EP0190448A1 - Process for reducing residual stress of roller-straightened steel rails - Google Patents

Process for reducing residual stress of roller-straightened steel rails Download PDF

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EP0190448A1
EP0190448A1 EP85115961A EP85115961A EP0190448A1 EP 0190448 A1 EP0190448 A1 EP 0190448A1 EP 85115961 A EP85115961 A EP 85115961A EP 85115961 A EP85115961 A EP 85115961A EP 0190448 A1 EP0190448 A1 EP 0190448A1
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EP
European Patent Office
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rail
rails
web
foot
head
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Withdrawn
Application number
EP85115961A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Wilhelm Dr.-Ing. Heller
Jürgen Dr.-Ing. Flügge
Reinhard Dr.-Ing. Schweitzer
Lutz Dr.-Ing. Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Krupp Stahl AG
Original Assignee
Krupp Stahl AG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19853501522 external-priority patent/DE3501522C1/en
Priority claimed from DE19853501523 external-priority patent/DE3501523C1/en
Application filed by Krupp Stahl AG filed Critical Krupp Stahl AG
Publication of EP0190448A1 publication Critical patent/EP0190448A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C21D9/06—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails with diminished tendency to become wavy

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the internal stresses of roller-directed steel rails.
  • Rails produced by hot rolling rail steels in appropriately calibrated rolls cool in air to room temperature after rolling on cooling beds.
  • the rails bend when they cool down. Because of the straightness requirements, they must therefore be aimed at roller straightening machines and, if necessary, also straightened with stamp presses (DE specialist book “Die Eisenbahnschiene”, by Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, pages 113/114).
  • stamp presses DE specialist book “Die Eisenbahnschiene”, by Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, pages 113/114.
  • the entire rail cross-section is plastically formed during roll straightening. However, since the shape changes vary across the cross-section, residual stresses develop in the directional rails.
  • the residual stresses in the longitudinal direction are positive on the driving surface and on the underside of the foot, the places that are most heavily loaded during driving, ie there are residual tensile stresses (p. 37 of the above-mentioned DE specialist book).
  • the residual stresses can reach 50% and more of the yield strength of the rail steel.
  • This object is achieved in that the rails continuously over a roller table on a heating device at a speed between 0.2 m / min and 1 m / s and that only the web of the rails is heated to the annealing temperature during the corresponding throughput time of 1 to 300 s / m of rails and cools to room temperature after this temperature has been reached.
  • the web heating can be carried out with burners or inductively. The speed at which the rail moves past the heater depends on the performance of the heater selected.
  • the method according to the invention in which, in contrast to the known stress relieving annealing, the rails are not heated over the entire cross-section, but only in the web, enables a very short and therefore inexpensive treatment time for the rails.
  • the heating device has sufficient power, a 30 m rail e.g. can be heat treated in just 30 seconds, whereas the time required for stress relief annealing is several hours.
  • the rail which has been heat-treated according to the invention thus endures a substantially larger crack than the roller-oriented comparator rail with the same load.
  • the splint which has been heat-treated in accordance with the invention therefore has a considerably higher break resistance.
  • the fracture resistance of a material is characteristic of its resistance to brittle fracture.
  • Crack toughness is a material size that specifies the conditions for unstable crack growth (brittle fracture) depending on the stress and the crack size. As described in the literature reference given above, it is permissible to apply the laws of linear-elastic fracture mechanics to rails and to derive the conditions for brittle fracture quantitatively from them. However, the residual stresses must be taken into account in the calculation.
  • the connection is: 6 is the stress (N / mm2), R Ic is the fracture toughness N / mm3 / 2, M is a geometry factor and t is the crack depth (mm).
  • Figure 2 shows the rail UIC ug strength 60 1230 N / mm2 Z, for explaining the influence of residual stresses, the relationship between the voltage and the crack depth with the R ißzähmaschine as a parameter.
  • R ißzähmaschine 1000 N / mm3 / 2
  • an internal stress exposed rail under an external load of 200 N / mm 2 can bear a crack of about 10 mm depth;
  • a rail with an internal stress of 200 N / mm 2 with the same external stress is already at a crack depth of approx. Break 2 mm.
  • the low-stress rail has a much higher break resistance, since small cracks or notches do not lead to failure.
