. Die beschleunigte Abkühlung wird durch Abschrecken in Öl oder Anblasen mit Wasserdampf, einem Wassersprühnebel oder Preßluft erreicht.
Die bei diesen Verfahren erzielten Härtewerte liegen zwischen 320 und 380 HV an der Fahrfläche. Zur Schienenkopfmitte hin fällt die Härte je nach Wärmebehandlungsverfahren allmählich oder mit steilem Übergang auf 280 bis 300 HV ab.
Derartig wärmebehandelte Schienen werden eingesetzt in Strecken mit hohem Verkehrsaufkommen, engen Kurvenradien und/oder bei Achslasten über 200 kN sowie in Weichen.
Für besonders extreme Belastungen reichen jedoch die Festigkeits- und Verschleißeigenschaften der o.a. wärmebehandelten Schienen nicht aus. Eine Festigkeitssteigerung unter Beibehaltung des angestrebten, für die Verschleißeigenschaften günstigen feinperlitischen Gefüges durch Zusatz von festigkeitssteigernden Legierungselementen wie Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän ist nicht möglich, da bei der beschriebenen Wärmebehandlung bei Zugabe dieser Legierungselemente 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 Literaturstelle 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% Crom und max. 2% Nickel, bezogen auf einen Stahl mit ca. 0,75% Kohlenstoff und ca. 1 % Mangan Zugfestigkeiten bis 1350 N/mm² im naturharten-Iuftabgekühlten - 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.
Aus der DE-A 2 113 418 sind Schienenstähle bekannt mit einer Analyse von:

0,2 bis 0,85 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1,5 Gew.- % Silizium, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan, max. 0,06 Gew.-% Phosphor, max. 0,06 Gew.-% Schwefel, 0 bis 1,5 Gew.-% Chrom, 0 bis 1,0 Gew.-% Nickel, 0 bis 0,6 Gew.-% Molybdän, sowie mindestens einem der folgenden Elemente 0,05 bis 0,2 Gew.- % Vanadium, 0,01 bis 0,1 Gew.-% Niob, 0,015 bis 0,1 Gew.-% Aluminium, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zirkon in Verbindung mit 0,003 bis 0,030 Gew.-% Stickstoff.

