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Dokumentenidentifikation DE19637283A1 26.03.1998
Titel Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen mit Auflegierung des Stahlgusses im Schienenkopfbereich
Anmelder Elektro-Thermit GmbH, 45139 Essen, DE
Erfinder Kuster, Frank, Dr., 40883 Ratingen, DE;
Mulder, Gerhardus Johannes, 45133 Essen, DE;
MacRae, Donald, Benoni-North, ZA;
Steinhorst, Michael, Dr., 45355 Essen, DE
Vertreter Rotenberg, K., Dr., 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 13.09.1996
DE-Aktenzeichen 19637283
Offenlegungstag 26.03.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.03.1998
IPC-Hauptklasse B23K 23/00
IPC-Nebenklasse E01B 29/44   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen, wobei der aluminothermisch erzeugte Stahl in eine die zu verbindenden Schienenenden umgebende feuerfeste Gießform eingegossen und Legierungszusätze mit dem Teil des aus dem Reaktionstiegel auslaufenden Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet, wobei man die Legierungszusätze nach Abschluß der aluminothermischen Reaktion und Trennung des Stahles von der Schlacke über den Riegel in der Gießform zulegiert und in der Gießform der Überlauf verschlossen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen mit gezielter Auflegierung des Stahlgusses im Schienenkopfbereich. Das Ziel des Verfahrens ist, gezielt ein gewünschtes Eigenschaftsprofil in der Schweißung nach den Anforderungen im Gleis einzustellen.

Das aluminothermische Schweißverfahren (THERMIT-Verfahren) nutzt als einziges der bekannten Schmelzschweißverfahren eine chemische Reaktion zur Erzeugung des heißflüssigen Zusatzwerkstoffes aus.

Hierbei wird die große Affinität des Aluminiums zum Sauerstoff genutzt, um Schwermetalloxide, bevorzugt Eisenoxid, zu reduzieren.

Der stark exotherm verlaufende Prozeß läßt sich beschreiben als

Schwermetalloxid + Aluminium → Schwermetall + Aluminiumoxid + Wärme

oder für die Eisen-Reaktion

Fe&sub2;O&sub3; + 2 Al → 2 Fe + Al&sub2;O&sub3; + 849 kJ.

Die aluminothermische Reaktion läuft nach punktförmiger Entzündung mit einem Anzündstäbchen in einem Tiegel in wenigen Sekunden unter starker Wärmeentwicklung ab. Die etwa 2500°C heißen Reaktionsprodukte trennen sich danach, wobei die spezifisch leichtere Schlacke (Al&sub2;O&sub3;) auf dem Eisen schwimmt.

Den Grundbestandteilen der THERMIT-Portion - Eisenoxid und Aluminium geringer Korngröße - werden gekörnte Stahlpartikel zur Dämpfung der Reaktion und je nach zu verschweißendem Grundwerkstoff Stahlbildner wie C, Mn, Cr, V, Mo untermischt.

Der in der Reaktionsmischung erschmolzene heißflüssige THERMIT- Stahl definierter Qualität eignet sich hervorragend für schweißtechnische Zwecke.

Das Schweißverfahren läßt sich durch folgende Arbeitsschritte charakterisieren:

  • - Ausrichten der mit einer vom Schweißquerschnitt und Verfahren abhängigen Lücke verlegten Werkstücke;
  • - Einformen der Schweißstelle mit einer feuerfesten Form;
  • - Vorwärmen der Werkstückenden mittels Spezial-Brenner mit Gas/Luft-, Benzin/Luft-, Benzin/Sauerstoff-, Acetylen/Sauerstoff- oder bevorzugt Propan/Sauerstoff-Gemischen;
  • - Einguß des heißflüssigen Stahls in die Form und Verschweißen der Werkstückenden durch Zwischen- und Umguß.


