EP0849368A1 - Shaped rolled product and method of making the same - Google Patents

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EP0849368A1
EP0849368A1 EP97890249A EP97890249A EP0849368A1 EP 0849368 A1 EP0849368 A1 EP 0849368A1 EP 97890249 A EP97890249 A EP 97890249A EP 97890249 A EP97890249 A EP 97890249A EP 0849368 A1 EP0849368 A1 EP 0849368A1
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EP
European Patent Office
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alloy
rolling stock
iron
cooling
rail
Prior art date
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EP97890249A
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German (de)
French (fr)
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EP0849368B1 (en
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Albin Dr. Jöller
Peter Dr. Pointner
Herbert-Adolf Dipl.-Ing. Schiffer
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.)
Voestalpine Rail Technology GmbH
Original Assignee
Voestalpine Schienen GmbH
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Application filed by Voestalpine Schienen GmbH filed Critical Voestalpine Schienen GmbH
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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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening
    • 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
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the invention relates to a profiled rolling stock, in particular driving or Railway rail, made of an iron-based alloy containing carbon, silicon, Manganese, possibly chromium, special carbide-forming and that Conversion behavior of the material influencing elements and / or Micro alloy additives, remainder iron and manufacturing-related and usual Contamination with at least partially through the cross section accelerated cooling from the austenite area of the alloy Structure.
  • the invention further comprises a method for producing profiled Rolled material, in particular from running or railroad tracks, from one Iron-based alloy with at least partially through the cross section accelerated cooling from the austenite area of the alloy Microstructure, with at least parts of the surface of the rolling stock with coolant applied or introduced into this.
  • Rolled material can be of various types as a component, depending on the respective use be loaded, due to the general material properties in the highest individual stress is the dimensioning of the part demands and / or determines its durability. Technically and also economically it can be an advantage if the property profile of the component matches the Requirements adapted to this or, if corresponding to the pronounced Individual loads on the part of this specifically particularly high Has material properties.
  • the rails should have high wear resistance in the head area or on the surface supporting the wheels and on the other hand, the Bending stress in the track because of high toughness, strength and Have breakage resistance in the remaining cross-sectional area.
  • AT-399346 -B is a process for meeting these requirements known in which the rail head from the austenite area of the alloy in a coolant having a synthetic coolant additive up to one Submerged surface temperature between 450 ° C and 550 ° C and then is applied, which results in a fine pearlitic structure with increased Material hardness is formed.
  • EP 441166-A discloses a device which is simple to immerse the Rail head into a plunge pool containing a coolant.
  • Another method for forming a stable pearlite structure in rails is from EP-186373 -B1, in which method essentially a nozzle arrangement for a coolant for accelerated cooling of the rail used and the distance between the nozzle arrangement and the rail head in Dependence on the hardness value to be achieved for the rail head and the Carbon equivalent of the steel is set.
  • a method and an apparatus for performing the method for The heat treatment of profiled rolling stock, in particular of rails is the EP-693562-A, in particular in the rail head fine pearlitic structure with increased hardness and abrasion resistance is formed.
  • a Another method for creating a fine pearlitic structure in the Head area of the rail is disclosed in EP-293002. The Rail head cooled by hot water jets up to 420 ° C and then treated with an air stream.
  • a splint with high wear resistance on the head and high break resistance in the According to EP-136613-A or DE-33 36 006-A, foot is achieved by a method, in which the rail after rolling and cooling in air at 810 to 890 Austenitized and then accelerated cooling. The Cooling in such a way that a fine pearlitic structure in the area of the head and in A martensitic structure is created in the area of the foot, which subsequently is started.
  • a rolling stock with advantageous mechanical properties preferably a track or rail with high abrasion resistance, especially the Head, and high toughness of the remaining areas is according to the State of the art in setting a fine pearlitic structure and an intermediate stage structure or bainite structure, possibly with martensite components, to avoid.
  • a carbide-free bainitic steel with high abrasion resistance and improved Resistance to contact fatigue has become known from WO 96/22396.
  • high silicon and / or aluminum contents of 1.0 to 3.0% by weight in one low-alloyed - 0.05 to 0.5% by weight of carbon and 0.5 to 2.5% by weight
  • Steel containing manganese and 0.25 to 2.5% by weight of chromium is said to be in the rolling stock by continuously cooling from the rolling temperature a substantially carbide-free microstructure of the type "upper bainite", that is a mixed structure bainitic ferrite, residual austenite and high carbon martensite will.
  • upper bainite that is a mixed structure bainitic ferrite
  • residual austenite and high carbon martensite will be formed Fold martensite and / or a so-called deforming martensite, whereby the risk of crack initiation is increased at the phase boundaries.
  • the invention seeks to remedy the problem and aims to create a high profile Rolled stock, especially a rail, with an optimal combination of high Abrasion resistance or high wear resistance with increased toughness and Specify material hardness and resistance to contact fatigue.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that how was found, a rolling stock with a structure corresponding to one Conversion in the lower intermediate stage significantly improved mechanical Has properties.
  • the prerequisites for this are strictly limited Silicon and / or aluminum content of the material. Higher silicon and / or Aluminum concentrations act in low-alloy iron-based materials strangling on the gamma area in the state of the substance system, so that a largely complete transformation of the structure of austenite in the area of lower intermediate stage only with contents of silicon in% by weight of MAX 0.93 and Aluminum of MAX 0.06 and silicon plus aluminum below 0.99 is made possible.
  • the iron-based alloy essentially contains the elements in% by weight of carbon 0.41 to 1.3, preferably 0.51 to 0.98 Manganese 0.31 to 2.55, preferably 0.91 to 1.95 Iron as the rest.
  • the mechanical property values of the rolling stock can be further increased or improved if the iron-based alloy also contains the elements in% by weight chromium 0.21 to 2.45, preferably 0.38 to 1.95 possibly Molybdenum up to 0.88, preferably up to 0.49 Tungsten up to 1.69, preferably up to 0.95 Vanadium up to 0.39, preferably up to 0.19, further Niobium and / or tantalum and / or zircon and / or hafnium and / or titanium individually or in total up to 0.28, preferably up to 0.19, and Nickel up to 2.4, preferably up to 0.95 Boron to 0.006, preferably 0.004 having.
  • the iron-based alloy has the elements silicon, aluminum and carbon in such concentrations that the value formed from 2.75 times% silicon and / or aluminum minus% carbon is equal to or less than 2.2.
  • the strongly ferrite-forming elements, Si and Al, and the effective austenite-forming element C are advantageously kinetically assigned to one another or matched to one another.
  • a profiled rolling stock in particular railroad track consisting of a rail head, a rail foot and a connecting these areas Web, in which at least in a region of the cross section, in particular in the Head of the rail in the lower intermediate stage or in the lower bainite range formed structure a depth of at least 10 mm, preferably of at least 15 mm from the surface can also be particularly high load-bearing surface areas provide outstanding stability.
  • the profiled rolling stock in or in the area (s) with a lower intermediate stage or lower bainite structure a hardness of at least 350 HB, preferably of has at least 400 HB, in particular from 420 to 600 HB.
  • the further object of the invention is in a method of the aforementioned Kind solved in that the composition of the alloy within narrow limits selected their conversion behavior when cooling from the area of face - centered cubic atomic structure or from the austenite area and the rolling stock is produced from the selected alloy, after which in Longitudinal direction at least parts of the cross section of the rolling stock from the Austenite area to a temperature between the martensite point of the alloy and one by a maximum of 250 ° C, preferably by a maximum of 190 ° C, value exceeding, in particular to a temperature in the range of 5 ° C to Cooled to 110 ° C above the martensite point and the structure in essentially isothermally converted.
  • the advantages achieved with the method according to the invention are essentially to see that a precise manufacturing and quality planning for the profiled Rolled stock can be created, taking into account its mechanical properties are significantly improved.
  • it can be an inexpensive chemical Alloy composition, which at most the required property profile of the product, can be selected, on the other hand it is possible to accurate comprehensive generation and heat treatment technology prescribe or apply. This is important because of the conversion processes when cooling from the austenite area of the alloy not only from the The composition of the same also from the height of the final rolling and / or Austenitizing temperature, the germ state and the Nucleation speed for phases or the flip mechanism depend.
  • the invention Configurable temperature control On the basis of the respective conversion behavior or Martensite start temperature of the material for one in practical production given or adjustable state, is the invention Configurable temperature control.
  • Transformation of the structure essentially isothermal in a temperature range at most PLUS-MINUS 110 ° C, preferably at most PLUS-MINUS 60 ° C.
  • At least part of the cross section of the profiled rolling stock with increased mass concentration of an accelerated Cooling is subjected to a favorable uniform cooling based on the longitudinal axis of the rolling stock can be reached.
  • the uniformity of the cooling over the cross section can further, in particular with rail profiles, be improved if the rolling stock in a first step fully immersed in a coolant after reaching one Temperature of a surface area of at least 2 ° C, but especially about 160 ° C above the martensite point of the alloy from the coolant at least partially spread and in a second step only the area with If necessary, leave the high mass concentration temporarily in the immersion bath or in this is brought in temporarily.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously if railway tracks, especially for high-performance lines, with high Abrasion resistance or high wear resistance, high toughness and low Contact fatigue can be produced with a high specific load, whereby after the rolling and at least partial thermal adjustment of a structure lower intermediate stage a subsequent straightening process, in particular Bending straightening process at room temperature or slightly elevated temperature, for Preservation of the special material properties with stable alignment of the Rail is performed.
  • a rolling stock with an essentially H-shaped profile should be produced with a hardness between 550 and 600 HV and the highest possible toughness.
  • Dilatometer testing was used to create continuous time-temperature conversion diagrams (cont. ZTU diagrams) at austenitizing temperatures of 860 ° C (Fig. 1); 950 ° C; and 1050 ° C (Fig.
  • Samples of the aforementioned alloy which are at a temperature of 860 ° C (Fig. 3) accelerated cooled and according to the invention between 350 ° C and 300 ° C ( see arrow), i.e. 155 ° C or 105 ° C above the martensite point were reproducibly produced a material hardness of 550 to 600 HV, a homogeneous structure of the lower intermediate stage and significantly increased Material toughness values.
  • the rail cooled in this way was then placed in an oven or a Warming chamber with a temperature in the range of 340 ° C, allowed to convert and subsequently cooled to room temperature.

