METHOD OF HEAT TREATING RAILS

Abstract: 1. Method of heat treating rails by quenching the rail or at least the rail head by means of a coolant, from a temperature in the austenitic range to a temperature at which the conversion of perlite is terminated, for obtaining a fine perlitic structure, comprising treating the rails made of steel consisting of 0,7 to 0,75% C, at maximum 0,8% Si and 1,2 to 1,3% Mn, remainder iron and inavoidable impurities, in a coolant containing water and a synthetic coolant additive in an amount of from 20 to 50% by volume related to the total coolant volume, the amount of coolant additive being increased on rising manganese content and constant carbon content and being decreased on rising carbon content and constant manganese content and the temperature of the cooling bath being held at 40 to 60 degrees C so that within said ranges of C and Mn contents constant wear-resistance properties and a Vickers hardness HV30 of from 340 to 380 are achieved.

Description: Verfahren zur Wermebehandlung von Schienen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Schienen aus einem C, Si und Fln sowie Legierungselemente enthaltenden Stahl durch Abschrecken der Schiene oder zumindest des Schienenkopfes mittels eines Kühlmediums aus einer im Austenitgebiet liegenden Temperatur auf eine Temperatur, bei welcher die Perlitumwandlung abgeschlossen ist, zur Erzielung eines feinperlitischen Gefüges. Die Ausbildung des Gefüges hängt weitqehend von den Abkühlungsbedingungen ab. Eine Martensitbildung muss auf jeden Fall verhindert werden, da dadurch eine Versprödunq der Schiene entsteht. Es hat sich erwiesen, dass optimale Verschleisseigenschaften bei solchen Schienen erreicht werden können, wenn die Abkühlung so geführt wird, dass ein feinperlitisches Gefüge entsteht. Aus der DE-AS 24 39 338 ist es bekannt geworden, solche Schienen in heissem Wasser abzuschrecken. Beim Abschrecken in heissem Wasser ergibt sich nun an der Schiene eine Dampfhautbildung, wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit an den Stellen, an welchen sich die Dampfhaut bildet, verringert wird, während an denjenigen Stellen, an welchen das Heisswasser unmittelbar mit der Schiene in Berührung gelanat, die Abkühlung schneller erfolgt. Infolge der Zunderbildung tritt aber eine unqleichmässige Dampfhautbildung auf, da der Zunder im Zuge des Abkühlverfahrens stellenweise abspringt. Es gelangen somit Teile der Schiene bzw. des Schienenkopfes mit der gebildeten Dampfhaut in Berührung, während auf andere Teile wieder das Heisswasser unmittelbar einwirkt. Dadurch entstehen Ungleichförmikeiten in der Abkühlungsgeschwindigkeit iiber die länge der Schiene bzw. in den verschiedenen Teilen der Oberflache der Schiene oder des Schienenkopfes. Damit wird die Bildung der feinen Perlitstruktur beein trächtigt und die Verschleisseigenschaften der Schiene werden an den verschiedenen Stellen ungleichmässig. Da aber die Stellen der Schiene, welche eine schlechtere Gefügeausbildung aufweisen, für die Verschleisseigenschaften der gesamten Schiene massgebend sind, werden bei einem solchen Verfahren keine optimalen Verschleisseigenschaften erzielt Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, die feinperlitische Gefügeausbildung zu vergleichmässigen und damit die Verschleisseigenschaften der Schiene oder des Schienenkopfes zu verbessern. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass Schienen aus einem Stahl, der 0,65 bis 0,85 % C, max. 0,80 % Si und 0,5 bis-2,5 % Mn, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, aufweist, in einem Kühlmedium behandelt werden, das Wasser mit einem an sich bekannten synthetischen KühlnTttelzusatz, vorzugsweise Polyglykol, in einer Menge von 20 bis 60 %, bezogen auf das gesamte Kühlmedium, enthält. Durch diesen synthetischen Kühlmittelzusatz wird eine Schicht auf der Schiene bzw. dem Schienenkopf gehildet, welche die Ab kühlungsgeschwindigkeit verringert. Eine solche Schicht ist gleichmässig und wird nicht durch Abspringen von Zunder beeinträchtigt, so dass auf diese Art gleichmässige Abkühl ungsbedingungen über die gesamte Oberfläche und über die gesamte Länge der Schiene bzw. des Schienenkopfes erreicht werden. Der synthetische Kühlmittelzusatz, vorzugsweise Polyglykol, wird erfindungsgemäss in einer Menge von 20 - 60 %, bezogen auf das gesamte Kühlmedium, verwendet. Innerhalb dieser Grenzen konnte für Schienenstahle mit 0,65 % - 0,85 % C, max. 0,80 % Si und 0,5 - 2,5 t 5 % Mn, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ein gleichmässiges Ergebnis in Bezug auf die Verschleiss festigkeit erzielt werden. Polyglykol hat sich in dieser Beziehung in besonderem Masse bewährt. Das Kühlmedium kann auf die Schiene bzw. den Schienenkopf auch aufgesprüht werden. Zweckmässig wird aber die Schiene oder zumindest der Schienenkopf in an sich bekannter Weise in das Kühlmedium getaucht, da auf diese Weise der Film des synthetischen Kühlmittelzusatzes besser und gleichmässiger gebildet werden kann. Gemäss der Erfindung kann die a1ärmebehandlung in an sich bekannter Weise aus der Walzhitze erfolaen, so dass die Walzhitze ausgenützt wird und eine nachfolgende kostenaufwendige Erwärmung erspart wird. Gemäss der Erfindung ist vorzugsweise das Kühlmedium so zusammengesetzt, dass sich in Temperaturhereich zwischen 800 und 500 C eine Abkühlgeschwindigkeit von 0,2 - 6 /sec . einstellt. Die Abkühlungsgeschwindiqkeiten, welche zur Erzielung eines feinperlitischen Gefüges erforderlich sind, sind für die verschiedenen Zusammensetzungen der Schiene bekannt und liegen in dem angegebenen Bereich 0,2 - 6 C/sec. Bei einer grösseren Menge des synthetischen Kühlmittelzusatzes, bezogen auf das gesamte Kühlmedium, bildet sich ein stärkerer Film des Kühlmittelzusatzes an der Schiene bzw. dem Schienenkopf aus und die Abkühlunsgschindigkeit wird geringer als bei einem geringeren synthetischen Kühlmittelzusatz. Im Rahmen der oben angegebenen Werte von 0,2 - 6 OC /sec . kann durch Wahl der Menge des Kühlmittelzusatzes unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Schienenstahles in den oben angegebenen Grenzen von 0,65 - 0,85 % C, max. 0,80 % Si und 0,5 - 2,5 % Mn die Ahkühlungsgeschwindigkeit variiert werden. Mit besonderem Vorteil lassen sich Stähle mit einem Gehalt von 1,2 - 1,3 Gew.% Mn und einem Gehalt von 0,7 - 0,75 Gew. % C innerhalb der Grenzen von 20 - 50 Vol.% svnthetischen Kühlmittelzusatzes der erEindungsgem Ben Behandlung unterwerfen, wenn der Kühlmittelzusatz mit steigendem Planaanaehalt erhöht und mit steigendem Kohlenstoffgehalt verringert wird. Innerhalb der vorgegehenen Grenzen an Kühlmittelzusatz und innerhalb der angegebenen Bereiche für den Mangan- und den Kohlenstoffgehalt haben sich auf diese Weise gleichbleibende Werte für die Verschleissfestigkeit erzielen lassen, wobei eine Vickers-Härte HV30 im Schienenkopf zwischen 340 und 380 erzielt wurde. Zu diesem Zweck wird in vorteilhafter Weise die Kühlbadtemperatur auf 40 - 60 OC, insbesondere 50 OC, gehalten, wobei das Bad umgewälzt bzw. bewegt wird. Diese Massnahmen erlauben eine gleichmässige Temperaturbehandlung und damit über den gesamten Schienenkopfguerschnitt und die gesamte Oberfläche des Schienenkopfes qleichbleibende Ergebnisse. Es ist auch möglich, die Verschleisseigenschaften der Schiene durch entsprechende Legierungen des Schienenstahles, wie beispielsweise durch Verwendung