EP0593000B1 - Schienenstahl - Google Patents

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EP0593000B1
EP0593000B1 EP93116474A EP93116474A EP0593000B1 EP 0593000 B1 EP0593000 B1 EP 0593000B1 EP 93116474 A EP93116474 A EP 93116474A EP 93116474 A EP93116474 A EP 93116474A EP 0593000 B1 EP0593000 B1 EP 0593000B1
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tellurium
rails
sulphur
steels
less
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Wilhelm Heller
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NMH Stahlwerke GmbH
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NMH Stahlwerke GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/902—Metal treatment having portions of differing metallurgical properties or characteristics
    • Y10S148/906—Roller bearing element

Definitions

  • the invention relates to the use of steels for rails, wheel handlebars and rolling railroad stuff like wheel disks, Wheel tires and solid wheels.
  • Such steels are known with different compositions; they must be weldable and, due to the high dynamic loads in the wheel / rail system, require a high yield strength, tensile strength and fatigue strength, break resistance and structural strength.
  • rail steels must have a high resistance to wear due to the high stress caused by friction.
  • the service life of rails is essentially determined by the wear resistance and the initial wear volume in the rail head, given the same mechanical stress. Under otherwise identical conditions, the wear resistance of rails with higher strength increases.
  • the strengths of 1,100 or 1,200 N / mm 2 that can be achieved today are at the expense of toughness, weldability and break resistance.
  • the known steels normally unalloyed or alloyed with small amounts of manganese, chromium, vanadium and molybdenum, are used in the rolled state, ie without heat treatment; they have a pearlitic or ferritic-pearlitic structure which adjusts when cooled in air and are described in "Draft European Rails Standard", Part 1, Edition December 1991 and March 1993 and contain 0.60 to 0.82% carbon, 0.13 to 0.60% silicon, 0.66 to 1.30% manganese, on average 0.02 to 0.03% phosphorus and 0.008 to 0.030% sulfur, the rest iron including impurities.
  • the tensile strength of these steels is at least 800 to 1,130 N / mm 2 .
  • JP-A-62 205 218 also includes steels containing tellurium; thus the US patent 4 404 047 describes in the context of a low-alloy process for heat treatment Steels with 0.042 or 0.045% tellurium without the roll of the tellurium. Furthermore are from the German Offenlegungsschriften 29 37 908, 30 09 491 and 30 18 537 free cutting steels etc. with up to 0.6% carbon, up to 0.5% or up to 2.5% silicon, up to 2.0% manganese, 0.003 up to 0.04% or up to 0.40% sulfur and up to 0.03% tellurium known to also contain significant amounts of alloying agents can contain. The tellurium is used here for improvement cold formability.
  • the invention lies on the basis of this prior art the problem underlying a steel with improved Wear resistance as well as increased tear resistance and Toughness without impairment of weldability to use as rails, wheel handlebars and rolling railway equipment.
  • the solution to this task is based on the knowledge that the transverse properties not only in the case of rail steels, i.e. the technological properties across the rolling direction, a decisive influence on the lifespan exercise. This is based on the finding that under a wear stress material particles in Detach transverse direction, crack formation and crack growth for fatigue damage, for example shelling, in Longitudinal direction, but the fatigue strength is decisive in the transverse direction.
  • the invention shows a way how to deal with simple metallurgical Measures the transverse properties of rail steels can be significantly improved.
  • tellurium is heat resistant
  • the sulfides increase, which increases in the presence of tellurium do not stretch when thermoformed, but their spherical elliptical Maintain shape. Accordingly these sulfides have a much lower notch effect out than with the usual, when hot rolling in Rolling direction stretching sulfides. The consequence of this is not only better wear behavior, but also an improvement in the mechanical transverse properties, without the suitability for welding suffering.
  • the low sulfur content comes next to that a special effect of tellurium on the sulfides Importance as when the wear resistance decreasing sulfur content significantly improved.
  • the sulfur content was increased from usually about 0.022 to 0.052% for a rail steel of quality 900A.
  • the composition of the standard steel 900A is shown in Table I below.