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Abstract

A rolled profile, especially a road or railway rail, consists of an iron alloy which contains C, Si, Mn, optionally Cr, special carbide forming and transformation modifying elements and/or micro-alloying additions, balance Fe and impurities and which has a structure formed by accelerated cooling from the austenitic region. The novelty is that the iron alloy has a Si content of NOTGREATER 0.93 (preferably 0.21-0.69) wt.%, an Al content of NOTGREATER 0.06 (preferably less than 0.03) wt.%, a total Si + Al content of less than 0.99 wt.% and, over at least parts of its cross-section along its length, a structure formed by isothermal transformation of austenite in the lower intermediate phase or lower bainitic region. Preferably, the iron alloy contains (by wt.) 0.41-1.3 (preferably 0.51-0.98) % C, 0.31-2.55 (preferably 0.91-1.95) % Mn and balance Fe, preferably with addition of 0.21-2.45 (preferably 0.38-1.95) % Cr and optionally up to 0.88 (preferably up to 0.49) % Mo, up to 1.69 (preferably up to 0. 95) % W, up to 0.39 (preferably up to 0.19) % V, up to 0.28 (preferably up to 0.19) % total of Nb, Ta, Zr, Hf and/or Ti, up to 2.4 (preferably up to 0.95) % Ni and up to 0.006 (preferably up to 0.004) % B. Also claimed is production of the above rolled profile, in which (a) the alloy composition is chosen within narrow limits which determine the transformation behaviour on cooling from the f.c.c. structure or austenitic region; and (b) the rolled profile, produced from the alloy, is cooled to between the martensite point and a temperature NOTGREATER 250 (preferably NOTGREATER 190, especially 5-110) degrees C above the martensite point and then allowed to transform isothermally.

Description

Die Erfindung betrifft ein profiliertes Walzgut, insbesondere Fahr- oder Eisenbahnschiene, aus einer Eisenbasislegierung enthaltend Kohlenstoff, Silizium, Mangan, gegebenenfalls Chrom, sonderkarbidbildende sowie das Umwandlungsverhalten des Werkstoffes beeinflussende Elemente undloder Mikrolegierungszusätze, Rest Eisen und herstellungsbedingte sowie übliche Verunreinigungen, mit über den Querschnitt zumindest teilweise durch beschleunigte Abkühlung aus dem Austenitgebiet der Legierung gebildeter Gefügestruktur.The invention relates to a profiled rolling stock, in particular driving or Railway rail, made of an iron-based alloy containing carbon, silicon, Manganese, possibly chromium, special carbide-forming and that Conversion behavior of the material influencing elements and / or Micro alloy additives, remainder iron and manufacturing-related and usual Contamination with at least partially through the cross section accelerated cooling from the austenite area of the alloy Structure.

Weiters umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von profiliertem Walzgut, insbesondere von Fahr- oder Eisenbahnschienen, aus einer Eisenbasislegierung mit über den Querschnitt zumindest teilweise durch beschleunigte Abkühlung aus dem Austenitgebiet der Legierung gebildeter Gefügestruktur, wobei zumindest Teile der Oberfläche des Walzgutes mit Kühlmittel beaufschlagt oder in dieses eingebracht werden.The invention further comprises a method for producing profiled Rolled material, in particular from running or railroad tracks, from one Iron-based alloy with at least partially through the cross section accelerated cooling from the austenite area of the alloy Microstructure, with at least parts of the surface of the rolling stock with coolant applied or introduced into this.

Walzgut kann als Bauteil entsprechend der jeweiligen Verwendung verschiedenartig belastet sein, wobei auf Grund der allgemeinen Materialeigenschaften im wesentlichen die höchste Einzelbeanspruchung die Dimensionierung des Teiles fordert und/oder dessen Haltbarkeit bestimmt. Technisch und auch wirtschaftlich kann es dafür von Vorteil sein, wenn das Eigenschaftsprofil des Bauteiles an die Anforderungen an diesen angepaßt ist bzw., wenn entsprechend den ausgeprägten Einzelbelastungen an den Teil dieser spezifisch besonders hohe Werkstoffkennwerte aufweist.Rolled material can be of various types as a component, depending on the respective use be loaded, due to the general material properties in the highest individual stress is the dimensioning of the part demands and / or determines its durability. Technically and also economically it can be an advantage if the property profile of the component matches the Requirements adapted to this or, if corresponding to the pronounced Individual loads on the part of this specifically particularly high Has material properties.

Am Beispiel von Fahr- oder Eisenbahnschienen kann eine vielschichtige Materialbelastung deutlich erkannt werden. Für den schienengebundenen Verkehr sollen die Schienen einerseits einen hohen Verschleißwiderstand im Kopfbereich bzw. an der die Räder tragenden Oberfläche haben und andererseits, der Biegebeanspruchung im Gleis wegen, hohe Zähigkeit, Festigkeit und Bruchsicherheit im übrigen Querschnittsbereich aufweisen. Using the example of rail or railroad tracks, a multi-layered Material load can be clearly recognized. For rail-bound traffic On the one hand, the rails should have high wear resistance in the head area or on the surface supporting the wheels and on the other hand, the Bending stress in the track because of high toughness, strength and Have breakage resistance in the remaining cross-sectional area.

Um die Gebrauchseigenschaften der Schienen bei steigendem Verkehrsaufkommen und immer größeren Achslasten zu verbessem, wurden eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht, deren Kopfhärte zu erhöhen.The usage properties of the rails with increasing traffic and to improve ever larger axle loads, a variety of Made suggestions to increase their head hardness.

Aus der AT- 399346 -B ist zur Erfüllung dieser Erfordernisse ein Verfahren bekannt, bei welchem der Schienenkopf aus dem Austenitgebiet der Legierung in einem einen synthetischen Kühlmittelzusatz aufweisenden Kühlmittel bis zu einer Oberflächentemperatur zwischen 450°C und 550°C eingetaucht und anschließend ausgebracht wird, wodurch im Kopfbereich ein feinperlitisches Gefüge mit erhöhter Materialhärte gebildet wird. Zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß EP 441166-A eine Vorrichtung offenbart, die auf einfache Weise ein Eintauchen des Schienenkopfes in ein eine Kühlflüssigkeit beinhaltendes Tauchbecken ermöglicht.AT-399346 -B is a process for meeting these requirements known in which the rail head from the austenite area of the alloy in a coolant having a synthetic coolant additive up to one Submerged surface temperature between 450 ° C and 550 ° C and then is applied, which results in a fine pearlitic structure with increased Material hardness is formed. According to EP 441166-A discloses a device which is simple to immerse the Rail head into a plunge pool containing a coolant.

