WO1994006943A1 - Process for changing the microstructure of metallic rails - Google Patents

Process for changing the microstructure of metallic rails Download PDF

Info

Publication number
WO1994006943A1
WO1994006943A1 PCT/DE1993/000907 DE9300907W WO9406943A1 WO 1994006943 A1 WO1994006943 A1 WO 1994006943A1 DE 9300907 W DE9300907 W DE 9300907W WO 9406943 A1 WO9406943 A1 WO 9406943A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rail
energy
energy radiation
rail head
temperature
Prior art date
Application number
PCT/DE1993/000907
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Frank KÜPPER
Konrad Wissenbach
Herbert Schmedders
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Thyssen Stahl Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., Thyssen Stahl Ag filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Publication of WO1994006943A1 publication Critical patent/WO1994006943A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0006—Electron-beam welding or cutting specially adapted for particular articles
    • 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
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Definitions

  • the invention relates to a method for changing the structure of Metall ⁇ rails with the features of the type described in the preamble of claim 1.
  • the loads exerted by the wheel on the rail lead to very high dynamic loads in the immediate area of impact and to strong deformations and strain hardening of the rail steel.
  • the frictional contact causes wear between the rail and the wheel, which plays an important role, in particular in bends with a radius of less than 1000 meters. Particularly high loads also occur on downhill and heavy-duty routes.
  • Metal rails, such as railroad tracks, are today mostly made of pearlitic steels with minimum tensile strengths of 700 MPa as standard quality, 900 MPa as wear-resistant quality and 1100 MPa or 1200 MPa as highly wear-resistant special qualities. Of these grades, the wear-resistant grade is mainly used.
  • the wear behavior of the plastic rail steels is improved with increasing tensile strength.
  • the mechanical properties are a function of the structural parameters of pearlite in the form of lamella spacing, cementite lamella thickness and grain size.
  • the strength properties are essentially determined by the lamella spacing, the yield strength and tensile strength increasing with decreasing lamella spacing. With coarse lamellar pearlite, the cementite lamella spacing approx. 0.3 in. For fine perlite, the cementite lamella spacing is approximately 0.1 im. Fine perlite is therefore more resilient.
  • the fine-lamellar structure of pearlite can be achieved by alloying chromium, chromium and vanadium or chromium and molybdenum.
  • a second way to achieve fine pearlite is to use a suitable heat treatment, which will be described in more detail later.
  • the specially alloyed, naturally hard rail steel has the advantage of increased strength in terms of rubbing wear, but less toughness. This is particularly disadvantageous for the rail foot, which is prone to breakage. Appropriate heat treatment of only the rail head exposed to wear leaves the rail base with greater toughness. For this reason, highly wear-resistant splints are now manufactured by means of fine pearlizing heat treatment.
  • corrugations occur on the rail surface in pearlitic steels and in many other rail materials.
  • Periodic bumps on the surface of the rail with wavelength sizes of 30 to 60 mm and amplitude heights of up to 0.4 mm are referred to as corrugations.
  • These corrugations lead to undesirable noise pollution and to a higher dynamic stress on the tracks and vehicles. They arise mainly on straight lines and in arcs with large radii. With increasing driving speeds and increasing axle loads of the vehicles, the evenness of the driving surface becomes more and more important. The removal of corrugations is therefore carried out continuously with rail grinding trains.
  • a method for the fine pearlization of head hardened rails is disclosed.
  • the process for converting the microstructure is based on the inductive step-by-step heating of the rail head to austenitizing temperature and a subsequent accelerated and targeted cooling by means of compressed air to temperatures below the c / _- Conversion of the rail metal.
  • the rail After gradual heating of the rail head in the heating phase by means of three inductors to approximately 1100 ° C., the rail passes a compensating section in which the temperature is evened out over the rail head cross section.
  • the compensation phase is followed by a targeted, accelerated cooling of the compressed air in a nozzle assembly.
  • the rail After exiting the cooling section, the rail cools down to a temperature below the martensite conversion in a free pass. The rail is then cooled with water so that it can enter a three-roll bending machine. This is where the second straightening process for the rail takes place, the first was carried out before it entered the induction section during manufacture. With this inductive heat treatment, the structure of the entire rail head, except for a small area near the rail web, is converted into fine pearlite.
  • martensitic transformation hardening is known as a method of surface treatment with high-power radiation in the solid phase. This martensitic transformation hardening is initially similar to fine pearlization in terms of the process principle.
  • a workpiece processing device for the martensitic surface hardening of workpieces which works with a carbon dioxide laser.
  • This processing device has a focusing device for focusing the laser beam on the workpiece and a radiation detector assigned to this workpiece, which detects the thermal radiation of the heated workpiece. This emits an output signal dependent on the strength of the radiation for power control of the laser.
  • In the beam path of the laser is one for the radiation with the wavelength of Laser-transmissive mirror attached, which directs the heat radiation emitted by the workpiece separately to the radiation detector arranged outside the beam path.
  • This detector supplies an electrical output signal proportional to the strength of the thermal radiation, which is supplied as an actual value to a control circuit to which the laser is connected.
  • the control loop controls the laser power to a target value previously entered in the control loop. It is therefore possible to measure the temperature directly in the area in which the workpiece is heated. The workpiece is always brought to the same temperature, regardless of the laser output power.
  • DE-OS 3733 147 a method for laser heat treatment is known which is used for laser hardening, soft laser annealing and laser recrystallization of components in the solid state.
  • a radiation pyrometer measures the surface temperature along a machining area of the component. With the help of a PID controller, the power of a laser is regulated on-line so quickly that the temperature of the surface in the processing area is always kept constant in a predetermined temperature interval. C0 2 lasers and solid-state lasers are used here.
  • DE-OS 37 33 147 after the austenitization of the material during cooling, self-quenching of the component leads to the formation of the martensite as long as a sufficiently high quenching rate is achieved.
  • the invention is therefore based on the object of providing a simple, inexpensive method which is suitable for mass production and which produces fine-lamellar pearlite in the manufacture of new rails which have not been laid and which have already been laid in order to avoid the formation of corrugations and to reduce wear on the rail head , while at the same time reducing tensions within the rail head and warping of the rails and melting of the rail material at the processing location are to be avoided, and tight tolerances with regard to the reproducibility of the processing result can be maintained.
  • the advantages of the invention are, in particular, that in one solution, after preheating, energy is introduced only into limited local peripheral layers of the rail head directly below the running or wearing surfaces.
  • energy is also only introduced into a limited local boundary layer directly under the running and wear surfaces of the rail head by high-energy radiation.