Nach diesem Verfahren können Werkstücke aller Art mit beliebigen Querschnitten bei der Konstruktion oder Reparatur verschweißt werden. Seine größte Verbreitung hat das THERMIT- Schweißverfahren wegen seiner einfachen und von äußeren Energiequellen unabhängigen Ausführung bei der Schienenschweißung gefunden.

Dabei soll der als Schweißgut dienende aluminothermisch erzeugte Stahl in seinen Festigkeitseigenschaften dem Schienenstahl möglichst entsprechen.

Dieser Forderung tragen die bekannten - auch Schweißportionen genannten - aluminothermischen Gemische dadurch Rechnung, daß dem aus Aluminium und Eisenoxiden bestehenden Basisgemisch Legierungselemente, wie insbesondere Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Silizium, Vanadium und Titan, beigegeben werden. Zur Dämpfung und Kühlung sind dem aluminothermischen Gemisch ferner Eisen bzw. Stahlschrott untermischt, wodurch gleichzeitig die Stahlausbeute erhöht wird.

So werden in verschiedenen Ländern zum Teil ganz speziell legierte Schienengüten eingesetzt, wo das Interesse besteht, diese spezifischen Legierungselemente gezielt im Schienenkopf in bestimmten Konzentrationen entsprechend der Schienenzusammensetzung anzureichern, ohne daß der Schienenfuß legiert wird.

In den letzten Jahren wurden jedoch zunehmend im Schienenverkehr kopfgehärtete Schienen eingesetzt. Diese Tendenz liegt darin begründet, daß einerseits die Beanspruchungen der Schienen steigen, was bei konventionellen Schienen zu einem verstärkten Verschleiß führt, und andererseits zunehmend wirtschaftliche Zwänge vorliegen, so daß längere Austauschzyklen von Schienen angestrebt werden.

Beispielsweise stellen besonders enge Radien (< 300 m), extreme Steigungen oder die immer weiter steigenden Achslasten, insbesondere in den Ländern mit vorwiegend Schwerlastverkehr, wie in Nordamerika, Südafrika, Asien und Australien, eine zunehmende Beanspruchung der Schiene dar, der sowohl bei der Schiene als auch bei der Schienenverbindung Rechnung getragen werden muß.

Der verstärkte Einsatz kopfgehärteter Schienen macht selbstverständlich auch eine Anpassung der notwendigen Verbindungstechniken erforderlich.

Es wäre dabei von besonderem Interesse für den Gleisbetrieb, die Erzielung einer erhöhten Härte im Kopfbereich und in Relation dazu erhöhten Duktilität im Fuß der Schiene zu erzielen.

Daneben werden auch häufig kornfeinende Legierungszusätze verwendet, wo eine gesteuerte Anreicherung im Kopf wünschenswert wäre.

Bislang wurden also bei neuentwickelten Schienengüten die Thermit-Schweißportionen modifiziert, so daß die gesamte Schienenverbindung an die veränderte Schienengüte angepaßt wurde, in sich aber ein einheitliches Eigenschaftsprofil aufwies.

Dies bedeutet, daß bei konventioneller aluminothermischer Schweißtechnik der Schweißportion härtende Zusätze zugemischt werden, um die erforderliche Härte im Kopfbereich zu bewirken, aber man gleichzeitig die gleiche Härte im gesamten Schienenprofil erhält, also auch im Schienenfußbereich, wo eher eine Duktilität gewünscht wird.

In der CH-PS 658 817 wird ein Verfahren zum aluminothermischen Verbundschweißen beschrieben, bei dem zwei Stahlgußlegierungen aus zwei verschieden zusammengesetzten Schweißmassen so aufgebaut sind, daß sie aus zwei Tiegelkammern jeweils einen harten und verschleißfesten Stahl für die Schienenköpfe sowie einen zähen, duktilen zuerst in die Form fließenden Stahl für das Schweißen der Stege und Schienenfüße ergeben.