Ein weiteres Verfahren zur Ausbildung einer stabilen Perlitstruktur in Schienen ist aus der EP-186373 -B1 bekannt geworden, bei welchem Verfahren im wesentlichen eine Düsenanordnung für ein Kühlmittel zur beschleunigten Abkühlung der Schiene verwendet und der Abstand zwischen Düsenanordnung und Schienenkopf in Abhängigkeit von dem für den Schienenkopf zu erzielenden Härtewert und dem Kohlenstoffäquivalent des Stahles eingestellt wird.Another method for forming a stable pearlite structure in rails is from EP-186373 -B1, in which method essentially a nozzle arrangement for a coolant for accelerated cooling of the rail used and the distance between the nozzle arrangement and the rail head in Dependence on the hardness value to be achieved for the rail head and the Carbon equivalent of the steel is set.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Wärmebehandlung von profiliertem Walzgut, insbesondere von Schienen, ist der EP-693562-A zu entnehmen, wobei insbesondere im Schienenkopf ein feinperlitisches Gefüge mit erhöhter Härte und Abriebfertigkeit gebildet wird. Ein weiteres Verfahren zur Erstellung einer feinperlitischen Gefügeausbildung im Kopfbereich der Schiene ist in der EP-293002 offenbart. Dabei wird der Schienenkopf durch Heißwasserstrahlen bis 420 °C abgekühlt und anschließend mittels eines Luftstromes behandelt.A method and an apparatus for performing the method for The heat treatment of profiled rolling stock, in particular of rails, is the EP-693562-A, in particular in the rail head fine pearlitic structure with increased hardness and abrasion resistance is formed. A Another method for creating a fine pearlitic structure in the Head area of the rail is disclosed in EP-293002. The Rail head cooled by hot water jets up to 420 ° C and then treated with an air stream.

Aus der EP -358362-A ist ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem der Schienenkopf aus dem Austenitgebiet der Legierung mit hoher Intensität und der Maßgabe abgekühlt wird, daß die Oberflächentemperatur über dem Martensitpunkt verbleibt. Nach einem Erreichen einer gewählten Temperatur erfolgt eine Begrenzung der Kühlwirkung, so daß eine vollständige isotherme Umwandlung in der unteren Perlitstufe und zwar Austenit- feiner Perlit abläuft. Entsprechend der chemischen Zusammensetzung des Stahles soll diese Gefügeänderung ohne Bainitbildung erfolgen.From EP-358362-A a method has become known in which the Rail head from the austenite area of the alloy with high intensity and the Provided that the surface temperature is above the martensite point remains. After reaching a selected temperature, a Limitation of the cooling effect so that a complete isothermal conversion into the lower pearlite stage, namely austenite-fine pearlite. This should correspond to the chemical composition of the steel Structural changes take place without bainite formation.

Eine Schiene mit hoher Verschleißfestigkeit am Kopf und hoher Bruchsicherheit im Fuß wird gemäß EP-136613-A bzw. DE- 33 36 006-A durch ein Verfahren erreicht, bei welchem die Schiene nach dem Walzen und Abkühlen an Luft bei 810 bis 890 °C austenitisiert und anschließend beschleunigt abgekühlt wird. Dabei erfolgt die Abkühlung derart, daß im Bereich des Kopfes ein feinperlitisches Gefüge und im Bereich des Fußes ein martensitisches Gefüge entsteht, das anschließend angelassen wird.A splint with high wear resistance on the head and high break resistance in the According to EP-136613-A or DE-33 36 006-A, foot is achieved by a method, in which the rail after rolling and cooling in air at 810 to 890 Austenitized and then accelerated cooling. The Cooling in such a way that a fine pearlitic structure in the area of the head and in A martensitic structure is created in the area of the foot, which subsequently is started.

Um nun ein Walzgut mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, vorzugsweise eine Fahr- oder Eisenbahnschiene mit hoher Abriebfestigkeit , insbesondere des Kopfes, und hoher Zähigkeit der übrigen Bereiche zu erreichen, ist gemäß dem Stand der Technik im Werkstoff eine feinperlitische Gefügestruktur einzustellen und ein Zwischenstufengefüge bzw. Bainitgefüge, gegebenenfalls mit Martensitanteilen, zu vermeiden.In order now a rolling stock with advantageous mechanical properties, preferably a track or rail with high abrasion resistance, especially the Head, and high toughness of the remaining areas is according to the State of the art in setting a fine pearlitic structure and an intermediate stage structure or bainite structure, possibly with martensite components, to avoid.

Vorgesagtes ist auch wissenschaftlich begründbar, weil bei der Perlitumwandlung, bei welcher eine Diffusion der Atome erfolgt, mit sinkender Temperatur die Keimbildungsgeschwindigkeit für die lamellaren Phasen Karbid und Ferrit zunimmt, wodurch das Gefüge zunehmend feiner und dadurch bei hoher Zähigkeit härter sowie abriebfester wird. Die Perlitbildung erfolgt also über Keimbildung und Wachstum, die durch das Ausmaß der Unterkühlung und die Diffusionsgeschwindigkeit, insbesondere der Kohlenstoff- und Eisenatome, bestimmt werden.The above is also scientifically justifiable because in pearlite transformation, at which a diffusion of the atoms takes place with decreasing temperature Nucleation rate increases for the lamellar phases carbide and ferrite, which makes the structure increasingly fine and therefore harder with high toughness as well as becoming more abrasion resistant. The pearlite formation takes place via nucleation and Growth by the extent of hypothermia and the Diffusion rate, especially of the carbon and iron atoms, be determined.

Wird die Abkühlungsgeschwindigkeit weiter erhöht bzw. die Umwandlungstemperatur weiter gesenkt, erfolgt eine Umwandlung von kohlenstoffhältigen niedriglegierten Eisenbasiswerkstoffen in das Zwischenstufengefüge. Obwohl eine strenge wissenschaftliche Klärung noch aussteht, wird vielfach angenommen, daß bei einer Zwischenstufen- oder Bainitumwandlung die Grundgitteratome eingefroren sind und die Gefügestrukturänderung durch ein Umklappen des Gitters erfolgt, wobei jedoch die Kohlenstoffatome noch diffundieren können und in der Folge Karbide bilden. Eine unmittelbar unter dem Temperaturgebiet der Umwandlung zu feinem lamellaren Perlit, also bei der Zwischenstufenumwandlung gebildeten Gefügestruktur weist eine wesentlich gröbere Form auf. Auch die entstandenen Karbide sind deutlich größer ausgebildet, zwischen den Ferritlamellen angeordnet, verschlechtern wesentlich die Materialzähigkeit und begünstigen die Materialermüdung sowie erhöhen die Bruchgefahr des Teiles insbesondere bei stoßartigen Belastungen. Aus diesem Grund sollen Schienen keine Bainitanteile im Gefüge aufweisen.If the cooling rate is increased further or the If the transition temperature is reduced further, a conversion of carbon-containing low-alloy iron-based materials in the Intermediate structure. Although strict scientific clarification still pending, it is widely assumed that at an intermediate or Bainite transformation the basic lattice atoms are frozen and the Structural structure change takes place by folding the grille over, but the Carbon atoms can still diffuse and subsequently form carbides. A immediately below the temperature range of conversion to fine lamellar Perlite, that is, structure structure formed during the intermediate stage transformation a much rougher shape. The carbides formed are also clear formed larger, arranged between the ferrite fins, deteriorate substantially the material toughness and favor the material fatigue as well increase the risk of breakage of the part, especially in the case of impact loads. For this reason, rails should not have any bainite in their structure.

Ein karbidfreier bainitischer Stahl mit hoher Abriebfestigkeit und verbesserter Kontaktermüdungsbeständigkeit ist aus der WO 96/22396 bekannt geworden. Mittels hoher Silizium und/oder Aluminiumgehalte von 1,0 bis 3,0 Gew.-% in einem niedriglegierten- 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff sowie 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan und 0,25 bis 2,5 Gew.-% Chrom aufweisenden Stahl soll im Walzgut durch kontinuierliches Abkühlen von der Walztemperatur eine im wesentlichen karbidfreie Mikrostruktur des Typs " Oberer Bainit", das ist ein Mischgefüge aus bainitischem Ferrit, Restaustenit und hochkohlenstoffhältigem Martensit, eingestellt werden. Bei tiefen Temperaturen und/oder bei mechanischen Beanspruchungen können jedoch zumindest Teile des Restaustenits im Gefüge unter Bildung von Martensit und/oder einem sogenannten Verfomungsmartensit umklappen, wodurch an den Phasengrenzen die Rißinitiationsgefahr erhöht ist.A carbide-free bainitic steel with high abrasion resistance and improved Resistance to contact fatigue has become known from WO 96/22396. By means of high silicon and / or aluminum contents of 1.0 to 3.0% by weight in one low-alloyed - 0.05 to 0.5% by weight of carbon and 0.5 to 2.5% by weight Steel containing manganese and 0.25 to 2.5% by weight of chromium is said to be in the rolling stock by continuously cooling from the rolling temperature a substantially carbide-free microstructure of the type "upper bainite", that is a mixed structure bainitic ferrite, residual austenite and high carbon martensite will. At low temperatures and / or with mechanical loads However, at least parts of the residual austenite in the structure can form Fold martensite and / or a so-called deforming martensite, whereby the risk of crack initiation is increased at the phase boundaries.

Ein Steigen des Verkehrsaufkommens auf den Bahnstrecken sowie höhere Achslasten und Zugsgeschwindigkeiten fordern allgemein höhere Materialgüten und sollten auch durch bessere Gebrauchseigenschaften von Schienen erreicht werden.An increase in traffic on the railway lines as well as higher Axle loads and train speeds generally require higher material grades and should also be achieved through better usage properties of rails.