  • the beam formation of the high-energy radiation or the reduced feed rate between the rail and the high-energy radiation source result in a longer exposure time to the energy; a larger volume is heated and this allows temperature gradients to be reduced. This leads to a reduction in the warping of the rails. Therefore, the number and extent of the straightening processes and the thermal stresses that build up in the rail head and favor the formation of corrugations can be reduced.
  • the quality of the processing result can be ensured by the provided process monitoring and process control. There is therefore no melting in the surface of the processing location and the narrow tolerances required for the production of fine perlite when cooling the rail material can be reproducibly observed.
  • FIG. 1 shows a time-temperature conversion diagram of C-Mn steel
  • FIG. 2 shows a high-energy beam with a rectangular cross section which is subjected to beam shaping and
  • Figure 3 is a diagram of the influence of beam shaping on the temperature profile.
  • the naturally hard rail steel alloyed with additives such as chrome, vanadium, molybdenum, carbon and manganese has increased strength with regard to rubbing wear. At the same time, however, due to these alloys, it has a lower toughness.
  • high toughness is essential for vulnerable rail foot of a metal rail required.
  • the metal rail is manufactured, for example, from a rail steel of the quality 900 MPa and then only the rail head is equipped with heat treatment for tensile strengths greater than 1200 MPa. This can be achieved by producing fine perlite in the rail head. It is therefore neither technically necessary nor expedient from an economic and cost perspective to always select the material for a metal rail according to the highest wear requirements.
  • a material is selected in which a corresponding surface is subsequently created at the locations of the highest load and the greatest wear. This is done by heating to a predetermined temperature, the austenitizing temperature, by means of high-energy radiation.
  • This high-energy radiation can be, for example, laser radiation or electron radiation or any other preheating suitable for such heating of the surface.
  • the usage properties of the rail material are specifically changed with the presented method in order to produce the required structural structure, which is adapted to the loads and can withstand the expected wear.
  • a carbon-manganese steel is shown there in the cooling phase for the three microstructures martensite 1, fine pearlite 2 and pearlite 3.
  • the rail steel is first heated in the rail head to a certain temperature, namely above the austenitizing temperature, which is designated A c3 in the diagram.
  • the temperature at the rail surface of the rail head remains below the melting temperature during processing.
  • the preheating temperature prevails inside the workpiece.
  • the metal in the rail head is therefore in the solid phase.
  • the temperature on the surface of the rail head is measured and monitored during the machining process.
  • the temperature sensors can be designed, for example, as pyrometers, as photodiodes or as other temperature sensors which can measure such temperatures.
  • the cooling rate ⁇ required to achieve fine perlite in the rail head can be found in the time-temperature conversion diagram in FIG.
  • the lines for the start and end of a conversion are plotted in the diagram as a function of time.
  • the desired cooling lines are drawn as parameters, with the help of which the expected microstructural composition can be determined.
  • the achievable hardness values are given for each cooling curve.
  • the cooling curves begin at the austenitizing temperature A ⁇ . At the intersection of cooling curves and structural areas, the structural components are in percent.
  • the perlite 3 area is reached, which requires cooling rates of less than 10 K / s.
  • the perlite 3 has a coarse lamellar cementite lamella spacing of 0.3 im.
  • Line A c1 indicates the beginning of austenitization.
  • Line A c3 represents the homogeneous austenitizing state for the entire heated structure.
  • the principle of the invention in a first embodiment of the method according to the invention is based on the fact that, without any separate preheating of the rail head, energy is introduced by high-energy radiation only in a limited local boundary layer. This energy input into local boundary layers also only takes place directly under the running surfaces or wear surfaces of the rail head. The amount of energy absorbed by the rail at the processing site is metered in such a way that there is a controlled cooling of the local microstructure in the boundary layer at the processing site.
  • the possibility of producing a fine-periitic structure without separate preheating is done by beam shaping the raw beam of the high-energy radiation source, which for example is a laser source can be.
  • the length of the high-energy beam is made substantially larger than its width.
  • the longitudinal axis of the high-energy beam coincides with the longitudinal axis of the rail.
  • the length 4 of the shaped beam 6 can be a multiple of the width 5 of the shaped beam, see FIG. 2.
  • the longitudinal axis of the shaped beam surface 6 and the longitudinal axis of the rail coincide with the feed direction 8.
  • the rectangular shape of the beam in which the length is formed as a multiple of its width, also leads to the fact that the feed rate can be increased to an economic order of magnitude.
  • the high-energy radiation of the edge layers of the rail head can take place either by the movement of the rail relative to the stationary beam or by the movement of the high-energy radiation source along the rail head.
  • FIG. 3 shows the influence that rectangular beam geometries with different lengths of the beam have on the temperature-time curve and thus on the processing result.
  • FIG. 3 shows a model calculation with a logarithmic representation of the cooling curves for a jet surface 6, which extends from a width of 13.5 mm with a length of 13.5 mm to a length of 50.0 mm.
  • a room temperature 25 ° C in the metal rail and in the surroundings, so there is no preheating.
  • a constant feed rate of 100 mm per minute has always been used.
  • a second exemplary embodiment of the method according to the invention for changing the microstructure of metal rails in the solid phase works by subjecting the rail head to preheating to temperatures below the martensite start temperature.
  • this second method also works by introducing energy into a limited local boundary layer directly under the loaded running and wear surfaces of the rail head by means of high-energy radiation, which, as in the first example, can be an electron beam or a laser beam.
  • high-energy radiation which, as in the first example, can be an electron beam or a laser beam.
  • the temperature gradient during cooling is therefore smaller the higher the workpiece is preheated.
  • Preheating and the subsequent introduction of energy through high-energy radiation result in a controlled temperature-time profile during cooling.
  • the high-energy radiation takes place by means of the unchanged raw beam from the high-energy radiation source.
  • the locally limited heating of boundary layers leads to a reduction in temperature gradients and thus to a reduction in the thermal stresses in the rail head.
  • the production of fine lamellar is also possible. Perlite is made possible by guiding the cooling rate at the processing location with high-energy radiation.
  • a further slowdown in the cooling rate is also possible by adapting other process parameters.
  • either the rail can achieve a lower cooling rate compared to the high-energy radiation source or vice versa.
  • the cooling rate can also be slowed down by reducing the temperature gradient dT / dx by means of the preheating described in the second method variant. The temperature gradient during cooling is smaller, the longer the workpiece is preheated or the higher the temperature of the workpiece.
  • the running and wear properties of rails are improved by the formation of fine-lamellar pearlite in that this pearlite formation takes place through the introduction of energy only in limited local peripheral layers of the rail head directly below the running and wear surfaces.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