  • larger cracks can be detected in good time by a non-destructive inspection, so that failure of the rail can be avoided.
  • the fracture toughness of the rail K I component is plotted against the fracture toughness of the rail steel K Ic .
  • the critical K I value represents a measure of the break resistance of the rail. In the case of the rail free of internal stress, which is treated according to the method according to the invention, the values are grouped around the 45 ° straight line. On the other hand, the critical K I value for rails with residual stresses is significantly below this straight line.
  • the method according to the invention can also advantageously be used to relieve residual stresses in rolled and subsequently straightened steel profiles which have a web and head and / or foot parts adjoining this web, such as e.g. T or double T beams.
  • the object of the present invention to provide an effective and inexpensive method for reducing the internal stresses of roller-oriented steel rails, which can be integrated into the usual production flow in rail production, is alternatively also achieved in that the rails cooled after hot rolling at 100 ° C continuously Before entering the roller leveler in the rail web, be heated to 100 - 500 ° C, preferably around 150 - 350 * C, and after air straightening, cool to room temperature.
  • the web is preferably heated inductively by means of induction coils adapted to the rail cross sections to be heated, but it can also be carried out using a burner.
  • the temperature difference between the web on the one hand and head and foot on the other hand can be obtained in one step or in several steps when entering the straightening machine, depending on the performance of the respective heating device and the throughput speed of the rails, and also during straightening.
  • the residual stresses can be more or less reduced or converted into compressive stresses. Compressive stresses occur when the lower area of the rail head and the upper area of the rail foot are also heated beyond the web.
  • the effectiveness of the alternative method according to the invention can be illustrated using the example of a high-strength, naturally hard UIC 60 rail in quality S 1200 with a tensile strength of 1250 N / mm 2 .
  • the splint had the following chemical composition (% by weight): 0.75% C, 0.72% Si, 1.1% Mn, 0.95% Cr, 0.11% V, 0.018% S, 0.017% P, 0.025% Al.
  • longitudinal tensile stresses 250 to 260 N / mm 2 occur on the driving surface and on the underside of the foot.
  • the longitudinal tensile stresses are reduced to values below 50 N / mm 2 .
  • the alternative method according to the invention can also be used to relieve the internal stresses of rolled steel profiles with a web and head and / or foot parts such as T or double T beams and the like, which are connected perpendicular to this web.
  • FIG. 4 shows a scale representation of the profile of a UIC 60 rail with a head 1, a web 2 and a foot 3.
  • the fracture toughness of the rail K I component is plotted over the fracture toughness of the rail steel K Ic , in accordance with the explanations relating to FIG. 3.
  • the critical K I value represents a measure of the safety against breakage of the rail.
  • the values are also grouped around the 45 ° straight line for the rail free of internal stress, which is treated according to the alternative method according to the invention.
  • the critical K r value for rails with residual stresses is significantly below this straight line.
  • the fracture resistance of the rail directed according to the invention is consequently significantly higher than that of normally directed rails.
  • the fatigue strength of the rail component as a carrier is also reduced the structural strength, which is a measure of the durability of a component under vibration, is improved.
  • the increase in the structural strength is of the order of 10 to 20%.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Schienen. Nach dem Richten wird der Steg (2) der Schienen kurzzeitig auf Temperaturen von 200 - 700° C, vorzugsweise 350 - 500° C, erwärmt und kühlt nach Erreichen der gewünschten Temperaturen an Luft auf Raumtemperatur ab. Zur Erwärmung wird die Schiene kontinuierlich an der Erwärmungseinrichtung vorbeigeführt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme werden die Zugeigenspannung im Schienenkopf (1) und -fub (3) auf unter 50 N/mm² abgebaut, wodurch sich eine erhöhte Bruchsicherheit der Schiene ergibt.The invention relates to a method for reducing the internal stresses of roller-directed rails. After straightening, the web (2) of the rails is briefly heated to temperatures of 200-700 ° C., preferably 350-500 ° C., and cools to room temperature in air after the desired temperatures have been reached. For heating, the rail is continuously guided past the heating device. As a result of the measure according to the invention, the residual tensile stress in the rail head (1) and rail (3) is reduced to below 50 N / mm², which results in an increased break resistance of the rail.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen.The invention relates to a method for reducing the internal stresses of roller-directed steel rails.

