DE3627650C1 - rail - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schiene mit hoher Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden an der Fahrkante, wie Fahrkantenbrüche, aus Stahl.The invention relates to a rail with high Resistance to fatigue damage on the driving edge, like breaking edges, made of steel.

Die Lebensdauer von Schienen wird in der Regel durch die Zugfestigkeit des Schienenstahls an sich, das Verschleiß­ volumen des Schienenkopfes und die Betriebsbedingungen bestimmt. In der Vergangenheit wurde häufig die Lebens­ dauer, die vom Verschleißvolumen im Schienenkopf her zu erwarten war, auch bei hoch verschleißfesten Schienen nicht erreicht, weil die Schienen aufgrund von Ermüdungsschäden vorzeitig ausgebaut werden mußten. Bei diesen Schäden han­ delte es sich insbesondere um waagerechte Risse im Schie­ nenkopf, Fahrkantenausbrechungen sowie um Querbrüche oder Querrisse.The lifespan of rails is usually determined by the Tensile strength of the rail steel itself, the wear volume of the rail head and the operating conditions certainly. In the past, life was common duration based on the wear volume in the rail head was not expected, even with highly wear-resistant rails reached because the rails due to fatigue damage had to be expanded ahead of time. With this damage han in particular, horizontal cracks in the shoot head, driving edge cutouts and cross breaks or Cross cracks.

Die Fahrkantenausbrechungen treten bei höheren Beanspru­ chungen, meistens im Kurvenaußenstrang der Gleise auf, insbesondere an der Innenkante der Außenschiene, weil diese durch die Spurkränze der über sie rollenden Räder besonders stark belastet wird.The edge breakouts occur at higher loads mostly in the outer curve of the track, especially on the inner edge of the outer rail because this through the flanges of the wheels rolling over them is particularly heavily loaded.

Die Fahrkantenausbrechungen, auch Shelling genannt, wer­ den durch Schwingungsrisse hervorgerufen, die sich als Horizontaltrennungen in 5 bis 10 mm Tiefe unterhalb der Fahrkante bilden. In einem fortgeschrittenen Stadium knicken diese Horizontaltrennungen häufig in Querrich­ tung ab und lösen dann Querbrüche aus. Die Horizontal­ trennungen gehen bevorzugt aus von nichtmetallischen Ein­ schlüssen, insbesondere Oxidzeilen, innerhalb des Schie­ nenstahls.The edge breakouts, also called shelling, who caused by vibrational cracks, which turn out to be  Horizontal separations at a depth of 5 to 10 mm below the Form the driving edge. In an advanced stage these horizontal separations often fold in the transverse direction tion and then trigger cross breaks. The horizontal separations are preferably based on non-metallic inputs conclusions, especially oxide lines, within the shooting range steel.

Ursache der horizontal verlaufenden Schwingungsrisse unter der Fahrkante sind die sogenannten Hertz'schen Pressungen am Aufstandspunkt des Rades auf der Schiene, die unterhalb der Schienenoberfläche Schubspannungen hervorrufen. Dabei entsteht rechnerisch in einer Tiefe von etwa 8 mm ein Schub­ spannungsmaximum. Seine exakte Lage ist abhängig von den Betriebsbedingungen. Befinden sich im Bereich des Schub­ spannungsmaximums gröbere Oxidzeilen hoher Härte, so kann bevorzugt an der Grenzfläche Oxid-Metall infolge Kerb­ wirkung und wegen des Eigenspannungsfeldes, das sich um die Zeile herum aufbaut, die Dauerschwingfestigkeit des Schienenwerkstoffes überschritten werden, so daß sich ein Schwingungsriß bildet.Cause of the horizontal vibration cracks under the driving edge is the so-called Hertzian pressure at the contact point of the wheel on the rail that below cause shear stresses on the rail surface. Here arithmetically there is a thrust at a depth of about 8 mm voltage maximum. Its exact location depends on the Operating conditions. Are in the area of the thrust voltage maximums coarser oxide lines of high hardness, so can preferred at the oxide-metal interface due to notch effect and because of the internal stress field that is around the line builds up, the fatigue strength of the Rail material are exceeded, so that a Vibration crack forms.