A process is disclosed for changing the local microstructure at the surface of the head of a metallic rail in the solid phase. The microstructure is changed by applying energy only within a limited local marginal layer located directly below the stressed running and wearing surfaces of the rail head by high-energy radiation. The amount of energy absorbed by the rail at the processing site is controlled by said high-energy radiation in such a way that the local microstructure in the marginal layer at the processing site is cooled in an adequately controlled way.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
VERFAHREN ZUR ÄNDERUNG DER GEFUGESTRUKTUR VONMETHOD FOR CHANGING THE STRUCTURE OF
METALLSCHIENENMETAL RAILS
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Gefügestruktur von Metall¬ schienen mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.The invention relates to a method for changing the structure of Metall¬ rails with the features of the type described in the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Die vom Rad auf die Schiene wirkenden Belastungen, wie Radlasten, Spur- führungskräfte, Beschleunigungs- und Bremskräfte, führen im unmittelbaren Einwirkungsbereich zu sehr hohen dynamischen Beanspruchungen und zu starken Verformungen und Kaltverfestigungen des Schienenstahls. Durch die Reibberührung kommt es zwischen Schiene und Rad zu Verschleiß, der ins¬ besondere in Bögen unter 1000 Meter Radius eine maßgebliche Rolle spielt. Zu besonders hohen Beanspruchungen kommt es auch auf Gefällstrecken und auf Schwerlaststrecken. Metallschienen, wie Eisenbahnschienen, werden heute meist aus perlitischen Stählen mit Mindestzugfestigkeiten von 700 MPa als Regelgüte, 900 MPa als verschleißfeste Güte und 1100 MPa bzw. 1200 MPa als hochverschleißfeste Sondergüten hergestellt. Von diesen Güten kommt haupt¬ sächlich die verschleißfeste Güte zum Einsatz. Das Verschleißverhalten der per¬ litischen Schienenstähle wird mit zunehmender Zugfestigkeit verbessert. Die mechanischen Eigenschaften sind eine Funktion der Gefügekenngrößen des Perlits in Form von Lamellenabstand, Zementitlamellendicke und Korngröße. Die Festigkeitseigenschaften werden im wesentlichen vom Lamellenabstand bestimmt, dabei nimmt die Streckgrenze und die Zugfestigkeit mit abnehmen¬ dem Lamellenabstand zu. Bei groblamellarem Perlit beträgt der Zementit- lamellenabstand ca. 0,3 im. Bei Feinperlit beträgt der Zementitlamellenabstand etwa 0,1 im. Der Feinperlit ist also stärker belastbar.The loads exerted by the wheel on the rail, such as wheel loads, guidance forces, acceleration and braking forces, lead to very high dynamic loads in the immediate area of impact and to strong deformations and strain hardening of the rail steel. The frictional contact causes wear between the rail and the wheel, which plays an important role, in particular in bends with a radius of less than 1000 meters. Particularly high loads also occur on downhill and heavy-duty routes. Metal rails, such as railroad tracks, are today mostly made of pearlitic steels with minimum tensile strengths of 700 MPa as standard quality, 900 MPa as wear-resistant quality and 1100 MPa or 1200 MPa as highly wear-resistant special qualities. Of these grades, the wear-resistant grade is mainly used. The wear behavior of the plastic rail steels is improved with increasing tensile strength. The mechanical properties are a function of the structural parameters of pearlite in the form of lamella spacing, cementite lamella thickness and grain size. The strength properties are essentially determined by the lamella spacing, the yield strength and tensile strength increasing with decreasing lamella spacing. With coarse lamellar pearlite, the cementite lamella spacing approx. 0.3 in. For fine perlite, the cementite lamella spacing is approximately 0.1 im. Fine perlite is therefore more resilient.
Der feinlamellare Gefügezustand des Perlits kann einmal durch Zulegieren von Chrom, Chrom und Vanadium oder Chrom und Molybdän erreicht werden. Eine zweite Möglichkeit zur Erreichung des Feinperlits besteht in einer geeigneten Wärmebehandlung, die später noch näher beschrieben wird. Der besonders legierte naturharte Schienenstahl hat zwar den Vorteil erhöhter Festigkeit im Hinblick auf den reibenden Verschleiß, aber eine geringere Zähigkeit. Dies ist insbesondere für den bruchanfälligen Schienenfuß nachteilig. Eine geeignete Wärmebehandlung nur des dem Verschleiß ausgesetzten Schienenkopfes beläßt dem Schienenfuß eine höhere Zähigkeit. Deshalb werden heute hochverschleißfeste Schienen durch feinperlitisierende Wärmebehandlung her¬ gestellt. Diesen Schienen mit Feinperlitstruktur wird gegenüber den naturharten legierten perlitischen Schienen heute der Vorzug gegeben, da sie gute Zähig¬ keitseigenschaften haben.The fine-lamellar structure of pearlite can be achieved by alloying chromium, chromium and vanadium or chromium and molybdenum. A second way to achieve fine pearlite is to use a suitable heat treatment, which will be described in more detail later. The specially alloyed, naturally hard rail steel has the advantage of increased strength in terms of rubbing wear, but less toughness. This is particularly disadvantageous for the rail foot, which is prone to breakage. Appropriate heat treatment of only the rail head exposed to wear leaves the rail base with greater toughness. For this reason, highly wear-resistant splints are now manufactured by means of fine pearlizing heat treatment. These rails with fine pearlite structure are given preference over the naturally hard alloyed pearlitic rails today because they have good toughness properties.
Aufgrund der vorstehend geschilderten Belastungen, die das Rad auf die Schiene ausübt, treten bei perlitischen Stählen und bei vielen anderen Schie¬ nenwerkstoffen Riffeln an der Schienenoberfläche auf. Als Riffeln werden periodische Unebenheiten auf der Schieπenoberfläche mit Wellenlängengrößen von 30 bis 60 mm und Amplitudenhöhen bis zu 0,4 mm bezeichnet. Diese Riffeln führen zu einer unerwünschten Lärmbelästigung und zu einer höheren dynami¬ schen Beanspruchung der Gleise und Fahrzeuge. Sie entstehen hauptsächlich auf Geraden und in Bögen mit großen Radien. Mit steigenden Fahrgeschwindig¬ keiten und zunehmenden Achslasten der Fahrzeuge gewinnt die Ebenheit der Fahrfläche immer mehr an Bedeutung. Die Beseitigung von Riffeln wird deshalb kontinuierlich mit Schienenschleifzügen durchgeführt. Gemäß einem Artikel "Kopf gehärtete Schienen für höchste Betriebsansprüche" in ETR 39 (190), H.4- Aprii, wird ein Verfahren für die Feinperlitisierung von kopfgehärteten Schienen geoffenbart. Der Prozeß zur Umwandlung der Gefügestruktur basiert auf der induktiven stufenweisen Erwärmung des Schienenkopfes im Durchlauf auf Austenitisierungstemperatur und einer nachfolgenden beschleunigten und gezielten Abkühlung mittels Preßluft auf Temperaturen unterhalb der c/_- Umwandlung des Schienenmetalls. Nach stufenweisem Erwärmen des Schie¬ nenkopfes in der Aufheizphase mittels drei Induktoren auf etwa 1100°C passiert die Schiene eine Ausgleichsstrecke, in der sich die Temperatur über den Schie- nenkopfquerschnitt vergleichmäßigt. Der Ausgleichsphase schließt sich eine gezielte beschleunigte Preßluftabkühlung in einem Düsenstock an. Nach dem Austritt aus der Kühlstrecke kühlt die Schiene in einem freien Durchlauf auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Umwandlung ab. Anschließend wird die Schiene mit Wasser abgekühlt, so daß sie in eine Drei-Rollenbiegemaschine einlaufen kann. Dort findet der zweite Richtvorgang für die Schiene statt, der erste wurde bereits vor dem Einlaufen in die Induktionsstrecke bei der Herstellung durchgeführt. Bei dieser induktiven Wärmebehandlung wird also das Gefüge des gesamten Schienenkopfes, bis auf einen kleinen Bereich in der Nähe des Schienenstegs, in Feinperlit umgewandelt.Because of the loads described above, which the wheel exerts on the rail, corrugations occur on the rail surface in pearlitic steels and in many other rail materials. Periodic bumps on the surface of the rail with wavelength sizes of 30 to 60 mm and amplitude heights of up to 0.4 mm are referred to as corrugations. These corrugations lead to undesirable noise pollution and to a higher dynamic stress on the tracks and vehicles. They arise mainly on straight lines and in arcs with large radii. With increasing driving speeds and increasing axle loads of the vehicles, the evenness of the driving surface becomes more and more important. The removal of corrugations is therefore carried out continuously with rail grinding trains. According to an article "Head hardened rails for the highest operational demands" in ETR 39 (190), H.4-Aprii, a method for the fine pearlization of head hardened rails is disclosed. The process for converting the microstructure is based on the inductive step-by-step heating of the rail head to austenitizing temperature and a subsequent accelerated and targeted cooling by means of compressed air to temperatures below the c / _- Conversion of the rail metal. After gradual heating of the rail head in the heating phase by means of three inductors to approximately 1100 ° C., the rail passes a compensating section in which the temperature is evened out over the rail head cross section. The compensation phase is followed by a targeted, accelerated cooling of the compressed air in a nozzle assembly. After exiting the cooling section, the rail cools down to a temperature below the martensite conversion in a free pass. The rail is then cooled with water so that it can enter a three-roll bending machine. This is where the second straightening process for the rail takes place, the first was carried out before it entered the induction section during manufacture. With this inductive heat treatment, the structure of the entire rail head, except for a small area near the rail web, is converted into fine pearlite.