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 Streckgrenze des Schienenstahles erreichen.Rails produced by hot rolling rail steels in appropriately calibrated rolls cool in air to room temperature after rolling on cooling beds. However, due to the different ratios of mass to surface at the rail head and foot, the rails bend when they cool down. Because of the straightness requirements, they must therefore be aimed at roller straightening machines and, if necessary, also straightened with stamp presses (DE specialist book "Die Eisenbahnschiene", by Fritz Fastenrath, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1977, pages 113/114).
The entire rail cross-section is plastically formed during roll straightening. However, since the shape changes vary across the cross-section, residual stresses develop in the directional rails. The residual stresses in the longitudinal direction are positive on the driving surface and on the underside of the foot, the places that are most heavily loaded during driving, ie there are residual tensile stresses (p. 37 of the above-mentioned DE specialist book). The residual stresses can reach 50% and more of the yield strength of the rail steel.

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).In operation, these tensile stresses are superimposed by the action of the wheels and longitudinal tensile stresses by cooling and contraction of the rails at low temperatures. The internal tensile stresses present in the rails therefore set the safety against breakage of the rails in the presence of surface defects, e.g. Fatigue cracks, in the event of static or sudden loads (technical reports Krupp, company reports 39 (1981) pages 33 to 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.To reduce the residual tensile stresses in the rail head and in the rail foot you can straighten the rails (DE-OS 32 23 346) or cool them in a controlled manner and straighten them (DE-PS 19 42 929). In this method, however, there are procedural difficulties (stretching) and z. T. the straightness required for high-speed passenger transport cannot be set securely (straightening, controlled cooling in conjunction with lateral straightening), so that these methods have not become established for reasons of economy or practicality.

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 Grunde 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.Another method for reducing the residual tensile stresses in the rail head and in the rail base is stress relieving.
The stress relieving to reduce the internal tensile stresses in the head and foot directed rails is in analogous application of the measures described by Houdremont in the specialist book "Handbuch der Sonderstahlkunde", Springer-Verlag 1956, pp. 238 - 240 construction of residual stresses by stress relief annealing at higher temperatures a heat treatment process consisting of annealing the rails in the temperature range of 200 - 700 * C and a subsequent slow cooling. Since the residual stresses are reduced by flow processes that start at higher temperatures and relieve the rail material, the residual tensile stresses are reduced to low residual values of 20 - 60 N / mm 2 only if there is sufficient time for the flow processes to proceed. For this reason, such an annealing treatment of rails takes several hours in practice. In the reference "Technical communications Krupp", company reports 39 (1981), p. 33, a treatment time of six hours at 550 ° C is specified.
The process is therefore very expensive. In particular, because of the long annealing time, it cannot be carried out in continuously operating continuous furnaces, which can be classified in the production line of rails, since these have an inhibiting effect on the production flow. But even the furnaces provided outside the production line, in which the rails are annealed in batches, do not allow optimal utilization of a rail rolling mill.

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.It is therefore an object of the present invention to provide an effective and inexpensive heat treatment process for reducing the residual tensile stresses in the head and foot of roller-directed steel rails, which can be integrated into the usual production flow in rail production.

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.
Die Geschwindigkeit, mit der die Schiene sich an der Erwärmungsvorrichtung vorbeibewegt, ist von der Leistung der gewählten Erwärmungsvorrichtung abhängig.This object is achieved in that the rails continuously over a roller table on a heating device at a speed between 0.2 m / min and 1 m / s and that only the web of the rails is heated to the annealing temperature during the corresponding throughput time of 1 to 300 s / m of rails and cools to room temperature after this temperature has been reached.
The web heating can be carried out with burners or inductively.
The speed at which the rail moves past the heater depends on the performance of the heater selected.

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.The method according to the invention, in which, in contrast to the known stress relieving annealing, the rails are not heated over the entire cross-section, but only in the web, enables a very short and therefore inexpensive treatment time for the rails. Provided that the heating device has sufficient power, a 30 m rail e.g. can be heat treated in just 30 seconds, whereas the time required for stress relief annealing is several hours.

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 UIC 60 mit einer Zugfestigkeit von 1230 N/mm' (0,72 % C, 0,70 % Si, 1,1 % Mn, 0,94 % Cr, 0,12 % V, 0,025 % Al) im rollengerichteten Zustand sowie nach zusätzlicher Stegerwärmung auf 300, 400, 500 bzw. 680° C aufgeführt. Figur 1 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil dieser Schiene mit Kopf 1, zu erwärmenden Steg 2 und Fuß 3.