Da Fahrkantenausbrechungen zum vorzeitigen Ausbau der Schie­ nen führen, also nach einer Liegezeit, zu der die Ver­ schleißreserve des Schienenkopfes bei weitem noch nicht erschöpft ist, sind die Schienenhersteller und die Bahn­ verwaltungen seit langem bemüht, das Auftreten dieser Fehl­ erscheinungen zu unterbinden. Zur Vermeidung von Fahrkan­ tenausbrechungen sind zwei Abhilfemaßnahmen bekanntge­ worden (Archiv für Eisenbahntechnik, Dezember 1973, Sei­ ten 81 bis 89)Because of the edge breakouts for the premature expansion of the ski lead after a lay period at which the Ver the head's wear reserve is far from complete the rail manufacturers and the railways are exhausted Administrations have long sought the occurrence of this mistake to prevent appearances. To avoid driving Breakouts are known to provide two remedies (Archive for Railway Technology, December 1973, Be 81 to 89)

• - Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit des Schienenstahls und- Increasing the fatigue strength of the rail steel and
• - Verbesserung des Reinheitsgrades, bezogen auf oxidische nichtmetallische Einschlüsse.- Improvement of the degree of purity, based on oxidic non-metallic inclusions.

Die Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit von Schienenstählen läßt sich durch Anhebung der Festigkeitseigenschaften er­ reichen. Zugleich wird dadurch die Verschleißbeständigkeit verbessert. Die Lage des eingangs erwähnten Schubspannungs­ maximums bleibt damit über einen längeren Zeitraum an einer Stelle als bei Schienenstahl geringerer Festigkeit. Liegt jedoch in dieser Zone eine gröbere Einschlußzeile vor, so kann der Werkstoff trotz hoher Festigkeit im Bereich der Zeitfestigkeit beansprucht werden. Eine Erhöhung der Dauer­ schwingfestigkeit des Schienenwerkstoffes kann also nur dann sinnvoll sein, wenn zugleich ein guter Reinheitsgrad an oxidischen nichtmetallischen Einschlüssen eingestellt wird.Increasing the fatigue strength of rail steels can he by increasing the strength properties pass. At the same time, the wear resistance improved. The position of the shear stress mentioned at the beginning maximums thus remains on one for a longer period Place than with rail steel of lower strength. Lies however in this zone there is a coarse inclusion line, see above can the material despite high strength in the range Fatigue strength can be claimed. An increase in duration Vibration resistance of the rail material can only then be useful if at the same time a good degree of purity oxidic non-metallic inclusions is set.

Obwohl die Schienenhersteller und die Bahnverwaltungen in den Lieferbedingungen für Schienenstähle für Regelgüten Schwefelgehalte bis maximal 0,050% und für höherver­ schleißfeste Güten bis maximal 0,030% zulassen, ist man dennoch bemüht, bei der Erschmelzung von Schienenstählen den Schwefelgehalt so niedrig wie möglich zu halten. Denn Schwefel ist metallurgisch gesehen bekanntermaßen ein stark seigerndes Element. Beim Vergießen kommt es in der Mitte der vergossenen und erstarrten Blöcke, die als Aus­ gangsmaterial für die Schienenwalzung dienen, zu sogenann­ ten "Mittenseigerungen". Gemäß den technischen Lieferbe­ dingungen, z. B. UIC 860 V, sind Stärke und Ausbildung dieser Seigerungen durch Richtreihen begrenzt.Although the rail manufacturers and railway administrations in the delivery conditions for rail steels for standard grades Sulfur contents up to a maximum of 0.050% and for higher ver allow wear-resistant grades up to a maximum of 0.030% nevertheless endeavored to melt rail steels keep the sulfur content as low as possible. Because From a metallurgical point of view, sulfur is known to be a strongly segregating element. When potting it comes in the Middle of the encapsulated and solidified blocks that are out serve material for the rail rolling, so-called ten "central increases". According to the technical delivery conditions conditions, e.g. B. UIC 860 V, are strength and training these segregations are limited by guidelines.

Jedoch können weder die absolute Erhöhung der Verschleiß­ festigkeit noch die Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit noch die Einstellung guter oxidischer bzw. sulfidischer Reinheitsgrade das Auftreten von Fahrkantenausbrüchen si­ cher verhindern. Auch bei sehr hoch verschleißfesten Schie­ nen mit ausgezeichnetem Reinheitsgrad werden diese schäd­ lichen Ausbrüche, nach wie vor, insbesondere in den Außen­ strängen von engen Gleiskurven, beobachtet.However, neither can the absolute increase in wear strength still increasing the fatigue strength still the setting of good oxidic or sulfidic Purity degrees the occurrence of edge breakouts si prevent. Even with very wear-resistant ski Those with an excellent degree of purity will damage them outbreaks, especially in the outside strands of narrow track curves, observed.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schie­ ne mit verbesserter Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden an der Fahrkante, wie Fahrkantenausbrüche, zu schaffen, die gestattet, daß das den Schienen innewohnende hohe Ver­ schleißvolumen voll ausgenutzt werden kann.It is therefore an object of the present invention to shoot ne with improved resistance to fatigue damage on the driving edge, such as driving edge breakouts, to create the allows the high ver wear volume can be fully utilized.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Schienenstahl bei einem Sauerstoffgehalt kleiner 0,0015% Schwefelgehalte von 0,06 bis 0,85% aufweist. Der niedrige Sauerstoffgehalt des Schienenstahls von kleiner 0,0015% kann z. B. durch eine Vakuumdesoxidation des Stahls eingestellt werden.This problem is solved in that the rail steel with an oxygen content of less than 0.0015% sulfur content from 0.06 to 0.85%. The low oxygen content of the rail steel of less than 0.0015% z. B. by a Vacuum deoxidation of the steel can be set.