Bei wärmebehandelten Schienen wird eine Festigkeitssteigerung ohne zusätz¬ liche Versprödung erreicht. Es kommt jedoch auch hier zu einer Riffelbildung, die durch das dynamische System Schiene - Rad ausgelöst wird. Es wird davon ausgegangen, daß die Riffelbildung von den hohen inneren Spannungen in der Schiene infolge der mehrfachen Richtvorgänge abhängig ist.In the case of heat-treated rails, an increase in strength is achieved without additional embrittlement. However, ripples also occur here, which is triggered by the dynamic rail-wheel system. It is assumed that the corrugation depends on the high internal stresses in the rail due to the multiple straightening processes.
Auf anderen Gebieten der Technik, nämlich denen der Bauteile und Werkstücke, ist das martensitische Umwandlungshärten als Verfahren der Oberflächen¬ behandlung mit Hochleistungsstrahlung in der festen Phase bekannt. Dieses martensitische Umwandlungshärten ist zunächst der Feinperlitisierung vom Verfahrensprinzip her ähnlich.In other fields of technology, namely that of components and workpieces, martensitic transformation hardening is known as a method of surface treatment with high-power radiation in the solid phase. This martensitic transformation hardening is initially similar to fine pearlization in terms of the process principle.
Aus der DE-OS 37 26 466 ist eine Werkstückbearbeitungsvorrichtung zum mar- tensitischen Oberflächenhärten von Werkstücken bekannt, die mit einem Kohlendioxidlaser arbeitet. Diese Bearbeitungsvorrichtung besitzt eine Fokussiervorrichtung zum Bündeln des Laserstrahls auf das Werkstück und einen diesem Werkstück zugeordneten Strahlungsdetektor, der die Wärme¬ strahlung des erhitzten Werkstücks detektiert. Dieser gibt ein von der Stärke der Strahlung abhängiges Ausgangssignal zur Leistungssteuerung des Lasers ab. Im Strahlengang des Lasers ist ein für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässiger Spiegel angebracht, der die vom Werkstück abgegebene Wärmestrahlung gesondert zu dem außerhalb des Strahlengangs angeordneten Strahlendetektor lenkt. Dieser Detektor liefert ein der Stärke der Wärmestrahlung proportionales elektrisches Ausgangssignal, das als Ist-Wert einem Regelkreis zugeführt wird, dem der Laser angeschlossen ist. Der Regel¬ kreis steuert die Laserleistung auf einen zuvor in den Regelkreis eingegebenen Soll-Wert. Es ist also möglich, die Temperatur in dem Bereich direkt zu messen, in dem das Werkstück aufgeheizt wird. Das Werkstück wird damit immer auf gleiche Temperatur gebracht und zwar unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.From DE-OS 37 26 466 a workpiece processing device for the martensitic surface hardening of workpieces is known, which works with a carbon dioxide laser. This processing device has a focusing device for focusing the laser beam on the workpiece and a radiation detector assigned to this workpiece, which detects the thermal radiation of the heated workpiece. This emits an output signal dependent on the strength of the radiation for power control of the laser. In the beam path of the laser is one for the radiation with the wavelength of Laser-transmissive mirror attached, which directs the heat radiation emitted by the workpiece separately to the radiation detector arranged outside the beam path. This detector supplies an electrical output signal proportional to the strength of the thermal radiation, which is supplied as an actual value to a control circuit to which the laser is connected. The control loop controls the laser power to a target value previously entered in the control loop. It is therefore possible to measure the temperature directly in the area in which the workpiece is heated. The workpiece is always brought to the same temperature, regardless of the laser output power.
Aus der DE-OS 3733 147 ist ein Verfahren zur Laserwärmebehandlung bekannt, das für Laserhärten, Laserweichglühen und Laserrekristallisieren von Bauteilen im festen Zustand verwendet wird. Ein Strahlungspyrometer mißt die Oberflächentemperatur entlang eines Bearbeitungsbereichs des Bauteils. Mit Hilfe eines PID-Reglers wird die Leistung eines Lasers on-line so schnell gere¬ gelt, daß die Temperatur der Oberfläche in dem Bearbeitungsbereich in einem vorgegebenen Temperaturintervall stets konstant gehalten wird. Verwendet werden hier C02-Laser und Festkörperlaser. Gemäß der DE-OS 37 33 147 kommt es nach der Austenitisierung des Werkstoffs beim Abkühlen durch Selbstabschreckung des Bauteils zur Bildung des Martensit, solange eine aus¬ reichend große Abschreckgeschwindigkeit erreicht wird.From DE-OS 3733 147 a method for laser heat treatment is known which is used for laser hardening, soft laser annealing and laser recrystallization of components in the solid state. A radiation pyrometer measures the surface temperature along a machining area of the component. With the help of a PID controller, the power of a laser is regulated on-line so quickly that the temperature of the surface in the processing area is always kept constant in a predetermined temperature interval. C0 2 lasers and solid-state lasers are used here. According to DE-OS 37 33 147, after the austenitization of the material during cooling, self-quenching of the component leads to the formation of the martensite as long as a sufficiently high quenching rate is achieved.
Bei den beiden vorstehend geschilderten Beispielen des Standes der Technik werden Verfahren bzw. Vorrichtungen geoffenbart, die die Oberflächentempe¬ ratur am Bearbeitungsort der durch die Laserstrahlung erwärmten Oberfläche des Bauteils bzw. Werkstücks erfassen. Mit Hilfe eines PID-Reglers wird die Leistung des jeweiligen Lasers derart geregelt, daß die Temperatur an der Ober¬ fläche des Bauteils konstant gehalten wird. Zwischen dem martensitischen Umwandlungshärten und der Erzeugung von Feinperlit besteht ein wesentlicher Unterschied darin, daß beim martensitischen Härten lediglich eine werkstoff¬ spezifische Mindestabkühlgeschwindigkeit überschritten werden muß, um das Martensitgefüge zu erhalten. Bei der Erzeugung von Feinperlit muß ein enger Toleranzbereich für die Abkühlgeschwindigkeit während der Abkühlphase ein- gehalten werden. Für die Laserstrahlbearbeitung des Werkstoffes muß eine rela¬ tiv geringe Abkühlrate stets eingehalten werden. Innerhalb dieses engen Tole¬ ranzbereiches muß dann die Abkühlgeschwindigkeit optimal eingehalten werden, um möglichst nur feinlamellaren Perlit zu erzeugen.In the two examples of the prior art described above, methods and devices are disclosed which detect the surface temperature at the processing location of the surface of the component or workpiece heated by the laser radiation. With the help of a PID controller, the power of the respective laser is controlled in such a way that the temperature on the surface of the component is kept constant. There is a significant difference between the martensitic transformation hardening and the production of fine perlite in that in martensitic hardening only a material-specific minimum cooling rate has to be exceeded in order to maintain the martensite structure. When producing fine perlite, a narrow tolerance range for the cooling rate during the cooling phase must be being held. A relatively low cooling rate must always be maintained for the laser beam processing of the material. The cooling rate must then be optimally maintained within this narrow tolerance range in order to produce only finely lamellar pearlite.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein für die Massenfertigung geeignetes, einfaches und preiswertes Verfahren zu schaffen, das bei der Her¬ stellung neuer nichtverlegter und der Behandlung bereits verlegter Schienen zur Vermeidung der Riffelbildung und zur Verringerung des Verschleißes auf dem Schienenkopf feinlamellaren Perlit erzeugt, wobei gleichzeitig Spannungen innerhalb des Schienenkopfes und der Verzug der Schienen vermindert und Anschmelzungen des Schienenwerkstoffes am Bearbeitungsort vermieden werden sollen, sowie enge Toleranzen bezüglich der Reproduzierbarkeit des Bearbeitungsergebnisses eingehalten werden können.The invention is therefore based on the object of providing a simple, inexpensive method which is suitable for mass production and which produces fine-lamellar pearlite in the manufacture of new rails which have not been laid and which have already been laid in order to avoid the formation of corrugations and to reduce wear on the rail head , while at the same time reducing tensions within the rail head and warping of the rails and melting of the rail material at the processing location are to be avoided, and tight tolerances with regard to the reproducibility of the processing result can be maintained.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungsgegenstände sind in den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 8 gekennzeichnet.According to the invention, these objects are achieved by the features specified in the characterizing part of patent claims 1 and 2. Advantageous developments of the subject matter of the invention are characterized in the features of subclaims 3 to 8.