Dies bedeutet, daß es sich bei diesem Verfahren um einen Zweistufenprozeß handelt. Diese Verfahrensweise ist sehr zeitaufwendig und für die praktische Anwendung im Gleis so kompliziert, daß sie sich gegenüber der weltweit bekannten, konventionellen Thermit-Verbindungsschweißung hat nicht durchsetzen können. Zudem werden weitere Grenzflächen zwischen den beiden Thermit-Stählen gebildet, wobei unerwünschte Defekte in der Schweißung auftreten können.

Aus der DE-PS 8 98 989 ist bekannt, daß das bei der aluminothermischen Reaktion gebildete Eisen mit stahl-vergütenden Metallen oder Metalloiden auflegiert werden kann, die in einer Aussparung im oberen Teil oder auf dem Boden der den zu verschweißenden Werkstoff umgebenden Gießform untergebracht sind.

Ziel dieses Patentes ist, einen möglichst homogenen Thermit- Stahl bereitzustellen und mögliche Verluste von notwendigen Legierungszusätzen über die Schlacke weitestgehend zu vermeiden. Es wird aber darauf hingewiesen, daß ein innig durchmischter Stahl gewünscht wird.

Ferner ist es produktionstechnisch aufwendig und zudem im Falle des Auflegierens des Schienenkopfes schwierig, diese Metalle oder Metalloide in der Gießform unterzubringen, da der Abstand zwischen Gießform und auf zulegierender Fahrfläche des Schienenkopfes groß ist. Dieser Abstand muß allein durch Diffusion des Metalles/Metalloids zurückgelegt werden.

Es bestand somit ein Bedarf nach einem möglichst einfachen Schweißverfahren, welches nur aus einem Verfahrens- bzw. Reaktionsschritt besteht, die zuzulegierenden Metalle oder Metalloide auf ebenso einfache, d. h. sowohl in der Herstellung der benötigten Verbrauchsstoffe als auch in der Ausführung der Thermit-Schweißverbindung, aber auch sichere Weise bereitstellt und es ermöglicht, diese Legierungszusätze gezielt im Schienenkopf anzureichern. Ziel des zu entwickelnden Schweißverfahrens ist, eine Verbindung zu erzeugen, die mit dem Eigenschaftsprofil der zu verschweißenden Schienen übereinstimmt und insbesondere ein härteres und möglichst feinkörniges Schweißgut im Schienenkopf erzielt und gleichzeitig einen weniger bruchanfälligen und möglichst duktilen Fuß gewährleistet.

Mit einer solchen Schweißverbindung würde man aufgrund der höheren Härte und aufgrund der Kornfeinung tragfähigeren Gefüges die Verschleißfestigkeit und die damit verbundenen wirtschaftlichen Vorteile realisieren und die Qualität der Schweißung verbessern.

Je nach Legierungselement bzw. Legierungselementkombination und der einzulegierenden Menge kann ein unterschiedliches Eigenschaftsprofil - chemische Zusammensetzung des Stahles, mechanische Eigenschaften, Gefügestruktur, etc. - eingestellt werden. Diese verschiedenen Eigenschaften hängen zum Teil, je nach Art und Menge des Zusatzes, voneinander ab.

Es bestand insbesondere Bedarf nach möglichst einfachen, sicheren und reproduzierbaren Methoden beim aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen, die es ermöglichen, den aluminothermisch erzeugten Stahl gezielt mit einzulegierenden Thermit-Stahlzusätzen mit dem Teil des aus dem Reaktionstiegel auslaufenden Stahls in Kontakt zu bringen, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet.

Darüberhinaus ist eine innige Durchmischung des Thermit-Stahles innerhalb der Gießform unbedingt zu vermeiden. Andernfalls ist eine Anreicherung von Legierungszusätzen im Kopf nicht zu erreichen.

Gegenstand dieser vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, was dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Legierungszusätze nach Abschluß der aluminothermischen Reaktion und Trennung des Stahls von der Schlacke über den Riegel in der Gießform zulegiert und der Überlauf in der Gießform verschlossen ist.