Figure imgb0001
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 an der Fahrfläche noch unvollständig.Surprisingly, it is found that after the heat treatment according to the invention, the residual tensile stresses on the driving surface and on the underside of the foot are largely eliminated. The table below shows the internal stresses of a high-strength UIC 60 rail with a tensile strength of 1230 N / mm '(0.72% C, 0.70% Si, 1.1% Mn, 0.94% Cr, 0, 12% V, 0.025% Al) in the roll-oriented state and after additional web heating to 300, 400, 500 or 680 ° C. 1 shows a scale representation of the profile of this rail with head 1, web 2 to be heated and foot 3.
Figure imgb0001
 It can be seen that the longitudinal residual stresses are reduced to values below 50 N / mm 2 by the web heating. With the higher heating temperatures, even low residual compressive stresses occur on the driving surface. When the temperature rises to 300 ° C, the residual stresses on the driving surface are still incomplete.

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 und somit weitgehend eigenspannungsfreie Schiene brach bei einer äußeren Beanspruchung 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.
Kennzeichnend für die Sprödbruchsicherheit eines Werkstoffs ist seine Rißzähigkeit.By reducing the internal stresses of rails, a significant improvement in the safety against breakage can be achieved. This relationship could be confirmed on the rails heat-treated according to the invention. These were in the F uence with a transverse crease line sections provided with in Technical Communications Krupp, work reports 39 (1981) p. 33 to 44 described test arrangement examined. The rail which was heat-treated according to the invention and thus largely free of internal stress broke with an external load of 200 N / mm 2 Swing failure of approx. 10 mm depth, in the case of the roller-oriented reference rail, on the other hand, the break occurred at a crack depth of approx. 2 mm a. The rail which has been heat-treated according to the invention thus endures a substantially larger crack than the roller-oriented comparator rail with the same load. The splint which has been heat-treated in accordance with the invention therefore has a considerably higher break resistance.
The fracture resistance of a material is characteristic of its resistance to brittle fracture.

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:

Figure imgb0002
Darin ist 6 die Spannung (N/mm2), RIc die Rißzähigkeit N/mm3/2, M ein Geometriefaktor und t die Rißtiefe (mm).Crack toughness is a material size that specifies the conditions for unstable crack growth (brittle fracture) depending on the stress and the crack size. As described in the literature reference given above, it is permissible to apply the laws of linear-elastic fracture mechanics to rails and to derive the conditions for brittle fracture quantitatively from them. However, the residual stresses must be taken into account in the calculation. The connection is:
Figure imgb0002
 6 is the stress (N / mm2), R Ic is the fracture toughness N / mm3 / 2, M is a geometry factor and t is the crack depth (mm).

Figur 2 zeigt für die Schiene UIC 60 mit 1230 N/mm2 Zug- festigkeit, 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.Figure 2 shows the rail UIC ug strength 60 1230 N / mm2 Z, for explaining the influence of residual stresses, the relationship between the voltage and the crack depth with the R ißzähigkeit as a parameter. In one R ißzähigkeit of 1000 N / mm3 / 2, an internal stress exposed rail under an external load of 200 N / mm 2 can bear a crack of about 10 mm depth; on the other hand, a rail with an internal stress of 200 N / mm 2 with the same external stress is already at a crack depth of approx. Break 2 mm. The low-stress rail has a much higher break resistance, since small cracks or notches do not lead to failure. On the other hand, larger cracks can be detected in good time by a non-destructive inspection, so that failure of the rail can be avoided.

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 Figur 3 gezeigte Darstellung. Aufgetragen ist die Rißzähigkeit des Bauteils Schiene KI über der Rißzähigkeit des Schienenstahls KIc. Der kritische KI-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 KI-Wert dagegen deutlich unterhalb dieser Geraden.If one considers the rail as a component and the residual stress as a quantity that reduces the critical stress intensity at the crack tip (= fracture toughness of the component), the result shown in FIG. 3 results. The fracture toughness of the rail K I component is plotted against the fracture toughness of the rail steel K Ic . The critical K I value represents a measure of the break resistance of the rail. In the case of the rail free of internal stress, which is treated according to the method according to the invention, the values are grouped around the 45 ° straight line. On the other hand, the critical K I value for rails with residual stresses is significantly below this straight line.

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.The method according to the invention can also advantageously be used to relieve residual stresses in rolled and subsequently straightened steel profiles which have a web and head and / or foot parts adjoining this web, such as e.g. T or double T beams.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksames und kostengünstiges Verfahren zum Abbau der Eigenspannungen rollengerichteter Stahlschienen zu schaffen, das in den üblichen Produktionsfluß bei der Schienenherstellung integriert werden kann, wird alternativ auch dadurch gelöst, daß die nach dem Warmwalzen unter 100° C abgekühlten Schienen kontinuierlich vor dem Einlauf in die Rollenrichtmaschine im Schienensteg auf 100 - 500° C, vorzugsweise um 150 - 350* C, erwärmt werden und nach dem Richten an Luft auf Raumtemperatur abkühlen.The object of the present invention to provide an effective and inexpensive method for reducing the internal stresses of roller-oriented steel rails, which can be integrated into the usual production flow in rail production, is alternatively also achieved in that the rails cooled after hot rolling at 100 ° C continuously Before entering the roller leveler in the rail web, be heated to 100 - 500 ° C, preferably around 150 - 350 * C, and after air straightening, cool to room temperature.

Durch diese Maßnahme ergeben sich im Steg Druckvorspannungen in Höhe der Streckgrenze. Das Rollenrichten kann mit geringeren Kräften erfolgen und führt zu gleichmäßigeren Verformungen über den Schienenquerschnitt. Nach dem Richten gleicht sich die Temperatur des Steges der von Schienenkopf und -fuß an. Die Längszugspannungen in Kopf und Fuß werden abgebaut und können sogar in Druckspannungen umgewandelt werden.This measure results in compressive stresses at the yield point in the web. Roll straightening can be done with lower forces and leads to more uniform deformations across the rail cross-section. After straightening, the temperature of the web adjusts to that of the rail head and foot. The longitudinal tensile stresses in the head and foot are reduced and can even be converted into compressive stresses.

Die Erwärmung des Steges wird bevorzugt induktiv mittels den zu erwärmenden Schienenquerschnitten angepaßter Induktionsspulen vorgenommen, sie kann jedoch auch über Brenner erfolgen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Steg einerseits und Kopf und Fuß andererseits kann in Abhängigkeit von der Leistung der jeweiligen Erwärmungseinrichtung und der Durchlaufgeschwindigkeit der Schienen in der Rollenrichtmaschine in einem Schritt oder in mehreren Schritten bei Einlauf in die Richtmaschine, und auch noch während des Richtens erhalten werden. Durch Veränderung des erwärmten Schienenquerschnittes können die Eigenspannungen mehr oder weniger stark abgebaut oder in Druckspannungen umgewandelt werden. Druckspannungen ergeben sich, wenn über den Steg hinaus der untere Bereich des Schienenkopfes und der obere Bereich des Schienenfußes miterwärmt werden.The web is preferably heated inductively by means of induction coils adapted to the rail cross sections to be heated, but it can also be carried out using a burner. The temperature difference between the web on the one hand and head and foot on the other hand can be obtained in one step or in several steps when entering the straightening machine, depending on the performance of the respective heating device and the throughput speed of the rails, and also during straightening. By changing the heated rail cross-section, the residual stresses can be more or less reduced or converted into compressive stresses. Compressive stresses occur when the lower area of the rail head and the upper area of the rail foot are also heated beyond the web.

Die Wirksamkeit des alternativen erfindungsgemäßen Verfahrens kann am Beispiel einer hochfesten naturharten Schiene UIC 60 in Güte S 1200 mit 1250 N/mm2 Zugfestigkeit verdeutlicht werden. Die Schiene hatte folgende chemische Zusammensetzung (Gewichts-%): 0,75 % C, 0,72 % Si, 1,1 % Mn, 0,95 % Cr, 0,11 % V, 0,018 % S, 0,017 % P, 0,025 % Al. Bei normalem Richten stellen sich auf der Fahrfläche und auf der Fußunterseite Längszugspannungen von 250 bis 260 N/mm2 ein. Beim Richten mit einem um 300' C erwärmten Steg werden die Längszugspannungen auf Werte unter 50 N/mm2 abgesenkt.The effectiveness of the alternative method according to the invention can be illustrated using the example of a high-strength, naturally hard UIC 60 rail in quality S 1200 with a tensile strength of 1250 N / mm 2 . The splint had the following chemical composition (% by weight): 0.75% C, 0.72% Si, 1.1% Mn, 0.95% Cr, 0.11% V, 0.018% S, 0.017% P, 0.025% Al. With normal straightening, longitudinal tensile stresses of 250 to 260 N / mm 2 occur on the driving surface and on the underside of the foot. When straightening with a web heated to 300 ° C, the longitudinal tensile stresses are reduced to values below 50 N / mm 2 .