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß bei dem einen Lösungsweg nach der Vorwärmung eine Energieeinbringung nur in begrenzte lokale Randschichten des Schienenkopfes direkt unter den Lauf- bzw. Ver¬ schleißflächen erfolgt. Bei dem zweiten Lösungsweg erfolgt ohne jede Vorwär¬ mung ebenfalls eine Energieeinbringung nur in eine begrenzte lokale Rand¬ schicht direkt unter den Lauf- und Verschleißflächen des Schienenkopfes durch Hochenergiebestrahlung. Durch Messung und Regelung der Temperatur wäh¬ rend des Bearbeitungsprozesses auf der Oberfläche des Schienenkopfes läßt sich eine gezielte Führung der Abkühlgeschwindigkeit bei der Hochenergie¬ bestrahlung erzielen, so daß ein äußerst feinlamellarer Perlit erzeugt wird, der eine Riffelbildung auf dem Schienenkopf nicht zuläßt und somit eine Verbesse¬ rung der Gebrauchseigenschaften herbeiführt. Durch die lokal begrenzte Ener- gieeinbringung in lokale Randschichten des Schienenkopfes kommt es bei ent¬ sprechender Strahlformung der Hochenergiebestrahlung bzw. bei verringerter Vorschubgeschwindigkeit zwischen Schiene und der Hochenergiebestrah- lungsquelle zu einer längeren Einwirkzeit der Energie; es wird ein größeres Volumen erwärmt und dadurch können Temperaturgradienten abgebaut werden. Dies führt dazu, daß der Verzug der Schienen vermindert wird. Deshalb kann die Anzahl und das Ausmaß der Richtvorgänge und die sich deshalb in dem Schienenkopf aufbauenden thermischen Spannungen, die die Riffelbildung begünstigen, reduziert werden. Die Qualität des Bearbeitungsergebnisses kann durch die vorgesehene Prozeßüberwachung und Prozeßregelung sichergestellt werden. Es kommt deshalb nicht zu Anschmelzungen in der Oberfläche des Bearbeitungsortes und die zur Erzeugung von Feinperlit erforderlichen engen Toleranzen bei der Abkühlung des Schienenmaterials können reproduzierbar eingehalten werden.The advantages of the invention are, in particular, that in one solution, after preheating, energy is introduced only into limited local peripheral layers of the rail head directly below the running or wearing surfaces. In the second approach, without any preheating, energy is also only introduced into a limited local boundary layer directly under the running and wear surfaces of the rail head by high-energy radiation. By measuring and regulating the temperature during the machining process on the surface of the rail head, a targeted control of the cooling rate during high-energy irradiation can be achieved, so that an extremely fine-lamellar pearlite is produced, which does not allow corrugations to form on the rail head and thus one Improvement of the performance properties. Due to the locally limited energy If the beam is introduced into local edge layers of the rail head, the beam formation of the high-energy radiation or the reduced feed rate between the rail and the high-energy radiation source result in a longer exposure time to the energy; a larger volume is heated and this allows temperature gradients to be reduced. This leads to a reduction in the warping of the rails. Therefore, the number and extent of the straightening processes and the thermal stresses that build up in the rail head and favor the formation of corrugations can be reduced. The quality of the processing result can be ensured by the provided process monitoring and process control. There is therefore no melting in the surface of the processing location and the narrow tolerances required for the production of fine perlite when cooling the rail material can be reproducibly observed.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und von Zeichnungen noch näher erläutert:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and drawings:
Figur 1 ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild von C-Mn-Stahl,FIG. 1 shows a time-temperature conversion diagram of C-Mn steel,
Figur 2 ein einer Strahlformung unterzogener Hochenergiestrahl mit rechteckigem Querschnitt undFIG. 2 shows a high-energy beam with a rectangular cross section which is subjected to beam shaping and
Figur 3 ein Diagramm über den Einfluß der Strahlformung auf den Temperaturverlauf.Figure 3 is a diagram of the influence of beam shaping on the temperature profile.
Beste Wege zur Ausführung der ErfindungBest ways to carry out the invention
Der durch Zusätze, wie Chrom, Vanadium, Molybdän, Kohlenstoff und Mangan, legierte naturharte Schienenstahl verfügt über erhöhte Festigkeit im Hinblick auf den reibenden Verschleiß. Er verfügt gleichzeitig jedoch durch diese Legierun¬ gen über eine geringere Zähigkeit. Eine hohe Zähigkeit ist jedoch für den hoch- anfälligen Schienenfuß einer Metallschiene erforderlich. Deshalb wird die Metall¬ schiene beispielsweise aus einem Schienenstahl der Güte 900 MPa hergestellt und anschließend nur der Schienenkopf durch Wärmebehandlung für Zugfestig¬ keiten größer als 1200 MPa ausgerüstet. Dies läßt sich durch die Erzeugung von Feinperlit im Schienenkopf erreichen. Es ist also weder technisch erforderlich, noch aus wirtschaftlicher und kostenmäßiger Sicht zweckmäßig, den Werkstoff für eine Metallschiene stets nach den höchsten Verschleißanforderungen aus¬ zuwählen. Es wird vielmehr ein Werkstoff ausgewählt, bei dem nachträglich an den Stellen der höchsten Belastung und des stärksten Verschleißes eine ent¬ sprechende Oberfläche geschaffen wird. Dies geschieht durch Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur, die Austenitisierungstemperatur, mittels einer Hochenergiebestrahlung. Diese Hochenergiebestrahlung kann beispielsweise eine Laserstrahlung oder eine Elektronenstrahlung oder jede andere für eine derartige Erwärmung der Oberfläche geeignete Vorwärmung sein. Die Gebrauchseigenschaften des Schienenwerkstoffs werden mit dem vorgestellten Verfahren gezielt verändert, um die geforderte Gefügestruktur zu erzeugen, die den Belastungen angepaßt ist und dem zu erwartenden Verschleiß standhalten kann.The naturally hard rail steel alloyed with additives such as chrome, vanadium, molybdenum, carbon and manganese has increased strength with regard to rubbing wear. At the same time, however, due to these alloys, it has a lower toughness. However, high toughness is essential for vulnerable rail foot of a metal rail required. For this reason, the metal rail is manufactured, for example, from a rail steel of the quality 900 MPa and then only the rail head is equipped with heat treatment for tensile strengths greater than 1200 MPa. This can be achieved by producing fine perlite in the rail head. It is therefore neither technically necessary nor expedient from an economic and cost perspective to always select the material for a metal rail according to the highest wear requirements. Rather, a material is selected in which a corresponding surface is subsequently created at the locations of the highest load and the greatest wear. This is done by heating to a predetermined temperature, the austenitizing temperature, by means of high-energy radiation. This high-energy radiation can be, for example, laser radiation or electron radiation or any other preheating suitable for such heating of the surface. The usage properties of the rail material are specifically changed with the presented method in order to produce the required structural structure, which is adapted to the loads and can withstand the expected wear.
Die Wege zur Erzeugung von Feinperlit, der den Belastungen der Praxis stand¬ halten kann, können aus dem Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm der Figur 1 entnommen werden. Dort ist ein Kohlenstoff-Mangan-Stahl in der Abkühlphase für die drei Gefügestrukturen Martensit 1, Feinperlit 2 und Perlit 3 dargestellt. Der Schienenstahl wird zunächst im Schienenkopf auf eine bestimmte Temperatur, nämlich über die Austenitisierungstemperatur, erhitzt, die in dem Diagramm mit Ac3 bezeichnet ist. Die Temperatur an der Schienen¬ oberfläche des Schienenkopfes bleibt bei der Bearbeitung unterhalb der Schmelztemperatur. Im Werkstückinnern herrscht die Vorwärmtemperatur. Das Metali im Schienenkopf befindet sich also in der festen Phase. Während des Bearbeitungsprozesses wird dabei die Temperatur an der Schienenkopfober- fläche gemessen und überwacht. Die Temperatursensoren können beispiels¬ weise als Pyrometer, als Photodiode oder als anderer Temperatursensor aus¬ gebildet sein, die derartige Temperaturen messen können. Die zur Erzielung von Feinperlit im Schienenkopf nötigen Abkühlrateπ können dem Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm in Figur 1 entnommen werden. In dem Diagramm sind die Linien für Beginn und Ende einer Umwandlung als Funktion der Zeit eingetragen. Als Parameter sind die gewünschten Abkühllinien eingezeichnet, mit deren Hilfe die zu erwartende Gefügezusammensetzung ermittelt werden kann. Zu jeder Abkühlkurve sind die erreichbaren Härtewerte angegeben. Die Abkühlkurven beginnen bei der Austenitisierungstemperatur A^. An den Schnittpunkten von Abkühlkurven und Gefügebereichen stehen die Gefügeanteile in Prozent. Wird der Schienenkopf schnell abgekühlt, so werden die Bereiche Feinperlit 2 und Perlit 3 gar nicht durchlaufen, man erhält ausschließlich den Bereich Martensit 1. Die Abkühlrate beispielsweise bei der Laserstrahlhärtung beträgt dT/dt größer 250 K/s. Kühlt der Schienenkopf im Bereich Feinperlit 2 ab, so wird dies mit einer weniger schnellen Abkühlung erreicht. Dabei entsteht feinstreifiger Perlit, der einen Zementitlamellenabstand von rund 0,1 im hat. Die dazu erforderliche Abkühlrate kann in diesem Fall ebenfalls aus dem Diagramm in Figur 1 entnommen werden; sie liegt in einem engen Toleranzbereich um dT/dt = 15 K/s. Wird der erwärmte Schienenkopf dagegen langsam abgekühlt, so gelangt man in den Bereich Perlit 3, wozu Abkühlraten von kleiner 10 K/s erforderlich sind. Bei dem Perlit 3 