einer Cr-Mn-Legierung, zu verbessern. Dies bringt aber, abgesehen von den höheren Kosten eines solchen Stahles, Nachteile in bezug auf die SchweiBbarkeit der Schiene mit sich, da bei solchen Legierungen auch nach einem Schweissvorgang eine langsame Abkühlung eingehalten werden muss, um eine Martensitbildung zu verhindern. Fig. 1 zeigt ein Diagramm und Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Schienenkopf, Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Verschleissfestigkeit in Abhängigkeit von der Vickers-Härte, und Fig. 4 die Abhängigkeit der Verbesserung der Verschleissfestigkeit von Mangan- und Kohlenstoffgehalt bei vorgegebenen Anteil des Kühlmittelzusatzes. Bei der Darstellung nach Fig. 2, welche einen Schnitt durch einen Schienenkopf zeigt, werden entlang der durch den Pfeil a anqedeuteten sogenannten Hartespur auf der Schnittfläche Proben in verschiedenen Abständen von der Oberfläche h des Schienenkopfes bestimmt. In Fig. 1 ist die Vicker-Hrte HV30 auf der Ordinate aufgetragen. Auf der Abszisse sind die Abstände der Messungen von der Oberfläche bzw. der Lauffläche b eines Schienenkopfes aufgetragen. Die Kurve c zeigt eine Messung bei nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelten Schienen, welche eine feinperlitische Struktur aufweisen. Es wurde eine Schiene aus einem Schienenstahl mit einer Zusammensetzung von 0,72 g C, 0,30 % Si und 1,27 % Mn, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, gewählt. Die Kurve d zeigt den Härteverlauf entlang der Härte pur a bei einer Schiene ähnlicher Zusammensetzung, deren Kopf in heissem Wasser abgeschreckt wurde. Der Vergleich der Kurven c und d zeigt, dass bei der erfindungsgemässen Wärmebehandlung die Werte der Vickers-Härte höher liegen als bei der Kurve d, wobei vor allem auch die Härteabnahme in Abstand von der Oberfläche b des Schienenkopfes geringer ist. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die feinperlitische Gefügeausbildung gleichmässiger erfolgt. Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem auf der Ordinate die Verschleissfestigkeit ss, ausgedrückt in N/cmê, aufgetragen ist. Auf der Abszisse ist die Vickers-Harte HV30, qemessen im Schienenkopf-Randbereich, dargestellt. Die Kurve e zeigt den Verlauf der Verschleissfestigkeit im Vergleich zur Vickers Härte. Der Bereich e ist der Bereich, in welchem die Verschleissfestigkeit und die Vickers-Härte bei nach dem erfindungsgemässen Verfahren wärmehehandelten Schienen liegt. Die bekannten Werte, welche durch bekannte Verfahren erzielt werden können, liegen beträchtlich unter dem Bereich e1. So zeigen die Bereiche e2, e3 und e4 für verschiedene Schienen stahlqualitäten hisher erzielte Festigkeitswerte, wobei e3 und e4 für verschiedene Regelschienenstahlgüten und e2 für einen Cr-Mn Schienenstahl gelten. Bei der Darstellung in Fig. 4 ist auf der Ordinate der Mangangehalt in Gew.% begirnend bei 1,1 Gew.% aufgetragen. Auf der Abszisse ist der Kohlenstoffgehalt in Gew.% beqinnend mit 0,65 Gew.% aufgetragen. Das in diesem Diagramm einaetragene Rechteck f begrenzt den Bereich der Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,7 - 0,75 Gew. % und einem Mangangehalt von 1,2 - 1,3 Gew. %. Bei Stählen mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt und einem mittleren Mangangehalt innerhalb dieses Bereiches hat es sich gezeigt, dass ein Anteil von 30 Vol. % eines Polyglykols als Kühlmittelzusatz die besten Ergebnisse ergibt. Gerade g entspricht hiebei einem Anteil von 30 Vol.