  • the rails in question were laid in a curve with a radius of 570m. After a load of approximately 92 x 10 6 t, the edge wear was measured; it was 3.5mm for the rails made of quality 900A with the usual sulfur content and 6mm for quality 900A with the above-mentioned increased sulfur content.
  • the accompanying diagram in FIG. 1 contains an evaluation of the test results.
  • the thickly drawn arrow line and point A illustrate the curve wear depending on the tensile strength in the strength range from 700 to 1,350 N / mm 2 for radii from 300 to 350 m from previous studies.
  • the point entered in the diagram in FIG. 1 on the dashed straight line is representative of the usual rail steel 900A, while the cross shows the position of the test steel with the sulfur content increased to 0.052%.
  • the thinly drawn, vertical line indicates the wear of the test curve mentioned above. This wear behavior corresponds to rail steel quality 700 with its usual sulfur content.
  • the wear resistance can be increased by 50% and more with the addition of tellurium.
  • the specific surface wear was 200 mm 2 for a track curve with a curve radius of 350 m per 100 ⁇ 10 6 t load, but only 120 mm 2 for a tellurium-containing steel.
  • Table III shows how the mechanical properties can be improved with the help of a limitation of the sulfur content and additionally with a tellurium addition of only 0.002%. This is particularly evident in the transverse properties and the elongation and contraction at break, which are of particular importance in view of the relatively high tensile strength.
  • the steel in any case has better transverse properties, in particular better tear strength, elongation at break and constriction and accordingly an increased resistance to longitudinal cracks in the rail web.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Stählen für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug wie Radscheiben, Radreifen und Vollräder.
Derartige Stähle sind mit unterschiedlicher Zusammensetzung bekannt; sie müssen schweißbar sein und erfordern infolge der hohen dynamischen Beanspruchung im System Rad/Schiene eine hohe Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dauerschwingfestigkeit, Bruchsicherheit und Gestaltfestigkeit. Darüber hinaus müssen Schienenstähle infolge der starken Beanspruchung durch Reibung einen hohen Verschleißwiderstand besitzen. Die Lebensdauer beispielsweise von Schienen wird bei gleicher mechanischer Beanspruchung im wesentlichen bestimmt durch den Verschleißwiderstand und das im Schienenkopf anfänglich vorhandene Verschleißvolumen. Unter sonst gleichen Bedingungen nimmt der Verschleißwiderstand von Schienen mit höherer Festigkeit zu. Die heute erreichbaren Festigkeiten von 1.100 oder auch 1.200 N/mm2 gehen jedoch zu Lasten der Zähigkeit, Schweißeignung und Bruchsicherheit.
Die bekannten, normalerweise unlegierten oder allenfalls mit geringen Mengen an Mangan, Chrom, Vanadium und Molybdän legierten Stähle kommen im Walzzustand, d.h. ohne Wärmebehandlung zur Verwendung; sie besitzen ein beim Abkühlen an Luft einstellendes perlitisches oder ferritisch-perlitisches Gefüge und sind in "Draft European Rails Standard", Teil 1, Ausgabe Dezember 1991 und März 1993 beschrieben und enthalten 0,60 bis 0,82% Kohlenstoff, 0,13 bis 0,60% Silizium, 0,66 bis 1,30% Mangan, im Mittel 0,02 bis 0,03% Phosphor und 0,008 bis 0,030% Schwefel, Rest Eisen einschließlich Verunreinigungen. Die Zugfestigkeit dieser Stähle liegt bei mindestens 800 bis 1.130 N/mm2.
Zum Stande der Technik z.B. JP-A-62 205 218 gehören auch tellurhaltige Stähle; so beschreibt die US-Patentschrift 4 404 047 im Rahmen eines Verfahrens zur Wärmebehandlung niedriglegierte Stähle mit 0,042 bzw. 0,045% Tellur, ohne daß die Rolle des Tellurs deutlich wird. Des weiteren sind aus den deutschen Offenlegungsschriften 29 37 908, 30 09 491 und 30 18 537 Automatenstähle u.a. mit bis 0,6% Kohlenstoff, bis 0,5% oder bis 2,5% Silizium, bis 2,0% Mangan, 0,003 bis 0,04% oder bis 0,40% Schwefel und bis 0,03% Tellur bekannt, die auch erhebliche Mengen an Legierungsmitteln enthalten können. Das Tellur dient hier zur Verbesserung der Kaltverformbarkeit.
Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Stahl mit verbessertem Verschleißwiderstand sowie erhöhter Reißfestigkeit und Zähigkeit ohne Beeinträchtigung Schweißeignung als Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug zu Verwenden.
Die Lösung dieser Aufgabe geht von der Erkenntnis aus, daß nicht nur bei Schienenstählen die Quereigenschaften, d.h. die technologischen Eigenschaften quer zur Walzrichtung, einen entscheidenden Einfluß auf die Lebensdauer ausüben. Dem liegt die Feststellung zugrunde, daß sich unter einer Verschleißbeanspruchung Materialpartikel in Querrichtung ablösen, die Rißbildung und das Rißwachstum bei Ermüdungsschäden, beispielsweise Shelling, zwar in Längsrichtung verläuft, dafür aber die Dauerschwingfestigkeit in Querrichtung maßgebend ist.
Es ist zwar bekannt, daß die Werkstoffeigenschaften bei Schienenstählen zum Teil von der Probenlage in bezug auf die Walzrichtung abhängig sind. Dies gilt jedoch nicht für die Zugfestigkeit; die Streckgrenze ist hingegen quer zur Walzrichtung etwas höher, während die Dehnung in der Querrichtung etwa 50 bis 60% und die Brucheinschnürung etwa 65 bis 75% geringer sind als in Walzrichtung.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Quereigenschaften von Schienenstählen zu verbessern. Diese Versuche haben jedoch nicht zum Erfolg geführt.
Die Erfindung zeigt einen Weg, wie sich mit einfachen metallurgischen Maßnahmen die Quereigenschaften von Schienenstählen wesentlich verbessern lassen.
So haben Versuche gezeigt, daß Tellur die Warmfestikeit der Sulfide erhöht, die sich in Anwesenheit von Tellur beim Warmverformen nicht strecken, sondern ihre kugeligelliptische Form im wesentlichen beibehalten. Demgemäß geht von diesen Sulfiden eine weitaus geringere Kerbwirkung aus als bei den üblichen, sich beim Warmwalzen in Walzrichtung streckenden Sulfiden. Die Folge davon ist nicht nur ein besseres Verschleißverhalten, sondern auch eine Verbesserung der mechanischen Quereigenschaften, ohne daß dadurch die Schweißeignung leidet.
Die Wirkung des Tellurs zeigt sich bei allen bekannten Schienenqualitäten, gleichviel ob deren Gefüge ferritisch-perlitisch, perlitisch, feinperlitisch, vergütet oder bainitisch ist.
Den niedrigen Schwefelgehalt kommt insofern neben der günstigen Wirkung des Tellurs auf die Sulfide eine besondere Bedeutung zu, als sich der Verschleißwiderstand mit abnehmendem Schwefelgehalt wesentlich verbessert.
Um die negative Wirkung des Schwefels auf die Zugfestigkeit in Querrichtung zu veranschaulichen, wurde bei einem Schienenstahl der Qualität 900A der Schwefelgehalt von üblicherweise etwa 0,022 auf 0,052% erhöht. Die Zusammensetzung des Normstahls 900A ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle I. Die betreffenden Schienen wurden in einer Kurve mit einem Radius von 570m verlegt. Nach einer Belastung von etwa 92 x 106 t wurde der Kantenverschleiß gemessen; er betrug bei den Schienen aus der Qualität 900A mit üblichem Schwefelgehalt 3,5mm und bei der Qualität 900A mit dem vorerwähnten erhöhten Schwefelgehalt 6mm.