ergibt sich ein groblamellarer Zementitlamellenabstand von 0,3 im. Die Linie Ac1 zeigt den Beginn der Austenitisierung an. Die Linie Ac3 den homogen Austenitisierungs- zustaπd für das gesamte erwärmte Gefüge.The ways of producing fine perlite, which can withstand the stresses of practice, can be found in the time-temperature conversion diagram in FIG. A carbon-manganese steel is shown there in the cooling phase for the three microstructures martensite 1, fine pearlite 2 and pearlite 3. The rail steel is first heated in the rail head to a certain temperature, namely above the austenitizing temperature, which is designated A c3 in the diagram. The temperature at the rail surface of the rail head remains below the melting temperature during processing. The preheating temperature prevails inside the workpiece. The metal in the rail head is therefore in the solid phase. The temperature on the surface of the rail head is measured and monitored during the machining process. The temperature sensors can be designed, for example, as pyrometers, as photodiodes or as other temperature sensors which can measure such temperatures. The cooling rate π required to achieve fine perlite in the rail head can be found in the time-temperature conversion diagram in FIG. The lines for the start and end of a conversion are plotted in the diagram as a function of time. The desired cooling lines are drawn as parameters, with the help of which the expected microstructural composition can be determined. The achievable hardness values are given for each cooling curve. The cooling curves begin at the austenitizing temperature A ^. At the intersection of cooling curves and structural areas, the structural components are in percent. If the rail head is quickly cooled, the fine pearlite 2 and pearlite 3 areas are not passed through at all, only the martensite 1 area is obtained. The cooling rate, for example in the case of laser beam hardening, is dT / dt greater than 250 K / s. If the rail head cools down in the area of fine pearlite 2, this is achieved with less rapid cooling. This creates fine-streaked pearlite, which has a cementite lamella spacing of around 0.1 im. The cooling rate required for this can also be found in the diagram in FIG. 1; it is within a narrow tolerance range around dT / dt = 15 K / s. If, on the other hand, the warmed up rail head is slowly cooled, the perlite 3 area is reached, which requires cooling rates of less than 10 K / s. The perlite 3 has a coarse lamellar cementite lamella spacing of 0.3 im. Line A c1 indicates the beginning of austenitization. Line A c3 represents the homogeneous austenitizing state for the entire heated structure.
Das Prinzip der Erfindung bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens beruht darauf, daß ohne jegliche separate Vorwärmung des Schienenkopfes eine Energieeinbringung durch eine Hochenergiebestrah¬ lung lediglich in einer begrenzten lokalen Randschicht erfolgt. Diese Energie¬ einbringung in lokale Randschichten erfolgt außerdem nur direkt unter den Lauf¬ flächen bzw. Verschleißflächen des Schienenkopfes. Dabei wird die am Bear- beituηgsort von der Schiene absorbierte Energiemenge derart dosiert, daß es zu einer gesteuerten Abkühlung der lokalen Gefügestruktur in der Randschicht am Bearbeitungsort kommt. Die Möglichkeit eine feinperiitische Gefügestruktur ohne separate Vorwärmuπg zu erzeugen, geschieht durch Strahlformung des Roh¬ strahls der Hocheπergiebestrahlungsquelle, die beispielsweise eine Laserquelle sein kann. Dabei wird die Länge des Hochenergiestrahls wesentlich größer als seine Breite ausgebildet. Es fällt dabei die Längsachse des Hochenergiestrahls mit der Längsachse der Schiene zusammen. Die Länge 4 des geformten Strahls 6 kann dabei ein Mehrfaches der Breite 5 des geformten Strahls sein, siehe dazu Figur 2. Die Längsachse der geformten Strahlfläche 6 und die Längsachse der Schiene fällt dabei zusammen mit der Vorschubrichtung 8. Die rechteckige For¬ mung des Strahls, bei der die Länge als Vielfaches seiner Breite ausgebildet ist, führt auch dazu, daß die Vorschubgeschwindigkeit sich in eine wirtschaftliche Größenordnung steigern läßt. Dabei kann die Hochenergiebestrahlung der Randschichten des Schienenkopfes entweder durch die Bewegung der Schiene gegenüber dem ortsfesten Strahl oder durch die Bewegung der Hochenergie- bestrahlungsquelle entlang dem Schienenkopf erfolgen.The principle of the invention in a first embodiment of the method according to the invention is based on the fact that, without any separate preheating of the rail head, energy is introduced by high-energy radiation only in a limited local boundary layer. This energy input into local boundary layers also only takes place directly under the running surfaces or wear surfaces of the rail head. The amount of energy absorbed by the rail at the processing site is metered in such a way that there is a controlled cooling of the local microstructure in the boundary layer at the processing site. The possibility of producing a fine-periitic structure without separate preheating is done by beam shaping the raw beam of the high-energy radiation source, which for example is a laser source can be. The length of the high-energy beam is made substantially larger than its width. The longitudinal axis of the high-energy beam coincides with the longitudinal axis of the rail. The length 4 of the shaped beam 6 can be a multiple of the width 5 of the shaped beam, see FIG. 2. The longitudinal axis of the shaped beam surface 6 and the longitudinal axis of the rail coincide with the feed direction 8. The rectangular shape of the beam , in which the length is formed as a multiple of its width, also leads to the fact that the feed rate can be increased to an economic order of magnitude. The high-energy radiation of the edge layers of the rail head can take place either by the movement of the rail relative to the stationary beam or by the movement of the high-energy radiation source along the rail head.
Aus Figur 3 ist nun der Einfluß ersichtlich, den Rechteckstrahlgeometrien mit verschiedener Länge des Strahls -auf den Temperatur-Zeit-Verlauf und damit auf das Bearbeitungsergebnis haben. In der Figur 3 ist eine Modellrechnung mit logarithmischer Darstellung der Abkühlkurven für eine Strahlfläche 6, die von einer Breite 13,5 mm mit einer Länge von 13,5 mm bis zu einer Länge von 50,0 mm reicht. Es herrscht dabei anfangs in der Metallschiene wie in der Umgebung eine Raumtemperatur von 25°C, es findet also keine Vorwärmung statt. Es ist eine stets gleichbleibende Vorschubgeschwindigkeit von 100 mm pro Minute angewandt worden.FIG. 3 shows the influence that rectangular beam geometries with different lengths of the beam have on the temperature-time curve and thus on the processing result. FIG. 3 shows a model calculation with a logarithmic representation of the cooling curves for a jet surface 6, which extends from a width of 13.5 mm with a length of 13.5 mm to a length of 50.0 mm. At the beginning there is a room temperature of 25 ° C in the metal rail and in the surroundings, so there is no preheating. A constant feed rate of 100 mm per minute has always been used.
Bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich mit einem Strahl größerer Längsabmessung eine längere Einwirkzeit. Dadurch steht zum einen eine längere Zeit für die Ausbreitung der Wärme zur Verfügung, woraus sich eine stärkere Erwärmung in der Tiefe des Werkstücks ergibt. Eine Vergrößerung der Länge der Strahlfläche 6 bewirkt daher eine langsamere Abkühlgeschwindigkeit und damit läßt sich eine Abkühlung im Feinperlitbereich erreichen. Durch diese begrenzte lokale Randschichterwärmuπg kommt es auch zu einem Abbau der Temperaturgradienten und damit zu einem Abbau der thermischen Spannungen in dem Schienenkopf. Dadurch läßt sich das Ausmaß und die Anzahl der Richtvorgänge verringern. Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ände¬ rung der Gefügestruktur von Metallschienen in der festen Phase arbeitet damit, daß der Schienenkopf einer Vorwärmung bis auf Temperaturen unterhalb der Martensitstarttemperatur unterworfen wird. Dies kann beispielsweise durch konventionelle Methoden, wie der induktiven Vorwärmung, erfolgen. Die so entstandene Temperatur des Schienenkopfes wird während des Bearbeitungs¬ prozesses gemessen. Eine Veränderung des so gewonnenen Ist-Wertes wird durch Regeln in Richtung der gewünschten Soll-Werte durchgeführt. Auch dieses zweite Verfahren arbeitet wie das erste mit einer Energieeinbringung in eine begrenzte lokale Randschicht direkt unter den belasteten Lauf- und Verschleißflächen des Schienenkopfes durch eine Hochenergiebestrahlung, die wie beim ersten Beispiel ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl sein kann. Der Temperaturgradient bei der Abkühlung ist folglich umso kleiner, je höher das Werkstück vorgewärmt wird. Durch die Vorwärmung und der anschließenden Energieeinbringung durch Hochenergiebestrahlung kommt es während- der Abkühlung zu einem gesteuerten Temperatur-Zeit-Verlauf. Die Hochenergie¬ bestrahlung erfolgt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens mittels des unveränderten Rohstrahls der Hochenergiebestrahlungsquelle. Auch hier kommt es durch die lokal begrenzte Erwärmung von Randschichten zu einem Abbau von Temperaturgradienten und damit zu einem Abbau der thermischen Spannungen in dem Schienenkopf. Auch mit dieser zweiten Verfahrensvariante ist damit die Erzeugung von feinlamellaren. Perlit durch die Führung der Abkühlgeschwindigkeit am Bearbeitungsort mit Hochenergiebestrahlung gezielt möglich.For a given feed speed, a longer