Der zu verschließende Überlauf in der Gießform ist in Fig. 1 mit (10) gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren mit fallendem Guß - Fig. 2 - läuft nach Reaktion des aluminothermischen Gemisches im Reaktionstiegel (1) der Stahl (5) in die Mitte der Gießform (2) ein und steigt dort bzw. in den Steigern (3) nach oben, wobei der Überlauf verschlossen ist.

Der zuletzt aus dem Reaktionstiegel aus laufende Stahl bildet somit den Kopf der Schiene und ist erfindungsgemäß aufzulegieren. Dies bedeutet, daß das Legieren des zuerst auslaufenden Stahls mit den Legierungskomponenten vermieden werden muß. Erreicht wird das dadurch, indem man die Legierungsbestandteile (9) in der Gießform in Höhe des Schienenkopfes so anordnet, daß der zuerst einlaufende Stahl an der Legierungsportion vorbeigeführt wird und erst mit zunehmendem Füllstand in der Form der dann oben befindliche Stahl mit den Legierungsbestandteilen (9) Kontakt erhält. Dies ist beispielsweise möglich durch die Anordnung der Legierungsbestandteile unterhalb des Riegels (4), der üblicherweise in den beim aluminothermischen Schweißverfahren verwendeten Gießformen vorhanden ist. Dieser Riegel ist ein im oberen Bereich der Gießform den Schienenkopf überdeckend angebrachtes Formstück, auf das man den einlaufenden Stahl zum Abfangen seiner kinetischen Energie auftreffen läßt und damit in den Schienenbereich der Gießform leitet. Die Legierungsbestandteile können dabei in geeigneter Weise in einen Hohlraum integriert in der Riegelunterseite oder als Formstück oder in einem Behälter, z. B. als Kapsel (6), im erforderlichen Abstand positioniert werden, um die Kontaktierung genau in Schienenkopfhöhe zu bewirken.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Überlauf geöffnet zu lassen. Aber dann ist der Überlauf so anzuordnen, daß der zuerst ausfließende Thermit-Stahl nicht vorzeitig mit den Legierungszusätzen und mit dem zuletzt auslaufenden Stahl, d. h. vor dem Erreichen des Kopfes oder am Kopf, in Kontakt kommen kann. Dies wird erreicht, indem der Überlauf oberhalb der Legierungszusätze oder unterhalb des Schienenkopfes angeordnet wird.

Eine aluminothermische Schweißung kann auch im steigenden Gießverfahren, wie in Fig. 3 dargestellt, vorgenommen werden. Dabei läßt man den aluminothermisch erzeugten Stahl nicht in den Schienenbereich der Form, sondern durch die Steiger (3) in die Gießform (2) einlaufen. Dabei steigt der einlaufende Stahl im Schienenbereich der Form auf. Hierbei bildet also der zuerst in die Form einlaufende Stahl den Schienenkopf, so daß bei diesem Gießverfahren der zuerst einlaufende Stahl entsprechend aufzulegieren ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man die Legierungsbestandteile sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des eingesetzten Riegels (4) anbringt.

Die Anbringung an der Unterseite entspricht dem Kontaktieren der Legierungsbestandteile beim fallenden Guß, d. h. der hochsteigende Stahl wird im Schienenkopfbereich mit entsprechenden Legierungselementen an der Riegelunterseite in Kontakt gebracht und nachträglich legiert. Es ist möglich, sie in massiver Form in die Unterseite des Riegels einzuarbeiten oder als Granulat in einer Kapsel oder Gehänge unterhalb des Riegels anzubringen.

Auch hier sollte vorzugsweise der Überlauf in der Gießform verschlossen sein. In dem Fall des offenen Überlaufs sollte dieser vorzugsweise unterhalb des Schienenkopfes oder andernfalls oberhalb der Legierungszusätze angeordnet sein.