C Si Mn P S Al Cr Ni Mo Cu N
700 0,473 0,25 0,90 0,013 0,021 0,002 0,16 0,05 0,03 0,08 0,0062
800 0,541 0,16 1,07 0,011 0,002 0,002 0,09 0,04 0,03 0,07 0,0050
900A 0,678 0,23 1,20 0,019 0,019 0,002 0,18 0,05 0,04 0,07 0,0050
Gehalte in %
Das beiliegende Diagramm der Fig. 1 enthält eine Auswertung der Versuchsergebnisse. Dabei veranschaulichen die dick ausgezogene Pfeillinie und der Punkt A den Kurvenverschleiß in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit im Festigkeitsbereich von 700 bis 1.350 N/mm2 für Radien von 300 bis 350 m aus früheren Untersuchungen. Der im Diagramm der Fig. 1 eingetragene Punkt auf der gestrichelten Geraden ist repräsentativ für den üblichen Schienenstahl 900A, während das Kreuz die Lage des Versuchsstahls mit dem auf 0,052% erhöhten Schwefelgehalt wiedergibt. Die dünn eingezeichnete, vertikal verlaufende Linie kennzeichnet den Verschleiß der oben erwähnten Versuchskurve. Dieses Verschleißverhalten entspricht der Schienenstahlqualität 700 mit ihrem üblichen Schwefelgehalt.
Um nun den günstigen Einfluß geringer Tellurgehalte nachzuweisen, wurden weitere Versuche mit den herkömmlichen Schienenstählen 900A, 900A mit Tellur, 800 mit Tellur und 700 durchgeführt. In der nachfolgenden Tabelle II sind die Eigenschaften von Längs- und Querproben der beiden erfindungsgemäßen tellurhaltigen Schienenstähle und der beiden Vergleichsstähle zusammengestellt. Eine graphische Darstellung des jeweiligen Verhältnisses der Quer- zu den Längseigenschaften gibt das Diagramm der Fig. 2 wieder.
Figure 00060001
Daraus ergibt sich, daß der Tellurzusatz die Quer-Zugfestigkeit Rm im Vergleich zu den Werten in Längsrichtung praktisch nicht beeinflußt, während sich die Quer-Streckgrenze Rp 0,2 geringfügig erhöht. Das Verhältnis der Reißfestigkeit in Quer- und in Längsrichtung erhöht sich von 0,88 bei den tellurfreien Vergleichsstählen auf 0,95 bei den tellurhaltigen Stählen, während sich die Bruchdehnung bei den 900-Stählen von 0,57 auf 0,91 und die Brucheinschnürung von 0,38 auf 0,74 erhöht.
Insgesamt hat sich bei Vergleichsversuchen gezeigt, daß sich der Verschleißwiderstand mit Hilfe des Tellurzusatzes um 50% und mehr erhöhen läßt. So betrug bei dem herkömmlichen Schienenstahl 900A der spezifische Flächenverschleiß bei einem Gleisbogen mit einem Kurvenradius von 350m je 100 x 106 t Belastung 200 mm2, bei einem erfindungsgemäßen tellurhaltigen Stahl hingegen nur 120 mm2.
Insoweit läßt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch mit einer Begrenzung des Schwefelgehalts auf unter 0,007% erreichen, wenngleich nicht in dem Maße wie bei einem erfindungsgemäßen Stahl mit bis 0,004% Tellur.
Die nachfolgende Tabelle III zeigt, wie sich die mechanischen Eigenschaften mit Hilfe einer Begrenzung des Schwefelgehalts und zusätzlich mit einem Tellurzusatz von nur 0,002% verbessern lassen. Dies zeigt sich insbesondere an den Quereigenschaften sowie der Bruchdehnung und -einschnürung, denen angesichts der verhältnismäßig hohen Zugfestigkeit eine besondere Bedeutung zukommt.
Figure 00080001
Insgesamt zeigen die Versuche, daß sich der Verschleißwiderstand ohne eine Erhöhung der Zugfestigkeit in Längsrichtung wesentlich erhöhen läßt. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die Schweißbarkeit und die Zähigkeit nicht beeinträchtigt werden; denn eine Erhöhung der Festigkeit zur Verbesserung des Verschleißverhaltens wäre mit einer Beeinträchtigung der Schweißbarkeit und der Zähigkeit verbunden.