exposure time results with a jet of larger longitudinal dimension. On the one hand, this means that a longer time is available for the heat to spread, which results in greater heating in the depth of the workpiece. Increasing the length of the jet surface 6 therefore causes a slower cooling rate and cooling in the fine pearlite range can thus be achieved. This limited local boundary layer heating also leads to a reduction in the temperature gradients and thus to a reduction in the thermal stresses in the rail head. This can reduce the extent and number of straightening operations. A second exemplary embodiment of the method according to the invention for changing the microstructure of metal rails in the solid phase works by subjecting the rail head to preheating to temperatures below the martensite start temperature. This can be done, for example, by conventional methods such as inductive preheating. The resulting temperature of the rail head is measured during the machining process. The actual value obtained in this way is changed by regulating in the direction of the desired values. Like the first, this second method also works by introducing energy into a limited local boundary layer directly under the loaded running and wear surfaces of the rail head by means of high-energy radiation, which, as in the first example, can be an electron beam or a laser beam. The temperature gradient during cooling is therefore smaller the higher the workpiece is preheated. Preheating and the subsequent introduction of energy through high-energy radiation result in a controlled temperature-time profile during cooling. In the second exemplary embodiment of the method, the high-energy radiation takes place by means of the unchanged raw beam from the high-energy radiation source. Here, too, the locally limited heating of boundary layers leads to a reduction in temperature gradients and thus to a reduction in the thermal stresses in the rail head. With this second method variant, the production of fine lamellar is also possible. Perlite is made possible by guiding the cooling rate at the processing location with high-energy radiation.
Eine weitere Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit ist auch durch die Anpassung anderer Verfahrensparameter möglich. So läßt sich beispielsweise mit einer kleineren Vorschubgeschwindigkeit entweder der Schiene gegenüber der Hochenergiebestrahlungsquelle oder umgekehrt eine geringere Abkühlgeschwindigkeit erreichen. Eine Verlangsamung der Abkühlgeschwindig¬ keit ist auch durch eine Reduzierung des Temperaturgradienten dT/dx durch die beschriebene Vorwärmung bei der zweiten Verfahrensvariante erreichbar. Der Temperaturgradient bei der Abkühlung ist umso kleiner, je länger das Werkstück vorgewärmt bzw. je höher die Temperatur des Werkstücks jeweils ist. Gewerbliche VerwertbarkeitA further slowdown in the cooling rate is also possible by adapting other process parameters. For example, with a lower feed rate, either the rail can achieve a lower cooling rate compared to the high-energy radiation source or vice versa. The cooling rate can also be slowed down by reducing the temperature gradient dT / dx by means of the preheating described in the second method variant. The temperature gradient during cooling is smaller, the longer the workpiece is preheated or the higher the temperature of the workpiece. Commercial usability
Die Lauf- und Verschleißeigenschaften von Schienen werden durch die Bildung von feinlamellarem Perlit dadurch verbessert, daß diese Perlitbildung durch Energieeinbringung nur in begrenzte lokale Randschichten des Schienenkopfes direkt unter den Lauf- und Verschleißflächen erfolgt. The running and wear properties of rails are improved by the formation of fine-lamellar pearlite in that this pearlite formation takes place through the introduction of energy only in limited local peripheral layers of the rail head directly below the running and wear surfaces.
Bezu szeichenlisteFor the list of characters
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Änderung der Gefügestruktur von Metallschienen in der festen Phase, wobei die Temperatur an dem Schienenkopf während des Bearbeitungsprozesses gemessen wird, und ferner eine Veränderung der so gewonnenen Ist-Werte durch Regeln in Richtung der gewünschten Soll- Werte durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energieeinbnngung nur über eine begrenzte lokale Randschicht direkt unter den Lauf- bzw. Verschleißflächen des Schienenkopfes durch eine Hochenergiebestrahlung erfolgt, daß es durch die am Bearbeitungsort von der Schiene absorbierte Energiemenge zu einer gesteuerten Abkühlung der lokalen Gefügestruktur in der Randschicht am Bearbeitungsort kommt, und daß eine Strahlformung derart erfolgt, daß die Länge der Hochenergiestrahlfläche größer als ihre Breite ausgeführt ist, und daß dabei die Längsachse der Hochenergiestrahlfläche mit der Längsachse der Metallschiene zusammenfällt.1. A method for changing the structure of metal rails in the solid phase, the temperature at the rail head being measured during the machining process, and furthermore a change in the actual values obtained in this way is carried out by regulating in the direction of the desired values that energy is restricted only via a limited local boundary layer directly under the running or wearing surfaces of the rail head by high-energy radiation, that the amount of energy absorbed by the rail at the machining location leads to controlled cooling of the local microstructure in the boundary layer at the machining location, and that the beam is shaped such that the length of the high-energy radiation area is greater than its width, and that the longitudinal axis of the high-energy radiation area coincides with the longitudinal axis of the metal rail.
2. Verfahren zur Änderung der Gefügestruktur von Metallschienen in der festen Phase, wobei der Schienenkopf einer Vorwärmung bis unterhalb der Martensitstarttemperatur unterworfen wird, dabei wird die Temperatur an dem Schienenkopf während des Bearbeitungsprozesses gemessen, und ferner eine Veränderung der so gewonnenen Ist-Werte durch Regeln in Richtung der gewünschten Soll-Werte durchgeführt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen eine Energieeinbringung nur über eine begrenzte lokale Randschicht direkt unter den belasteten Lauf- bzw. Verschleißflächen des Schienenkopfes über Hochenergiebestrahlung erfolgt, daß es durch die am Bearbeitungsort von der Schiene absorbierte Energiemenge zu einer gesteuerten Abkühlung der lokalen Gefügestruktur in der Randschicht am Bearbeitungsort kommt, und daß schließlich die Hochenergiebestrahlung mittels eines nicht durch externe Mittel geformten Rohstrahls der Hochenergiebestrahlungsquelle erfolgt. 2. Method for changing the structure of metal rails in the solid phase, the rail head being preheated to below the martensite start temperature, the temperature at the rail head being measured during the machining process, and further a change in the actual values obtained in this way by rules carried out in the direction of the desired values, characterized in that when cooling, energy is introduced only via a limited local boundary layer directly under the loaded running or wear surfaces of the rail head via high-energy radiation, that it increases due to the amount of energy absorbed by the rail at the processing location controlled cooling of the local microstructure in the boundary layer at the processing location, and finally the high-energy radiation takes place by means of a raw beam of the high-energy radiation source which is not shaped by external means.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformung eine rechteckige Strahlfläche ergibt.3. The method according to claim 1, characterized in that the beam shaping results in a rectangular beam area.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der rechteckigen Strahlfläche die Länge des Hochenergiestrahls ein Mehrfaches der Breite des Hochenergiestrahls beträgt.4. The method according to claim 1 and 3, characterized in that the length of the high-energy beam is a multiple of the width of the high-energy beam in the rectangular beam area.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Laserstrahlung erfolgt.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the high-energy radiation is carried out by laser radiation.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Elektronenstrahlung erfolgt.6. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the high energy radiation is carried out by electron radiation.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Metallschiene gering gegenüber der einwirkenden Hochenergiebestrahlungsquelle oder umgekehrt ausgebildet wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the feed speed of the metal rail is made low compared to the acting high-energy radiation source or vice versa.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlungsquelle gegenüber dem Schienenkopf oder der Schienenkopf gegenüber der Hochenergiebestrahlungsquelle bewegt wird. 8. The method according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the high-energy radiation source is moved relative to the rail head or the rail head relative to the high-energy radiation source.
PCT/DE1993/000907 1992-09-24 1993-09-22 Process for changing the microstructure of metallic rails WO1994006943A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19924231957 DE4231957C1 (en) 1992-09-24 1992-09-24
DEP4231957.9 1992-09-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1994006943A1 true WO1994006943A1 (en) 1994-03-31