% eines Polyglykols im Kühlmittel. Mit zunehmenden Kohlenstoffgehalt muss der Anteil des Kühlmittelzusatzes zur Erzielung gleicher Ergebnisse herabgesetzt werden, wenn der Mangangehalt gleich bleibt. Umgekehrt muss bei gleichbleibendem Kohlenstoffgehalt und zunehmendem Mangangehalt der Anteil des Kühlmittelzusatzes erhöht werden, um wiederum zu gleichen Ergebnissen zu gelangen, wobei die Geraden h und i die untere bzw. die obere Grenze für den Anteil des Kühlmittelzusatzes, nämlich 20 Vol. % und 50 Vol.%, wiedergibt. Bei Unterschreiten der Untergrenze von 20 Vol.% Kühlmittelzusatz bei den cenannten Stählen würde sich eine zu hohe Abkühlgeschwindigkeit ergeben, wodurch die Verzugsneigung im Schienenkopf in zu grossem Masse zunimmt. Umgekehrt hätte eine Uberschreitung der Obergrenze von 50 Vol.% Kühlmittelzusatz für die Stähle im angegebenen Bereich die Folge einer stärkeren Belagbildung. Diese Belagbildung führt zu unregelmässiger Konzentrationsverteilung des Kühlmittelzusatzes im Kühlmittel und ein unkontrolliertes Absinken des Anteiles des Kühlmittelzusatzes hätte Unregelmässigkeiten im örtlichen Verlauf der Abkühlungsgeschwindigkeit zur Folge. Darüber hinaus würde bei einer Verarmung des Kühlmittels an Kühlmittelzusatz der Bereich, bei welchem sich die besten Werte für die Erhöhung der Verschleissfestigkeit ergeben, verlassen werden. Aus diesem Diagramm ergibt sich für ieden einzelnen, der dem Rechteck f entsprechenden Stähle jeweils ein Optimum für den Anteil des Kühlmittelzusatzes im Kühlmittel, mit welchem besonders gute und gleichmässige Ergebnisse im Bezug auf die Verschleiss festigkeit der Schienenstehle erzielt werden. Bei diesen Versuchen wurde die Kühlmitteltemperatur bei 50 OC konstant gehalten und das Bad in Bewegung gehalten. Die Tauchtiefe des Schienenkopfes hetrug jeweils 40 mm. Bei der jeweils optimalen Zusammensetzung des Kühlmittels wurde ein feinperlitisches Gefüge im Schienenkopfrandbereich erzielt.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Schienen durch Abschrecken der Schiene oder zumindest des Schienenkopfes mittels eines Kühlmediums aus einer im Austenitgebiet liegenden Temperatur auf eine Temperatur, bei welcher die Perlitumwandlung abgeschlossen ist, zur Erzielung eines feinperlltischen Gefüges, dadurch gekennzeichnet, dass Schienen aus einem Stahl, der 0,65 bis 0,85 z C, max. 0,80 % Si und 0,5 bis 2,5 % Mn, Rest Eisen und unvermeidbare Ver unreinigunJen, aufweist, in einem Kühlmedium behandelt werden das Wasser mit einem an sich bekannten synthetischen Kühlmittelzusatz, vorzugsweise Polyglykol, in einer Menge von 20 bis 60 %, bezogen auf das gesamte Kühlmedium, enthält. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene oder zumindest der Schienenkopf in an sich bekannter Weise in das Kühlinedium getaucht wird. 3. Verfahren nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in an sich bekannter Weise aus der Walzhitze erfolgt. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel so zusammengesetzt ist, dass sich im Temperaturbereich zwischen 800 und 500 C eine Abkühlgeschwindigkeit von 0,2 bis 6 OC/s einstellt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Stähle mit einem Gehalt von 1,20 - 1,30 Gew.% Nn und einem Gehalt von 0,70 - 0,75 Gew.% C innerhalb der Grenzen von 20 - 50 Vol.% synthetischen Kilhl- mittelzusatzes der Kühlmittelzusatz mit steigendem Mangan- gehalt erhöht und mit steigendem Kohlenstoffgehalt verrinaert wird. 6. Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbadtemperatur auf 40 - 60 C insbesondare 50 OC. gehalten wird und dass das Bad ungewëlzt bzw. bewegt wird.

Inventors: MOSER ALFRED DR DIPL-ING, POINTNER PETER DIPL-ING, PRSKAWETZ GEORG DIPL-ING, MOSER, ALFRED, DR., DIPL.-ING., POINTNER, PETER, DIPL.-ING., PRSKAWETZ, GEORG, DIPL.-ING.
Applicants: VOEST-ALPINE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: C21D9
IPC codes: C21D9, C21D1