Andererseits läßt sich aber auch umgekehrt unter Beibehaltung des Verschleißwiderstandes die Festigkeit absenken, was mit dem Vorteil eines geringeren Gehaltes an Kohlenstoff und Legierungselementen sowie einer damit verbundenen Verbesserung der Schweißbarkeit und der Bruchsicherheit verbunden ist.
Unabhängig von den beiden vorerwähnten Möglichkeiten, die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls gezielt einzustellen, besitzt der Stahl in jedem Falle bessere Quereigenschaften, insbesondere eine bessere Reißfestigkeit, Bruchdehnung und Brucheinschnürung und demgemäß einen erhöhten Widerstand gegen Längsrisse im Schienensteg. Hinzu kommt eine um etwa 20% höhere Dauerschwingfestigkeit in Querrichtung und der daraus resultierende höhere Widerstand gegen Ermüdungsschäden, der sich sonst nur durch eine Erhöhung der Zugfestigkeit um 20 N/mm2 erreichen läßt.

Claims (8)

  1. Verwendung eines Stahls, bestehend aus bis 0,82% Kohlenstoff, bis 0,004% Tellur und bis 0,007% Schwefel bei einem Verhältnis Tellur/Schwefel von 0,1 bis 0,6 sowie fakultativ 0,10 bis 0,50% Silizium, 1,30 bis 1,70% Mangan, 0,01 bis 0,025% oder unter 0,004% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug.
  2. Verwendung eines Stahls, bestehend aus 0,6 bis 0,8% Kohlenstoff, bis 0,004% Tellur und bis 0,007% Schwefel bei einem Verhältnis von Tellur/Schwefel von 0,1 bis 0,6, bis 0,50% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan und höchstens 0,05% Phosphor und fakultativ 0,01 bis 0,025% oder unter 0,004% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug.
  3. Verwendung eines Stahls, bestehend aus 0,5 bis 0,75% Kohlenstoff, bis 0,004% Tellur und bis 0,007% Schwefel bei einem Verhältnis von Tellur/Schwefel von 0,1 bis 0,6, 0,10 bis 0,50% Silizium, 1,30 bis 1,70% Mangan und höchstens 0,05% Phosphor und fakultativ 0,01 bis 0,025% oder unter 0,004% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug.
  4. Verwendung eines Stahls, bestehend aus 0,60 bis 0,80% Kohlenstoff, bis 0,004% Tellur und bis 0,007% Schwefel bei einem Verhältnis von Tellur/Schwefel von 0,1 bis 0,6, 0,60 bis 1,20% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, höchstens 0,030% Phosphor und 0,70 bis 1,20% Chrom und fakultativ 0,01 bis 0,025% oder unter 0,004% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug.
  5. Verwendung eines Stahls, bestehend aus 0,70 bis 0,80% Kohlenstoff, bis 0,004% Tellur und bis 0,007% Schwefel bei einem Verhältnis von Tellur/Schwefel von 0,1 bis 0,6, 0,80 bis 1,20% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, höchstens 0,030% Phosphor, 0,80 bis 1,20% Chrom, bis 0,25% Titan und/oder Vanadium und fakultativ 0,01 bis 0,025% oder unter 0,004% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug.
  6. Verwendung eines Stahls, bestehend aus 0,53 bis 0,62% Kohlenstoff, bis 0,004% Tellur und bis 0,007% Schwefel bei einem Verhältnis von Tellur/Schwefel von 0,1 bis 0,6, 0,65 bis 1,1% Mangan, 0,8 bis 1,3% Chrom, 0,1 bis 0,6% Silizium, je 0,05 bis 0,11% Molybdän und Vanadium sowie unter 0,02% Phosphor und fakultativ 0,01 bis 0,025% oder unter 0,004% Aluminium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Werkstoff für Schienen, Radlenker und rollendes Eisenbahnzeug.
  7. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 mit höchstens 0,05% Phosphor.
  8. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit unter 0,0015% Sauerstoff.
EP93116474A 1992-10-15 1993-10-12 Schienenstahl Expired - Lifetime EP0593000B1 (de)

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