Family

ID=6468704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1993/000907 WO1994006943A1 (en) 1992-09-24 1993-09-22 Process for changing the microstructure of metallic rails

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE4231957C1 (en)
WO (1) WO1994006943A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107881498A (en) * 2017-11-14 2018-04-06 洛阳清科激光技术有限公司 A kind of railway track laser reinforcing alloyage process

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010049330A1 (en) * 2010-10-22 2012-04-26 Sitech Sitztechnik Gmbh Rail profile with specifically set laser-hardened areas

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2232124A1 (en) * 1972-06-30 1974-01-10 Daimler Benz Ag Surface hardening - eg of rotary piston surfaces for increased resistan-ce to wear and tear, by charge carrier treatment
DE2821227A1 (en) * 1978-05-16 1979-11-22 Krupp Ag Huettenwerke Inhibiting ripple formation on rail tread - by austenitic heat treatment of central strip and cooling at restricted rate
FR2479265A1 (en) * 1980-03-17 1981-10-02 Nippon Kokan Kk Steel rail head surface hardening - by uniform preheating, rapid heating and rapid air cooling (ZA 8.7.81)
GB2160227A (en) * 1984-05-04 1985-12-18 John Durham Hawkes Heat treatment process
GB2196155A (en) * 1986-09-20 1988-04-20 Mitsubishi Electric Corp Control apparatus for energy beam hardening
EP0266167A1 (en) * 1986-10-31 1988-05-04 Herb Joseph John Seguin Insitu energy beam processing of railroad track and equipment for increasing service lifetime
WO1989001385A1 (en) * 1987-08-08 1989-02-23 Robert Bosch Gmbh Workpiece-machining device
EP0309973A1 (en) * 1987-10-01 1989-04-05 Messer Griesheim Gmbh Process for thermal treating of workpieces in solid state by a laser beam
DE3908630A1 (en) * 1988-03-21 1989-12-07 Werkzeugmasch Heckert Veb Method for surface modification by means of electron beams

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2232124A1 (en) * 1972-06-30 1974-01-10 Daimler Benz Ag Surface hardening - eg of rotary piston surfaces for increased resistan-ce to wear and tear, by charge carrier treatment
DE2821227A1 (en) * 1978-05-16 1979-11-22 Krupp Ag Huettenwerke Inhibiting ripple formation on rail tread - by austenitic heat treatment of central strip and cooling at restricted rate
FR2479265A1 (en) * 1980-03-17 1981-10-02 Nippon Kokan Kk Steel rail head surface hardening - by uniform preheating, rapid heating and rapid air cooling (ZA 8.7.81)
GB2160227A (en) * 1984-05-04 1985-12-18 John Durham Hawkes Heat treatment process
GB2196155A (en) * 1986-09-20 1988-04-20 Mitsubishi Electric Corp Control apparatus for energy beam hardening
EP0266167A1 (en) * 1986-10-31 1988-05-04 Herb Joseph John Seguin Insitu energy beam processing of railroad track and equipment for increasing service lifetime
WO1989001385A1 (en) * 1987-08-08 1989-02-23 Robert Bosch Gmbh Workpiece-machining device
EP0309973A1 (en) * 1987-10-01 1989-04-05 Messer Griesheim Gmbh Process for thermal treating of workpieces in solid state by a laser beam
DE3908630A1 (en) * 1988-03-21 1989-12-07 Werkzeugmasch Heckert Veb Method for surface modification by means of electron beams

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107881498A (en) * 2017-11-14 2018-04-06 洛阳清科激光技术有限公司 A kind of railway track laser reinforcing alloyage process
CN107881498B (en) * 2017-11-14 2019-07-09 洛阳清科激光技术有限公司 A kind of railway track laser reinforcing alloyage process

Also Published As

Publication number Publication date
DE4231957C1 (en) 1993-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69429685T2 (en) Process for producing high-strength bainitic steel rails with improved resistance to fatigue damage due to rolling contact
EP2227570B1 (en) Method for producing a shaped component comprising at least two joining areas having different ductility
EP2155917B1 (en) Process for producing a locally hardened profile component
EP2185735B1 (en) Method and device for hardening profiles
EP2044234B1 (en) Method for flexibly rolling coated steel strips
EP2609224B2 (en) Profiled component and method for producing a profiled component
DE2612736C2 (en) Process for machining machine parts made of steel
WO2013189597A1 (en) Method and device for producing a press-hardened metal component
WO2003012151A1 (en) Method for cooling work pieces especially shape-rolled products from rail steel
EP1263540B1 (en) Method for the production of thin-walled steel components and components produced therefrom
DE69409524T2 (en) RAILS
DE3728498C2 (en) Device for heat treatment of rails
EP1812609A1 (en) Method and device for shaping wire-shaped and rod-shaped starting materials close to the gauge block, and correspondingly produced flat profiled element
DE102010055148A1 (en) Manufacturing form-hardened component, preferably vehicle body component, comprises heating a board of steel in a heating plant to a temperature above the austenitizing temperature of steel, and form curing in a tool
DE4231957C1 (en)
EP3159419B1 (en) Method of fabrication of roll formed partly hardened profiles
DE3534796A1 (en) Method and apparatus for shaping metal sheets and plates
EP3625049A1 (en) Method for producing steel composite materials
EP2864505A1 (en) Method for press hardening steel
EP1530649A2 (en) Method and device for continuously hardening and tempering a strip of steel and use of the method
DE4421238C2 (en) Process for the production of wear-resistant, rotatingly moving wire, rope and / or wire rope contact surfaces, in particular surfaces of wire drawing drums from wire drawing machines or similar transport rollers or drums
DD270090A1 (en) PROCESS FOR SURFACE MELTING WITH ELECTRON RADIATION
EP0628374B1 (en) Process for the intermediate cast welding of isothermical annealed rails
WO2018072770A1 (en) Production method for a calender roll, method for providing a calender system, calender roll, and calender system
CH712700A2 (en) Method for producing guide rails for a linear roller bearing.

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CZ JP PL

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase