DE19637283A1 - Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen mit Auflegierung des Stahlgusses im Schienenkopfbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen mit gezielter Auflegierung des Stahlgusses im Schienenkopfbereich. Das Ziel des Verfahrens ist, gezielt ein gewünschtes Eigenschaftsprofil in der Schwei­ ßung nach den Anforderungen im Gleis einzustellen.

Das aluminothermische Schweißverfahren (THERMIT-Verfahren) nutzt als einziges der bekannten Schmelzschweißverfahren eine chemische Reaktion zur Erzeugung des heißflüssigen Zusatzwerk­ stoffes aus.

Hierbei wird die große Affinität des Aluminiums zum Sauerstoff genutzt, um Schwermetalloxide, bevorzugt Eisenoxid, zu reduzie­ ren.

Der stark exotherm verlaufende Prozeß läßt sich beschreiben als
Schwermetalloxid + Aluminium → Schwermetall + Aluminiumoxid + Wärme
oder für die Eisen-Reaktion

Fe₂O₃ + 2 Al → 2 Fe + Al₂O₃ + 849 kJ.

Die aluminothermische Reaktion läuft nach punktförmiger Entzün­ dung mit einem Anzündstäbchen in einem Tiegel in wenigen Sekun­ den unter starker Wärmeentwicklung ab. Die etwa 2500°C heißen Reaktionsprodukte trennen sich danach, wobei die spezifisch leichtere Schlacke (Al₂O₃) auf dem Eisen schwimmt.

Den Grundbestandteilen der THERMIT-Portion - Eisenoxid und Alu­ minium geringer Korngröße - werden gekörnte Stahlpartikel zur Dämpfung der Reaktion und je nach zu verschweißendem Grundwerk­ stoff Stahlbildner wie C, Mn, Cr, V, Mo untermischt.

Der in der Reaktionsmischung erschmolzene heißflüssige THERMIT- Stahl definierter Qualität eignet sich hervorragend für schweißtechnische Zwecke.

Das Schweißverfahren läßt sich durch folgende Arbeitsschritte charakterisieren:

• - Ausrichten der mit einer vom Schweißquerschnitt und Verfahren abhängigen Lücke verlegten Werkstücke;
• - Einformen der Schweißstelle mit einer feuerfesten Form;
• - Vorwärmen der Werkstückenden mittels Spezial-Brenner mit Gas/Luft-, Benzin/Luft-, Benzin/Sauerstoff-, Acetylen/Sauer­ stoff- oder bevorzugt Propan/Sauerstoff-Gemischen;
• - Einguß des heißflüssigen Stahls in die Form und Verschweißen der Werkstückenden durch Zwischen- und Umguß.

Nach diesem Verfahren können Werkstücke aller Art mit beliebi­ gen Querschnitten bei der Konstruktion oder Reparatur ver­ schweißt werden. Seine größte Verbreitung hat das THERMIT- Schweißverfahren wegen seiner einfachen und von äußeren Ener­ giequellen unabhängigen Ausführung bei der Schienenschweißung gefunden.

Dabei soll der als Schweißgut dienende aluminothermisch er­ zeugte Stahl in seinen Festigkeitseigenschaften dem Schienen­ stahl möglichst entsprechen.

Dieser Forderung tragen die bekannten - auch Schweißportionen genannten - aluminothermischen Gemische dadurch Rechnung, daß dem aus Aluminium und Eisenoxiden bestehenden Basisgemisch Le­ gierungselemente, wie insbesondere Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Silizium, Vanadium und Titan, beigegeben werden. Zur Dämpfung und Kühlung sind dem aluminothermischen Gemisch ferner Eisen bzw. Stahlschrott untermischt, wodurch gleichzeitig die Stahlausbeute erhöht wird.

So werden in verschiedenen Ländern zum Teil ganz speziell le­ gierte Schienengüten eingesetzt, wo das Interesse besteht, diese spezifischen Legierungselemente gezielt im Schienenkopf in bestimmten Konzentrationen entsprechend der Schienenzusam­ mensetzung anzureichern, ohne daß der Schienenfuß legiert wird.

In den letzten Jahren wurden jedoch zunehmend im Schienenver­ kehr kopfgehärtete Schienen eingesetzt. Diese Tendenz liegt darin begründet, daß einerseits die Beanspruchungen der Schie­ nen steigen, was bei konventionellen Schienen zu einem ver­ stärkten Verschleiß führt, und andererseits zunehmend wirt­ schaftliche Zwänge vorliegen, so daß längere Austauschzyklen von Schienen angestrebt werden.