Bei Anordnung der Legierungszusätze an der Oberseite nimmt der zuerst aus laufende Stahl die Legierungsbestandteile beim Überfließen des Riegels auf und bildet als erster Teil im Schienenbereich aufsteigend den so gehärteten Schienenkopf. In diesem Fall muß der Überlauf vorzugsweise verschlossen oder andernfalls oberhalb des Schienenkopfes angeordnet sein.

Die Legierungsbestandteile können hierbei in verschiedenster Weise appliziert werden. So können sie beispielsweise einfach als Pulver oder Granulat auf die Oberseite des Riegels aufgebracht werden. Es ist auch möglich, den Riegel in Verbundbauweise aus einer Keramikschicht, verbunden mit einer Schicht aus Legierungskomponenten, auszubilden.

Somit sind Gegenstand dieser Erfindung alle Methoden des nachträglichen Auflegierens eines aluminothermisch erzeugten Eisens oder Thermit-Stahls mittels des Riegels in der Gießform.

Als Legierungszusätze, die nachträglich eingebracht werden, sind einerseits härtende und/oder kornfeinende Metalle oder Legierungen zu bevorzugen. Hierzu zählen die Ferrolegierungen der Elemente V, Ti, Nb, Cr, Mn, Si etc., die Seltenen Erden oder deren Oxide und Carbide sowie Kohlenstoff in gebundener oder elementarer Form.

Je nach Art und Menge der zur Verfügung gestellten Legierungszusätze ist es mit den erfindungsgemäßen Methoden somit möglich, gewünschte Konzentrationsgradienten der gesondert eingebrachten Elemente in der Schweißung zu erzielen und gezielt den Belastungen im Gleis anzupassen.

Die nachträglich einlegierten Komponenten können in elementarer bzw. metallischer Form oder als metallothermische Reaktionsmischung eingesetzt werden.

Diese Verfahrensweise ist je nach Wahl des Riegels also unabhängig vom chemischen Zustand der zuzulegierenden Komponente.

Der Einsatz der nachträglich eingebrachten Legierungselemente erfolgt bevorzugt in Form von Pulvern oder Granulaten. In diesem Fall werden die Zusätze in einem Behälter, z. B. einer Eisenkapsel, oder in einer Aussparung im Riegel untergebracht.

Üblicherweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsgemisch ein aluminothermisches Gemisch, bestehend aus im wesentlichen Aluminium, Eisenoxid und Dämpfungsmittel, eingesetzt, mit dem Gehalte an Kohlenstoff von 0,1 bis 1,0 Gew.-% und Mangan von 0,2 bis 2,0 Gew.-% in der Schweißung erreicht werden.

Die Bereitstellung der Legierungsbestandteile Kohlenstoff und Mangan muß nicht notwendigerweise über das aluminothermische Gemisch erfolgen. Dies ist auch mittels der erfindungsgemäßen Auflegierungsmethode möglich, die das nachträgliche Einlegieren jeglicher Legierungsbestandteile sowohl beim steigenden als auch fallenden Gußverfahren erlaubt. In diesem Fall wird lediglich aluminothermisch Eisen erzeugt.

Bei geeigneter Wahl der Auflegierungsmethode, der Legierungselemente und deren Konzentration kann die Schweißung gezielt dem Eigenschaftsprofil der Schiene, wie z. B. chemische Zusammensetzung oder Härte, möglichst nahe angepaßt werden. Beispielsweise kann auf sehr einfache Art und Weise ein Härtegradient erzeugt werden mit einem vergleichsweise harten Schienenkopf und weichen Schienenfuß.

Wie die Härte sind die Durchbiegung und Rißwiderstandskraft abhängig vom Werkstoff, so daß bei einem duktileren Schienenfuß eine Verbesserung dieser Kennwerte erzielt wird.

Die Durchbiegung, genauer Bruchdurchbiegung, wird in einem Biegebruchversuch ermittelt. Neben der Durchbiegung wird die Bruchlast festgestellt, d. h. die maximal aufzuwendende Kraft für den Bruch der geschweißten Schiene, die bei unveränderter Geometrie auch ein Maß für die Biegefestigkeit ist. Im Gegensatz zur Durchbiegung ist die Bruchlast nur abhängig von der Geometrie der Schiene, so daß eine legierungstechnische Beeinflussung dieser mechanischen Kenngröße nicht möglich ist.