Dem bisher bekannten Walzgut aus niedrig legierten Eisenbasiswerkstoffen sowie den Verfahren, insbesondere Wärmebehandlungsverfahren, zur Herstellung desselben mit verbesserten Gebrauchseigenschaften liegt allgemein der Nachteil zugrunde, daß dem Stand der Technik gemäß eine weitere Erhöhung der Abriebfestigkeit und Zähigkeit des Werkstoffes nur durch teure legierungstechnische Maßnahmen erreicht werden kann. The previously known rolling stock made of low-alloyed iron-based materials as well the processes, in particular heat treatment processes, for the production the same with improved usage properties is generally the disadvantage based on the prior art according to a further increase in Abrasion resistance and toughness of the material only through expensive alloying measures can be achieved.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, ein profiliertes Walzgut, insbesondere eine Schiene, mit einer optimalen Kombination von hoher Abriebfestigkeit bzw. hohem Verschleißwiderstand bei erhöhter Zähigkeit und Materialhärte sowie Beständigkeit gegen Kontaktermüdung anzugeben.Here, the invention seeks to remedy the problem and aims to create a high profile Rolled stock, especially a rail, with an optimal combination of high Abrasion resistance or high wear resistance with increased toughness and Specify material hardness and resistance to contact fatigue.

Femer ist es Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zu schaffen, mit welchem die Gebrauchseigenschaften von profiliertem Walzgut bei wirtschaftlichem Legierungseinsatz verbessert werden.It is also an object of the invention to create a new method with which the performance characteristics of profiled rolling stock with economical Alloy use can be improved.

Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Gegenstand der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Eisenbasislegierung eine Konzentration der Elemente in Gew.-%

  • Silizium MAX 0,93, vorzugsweise 0,21 bis 0,69
  • Aluminium MAX 0,06 , vorzugsweise unter 0,03 und
  • Silizium plus Aluminium unter 0,99 aufweist und daß zumindest in Teilbereichen des Walzgutquerschnittes über dessen Längserstreckung eine Gefügeausbildung mit einer Struktur, die bei der im wesentlichen isothermen Gefügeumwandlung vom Austenit im Bereich der unteren Zwischenstufe bzw. der unteren Bainitstufe gebildet wird, vorliegt.
    • This objective is achieved in the case of a generic object of the type mentioned at the outset in that the iron-based alloy has a concentration of the elements in% by weight.
  • Silicon MAX 0.93, preferably 0.21 to 0.69
  • Aluminum MAX 0.06, preferably below 0.03 and
  • Silicon plus aluminum has below 0.99 and that at least in partial areas of the rolling stock cross section along its longitudinal extent there is a microstructure with a structure which is formed by the austenite in the region of the lower intermediate stage or the lower bainite stage during the essentially isothermal structural transformation.

    • Die mit der Erfindung erreichten Vorteile liegen insbesondere darin, daß, wie gefunden wurde, ein Walzgut mit einer Gefügeausbildung entsprechend einer Umwandlung in der unteren Zwischenstufe wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Voraussetzung dafür sind nach oben streng begrenzte Silizium-und/oder Aluminiumgehalte des Werkstoffes. Höhere Silizium-und/oder Aluminiumkonzentrationen wirken in niedrig legierten Eisenbasiswerkstoffen abschnürend auf das Gammagebiet im Zustand des Stoffsystems, so daß eine weitgehend vollständige Umwandlung des Gefüges von Austenit im Bereich der unteren Zwischenstufe nur bei Gehalten an Silizium in Gew.-% von MAX 0,93 und Aluminium von MAX 0,06 sowie Silizium plus Aluminium unter 0,99 ermöglicht wird. Die überraschend große Verbesserung der Materialeigenschaften zwischen oberer und unterer Zwischenstufengefügestruktur ist derzeit noch nicht ausreichend erklärbar und wird von einem Teil der Fachwelt wissenschaftlich damit begründet, daß im oberen Temperaturbereich der Zwischenstufenumwandlung, in welcher zwar eine Selbstdiffusion der Gitteratome eingefroren ist, der Kohlenstoff noch leicht diffundieren kann. Dies bewirkt grobe, lichtmikroskopisch sichtbaren Karbidausscheidungen, die zwischen den Ferritnadeln liegen, was in der Folge zu einer nachteiligen Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften führt. Im Temperaturbereich der unteren Zwischenstufenumwandlung erscheint hingegen die Kohlenstoffdiffusion weitgehend verringert bzw. ebenfalls weitgegend eingefroren, wodurch die Karbide in den Nadeln des Zwischenstufenferrits gebildet und so fein verteilt vorliegen, daß sie lichtmikroskopisch nicht mehr feststellbar, sondem nur noch elekronenmikroskopisch zu erkennen sind. Diese vorteilhafte Karbidausbildung und Karbidverteilung im Gefüge der unteren Zwischenstufe führt offensichtlich zu einer wesentlichen Verbesserung der Härte und Festigkeit, der Zähigkeit, der Bruchsicherheit, der Abriebfestigkeit und des Verschleißwiderstandes sowie zu einer hohen Kontaktermüdungsbeständigkeit des Walzgutes.The advantages achieved by the invention are, in particular, that how was found, a rolling stock with a structure corresponding to one Conversion in the lower intermediate stage significantly improved mechanical Has properties. The prerequisites for this are strictly limited Silicon and / or aluminum content of the material. Higher silicon and / or Aluminum concentrations act in low-alloy iron-based materials strangling on the gamma area in the state of the substance system, so that a largely complete transformation of the structure of austenite in the area of lower intermediate stage only with contents of silicon in% by weight of MAX 0.93 and Aluminum of MAX 0.06 and silicon plus aluminum below 0.99 is made possible. The surprisingly large improvement in material properties between the top and lower intermediate stage structure is currently not sufficient explainable and is scientifically justified by a part of the professional world that in the upper temperature range of the intermediate stage conversion, in which a self-diffusion of the lattice atoms is frozen, the carbon is still light can diffuse. This causes rough, visible under the light microscope Carbide deposits that lie between the ferrite needles, which subsequently leads to an adverse influence on the material properties. in the The temperature range of the lower intermediate stage conversion, however, appears Carbon diffusion largely reduced or also largely frozen, whereby the carbides formed in the needles of the intermediate stage ferrite and so fine distributed that they can no longer be determined by light microscopy, but only can still be seen under the electron microscope. This beneficial Carbide formation and carbide distribution in the structure of the lower intermediate stage leads obviously to a significant improvement in hardness and strength that Toughness, break resistance, abrasion resistance and wear resistance and a high contact fatigue resistance of the rolling stock.

    Besonders vorteilhafte Walzguteigenschaften weden erreicht, wenn die Eisenbasislegierung im wesentlichen die Elemente in Gew.-%Kohlenstoff 0,41 bis 1,3, vorzugsweise 0,51 bis 0,98
    Mangan 0,31 bis 2,55, vorzugsweise 0,91 bis 1,95
    Eisen als Rest, aufweist.
    Die mechanischen Eigenschaftswerte des Walzgutes können weiter gesteigert bzw. verbessert werden, wenn die Eisenbasislegierung weiters die Elemente in Gew.-% Chrom 0,21 bis 2,45, vorzugsweise 0,38 bis 1,95
    gegebenenfalls
    Molybdän bis 0,88, vorzugsweise bis 0,49
    Wolfram bis 1,69, vorzugsweise bis 0,95
    Vanadin bis 0,39, vorzugsweise bis 0,19, weiters
    Niob undloder Tantal und/oder Zirkon und/oder Hafnium undloder Titan einzeln
    oder in Summe bis 0,28 , vorzugsweise bis 0,19, sowie
    Nickel bis 2,4, vorzugsweise bis 0,95
    Bor bis 0,006, vorzugsweise 0,004
    aufweist.
    Um eine weitgehend vollständige Umwandlung in der unteren Bainitstufe der Legierung bei Vermeidung von Mischgefügen zu erreichen, kann in günstiger Weise vorgesehen sein, daß die Eisenbasislegierung die Elemente Silizium, Aluminium und Kohlenstoff in derartigen Konzentrationen aufweist, daß der Wert gebildet aus 2,75mal % Silizium
    und/oder Aluminium minus % Kohlenstoff gleich oder kleiner ist als 2,2. Durch diese Begrenzung bzw. Relation werden in vorteilhafter Weise die stark ferritbildenden Elemente, Si und Al, und das wirkungsvoll austenitbildende Element C umwandlungskinetisch einander zugeordnet bzw. aufeinander abgestimmt.    Particularly advantageous rolling stock properties are achieved if the iron-based alloy essentially contains the elements in% by weight of carbon 0.41 to 1.3, preferably 0.51 to 0.98
    Manganese 0.31 to 2.55, preferably 0.91 to 1.95
    Iron as the rest.
    The mechanical property values of the rolling stock can be further increased or improved if the iron-based alloy also contains the elements in% by weight chromium 0.21 to 2.45, preferably 0.38 to 1.95
    possibly
    Molybdenum up to 0.88, preferably up to 0.49
    Tungsten up to 1.69, preferably up to 0.95
    Vanadium up to 0.39, preferably up to 0.19, further
    Niobium and / or tantalum and / or zircon and / or hafnium and / or titanium individually
    or in total up to 0.28, preferably up to 0.19, and
    Nickel up to 2.4, preferably up to 0.95
    Boron to 0.006, preferably 0.004
    having.
    In order to achieve a largely complete transformation in the lower bainite stage of the alloy while avoiding mixed structures, it can advantageously be provided that the iron-based alloy has the elements silicon, aluminum and carbon in such concentrations that the value formed from 2.75 times% silicon
    and / or aluminum minus% carbon is equal to or less than 2.2. By means of this limitation or relation, the strongly ferrite-forming elements, Si and Al, and the effective austenite-forming element C are advantageously kinetically assigned to one another or matched to one another.