Beispielsweise stellen besonders enge Radien (< 300 m), extreme Steigungen oder die immer weiter steigenden Achslasten, insbe­ sondere in den Ländern mit vorwiegend Schwerlastverkehr, wie in Nordamerika, Südafrika, Asien und Australien, eine zunehmende Beanspruchung der Schiene dar, der sowohl bei der Schiene als auch bei der Schienenverbindung Rechnung getragen werden muß.

Der verstärkte Einsatz kopfgehärteter Schienen macht selbstver­ ständlich auch eine Anpassung der notwendigen Verbindungstech­ niken erforderlich.

Es wäre dabei von besonderem Interesse für den Gleisbetrieb, die Erzielung einer erhöhten Härte im Kopfbereich und in Rela­ tion dazu erhöhten Duktilität im Fuß der Schiene zu erzielen.

Daneben werden auch häufig kornfeinende Legierungszusätze ver­ wendet, wo eine gesteuerte Anreicherung im Kopf wünschenswert wäre.

Bislang wurden also bei neuentwickelten Schienengüten die Thermit-Schweißportionen modifiziert, so daß die gesamte Schie­ nenverbindung an die veränderte Schienengüte angepaßt wurde, in sich aber ein einheitliches Eigenschaftsprofil aufwies.

Dies bedeutet, daß bei konventioneller aluminothermischer Schweißtechnik der Schweißportion härtende Zusätze zugemischt werden, um die erforderliche Härte im Kopfbereich zu bewirken, aber man gleichzeitig die gleiche Härte im gesamten Schienen­ profil erhält, also auch im Schienenfußbereich, wo eher eine Duktilität gewünscht wird.

In der CH-PS 658 817 wird ein Verfahren zum aluminothermischen Verbundschweißen beschrieben, bei dem zwei Stahlgußlegierungen aus zwei verschieden zusammengesetzten Schweißmassen so aufge­ baut sind, daß sie aus zwei Tiegelkammern jeweils einen harten und verschleißfesten Stahl für die Schienenköpfe sowie einen zähen, duktilen zuerst in die Form fließenden Stahl für das Schweißen der Stege und Schienenfüße ergeben.

Dies bedeutet, daß es sich bei diesem Verfahren um einen Zwei­ stufenprozeß handelt. Diese Verfahrensweise ist sehr zeitauf­ wendig und für die praktische Anwendung im Gleis so kompli­ ziert, daß sie sich gegenüber der weltweit bekannten, konven­ tionellen Thermit-Verbindungsschweißung hat nicht durchsetzen können. Zudem werden weitere Grenzflächen zwischen den beiden Thermit-Stählen gebildet, wobei unerwünschte Defekte in der Schweißung auftreten können.

Aus der DE-PS 8 98 989 ist bekannt, daß das bei der aluminother­ mischen Reaktion gebildete Eisen mit stahl-vergütenden Metallen oder Metalloiden auflegiert werden kann, die in einer Ausspa­ rung im oberen Teil oder auf dem Boden der den zu verschweißen­ den Werkstoff umgebenden Gießform untergebracht sind.

Ziel dieses Patentes ist, einen möglichst homogenen Thermit- Stahl bereitzustellen und mögliche Verluste von notwendigen Le­ gierungszusätzen über die Schlacke weitestgehend zu vermeiden. Es wird aber darauf hingewiesen, daß ein innig durchmischter Stahl gewünscht wird.

Ferner ist es produktionstechnisch aufwendig und zudem im Falle des Auflegierens des Schienenkopfes schwierig, diese Metalle oder Metalloide in der Gießform unterzubringen, da der Abstand zwischen Gießform und auf zulegierender Fahrfläche des Schienen­ kopfes groß ist. Dieser Abstand muß allein durch Diffusion des Metalles/Metalloids zurückgelegt werden.

Es bestand somit ein Bedarf nach einem möglichst einfachen Schweißverfahren, welches nur aus einem Verfahrens- bzw. Reak­ tionsschritt besteht, die zuzulegierenden Metalle oder Me­ talloide auf ebenso einfache, d. h. sowohl in der Herstellung der benötigten Verbrauchsstoffe als auch in der Ausführung der Thermit-Schweißverbindung, aber auch sichere Weise bereit­ stellt und es ermöglicht, diese Legierungszusätze gezielt im Schienenkopf anzureichern. Ziel des zu entwickelnden Schweiß­ verfahrens ist, eine Verbindung zu erzeugen, die mit dem Eigen­ schaftsprofil der zu verschweißenden Schienen übereinstimmt und insbesondere ein härteres und möglichst feinkörniges Schweißgut im Schienenkopf erzielt und gleichzeitig einen weniger bruchan­ fälligen und möglichst duktilen Fuß gewährleistet.

Mit einer solchen Schweißverbindung würde man aufgrund der hö­ heren Härte und aufgrund der Kornfeinung tragfähigeren Gefüges die Verschleißfestigkeit und die damit verbundenen wirtschaft­ lichen Vorteile realisieren und die Qualität der Schweißung verbessern.

Je nach Legierungselement bzw. Legierungselementkombination und der einzulegierenden Menge kann ein unterschiedliches Eigen­ schaftsprofil - chemische Zusammensetzung des Stahles, mechani­ sche Eigenschaften, Gefügestruktur, etc. - eingestellt werden. Diese verschiedenen Eigenschaften hängen zum Teil, je nach Art und Menge des Zusatzes, voneinander ab.

Es bestand insbesondere Bedarf nach möglichst einfachen, siche­ ren und reproduzierbaren Methoden beim aluminothermischen Zwi­ schengußschweißen von Schienen, die es ermöglichen, den alumi­ nothermisch erzeugten Stahl gezielt mit einzulegierenden Thermit-Stahlzusätzen mit dem Teil des aus dem Reaktionstiegel auslaufenden Stahls in Kontakt zu bringen, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet.

Darüberhinaus ist eine innige Durchmischung des Thermit-Stahles innerhalb der Gießform unbedingt zu vermeiden. Andernfalls ist eine Anreicherung von Legierungszusätzen im Kopf nicht zu er­ reichen.

Gegenstand dieser vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, was dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Legierungszusätze nach Abschluß der aluminothermischen Reaktion und Trennung des Stahls von der Schlacke über den Riegel in der Gießform zule­ giert und der Überlauf in der Gießform verschlossen ist.

Der zu verschließende Überlauf in der Gießform ist in Fig. 1 mit (10) gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren mit fallendem Guß - Fig. 2 - läuft nach Reaktion des aluminothermischen Gemisches im Reaktionstiegel (1) der Stahl (5) in die Mitte der Gieß­ form (2) ein und steigt dort bzw. in den Steigern (3) nach oben, wobei der Überlauf verschlossen ist.

Der zuletzt aus dem Reaktionstiegel aus laufende Stahl bildet somit den Kopf der Schiene und ist erfindungsgemäß aufzulegie­ ren. Dies bedeutet, daß das Legieren des zuerst auslaufenden Stahls mit den Legierungskomponenten vermieden werden muß. Er­ reicht wird das dadurch, indem man die Legierungsbestand­ teile (9) in der Gießform in Höhe des Schienenkopfes so anord­ net, daß der zuerst einlaufende Stahl an der Legierungsportion vorbeigeführt wird und erst mit zunehmendem Füllstand in der Form der dann oben befindliche Stahl mit den Legierungsbestand­ teilen (9) Kontakt erhält. Dies ist beispielsweise möglich durch die Anordnung der Legierungsbestandteile unterhalb des Riegels (4), der üblicherweise in den beim aluminothermischen Schweißverfahren verwendeten Gießformen vorhanden ist. Dieser Riegel ist ein im oberen Bereich der Gießform den Schienenkopf überdeckend angebrachtes Formstück, auf das man den einlaufen­ den Stahl zum Abfangen seiner kinetischen Energie auftreffen läßt und damit in den Schienenbereich der Gießform leitet. Die Legierungsbestandteile können dabei in geeigneter Weise in ei­ nen Hohlraum integriert in der Riegelunterseite oder als Form­ stück oder in einem Behälter, z. B. als Kapsel (6), im erfor­ derlichen Abstand positioniert werden, um die Kontaktierung ge­ nau in Schienenkopfhöhe zu bewirken.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Überlauf geöffnet zu las­ sen. Aber dann ist der Überlauf so anzuordnen, daß der zuerst ausfließende Thermit-Stahl nicht vorzeitig mit den Legierungs­ zusätzen und mit dem zuletzt auslaufenden Stahl, d. h. vor dem Erreichen des Kopfes oder am Kopf, in Kontakt kommen kann. Dies wird erreicht, indem der Überlauf oberhalb der Legierungszu­ sätze oder unterhalb des Schienenkopfes angeordnet wird.

Eine aluminothermische Schweißung kann auch im steigenden Gieß­ verfahren, wie in Fig. 3 dargestellt, vorgenommen werden. Dabei läßt man den aluminothermisch erzeugten Stahl nicht in den Schienenbereich der Form, sondern durch die Steiger (3) in die Gießform (2) einlaufen. Dabei steigt der einlaufende Stahl im Schienenbereich der Form auf. Hierbei bildet also der zuerst in die Form einlaufende Stahl den Schienenkopf, so daß bei diesem Gießverfahren der zuerst einlaufende Stahl entsprechend aufzu­ legieren ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man die Legierungsbestandteile sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des eingesetzten Riegels (4) anbringt.