Ein für die Betriebssicherheit eines Gleises besonderer Kennwert ist die Rißwiderstandskraft, d. h. die Kraft, die ein Werkstoff einer Rißbildung und -ausbreitung entgegensetzen kann. Bekanntlich nimmt die Rißwiderstandskraft mit zunehmender Zähigkeit des Werkstoffes zu. Somit liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund des duktileren Fußes eine verbesserte Rißwiderstandskraft vor.

Beim Auflegieren des den Schienenkopf bildenden Stahls, der beim Einlaufen in die Form eine Temperatur von etwa 2100°C aufweist, wird eine gezielte Anreicherung von geeigneten, nachträglich einzubringenden Legierungselementen im Schienenkopfbereich der Schweißverbindung erreicht. Auf diese Weise kann das Eigenschaftsprofil gezielt beeinflußt werden. Hierzu zählen Härte, Durchbiegung, Rißwiderstandskraft und Verschleißfestigkeit.

Die erfindungsgemäß erzielbaren Härtegradienten im Schienenprofil werden im folgenden näher erläutert:

Fig. 4 zeigt zunächst die Analysen- und Härtemeßpunkte im Abstand von der Fahrfläche (in mm) am Beispiel des Schienenprofils S 49 mit einem Metergewicht von 49 kg/m.

Fig. 5 stellt den Härteverlauf einer kopfgehärteten Schiene (S 49 HH), ausgedrückt in HB (Härte Brinell) in kp/mm² im jeweiligen Abstand von der Fahrfläche, wie in Fig. 3 gezeigt, dar. Deutlich erkennbar ist die Härtesteigerung im Schienenkopfbereich gegenüber dem restlichen Profil.

Fig. 6 zeigt den Härteverlauf einer heute üblichen aluminothermischen Schweißung bei kopfgehärteten Schienen. Dabei werden im wesentlichen Härtewerte erhalten, die der Härte im Schienenkopf entsprechen; diese Härte ist jedoch im gesamten Schienenprofil gleichmäßig vorhanden mit den oben dargestellten Nachteilen.

In Fig. 7 ist das Härteprofil einer Schweißung mit erfindungsgemäßer Auflegierung im Schienenkopfbereich dargestellt. Es wird mit 10 g FeV auflegiert. Die Schweißung erfolgt im steigenden Guß. Die Legierungsbestandteile werden in einer Kapsel unterhalb des Riegels positioniert. Deutlich erkennbar ist der Härteabfall von der gewünschten hohen Härte im Kopfbereich bis zur höheren Duktilität im Fußbereich.

Fig. 7a weist die entsprechenden Vanadiumgehalte in den Meßpunkten aus.

Dabei wird bei einer Brinell-Härte von 268 kp/mm² eine Durchbiegung von 34 mm erzielt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum aluminothermischen Zwischengußschweißen von Schienen, wobei der aluminothermisch erzeugte Stahl in eine die zu verbindenden Schienenenden umgebende feuerfeste Gießform eingegossen und Legierungszusätze mit dem Teil des aus dem Reaktionstiegel auslaufenden Stahls in Kontakt gebracht werden, der die Schweißung im Schienenkopfbereich bildet, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze nach Abschluß der aluminothermischen Reaktion und Trennung des Stahles von der Schlacke über den Riegel in der Gießform zulegiert und in der Gießform der Überlauf verschlossen ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze in einem Behältnis unterhalb des Riegels anordnet.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze oben auf dem Riegel anordnet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze in einer Aussparung unterhalb des Riegels anordnet.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungszusätze in Form eines Pulvers oder Granulats eingesetzt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierungszusätze unterhalb des Riegels aufhängt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungszusätze in fester, kompakter Form eingesetzt werden.






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