    Wenn ein profiliertes Walzgut, insbesondere Eisenbahnschiene, bestehend aus einem Schienenkopf, einem Schienenfuß und einem diese Bereiche verbindenden Steg, bei welchem zumindest in einem Bereich des Querschnittes, insbesondere im Kopf der Schiene, die in der unteren Zwischenstufe bzw. im unteren Bainitbereich gebildete Gefügestruktur eine Tiefe von mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 15 mm, von der Oberfläche aufweist, können auch besonders hoch belastete Oberflächenbereiche überragende Standfestigkeiten erbringen.If a profiled rolling stock, in particular railroad track consisting of a rail head, a rail foot and a connecting these areas Web, in which at least in a region of the cross section, in particular in the Head of the rail in the lower intermediate stage or in the lower bainite range formed structure a depth of at least 10 mm, preferably of at least 15 mm from the surface can also be particularly high load-bearing surface areas provide outstanding stability.

    Ein profiliertes Walzgut, insbesondere Eisenbahnschiene, bei welchem die Querschnittsbereiche mit einer unteren Zwischenstufen- oder unteren bainitischen Gefügestruktur axsymmetrisch oder zentrisch-symmetrisch angeordnet sind, besitzt zusätzlich die Vorteile einer hohen Formstabilität in Längsrichtung und geringerer innerer Spannungen.A profiled rolling stock, in particular railroad track, in which the Cross-sectional areas with a lower intermediate or lower bainitic Structural structure are arranged axially symmetrically or centrically symmetrically in addition, the advantages of high dimensional stability in the longitudinal direction and less internal tensions.

    Besonders vorteilhaft betreffend die Gebrauchseigenschaften ist, wenn das profilierte Walzgut im bzw. in den Bereich(en) mit unterer Zwischenstufen-oder unterer Bainitstruktur eine Härte von mindestens 350 HB, vorzugsweise von mindestens 400 HB, insbesondere von 420 bis 600 HB, aufweist.Is particularly advantageous with regard to the properties of use if the profiled rolling stock in or in the area (s) with a lower intermediate stage or lower bainite structure a hardness of at least 350 HB, preferably of has at least 400 HB, in particular from 420 to 600 HB.

    Die weitere Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren der vorhin genannten Art dadurch gelöst, daß die Zusammensetzung der Legierung in engen Grenzen ausgewählt deren Umwandlungsverhalten bei der Abkühlung aus dem Gebiet der kubisch flächenzentrierten Atomstruktur bzw. aus dem Austenitgebiet ermittelt und aus der ausgewählten Legierung das Walzgut hergestellt werden, wonach in Längsrichtung zumindest Teile des Querschnittes des Walzgutes aus dem Austenitgebiet auf eine Temperatur zwischen dem Martensitpunkt der Legierung und einem diesen um höchstens 250 °C, vorzugsweise um höchstens 190 °C, überschreitenden Wert, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 5° C bis 110 ° C über dem Martensitpunkt abgekühlt werden und das Gefüge im wesentlichen isotherm umwandeln gelassen wird.The further object of the invention is in a method of the aforementioned Kind solved in that the composition of the alloy within narrow limits selected their conversion behavior when cooling from the area of face - centered cubic atomic structure or from the austenite area and the rolling stock is produced from the selected alloy, after which in Longitudinal direction at least parts of the cross section of the rolling stock from the Austenite area to a temperature between the martensite point of the alloy and one by a maximum of 250 ° C, preferably by a maximum of 190 ° C, value exceeding, in particular to a temperature in the range of 5 ° C to Cooled to 110 ° C above the martensite point and the structure in essentially isothermally converted.

    Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß eine genaue Hestell- und Qualitätsplanung für das profilierte Walzgut erstellt werden kann, wobei dessen mechanische Eigenschaften wesentliche verbessert sind. Einerseits kann dabei eine kostengünstige chemische Legierungszusammensetzung, die allenfalls das erforderliche Eigenschaftsprofil des Erzeugnisses sicherstellt, ausgewählt werden, andererseits ist es möglich, eine genaue umfassende Erzeugungs- und Wärmebehandlungstechnologie vorzuschreiben bzw. anzuwenden. Dies ist wichtig, weil die Umwandlungsvorgänge beim Abkühlen aus dem Austenitgebiet der Legierung nicht nur von der Zusammensetzung derselben sondem auch von der Höhe der Endwalz- und/oder Austenitisierungstemperatur, vom Keimzustand sowie der Keimbildungsgeschwindigkeit für Phasen bzw. dem Umklappmechanismus abhängen. Unter Zugrundelegung des jeweiligen Umwandlungsverhaltens bzw. der Martensitstarttemperatur des Werkstoffes für einen in der praktischen Erzeugung gegebenen oder einstellbaren Zustand, ist dabei die erfindungsgemäße Umwandlungstemperaturführung festlegbar.The advantages achieved with the method according to the invention are essentially to see that a precise manufacturing and quality planning for the profiled Rolled stock can be created, taking into account its mechanical properties are significantly improved. On the one hand, it can be an inexpensive chemical Alloy composition, which at most the required property profile of the product, can be selected, on the other hand it is possible to accurate comprehensive generation and heat treatment technology prescribe or apply. This is important because of the conversion processes when cooling from the austenite area of the alloy not only from the The composition of the same also from the height of the final rolling and / or Austenitizing temperature, the germ state and the Nucleation speed for phases or the flip mechanism depend. On the basis of the respective conversion behavior or Martensite start temperature of the material for one in practical production given or adjustable state, is the invention Configurable temperature control.

    Besonders vorteilhafte Materialeigenschaften werden erreicht, wenn die Umwandlung des Gefüges im wesentlichen isotherm in einem Temperaturbereich von höchstens PLUS-MINUS 110 °C, vorzugsweise von höchstens PLUS-MINUS 60 °C, erfolgt. Daraus ergibt sich für die meisten Stähle, die für hochbelastbare Walzprodukte, insbesondere für Eisenbahnschienen, verwendet werden, eine Umwandlungstemperatur von höchstens 450°C, vorzugsweise von höchstens 400°C, insbesondere von 300 bis 380°C, um ein erfindungsgemäßes Gefüge der unteren Zwischenstufe einzustellen.Particularly advantageous material properties are achieved if the Transformation of the structure essentially isothermal in a temperature range at most PLUS-MINUS 110 ° C, preferably at most PLUS-MINUS 60 ° C. For most steels, this means that for heavy-duty Rolled products, especially for railroad tracks, are used Transition temperature of at most 450 ° C, preferably at most 400 ° C, in particular from 300 to 380 ° C, to an inventive structure of the lower intermediate setting.

    Wenn, wie vorteilhaft vorgesehen sein kann, zumindest ein Teil des Querschnittes des profilierten Walzgutes mit erhöhter Massekonzentration einer beschleunigten Abkühlung unterworfen wird, ist eine günstige gleichmäßige Abkühlung bezogen auf die Längsaxe des Walzgutes erreichbar. If, as can be advantageously provided, at least part of the cross section of the profiled rolling stock with increased mass concentration of an accelerated Cooling is subjected to a favorable uniform cooling based on the longitudinal axis of the rolling stock can be reached.

    Die Gleichmäßigkeit der Abkühlung über den Querschnitt kann weiter, insbesondere bei Schienenprofilen, verbessert werden, wenn das Walzgut in einem ersten Schritt in eine Kühlflüssigkeit vollumfangsmäßig getaucht, nach einem Erreichen einer Temperatur eines Oberflächenbereiches von mindestens 2°C, insbesondere jedoch etwa 160°C über dem Martensitpunkt der Legierung aus dem Kühlmittel zumindest teilweise ausgebracht und in einem zweiten Schritt ausschließlich der Bereich mit hoher Massekonzentration gegebenenfalls zeitweise im Tauchbad belassen oder in dieses zeitweise eingebracht wird.The uniformity of the cooling over the cross section can further, in particular with rail profiles, be improved if the rolling stock in a first step fully immersed in a coolant after reaching one Temperature of a surface area of at least 2 ° C, but especially about 160 ° C above the martensite point of the alloy from the coolant at least partially spread and in a second step only the area with If necessary, leave the high mass concentration temporarily in the immersion bath or in this is brought in temporarily.