Das alternative erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls zum Abbau von Eigenspannungen gewalzter Stahlprofile mit einem Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließenden Kopf- und/oder Fußteilen, wie T- bzw. Doppel-T-Träger und dergleichen, angewendet werden.The alternative method according to the invention can also be used to relieve the internal stresses of rolled steel profiles with a web and head and / or foot parts such as T or double T beams and the like, which are connected perpendicular to this web.

Im folgenden wird der alternative Lösungsvorschlag anhand von Zeichnungen näher erläutert.The alternative proposed solution is explained in more detail below with the aid of drawings.

Figur 4 zeigt in maßstäblicher Darstellung das Profil einer Schiene UIC 60 mit einem Kopf 1, einem Steg 2 und einem Fuß 3. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens empfiehlt es sich, nicht nur den Steg 2, sondern weitere Querschnitte zu erwärmen, so den unteren Bereich 1' des Schienenkopfes 1 im Übergang zum Steg 2 und den oberen Bereich 3' des Schienenfußes 3 im Übergang zum Steg 2.FIG. 4 shows a scale representation of the profile of a UIC 60 rail with a head 1, a web 2 and a foot 3. When carrying out the method according to the invention, it is advisable to heat not only the web 2 but also other cross sections, so the lower area 1 'of the rail head 1 in the transition to the web 2 and the upper region 3' of the rail foot 3 in the transition to the web 2.

Die Verbesserung des Eigenspannungszustandes im Schienenquerschnitt verdeutlicht Fig. 5. Bei normalem Richten ergab sich an der untersuchten naturharten Schiene mit 1250 N/mm2 Zugfestigkeit der Verlauf a mit hohen Zugspannungen in Kopf und Fuß. Beim Richten mit Stegerwärmung auf 300° C stellte sich der wesentlich günstigere Verlauf b ein.The improvement in the residual stress state in the rail cross section is shown in FIG. 5. With normal straightening, the course a with high tensile strength was found on the natural hard rail examined with 1250 N / mm 2 tensile strength tensions in head and foot. When straightening with web heating to 300 ° C, the much more favorable curve b was obtained.

Die Verbesserung des Gebrauchsverhaltens dieser Schiene läßt sich am Beispiel von Dauerschwingversuchen mit Ermüdungsanrissen im Schienenfuß 3 belegen. Bei einer Oberspannung von 200 N/mm2 brach die normal gerichtete Schiene mit einem Ermüdungsanriß von c = 1,7 mm TiefeThe improvement in the behavior of this rail can be demonstrated using fatigue tests with fatigue cracks in the rail base 3 as an example. At an upper tension of 200 N / mm 2 , the normally directed rail broke with a fatigue crack of c = 1.7 mm depth

(Fig. 6). Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gerichteten spannungsarmen Schiene erhöht sich die ertragene Rißtiefe auf d = 7 mm (Fig. 7). Figur 6 und Figur 7 sind maßstäblich gezeichnet.(Fig. 6). In the case of the low-tension splint straightened by the method according to the invention, the sustained crack depth increases to d = 7 mm (FIG. 7). Figure 6 and Figure 7 are drawn to scale.

Da Oberflächenfehler dieser Tiefe an Schienen nicht oder nur äußerst selten vorkommen, tritt somit auch bei Schienen, die nach dem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren spannungsarm gerichtet werden, eine wesentliche Verbesserung der Bruchsicherheit ein. Since surface defects of this depth do not occur on rails, or occur only extremely rarely, there is thus a significant improvement in the safety against breakage even in rails which are stress-relieved according to the alternative method according to the invention.