Diese Stähle haben ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit einer Korngröße kleiner 8 nach A.S.T.M.-Norm.
Ihre Festigkeitswerte erreichen diese Stähle entweder nach einem Normalglühen oder nach einen kontrolliert geführten Walzprozeß, wobei der höchste in den Beispielen ausgewiesene Festigkeitswert 81 kg/mm² entsprechend ca. 795 N/mm² bzw. ca. 220 HV beträgt. Eine dem Schienenwalzen nachgeschaltete Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeitswerte zumindest im Schienenkopf ist nicht vorgesehen. Wegen der realtiv geringen Zugfestigkeitswerte ist die Verschleißbeständigkeit dieser Stähle bei extremen Belastungen nicht gewährleistet.
Aus der DE-C-2541978 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Weichenteilen aus Stählen mit einer Zusammensetzung von 0,6 bis 0,8% Kohlenstoff, 0,05 bis 0,5% Silizium und 0,8 bis 1,3% Mangan bekannt, bei dem die Lauffläche des Weichenteils mittels Brenner oder Induktor auf Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend mit Preßluft angeblasen wird, um sie in den Bereich der Perlitumwandlung von 650 bis 450°C abzuschrecken und nachfolgend in einer oder in mehreren Stufen mit gegenüber der ersten Stufe gedrosseltem Anblasen abzuschrecken, damit der in der Lauffläche vor der Perlitumwandlung eingestellte Temperaturbereich nicht überschritten und im Bereich der schnellsten Perlitumwandlung bis zum Abschluß der Umwandlung beibehalten wird, wonach mittels Wasser auf unter 100°C abgeschreckt wird.
Mit diesem Verfahren können in wärmebehandeltem Zustand bis zu einer Tiefe von 15 mm ab Fahrfläche Zugfestigkeitswerte bis maximal 1200 N/mm² (ca. 350 HV) erreicht werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienenstählen der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß unter Beibehaltung des feinlamellaren perlitischen Gefüges an der SchienenfahrfJäche 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 durch das Verfahren gemäß Hauptanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen sind in dem abhähgigen Ansprüchen 2-5 zufinden.
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 Ausscheidungen 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 erfindungsgemäß wärmebehandelten Schienen wird dadurch gegenüber einem Vanadium-freien Stahl erhöht.
Entscheidend für den erfindungsgemäßen Erfolg ist bei den Verfahrensschritten insbesondere die Kombination der gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Austenitisierungstemperatur von 950 bis 1050°C in Verbindung mit dem erneuten Erwärmen des Schienenkopfes auf 600 bis 650°C 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 1050°C befinden. Bei der beschleunigten Abkühlung auf Temperaturen von etwa 400°C kann die Ausscheidung der Vanadiumcarbonitridteilchen nur unvollständig ablaufen; deshalb wird dabei die gewünschte Festigkeitssteigerung nur teilweise eintreten.
Sind die Vanadiumcarbide bzw. Vanadiumcarbonitride feindispers ausgeschieden, wird anschließend der Schienenkopf mittels Wasser oder anderer geeigneter Abschreckmedien schnell auf eine Temperatur unter 100°C abgekühlt.
Die Wiedererwärmung des Schienenkopfes auf 600 bis 650°C bewirkt somit eine vollständige Aushärtung durch Ausscheidung feinster Vanadiumcarbide bzw. Vanadiumcarbonitride. Die vorherige Abkühlung des Schienenkopfes auf ca. 400°C stellt sicher, daß die Umwandlung in der Perlitstufe abgeschlossen ist und daß die nachfolgende Aushärtung mit einer hohen Keimdichte ablaufen kann.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz von Niob in der Größenordnung von 0,02 bis 0,10% 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 gemäß 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 Walzendtemperaturen von 950 bis 1000°C 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 Pelitumwandlung bei 400°C der Schienenkopf erneut auf 600 bis 650°C erwärmt und anschließend die gesamte Schiene (Kopf, Steg und Fuß) mittels Wasser oder anderer geeigneter Abschreckmedien auf eine Temperatur unter 100°C schnell abgekühlt wird.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren durch zwei grafische Darstellungen näher erläutert. ;
Es zeigen

Fig. 1 den Temperatur-Zeit-Ablauf des Wärmebehandlungsverfahrens für einen Stahl mit definierter Analyse,
Fig. 2 den Härteverlauf erfindungsgemäß wärmebehandelter Schienen im Schienenkopf in bestimmten Abständen von der Lauffläche.

In Fig. 1 sind die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einzustellenden Temperaturen in °C während bestimmter Verfahrensschritte A bis G in Abhängigkeit von der Zeit in Minuten für einen Schienenstahl mit einer chemischen Zusammensetzung von

0,75% C, 0,46% Si, 1,05% Mn, 0,10% V, 0,04% Nb, 0,020% Al, 0,015% N, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen aufgetragen.

Es bedeuten Verfahrensschritte

A - Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur
B - Halten bei Austenitisierungstemperatur
C - Schnelle Abkühlung bis zum Beginn der Perlitumwandlung
D - Gedrosselte Abkühlung auf rd. 400°C
E - Wiedererwärmen auf rd. 600°C
F - Halten bei etwa 600°C
G - Abkühlung auf etwa 100°C.