    Wird die Abkühlung des Walzgutes durch eine auf die Massekonzentration des Profils abgestimmte Kühlmittelbeaufschlagung der Oberfläche durchgeführt, so kann die Wärmebehandlungstechnologie für die üblichen legierten Schienenstähle derart festgelegt werden, daß eine Gefügeumwandlung im Bereich der unteren Zwischenstufe über im wesentlichen den gesamten Querschnitt erfolgt.Is the cooling of the rolling stock due to the mass concentration of the Profiled coolant applied to the surface, so can the heat treatment technology for the usual alloyed rail steels be determined that a structural transformation in the area of the lower Intermediate stage takes place over essentially the entire cross section.

    Insbesondere im Hinblick auf eine gleichmäßige Kühlmittelbeaufschlagung sowie eine Verschiebung des Umwandlungsbeginnes der Legierung zu längeren Zeiten ist es bevorzugt, wenn das Walzgut unmittelbar nach der Verformung unter Ausnutzung der Walzhitze achsfluchtend gerichtet und einem durch Umwandlung in der unteren Zwischenstufe des Werkstoffes besondere Materialeigenschaften über den Querschnitt erstellenden Abkühlverfahren zugeführt wird.Especially with regard to an even coolant supply as well is a shift in the start of transformation of the alloy at longer times it is preferred if the rolling stock is under immediately after the deformation Exploitation of the rolling heat aligned and one by conversion into the lower intermediate stage of the material has special material properties the cross-sectional cooling process is supplied.

    Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, wenn Eisenbahnschienen, insbesondere für Hochleistungsstrecken, mit hoher Abriebfestigkeit bzw. hoher Verschleißfestigkeit, hoher Zähigkeit und geringer Kontaktermüdung bei großer spezifischer Belastung hergestellt werden, wobei nach dem Walzen und zumindest teilweisem thermischem Einstellen eines Gefüges der unteren Zwischenstufe ein anschließendes Richtverfahren, insbesondere Biegerichtverfahren bei Raumtemperatur oder geringfügig erhöhter Temperatur, zur Erhaltung der besonderen Materialeigenschaften bei stabiler Ausrichtung der Schiene durchgeführt wird.The method according to the invention can be used particularly advantageously if Railway tracks, especially for high-performance lines, with high Abrasion resistance or high wear resistance, high toughness and low Contact fatigue can be produced with a high specific load, whereby after the rolling and at least partial thermal adjustment of a structure lower intermediate stage a subsequent straightening process, in particular Bending straightening process at room temperature or slightly elevated temperature, for Preservation of the special material properties with stable alignment of the Rail is performed.

    Im folgenden wird die Erfindung anhand von Untersuchungsergebnissen der Entwicklung und Ausführungsbeispielen näher dargelegt.
    Ein Walzgut mit im wesentlichen H-förmigem Profil sollte mit einer Harte zwischen 550 und 600 HV und höchstmöglicher Zähigkeit hergestellt werden. Dafür erfolgte die Auswahl einer Eisenbasislegierung, die mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% untersucht und hergestellt wurde:
    C = 1,05, Si = 0,28, Mn = 0,35, Cr = 1,55, Rest Eisen und Verunreinigungen. Mittels Dilatometererprobung erfolgte die Erstellung von einerseits kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubildem ( kont. ZTU-Schaubildem) bei Austenitisierungstemperaturen von 860°C ( Fig. 1); 950°C; und 1050°C ( Fig. 2) sowie andererseits von isothermischen ZTU- Schaubildem bei einer Austenitisierung von wiederum 860°C ( Fig. 3); 950°C; und 1050 °C ( Fig. 4) der Legierung. Die Schaubilder decken sich mit denjenigen, die für diese Stahltyp aus der Literatur bekannt sind.    The invention is explained in more detail below on the basis of examination results of the development and exemplary embodiments.
    A rolling stock with an essentially H-shaped profile should be produced with a hardness between 550 and 600 HV and the highest possible toughness. For this, an iron-based alloy was selected, which was examined and manufactured with the following composition in% by weight:
    C = 1.05, Si = 0.28, Mn = 0.35, Cr = 1.55, balance iron and impurities. Dilatometer testing was used to create continuous time-temperature conversion diagrams (cont. ZTU diagrams) at austenitizing temperatures of 860 ° C (Fig. 1); 950 ° C; and 1050 ° C (Fig. 2) and on the other hand of isothermal ZTU diagrams with an austenitization of 860 ° C (Fig. 3); 950 ° C; and 1050 ° C (Fig. 4) of the alloy. The graphs correspond to those known from the literature for this type of steel.

    An Proben, die von einer Austenitisierungstempemtur von 860°C ( Fig. 1) beschleunigt abgekühlt wurden, war ein Erreichen der geforderten Materialhärte ( Zahlenwert im Kreis) von 530 - 600 HV durch entsprechendes Abkühlen nur schwer möglich, wobei das Gefüge als Mischgefüge mit im wesentlichen oberer Zwischenstufe, unterer Zwischenstufe und Martensit vorlag und der Werkstoff schlechte Zähigkeitswerte besaß.On samples that have an austenitizing temperature of 860 ° C (Fig. 1) cooled faster, the required material hardness was reached ( Numerical value in a circle) of 530 - 600 HV is difficult due to appropriate cooling possible, the structure as a mixed structure with essentially the upper Intermediate, lower intermediate and martensite existed and the material had bad toughness values.

    Durch eine Erhöhung der Austenitisierungstemperatur letztlich auf 1050°C ( Fig. 2) wurde die Zwischenstufenumwandlung weitestgehend unterbunden, so daß das Gefüge bei kontinuierlicher Abkühlung im gewünschten Härtebereich aus Perlit und Martensit gebildet war und ebenfalls nicht die erwarteten hohen Zähigkeitswerte des Werkstoffes erbrachte.By increasing the austenitizing temperature ultimately to 1050 ° C (Fig. 2) the intermediate stage conversion was largely prevented, so that the Structure with continuous cooling in the desired hardness range from pearlite and Martensite was formed and also not the expected high toughness values of the Material.

    Proben der vorher genannten Legierung, die von einer Temperatur von 860°C ( Fig. 3) beschleunigt abgekühlt und erfindungsgemäß zwischen 350 °C und 300°C ( siehe Pfeil), also 155°C bzw. 105°C oberhalb des Martensitpunktes, umwandeln gelassen wurden, erbrachten reproduzierbar eine Materialhärte von 550 bis 600 HV, ein homogenes Gefüge der unteren Zwischenstufe sowie wesentlich erhöhte Werkstoffzähigkeitswerte. Samples of the aforementioned alloy, which are at a temperature of 860 ° C (Fig. 3) accelerated cooled and according to the invention between 350 ° C and 300 ° C ( see arrow), i.e. 155 ° C or 105 ° C above the martensite point were reproducibly produced a material hardness of 550 to 600 HV, a homogeneous structure of the lower intermediate stage and significantly increased Material toughness values.

    Es wurde weiters festgestellt, daß mit steigender Austenitisierungstemperatur die Bereiche der Perlitumwandlung und insbesondere jene der Zwischenstufenumwandlung zu längeren Zeiten verschoben werden, so daß eine erfindungsgemäße isotherme Umwandlung im unteren Zwischenstufenbereich, die eine Materialhärte von 550 bis 600 HV erbringt, zwischen 330 °C und 280°C ( siehe Pfeil) 20 bis 340 Minuten erfordert und außerordentlich hohe Materialzähigkeitswerte bewirkt.It was also found that with increasing austenitizing temperature Areas of pearlite transformation and especially those of Intermediate conversion are postponed to longer times, so that a isothermal conversion according to the invention in the lower intermediate stage range, the produces a material hardness of 550 to 600 HV, between 330 ° C and 280 ° C (see Arrow) requires 20 to 340 minutes and extremely high Material toughness values causes.

    Aus obigen Untersuchungen ist deutlich entnehmbar, daß eine erfindungsgemäße isotherme Umwandlung von Walzgut, vorzugsweise von Schienen, im Bereich der unteren Zwischenstufe der Legierung einerseits hohe Materialhärte bei großer Zähigkeit erbringt und daß andererseits durch eine entsprechende Wärmeführung bzw. Temperaturwahl die Herstellbedingungen bzw. die erforderlichen Zeitspannen beim Materialfluß für ein sicheres Erreichen besonderer Gütewerte des Erzeugnisses berücksichtigt werden können.From the above investigations it can clearly be seen that an invention isothermal conversion of rolling stock, preferably rails, in the area of lower intermediate stage of the alloy on the one hand high material hardness with high Provides toughness and that on the other hand by appropriate heat management or the choice of temperature, the manufacturing conditions or the required time periods in the material flow for a safe achievement of special quality values of the Product can be taken into account.