In Figur 8 ist - entsprechend den Ausführungen zu Figur 3 - die Rißzähigkeit des Bauteils Schiene KI über der Rißzähigkeit des Schienenstahls KIc aufgetragen. Der kritische KI-Wert stellt dabei ein Maß für die Bruchsicherheit der Schiene dar. Auch für die eigenspannungsfreie Schiene, die nach dem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren behandelt ist, gruppieren sich die Werte um die 45°-Gerade. Für Schienen mit Eigenspannungen liegt der kritische Kr-Wert dagegen deutlich unterhalb dieser Geraden. Die Bruchsicherheit der erfindungsgemäß gerichteten Schiene ist folglich deutlich höher als diejenigen von normal gerichteten Schienen.In FIG. 8, the fracture toughness of the rail K I component is plotted over the fracture toughness of the rail steel K Ic , in accordance with the explanations relating to FIG. 3. The critical K I value represents a measure of the safety against breakage of the rail. The values are also grouped around the 45 ° straight line for the rail free of internal stress, which is treated according to the alternative method according to the invention. On the other hand, the critical K r value for rails with residual stresses is significantly below this straight line. The fracture resistance of the rail directed according to the invention is consequently significantly higher than that of normally directed rails.

Durch den Abbau der Eigenspannungen wird auch die Dauerschwingfestigkeit des Bauteils Schiene als Träger, also die Gestaltfestigkeit, die ein Maß für die Haltbarkeit eines Bauteils unter Schwingbeanspruchung ist, verbessert. Die Erhöhung der Gestaltfestigkeit liegt in der Größenordnung von 10 bis 20 %.By reducing the internal stresses, the fatigue strength of the rail component as a carrier is also reduced the structural strength, which is a measure of the durability of a component under vibration, is improved. The increase in the structural strength is of the order of 10 to 20%.

Erfindungsgemäß behandelte eigenspannungsarme Schienen können in folgender Weise vorteilhaft eingesetzt werden:

  • - Ohne Veränderung der gegebenen Betriebsbedingungen (gleiche Schienenfestigkeit, gleiches Schienen-Profil, gleiche Achslasten) ergibt sich eine verbesserte Bruchsicherheit und Dauerhaltbarkeit (Gestaltfestigkeit) der Schiene.
  • - Unter Beibehaltung der Bruchsicherheit kann bei gleichem Schienen-Profil und gleicher Schienenfestigkeit die Beanspruchung, d.h., die Achslast, erhöht werden.
Low-stress rails treated according to the invention can advantageously be used in the following manner:
  • - Without changing the given operating conditions (same rail strength, same rail profile, same axle loads), there is an improved break resistance and durability (shape stability) of the rail.
  • - While maintaining the safety against breakage, the stress, ie the axle load, can be increased with the same rail profile and the same rail strength.

Claims (5)

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, dadurch gekennzeichnet , 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.1. Heat treatment process for reducing the internal tensile stresses in the head and foot of roller-oriented rails consisting of an annealing of the rails in the temperature range of 200-700 ° C and a subsequent slow cooling, characterized in that the rails are continuously connected to a heating device with a heating device via a roller table Performance of the heating device at a coordinated speed of between 0.2 m / min and 1 m / s and that only the web of the rails is heated to the annealing temperature and allowed to cool to room temperature after this temperature has been reached. 2. Verfahren zur Herstellung eigenspannungsarmer rollengerichteter Stahlschienen, dadurch gekennzeichnet , daß die nach dem Warmwalzen unter 100° C abgekühlten Schienen kontinuierlich vor dem Einlauf in die Rollenrichtmaschine im Schienensteg auf 100 - 500° C erwärmt werden und nach dem Richten an Luft auf Raumtemperatur abkühlen.2. Process for the production of low-tension roll-oriented steel rails, characterized in that the rails cooled after hot rolling at 100 ° C are continuously heated to 100 - 500 ° C in the rail web before entering the roll straightening machine and cooled to room temperature after straightening in air. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schienensteg um 150 - 350° C erwärmt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the rail web is heated by 150 - 350 ° C. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß über den Schienensteg hinaus der untere Bereich des Schienenkopfes und der obere Bereich des Schienenfußes miterwärmt werden.4. The method according to any one of claims 2 and 3, characterized in that the lower region of the rail head and the upper region of the rail foot are also heated via the rail web. 5. Anwendung der Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 auf gewalzte Stahl-Profile mit einem Steg und sich senkrecht zu diesem Steg anschließenden Kopf- und/oder Fußteilen, wie T- bzw. Doppel-T-Träger.5. Application of the method according to one or more of claims 1 to 4 to rolled steel profiles with a web and head and / or foot parts such as T or double-T girders adjoining this web perpendicular.
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