Das Aufschwefeln kann auf alle heute üblichen Schienenqualitäten angewendet werden, wie sie beispielsweise in den Unteran­ sprüchen 3 bis 6 entsprechend den Güteklassen UIC-90A, UIC-90B, S1100 oder S1200 analysenmäßig aufgeführt sind.Sulfurization can be carried out on all rail qualities that are common today can be used, such as those in the proverbs 3 to 6 according to quality classes UIC-90A, UIC-90B, S1100 or S1200 are listed for analysis.

Die erfindungsgemäßen Schienen sind geeignet, die Bildung von Ermüdungsschäden an der Fahrkante, insbesondere die an dem Außenstrang eines Kurvengleises auftretenden Fahr­ kantenausbrechungen, zu vermeiden und somit die Lebens­ dauer der Schienen wesentlich zu steigern. Bei Betriebs­ versuchen in einer hochbelasteten und kurvenreichen Strecke mit engen Kurvenradien zwischen 250 und 500 m mußten Schienen der üblichen Güte UIC-90 A bereits nach einer Be­ lastung von rund 150 · 10⁶ t wegen Fahrkantenausbrechungen ausgebaut werden, obwohl der eigentliche Verschleiß der Schienenlauffläche nur sehr gering war.The rails according to the invention are suitable for preventing the formation of fatigue damage on the driving edge, in particular the edge breakouts occurring on the outer strand of a curved track, and thus significantly increasing the service life of the rails. When operating in a highly stressed and winding route with tight curve radii between 250 and 500 m, rails of the usual quality UIC-90 A had to be removed after a load of around 150 · 10 ⁶ t due to edge breakouts, although the actual wear of the rail tread only was very low.

Dagegen erreichten erfindungsgemäß hergestellte Schienen der Güte UIC-90 A eine Belastung von 300 · 10⁶ t, ohne daß Fahrkantenausbrüche zu beobachten waren.On the other hand, rails of the quality UIC-90 A produced according to the invention reached a load of 300 · 10 ⁶ t without the risk of edge breakouts.

Mit der erfindungsgemäßen Schiene ist es somit möglich, die in heutigen Schienenprofilen, wie z. B. dem Profil UIC-60, vorhandene Verschleißreserve besser auszunutzen. Die Fahr­ kanten können weitgehend abgenutzt werden, ohne daß die Schienen wegen vorzeitiger Fahrkantenausbrüche ausgewech­ selt werden müssen.With the rail according to the invention it is thus possible to in today's rail profiles, such as B. the profile UIC-60, make better use of the existing wear reserve. The driving  edges can largely be worn without the Rails replaced due to premature edge breakouts must be rare.

Als Vormaterial für das Walzen der erfindungsgemäßen Schie­ nen werden vorzugsweise rechteckige Stranggußquerschnitte verwendet.As a raw material for rolling the ski according to the invention NEN are preferably rectangular continuous cast sections used.

Dadurch kann die bei den hohen Schwefel-Gehalten zu erwar­ tende nachteilige Nebenwirkung der Seigerungen in den von den Lieferbedingungen für Schienen verlangten Grenzen ge­ halten werden, da über das Vergießen im Strangguß eine gleichmäßigere Verteilung bei gleichzeitig kleinerer Größe der einzelnen Sulfide erreicht wird. Die bei Einsatz von rechteckigen Stranggußquerschnitten vorliegende gestreckte Mittenseigerung mit Schwefelanreicherungen kann unschädlich gemacht werden, indem man den Vorblock nicht wie bisher üblich so zu Schienen auswalzt, daß die Seigerungszone in der Symmetrieebene der Schienen liegt, sondern daß sie um 90° versetzt horizontal in Schienenstegmitte zu liegen kommt.This can be expected at the high sulfur content detrimental side effect of segregations in the the delivery conditions for rails will hold, because about the casting in continuous casting more even distribution with smaller size of the individual sulfides is reached. The when using rectangular continuous cast cross sections present elongated Co-increase with sulfur enrichments can be harmless be made by not using the previous block as before Usually rolled out to rails so that the segregation zone in the plane of symmetry of the rails, but that they are around To lie 90 ° horizontally in the middle of the rail web is coming.