    Weiters wurden aus einem Stahl mit der Zusammensetzung in Gew.-% C=0,30, Si=0,30, Mn=1,08, Cr=1,11, Ni=0,04 Mo= 0,09, V=0,15, Al =0,016 Rest Eisen und Begleitelemente Eisenbahnschienen hergestellt, wobei eine Walzendtemperatur der Oberfläche von im Mittel 1045°C vorlag. Nach dem Walzen erfolgte ein genaues längsaxfluchtendes Richten des Walzgutes und ein Verbringen der Schiene zu einer Kühleinrichtung. In dieser Kühleinrichtung wurde in einer ersten Stufe eine vollumfängliche Kühlung der Schiene mit hoher Intensität so lange vorgenommen, bis Teile- dies waren die peripheren Bereiche am Schienenfuß- eine Oberflächentemperatur von 290°C aufwiesen. Danach erfolgte in diesen Bereichen ein Absetzen der hohen Kühlintensität bzw. eine Abschaltung der Kühlmittelbeaufschlagung. Darauf wurde in einer zweiten Stufe des Verfahrens nur in den Bereichen hoher Volumskonzentration und vergleichsweise höherer Temperatur, dies ist insbesondere der Schienenkopf, die intensive Kühlung bzw. eine beschleunigte Abkühlung so lange weitergeführt, bis deren Oberflächentemperatur ebenfalls 290°C aufwies. Diese Abkühlungsart erfordert gegebenenfalls eine intermittierende Kühlung bzw. eine Intervallkühlung oder eine Intensitätsregelung der Kühlmittelbeaufschlagung zumindest für Bereiche der Querschnittsoberfläche. Furthermore, from a steel with the composition in% by weight C = 0.30, Si = 0.30, Mn = 1.08, Cr = 1.11, Ni = 0.04 Mo = 0.09, V = 0.15, Al = 0.016 remainder iron and accompanying elements railroad tracks, where a surface rolling temperature of on average 1045 ° C was present. After this Rolling was followed by an exact alignment of the rolling stock and an axial alignment Moving the rail to a cooling device. In this cooling device was in a first stage, comprehensive cooling of the rail with high intensity long until parts - these were the peripheral areas at Rail foot had a surface temperature of 290 ° C. Then took place in in these areas, discontinue the high cooling intensity or switch off the Coolant supply. This was followed in a second stage of the process in the areas of high volume concentration and comparatively higher Temperature, this is especially the rail head, the intensive cooling or accelerated cooling continued until their Surface temperature also had 290 ° C. This type of cooling requires if necessary, intermittent cooling or interval cooling or Intensity control of the coolant supply at least for areas of the Cross-sectional surface.

    In einer dritten Stufe wurde dann die so abgekühlte Schiene in einen Ofen bzw. eine Warmhaltekammer mit einer Temperatur im Bereich von 340°C verbracht, umwandeln gelassen und in der Folge auf Raumtemperatur abgekühlt.In a third stage, the rail cooled in this way was then placed in an oven or a Warming chamber with a temperature in the range of 340 ° C, allowed to convert and subsequently cooled to room temperature.

    An dieser Stelle sei vermerkt, daß mittels Voruntersuchungen isotherme ZTU-Schaubilder jeweils in Abhängigkeit von derAustenitisierungstemperatur von 850°C ( Fig. 5) sowie von 1050°C (Fig.6) und jeweils der Martensitpunkt obiger Legierung, der 300°C bzw. 260°C betrug, ermittelt wurden. Zufolge dieser Ergebnisse war die Kühltechnologie und die Umwandlungstemperatur mit 340°C festgelegt worden.
    Nachfolgende Materialuntersuchungen erbrachten folgende Ergebnisse:

  • Über den gesamten Querschnitt lag ein Gefüge mit einer Struktur der unteren Zwischenstufe bzw. Bainitstufe vor.
  • Die Härte am Schienenkopf betrug 475 HB und war über den gesamten Schienenquerschnitt nur geringfügig unterschiedlich.
  • Die Werkstoffzähigkeit, gemessen an Kerbschlagproben, war ebenfalls wesentlich verbessert.
  • Die Rißbruchzähigkeitsuntersuchung erbrachte Werte Klc von über 2300 N/mm3/2.
    • At this point it should be noted that preliminary investigations show isothermal ZTU diagrams depending on the austenitizing temperature of 850 ° C (Fig. 5) and 1050 ° C (Fig. 6) and the martensite point of the above alloy, the 300 ° C and Was 260 ° C were determined. As a result of these results, the cooling technology and the transition temperature were set at 340 ° C.
    Subsequent material tests yielded the following results:
  • A structure with a structure of the lower intermediate stage or bainite stage was present over the entire cross section.
  • The hardness at the rail head was 475 HB and was only slightly different across the entire rail cross-section.
  • The material toughness, measured on impact test specimens, was also significantly improved.
  • The fracture toughness test showed values K lc of over 2300 N / mm 3/2 .

    • Claims (15)