Die Anbringung an der Unterseite entspricht dem Kontaktieren der Legierungsbestandteile beim fallenden Guß, d. h. der hoch­ steigende Stahl wird im Schienenkopfbereich mit entsprechenden Legierungselementen an der Riegelunterseite in Kontakt gebracht und nachträglich legiert. Es ist möglich, sie in massiver Form in die Unterseite des Riegels einzuarbeiten oder als Granulat in einer Kapsel oder Gehänge unterhalb des Riegels anzubringen.

Auch hier sollte vorzugsweise der Überlauf in der Gießform ver­ schlossen sein. In dem Fall des offenen Überlaufs sollte dieser vorzugsweise unterhalb des Schienenkopfes oder andernfalls oberhalb der Legierungszusätze angeordnet sein.

Bei Anordnung der Legierungszusätze an der Oberseite nimmt der zuerst aus laufende Stahl die Legierungsbestandteile beim Über­ fließen des Riegels auf und bildet als erster Teil im Schienen­ bereich aufsteigend den so gehärteten Schienenkopf. In diesem Fall muß der Überlauf vorzugsweise verschlossen oder andern­ falls oberhalb des Schienenkopfes angeordnet sein.

Die Legierungsbestandteile können hierbei in verschiedenster Weise appliziert werden. So können sie beispielsweise einfach als Pulver oder Granulat auf die Oberseite des Riegels aufge­ bracht werden. Es ist auch möglich, den Riegel in Verbundbau­ weise aus einer Keramikschicht, verbunden mit einer Schicht aus Legierungskomponenten, auszubilden.

Somit sind Gegenstand dieser Erfindung alle Methoden des nach­ träglichen Auflegierens eines aluminothermisch erzeugten Eisens oder Thermit-Stahls mittels des Riegels in der Gießform.

Als Legierungszusätze, die nachträglich eingebracht werden, sind einerseits härtende und/oder kornfeinende Metalle oder Le­ gierungen zu bevorzugen. Hierzu zählen die Ferrolegierungen der Elemente V, Ti, Nb, Cr, Mn, Si etc., die Seltenen Erden oder deren Oxide und Carbide sowie Kohlenstoff in gebundener oder elementarer Form.

Je nach Art und Menge der zur Verfügung gestellten Legierungs­ zusätze ist es mit den erfindungsgemäßen Methoden somit mög­ lich, gewünschte Konzentrationsgradienten der gesondert einge­ brachten Elemente in der Schweißung zu erzielen und gezielt den Belastungen im Gleis anzupassen.

Die nachträglich einlegierten Komponenten können in elementarer bzw. metallischer Form oder als metallothermische Reaktionsmi­ schung eingesetzt werden.

Diese Verfahrensweise ist je nach Wahl des Riegels also unab­ hängig vom chemischen Zustand der zuzulegierenden Komponente.

Der Einsatz der nachträglich eingebrachten Legierungselemente erfolgt bevorzugt in Form von Pulvern oder Granulaten. In die­ sem Fall werden die Zusätze in einem Behälter, z. B. einer Ei­ senkapsel, oder in einer Aussparung im Riegel untergebracht.

Üblicherweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Aus­ gangsgemisch ein aluminothermisches Gemisch, bestehend aus im wesentlichen Aluminium, Eisenoxid und Dämpfungsmittel, einge­ setzt, mit dem Gehalte an Kohlenstoff von 0,1 bis 1,0 Gew.-% und Mangan von 0,2 bis 2,0 Gew.-% in der Schweißung erreicht werden.

Die Bereitstellung der Legierungsbestandteile Kohlenstoff und Mangan muß nicht notwendigerweise über das aluminothermische Gemisch erfolgen. Dies ist auch mittels der erfindungsgemäßen Auflegierungsmethode möglich, die das nachträgliche Einlegieren jeglicher Legierungsbestandteile sowohl beim steigenden als auch fallenden Gußverfahren erlaubt. In diesem Fall wird ledig­ lich aluminothermisch Eisen erzeugt.

Bei geeigneter Wahl der Auflegierungsmethode, der Legierungs­ elemente und deren Konzentration kann die Schweißung gezielt dem Eigenschaftsprofil der Schiene, wie z. B. chemische Zusam­ mensetzung oder Härte, möglichst nahe angepaßt werden. Bei­ spielsweise kann auf sehr einfache Art und Weise ein Härtegra­ dient erzeugt werden mit einem vergleichsweise harten Schienen­ kopf und weichen Schienenfuß.