In Fig. 2 ist die Härte HV im Schienenkopf in Abhängigkeit des Abstandes in mm von der Schienenlauffläche aufgetragen, und zwar in Form eines Streubandes für erfindungsgemäß wärmebehandelte Schienen mit folgender Richtanalyse:
0,73 bis 0,80% C, 0,40 bis 0,50% Si, 0,90 bis 1,20% Mn, 0,09 bis 0,12% V, 0,03 bis 0,05% Nb, 0,015 bis 0,040% Al, 0,012 bis 0,018% N, Rest Eisen.
Der untere Bereich des Streubandes gilt für
0,73 bis 0,75% C, 0,40 bis 0,43% Si, 0,90 bis 0,95% Mn, 0,09 bis 0,10% V, 0,03 bis 0,05% Nb, 0,015 bis 0,040% Al, 0,012 bis 0,014% N.
Der obere Bereich des Streubandes gilt für
0,78 bis 0,80% C, 0,47 bis 0,50% Si, 1,15 bis 1,20% Mn, 0,11 bis 0,12% V, 0,03 bis 0,05% Nb, 0,015 bis 0,040% Al, 0,016 bis 0,018% N.
Durch die neben der Härteskala gezeichnete Zugfestigkeitsskala ist die Umrechnung der Härte HV (Härtewerte nach Vickers) in Festigkeitswerte N/mm² (N = Newton) gegeben.
Innerhalb der o.a. Richtanalyse werden bei Durchführung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens an der Schienenfahrfläche Härtewerte von 400 bis 445 HV entsprechend einer Festigkeit von 1350 bis 1500 N/mm² erreicht.
In einer Tiefe von 15 mm unter der Schienenlauffläche (= Fahrfläche) liegen die Härtewerte in einem Bereich von 380 bis 425 HV weit oberhalb der geforderten Werte von 360 HV.
Der Härteverlauf der nach Fig. 1 wärmebehandelten Schiene mit der dort vorgegebenen chemischen Zusammensetzung trifft ungefähr die Mittelwerte des Streubandes nach Fig. 2.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen zur Erhöhung der Festigkeit und der Verschleißbeständigkeit unter Bildung eines feinlamellaren perlitischen Gefüges, aus Stählen mit

0,55 bis 0,82% Kohlenstoff

0,25 bis 0,50% Silizium

0,80 bis 1,30% Mangan

≤ 0,035% Phosphor

≤ 0,040% Schwefel

≤ 0,30% Chrom

≤ 0,10% Nickel

≤ 0,05% Molybdän

0,05 bis 0,20% Vanadium

0,02 bis 0,10% Niob

0,010 bis 0,025% Stickstoff

0,01 bis 0,070% Aluminium

Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, bei dem zur Erhöhung der Festigkeit und der Verschleißbeständigkeit der Schienenkopf im Durchlauf in hinreichender Tiefe bis zu 50 mm mittels Brenner oder induktiv auf eine Austenitisierungstemperatur von 950 bis 1050°C erhitzt und

anschließend mit Preßluft derart abgekühlt wird, daß in einer ersten Stufe durch Anblasen mit hoher Luftmenge die Temperatur des Schienenkopfes innerhalb von 10 bis 20 s auf 650 bis 600°C vor den Bereich der Perlitumwandlung und in einer zweiten Stufe mit gegenüber der ersten Stufe gedrosseltem Anblasen im Bereich der Perlitumwandlung innerhalb von 2 bis 4 Minuten auf ca. 400°C bis zur Beendigung der Perlitumwandlung unter Bildung eines feinlamellaren perlitischen Gefüges abgesenkt wird,

wonach der Schienenkopf erneut auf 600 bis 650°C für einen Zeitraum von 4 bis 6 Minuten erwärmt und sodann mittels Wasser oder anderer geeigneter Abschreckmedien schnell auf eine Temperatur unter 100°C abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stähle mit einer Analyse von

0,70 bis 0,80% Kohlenstoff

0,40 bis 0,50% Silizium

0,90 bis 1,20% Mangan

≤ 0,035% Phosphor

≤ 0,040% Schwefel

5 0,30% Chrom

≤ 0,10% Nickel

≤ 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

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen wärmebehandelt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßluft, insbesondere in der ersten Abkühlstufe, flüssige Medien, wie Wasser oder Wasserdampf, beigemischt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austenitisierungstemperatur 950 bis 1000°C beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen aus der Warmverformungshitze heraus bei Walzendtemperaturen von 950 bis 1000°C behandelt werden, wobei zunächst der Schienenkopf durch Anblasen mit Preßluft ein feinlamellares perlitisches Gefüge erhält, nach Beendigung der Perlitumwandlung bei 400°C der Schienenkopf erneut auf 600 bis 650°C 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.