Dazu wird das Vormaterial mit rechteckigem Querschnitt so zu dem jeweiligen Schienenprofil gewalzt, daß die Schmal­ seiten nicht auf die Fahrfläche und die Fußunterseite der Schiene zu liegen kommen, sondern die Seitenflächen der Schiene bilden. Die im Vormaterial vorliegenden Mittensei­ gerungen beschränken sich so auf eine schmale Zone im Schienensteg, ohne in den Kopf oder den Fuß der Schiene zu reichen, so daß das Gebrauchsverhalten der Schiene, insbesondere deren Bruchsicherheit, nicht beeinträchtigt wird.For this purpose, the raw material with a rectangular cross-section is so rolled to the respective rail profile that the narrow do not face the driving surface and the underside of the foot Rail come to rest, but the side surfaces of the Form rail. The Mittensei present in the primary material wrestles are limited to a narrow zone in the Rail web without entering the head or foot of the rail enough so that the usage behavior of the rail, in particular, their safety against breakage is not impaired becomes.

Da die in Bogenstranggießanlagen unten liegende Breitseite von rechteckigen Stranggußquerschnitten einen besseren oxidischen Reinheitsgrad aufweist als die obere Breit­ seite, wird vorteilhafterweise so gewalzt, daß die untere Breitseite zum Schienenkopf wird.Because the broadside at the bottom in continuous sheet caster of rectangular continuous casting cross sections a better one has an oxide purity than the upper width  side, is advantageously rolled so that the lower Broadside becomes the rail head.

In Fig. 1 ist ein bogenförmiger Abschnitt einer Schiene in perspektivischer Ansicht dargestellt mit Schienen­ kopf 1, Fahrfläche 2, Fahrkante 3, Schienensteg 4 und Schienenfuß 5.In Fig. 1, an arcuate portion of a rail is shown in perspective view with rail head 1 , running surface 2 , driving edge 3 , rail web 4 and rail foot 5 .

Claims (5)

1. Schiene mit hoher Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden an der Fahrkante, wie Fahrkantenausbrüche, aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenstahl bei einem Sauerstoffgehalt kleiner 0,005% Schwefelgehalte von 0,06 bis 0,85% aufweist.1. Rail with high resistance to fatigue damage to the driving edge, such as driving edge breakouts, made of steel, characterized in that the rail steel has an oxygen content of less than 0.005% sulfur content of 0.06 to 0.85%. 2. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenstahl aus 0,6 bis 0,8% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,50% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, max. 0,05% Phosphor, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.2. Rail according to claim 1, characterized in that the Rail steel made from 0.6 to 0.8% carbon, 0.10 to 0.50% silicon, 0.80 to 1.30% manganese, max. 0.05% Phosphorus, balance iron and usual contamination due to melting. 3. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenstahl aus 0,55 bis 0,75% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,50% Silizium, 1,30 bis 1,70% Mangan, max. 0,05% Phosphor, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht. 3. Rail according to claim 1, characterized in that the Rail steel made from 0.55 to 0.75% carbon, 0.10 up to 0.50% silicon, 1.30 to 1.70% manganese, max. 0.05% phosphorus, balance iron and usual contamination due to melting.   4. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenstahl aus 0,60 bis 0,80% Kohlenstoff, 0,60 bis 1,20% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, max. 0,030% Phosphor, 0,70 bis 1,20% Chrom, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.4. Rail according to claim 1, characterized in that the Rail steel made from 0.60 to 0.80% carbon, 0.60 up to 1.20% silicon, 0.80 to 1.30% manganese, max. 0.030% phosphorus, 0.70 to 1.20% chromium, balance iron and usual contamination from melting consists. 5. Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenstahl aus 0,70 bis 0,80% Kohlenstoff, 0,80 bis 1,20% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, max. 0,030% Phosphor, 0,80 bis 1,20% Chrom, bis 0,25% Titan und/oder Vanadium, Rest Eisen und üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.5. Rail according to claim 1, characterized in that the Rail steel made from 0.70 to 0.80% carbon, 0.80 up to 1.20% silicon, 0.80 to 1.30% manganese, max. 0.030% phosphorus, 0.80 to 1.20% chromium, up to 0.25% Titanium and / or vanadium, balance iron and usual contamination due to melting.