Wie die Härte sind die Durchbiegung und Rißwiderstandskraft ab­ hängig vom Werkstoff, so daß bei einem duktileren Schienenfuß eine Verbesserung dieser Kennwerte erzielt wird.

Die Durchbiegung, genauer Bruchdurchbiegung, wird in einem Bie­ gebruchversuch ermittelt. Neben der Durchbiegung wird die Bruchlast festgestellt, d. h. die maximal aufzuwendende Kraft für den Bruch der geschweißten Schiene, die bei unveränderter Geometrie auch ein Maß für die Biegefestigkeit ist. Im Gegen­ satz zur Durchbiegung ist die Bruchlast nur abhängig von der Geometrie der Schiene, so daß eine legierungstechnische Beein­ flussung dieser mechanischen Kenngröße nicht möglich ist.

Ein für die Betriebssicherheit eines Gleises besonderer Kenn­ wert ist die Rißwiderstandskraft, d. h. die Kraft, die ein Werkstoff einer Rißbildung und -ausbreitung entgegensetzen kann. Bekanntlich nimmt die Rißwiderstandskraft mit zunehmender Zähigkeit des Werkstoffes zu. Somit liegt bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren aufgrund des duktileren Fußes eine verbesserte Rißwiderstandskraft vor.

Beim Auflegieren des den Schienenkopf bildenden Stahls, der beim Einlaufen in die Form eine Temperatur von etwa 2100°C aufweist, wird eine gezielte Anreicherung von geeigneten, nach­ träglich einzubringenden Legierungselementen im Schienenkopfbe­ reich der Schweißverbindung erreicht. Auf diese Weise kann das Eigenschaftsprofil gezielt beeinflußt werden. Hierzu zählen Härte, Durchbiegung, Rißwiderstandskraft und Verschleißfestig­ keit.

Die erfindungsgemäß erzielbaren Härtegradienten im Schienenpro­ fil werden im folgenden näher erläutert:

Fig. 4 zeigt zunächst die Analysen- und Härtemeßpunkte im Ab­ stand von der Fahrfläche (in mm) am Beispiel des Schienenpro­ fils S 49 mit einem Metergewicht von 49 kg/m.

Fig. 5 stellt den Härteverlauf einer kopfgehärteten Schiene (S 49 HH), ausgedrückt in HB (Härte Brinell) in kp/mm² im je­ weiligen Abstand von der Fahrfläche, wie in Fig. 3 gezeigt, dar. Deutlich erkennbar ist die Härtesteigerung im Schienen­ kopfbereich gegenüber dem restlichen Profil.

Fig. 6 zeigt den Härteverlauf einer heute üblichen aluminother­ mischen Schweißung bei kopfgehärteten Schienen. Dabei werden im wesentlichen Härtewerte erhalten, die der Härte im Schienenkopf entsprechen; diese Härte ist jedoch im gesamten Schienenprofil gleichmäßig vorhanden mit den oben dargestellten Nachteilen.

In Fig. 7 ist das Härteprofil einer Schweißung mit erfindungs­ gemäßer Auflegierung im Schienenkopfbereich dargestellt. Es wird mit 10 g FeV auflegiert. Die Schweißung erfolgt im stei­ genden Guß. Die Legierungsbestandteile werden in einer Kapsel unterhalb des Riegels positioniert. Deutlich erkennbar ist der Härteabfall von der gewünschten hohen Härte im Kopfbereich bis zur höheren Duktilität im Fußbereich.

Fig. 7a weist die entsprechenden Vanadiumgehalte in den Meß­ punkten aus.

Dabei wird bei einer Brinell-Härte von 268 kp/mm² eine Durch­ biegung von 34 mm erzielt.

Claims (7)

1. Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen, wobei der aluminothermisch erzeugte Stahl in eine die zu verbindenden Schienenenden umgebende feuerfeste Gieß­ form eingegossen und Legierungszusätze mit dem Teil des aus dem Reaktionstiegel auslaufenden Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze nach Abschluß der aluminothermischen Reaktion und Trennung des Stahles von der Schlacke über den Riegel in der Gießform zu­ legiert und in der Gießform der Überlauf verschlossen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze in einem Behältnis unterhalb des Rie­ gels anordnet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze oben auf dem Riegel anordnet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze in einer Aussparung unterhalb des Rie­ gels anordnet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungszusätze in Form eines Pulvers oder Granulats eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze unterhalb des Riegels aufhängt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungszusätze in fester, kompakter Form eingesetzt werden.