    Profiliertes Walzgut, insbesondere Fahr- oder Eisenbahnschiene, aus einer Eisenbasislegierung enthaltend Kohlenstoff Silizium, Mangan, gegebenenfalls Chrom, sonderkarbidbildende sowie das Umwandlungsverhalten des Werkstoffes beeinflussende Elemente und/oder Mikrolegierungszusätze, Rest Eisen und herstellungsbedingte sowie übliche Verunreinigungen, mit über den Querschnitt zumindest teilweise durch beschleunigte Abkühlung aus dem Austenitgebiet der Legierung gebildeter Gefügestruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die
    Eisenbasislegierung eine Konzentration der Elemente in Gew.-%
    Silizium MAX 0,93, vorzugsweise 0,21 bis 0,69
    Aluminium MAX 0,06, vorzugsweise unter 0,03 und
    Silizium plus Aluminium unter 0,99 aufweist und daß
    zumindest in Teilbereichen des Walzgutquerschnittes über dessen
    Längserstreckung eine Gefügeausbildung mit einer Struktur, die bei der im wesentlichen isothermer Gefügeumwandlung vom Austenit im Bereich der unteren Zwischenstufe oder der unteren Bainitstufe gebildet wird, vorliegt.    Profiled rolling stock, especially rail or rail, made of an iron-based alloy containing carbon, silicon, manganese, possibly chromium, special carbide-forming elements and / or microalloy additives that influence the conversion behavior of the material, rest of iron and manufacturing-related and usual impurities, with at least partially accelerated across the cross-section Cooling of the structure formed from the austenite area of the alloy, characterized in that the
    Iron-based alloy a concentration of the elements in wt .-%
    Silicon MAX 0.93, preferably 0.21 to 0.69
    Aluminum MAX 0.06, preferably below 0.03 and
    Silicon plus aluminum has below 0.99 and that
    at least in partial areas of the rolling stock cross-section above it
    Longitudinal extension is a microstructure with a structure that is formed by the austenite in the region of the lower intermediate stage or the lower bainite stage during the essentially isothermal structural transformation.         Profiliertes Walzgut nach Anspruch 1, bei welchem die Eisenbasislegierung im wesentlichen die Elemente in Gew.-%
    Kohlenstoff 0,41 bis 1,3, vorzugweise 0,51 bis 0,98
    Mangan 0,31 bis 2,55, vorzugsweise 0,91 bis 1,95
    Eisen als Rest,
    aufweist.    Rolled stock according to Claim 1, in which the iron-based alloy essentially contains the elements in% by weight.
    Carbon 0.41 to 1.3, preferably 0.51 to 0.98
    Manganese 0.31 to 2.55, preferably 0.91 to 1.95
    Iron as the rest,
    having.         Profiliertes Walzgut nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die
    Eisenbasislegierung weiters die Elemente in Gew.%
    Chrom 0,21 bis 2,45, vorzugsweise 0,38 bis 1,95,
    gegebenenfalls
    Molybdän bis 0,88, vorzugsweise bis 0,49
    Wolfram bis 1,69, vorzugsweise bis 0,95
    Vanadin bis 0,39, vorzugsweise bis 0,19, weiters
    Niob undloder Tantal undloder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Titan einzeln oder in Summe bis 0,28 , vorzugsweise bis 0,19, sowie
    Nickel bis 2,4, vorzugweise bis 0,95
    Bor bis 0,006, vorzugsweise 0,004
    aufweist.    Profiled rolling stock according to claim 1 or 2, wherein the
    Iron-based alloy furthermore the elements in% by weight
    Chromium 0.21 to 2.45, preferably 0.38 to 1.95,
    possibly
    Molybdenum up to 0.88, preferably up to 0.49
    Tungsten up to 1.69, preferably up to 0.95
    Vanadium up to 0.39, preferably up to 0.19, further
    Niobium and / or tantalum and / or zirconium and / or hafnium and / or titanium individually or in total up to 0.28, preferably up to 0.19, and
    Nickel up to 2.4, preferably up to 0.95
    Boron to 0.006, preferably 0.004
    having.         Profiliertes Walzgut nach Anspruch 1 bis 3, bei welchem die Eisenbasislegierung die Elemente Silizium, Aluminium, und Kohlenstoff in derartigen Konzentrationen aufweist, daß der Wert gebildet aus 2,75 x% Si und/oder Al minus %Kohlenstoff gleich oder kleiner ist als 2,2.Rolled stock according to claims 1 to 3, in which the iron-based alloy the elements silicon, aluminum, and carbon in such concentrations has the value formed from 2.75 x% Si and / or Al minus% carbon is equal to or less than 2.2. Profiliertes Walzgut nach Anspruch 1 bis 4, insbesondere Eisenbahnschiene bestehend aus einem Schienenkopf, einem Schienenfuß und einem diese Bereiche verbindenden Steg, bei welchem zumindest in einem Bereich des Querschnittes, insbesondere im Kopf der Schiene, die in der unteren Zwischenstufe bzw. im unteren Bainitbereich gebildete Gefügestruktur eine Tiefe von mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 15 mm, von der Oberfläche aufweist.Profiled rolling stock according to claims 1 to 4, in particular a railroad track consisting of a rail head, a rail foot and one of these areas connecting web, in which at least in a region of the cross section, especially in the head of the rail, which in the lower intermediate stage or in structure formed in the lower bainite region has a depth of at least 10 mm, preferably of at least 15 mm from the surface. Profiliertes Walzgut nach Anspruch 1 bis 5, insbesondere Eisenbahnschiene, bei welchem die Querschnittsbereiche mit einer unteren Zwischenstufen - oder unteren bainitischen Gefügestruktur axsymmetrisch oder zentrisch-symmetrisch angeordnet sind.Profiled rolling stock according to claims 1 to 5, in particular a railroad track which the cross-sectional areas with a lower intermediate - or lower bainitic structure axially symmetrical or centrically symmetrical are. Profiliertes Walzgut nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches in bzw. in den Bereich(en) mit unterer Zwischenstufen- oder unterer Bainitstruktur eine Härte von mindestens 350 HB, vorzugsweise von mindestens 400 HB, insbesondere von 420 bis,600 HB, aufweist.Profiled rolling stock according to one of claims 1 to 6, which in or in the Area (s) with lower intermediate or lower bainite structure a hardness of at least 350 HB, preferably at least 400 HB, in particular 420 to, 600 HB. Verfahren zur Herstellung von profiliertem Walzgut, insbesondere von Fahr- oder Eisenbahnschienen, aus einer Eisenbasislegierung enthaltend Kohlenstoff, Silizium, Mangan, gegebenenfalls Chrom, sonderkarbidbildende sowie das Umwandlungsverhalten des Werkstoffes beeinflussende Elemente und/oder Mikrolegierungszusätze, Rest Eisen und herstellungsbedingte sowie übliche Verunreinigungen, mit über den Querschnitt zumindest teilweise durch beschleunigte Abkühlung aus dem Austenitgebiet der Legierung gebildeter Gefügestruktur, wobei zumindest Teile der Oberfläche der im Austenitgebiet bereitgestellten Schiene mit Kühlmittel beaufschlagt oder in dieses eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Legierung in engen Grenzen ausgewählt deren Umwandlungsverhalten bei einer Abkühlung aus dem Gebiet der kubisch-flächenzentrierten Atomstruktur bzw. aus dem Austenitgebiet ermittelt und aus der ausgewählten Legierung das Walzgut hergestellt werden, wonach in Längsrichtung zumindest Teile des Querschnittes des Walzgutes aus dem Austenitgebiet auf eine Temperatur zwischen dem Martensitpunkt der Legierung und einem diesen um höchstens 250° C, vorzugsweise um höchstens 190° C, überschreitenden Wert, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 5° C bis 110° C über dem Martensitpunkt abgekühlt werden und das Gefüge im wesentlichen isotherm umwandeln gelassen wird.Process for the production of profiled rolling stock, in particular of running or railroad tracks, from an iron-based alloy containing carbon, silicon, manganese, possibly chromium, special carbide-forming elements and / or microalloying additives that influence the conversion behavior of the material, the rest iron and manufacturing-related and usual impurities, with over the cross section at least partially by accelerated cooling from the austenite area of the alloy structure, wherein at least parts of the surface of the rail provided in the austenite area are acted upon with coolant or introduced into it, characterized in that the composition of the alloy is selected within narrow limits, its conversion behavior at a Cooling is determined from the area of the face-centered cubic atomic structure or from the austenite area and the rolling stock is produced from the selected alloy, after which in Län Direction at least parts of the cross section of the rolled material from the austenite area to a temperature between the martensite point of the alloy and a value exceeding this by at most 250 ° C., preferably by at most 190 ° C., in particular to a temperature in the range from 5 ° C. to 110 ° C are cooled above the martensite point and the structure is allowed to transform essentially isothermally. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Umwandlung des Gefüges im wesentlichen isotherm in einem Temperaturbereich von höchstens PLUS- MINUS 110 ° C, vorzugweise von höchstens PLUS-MINUS 60 °C, erfolgt.The method of claim 8, wherein the transformation of the structure in the essentially isothermal in a temperature range of at most PLUS-MINUS 110 ° C, preferably a maximum of PLUS-MINUS 60 ° C. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, bei welchem eine Umwandlungstemperatur von höchstens 450 °C, vorzugsweise von höchstens 400 °C, insbesondere von 300 bis 380 ° C, verwendet wird.The method of claim 7 or 9, wherein a transition temperature of at most 450 ° C, preferably at most 400 ° C, especially 300 up to 380 ° C, is used. Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, bei welchem zumindest ein Teil des Querschnittes des profilierten Walzgutes mit erhöhter Massekonzentration einer beschleunigten Abkühlung unterworfen wird.The method of claims 8 to 10, wherein at least a portion of the Cross-section of the profiled rolling stock with increased mass concentration accelerated cooling is subjected. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei welchem die Abkühlung durch eine auf die Massekonzentration des Profils abgestimmte Kühlmittelbeaufschlagung der Oberfläche durchgeführt wird.Method according to one of claims 8 to 11, wherein the cooling through a one that is matched to the mass concentration of the profile Coolant exposure to the surface is carried out. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei welchem das Walzgut in einem ersten Schritt in eine Kühlflüssigkeit vollumfangsmäßig getaucht, nach einem Erreichen einer Temperatur eines Oberflächenbereiches von mindestens 2 °C, insbesondere jedoch etwa 160 ° C über dem Martentsitpunkt der Legierung aus dem Kühlmittel zumindest teilweise ausgebracht und in einem zweiten Schritt ausschließlich der Bereich mit hoher Massekonzentration gegebenenfalls zeitweise im Tauchbad belassen oder in dieses zeitweise eingebracht wird.Method according to one of claims 8 to 12, wherein the rolling stock in a first step fully immersed in a cooling liquid, after a Reaching a temperature of a surface area of at least 2 ° C, in particular, however, about 160 ° C above the alloy's alloy point the coolant is at least partially applied and in a second step only the area with a high mass concentration, if necessary temporarily Leave in the immersion bath or be temporarily introduced into it. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei welchem das Walzgut unmittelbar nach der Verformung unter Ausnutzung der Walzhitze achsfluchtend gerichtet und einem durch die Umwandlung in der unteren Zwischenstufe des Werkstoffes besondere Materialeigenschaften über den Querschnitt erstellenden Abkühlverfahren zugeführt wird.Method according to one of claims 8 to 13, wherein the rolling stock immediately after the deformation, using the rolling heat, axially aligned directed and one by the conversion in the lower intermediate stage of the Special material properties across the cross-section Cooling process is supplied. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, mit welchem Eisenbahnschienen, insbesondere für Hochleistungssstrecken, mit hoher Abriebfestigkeit bzw. hoher Verschleißfestigkeit, hoher Zähigkeit und geringer Kontaktermüdung bei großer spezifischer Belastung hergestellt werden, wobei nach dem Walzen und zumindest teilweisen thermischen Einstellen eines Gefüges der unteren Zwischenstufe ein anschließendes Richtverfahren, insbesondere Biegerichtverfahren bei Raumtemperatur oder geringfügig erhöhter Temperatur, zur Erhaltung der besonderen Materialeigenschaften bei stabiler Ausrichtung der Schiene durchgeführt wird.Method according to one of claims 7 to 14, with which Railway tracks, especially for high-performance lines, with high Abrasion resistance or high wear resistance, high toughness and low Contact fatigue can be produced with a high specific load, whereby after the rolling and at least partial thermal adjustment of a structure of the lower intermediate stage a subsequent straightening process, in particular Bending straightening process at room temperature or slightly elevated temperature, for Preservation of the special material properties with stable alignment of the Rail is performed.
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