Verfahren zum Verbinden eines Manganhartstahlgussteils mit einer Regelschiene sowie Zwischenstück für die Verwendung in einem derartigen Verfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Manganhartstahlgussteils mit einer Regelschiene unter Verwendung von zumindest teilweise austenitischen Zwischenstücken sowie auf ein Zwischenstück für eine Verwendung in einem derartigen Verfahren.

Manganhartstahlguss lässt sich nicht umittelbar mit dem Regelschienenstahl verschweißen, da für die Verschweißung eine verhältnismäßig hohe Temperatur erforderlich ist. Austeniti- scher Manganstahlguss hat die Eigenschaft, sich bei Erwärmung auf über 300° C aufgrund von Karbidausscheidungen im Gefüge stark zu verspröden, wobei in der Folge bei einer langsamen Abkühlung das spröde Gefüge aufrecht bleibt. Es ist daher erforderlich, eine Erhitzung auf hohe Temperaturen vorzunehmen und in der Folge eine rasche Abkühlung vorzunehmen, um eine derartige Versprödung zu vermeiden. Eine derartige rasche Abkühlung kann beispielsweise durch Abschrecken in Wasser erfolgen. Kohlenstoffstahl, wie er als Regelschienenstahl eingesetzt wird, hat wiederum die Eigenschaft, bei rascher Abkühlung spröde zu werden, sodass hier im Anschluss an eine Verschweißung, um eine Versprödung zu vermeiden, die Abkühlung langsam erfolgen muss. Wegen der überragenden Festigkeitseigenschaften werden Herzstücke und Kreuzungsstellen im Schienenverkehr in aller Regel aus austenitischem Manganstahlguss hergestellt, wodurch konträre Bedingungen für die Wärmebehandlung der Schweißstellen bestehen. Um diesen unterschiedlichen Erfordernissen Rechnung tagen zu können, wurden Zwischenstücke zwischen Regelschienen und Manganhartstahlgussherzstücken vorgeschlagen, welche in Hinblick auf ihre gute Schweißbarkeit und eine entsprechende Wärmebehandlung der jeweiligen Schweißverbindung ausgewählt wurden. Derartige zumindest teilweise austenitische Zwischenstücke weisen aber relativ schlechtere

Festigkeitseigenschaften als der benachbarte Regelstahl bzw. das Manganhartstahlgussstück auf.

Ein Verfahren zum Verschweißen von austenitischem Mangan- hartstahlgussschienenstücken und insbesondere Herzstücken mit Regelschienen ist beispielsweise der AT 343712 zu entnehmen. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Zwischenstück mit geringerer Höhe als der Höhe der Lauffläche des Herzstücks bzw. des Regelschienenstahls eingesetzt und eine Aufpanzerung aus verschleißfestem Manganstahl vorgenommen. Auf diese Weise soll dem Umstand Rechnung getragen werden, dass im Bereich der Schweißstellen ein Material von wesentlich geringerer Härte vorliegt, welches in der Folge die Gefahr von Eindellungen durch den rollenden Verkehr zur Folge hat. Die Länge eines derartigen Zwischenstücks wurde in der Regel mit über 50 mm bemessen, um überlappende Wärmeeinflusszonen aus den beiden Verschweißungen zu vermeiden.

In Weiterbildung dieser bekannten Vorgangsweise wurde in der AT 350881 bereits vorgeschlagen, das Zwischenstück auf eine geringere Länge zu beschränken, wobei hier nunmehr mit einer Länge zwischen 15 und 25 mm das Auslangen gefunden werden sollte. Mit dieser Maßnahme sollte die Gefahr einer Dellenbildung aufgrund des wesentlich kürzeren, weicheren Teilbereichs der Lauffläche verringert werden. Die prinzipiellen zugrundeliegenden Schwierigkeiten mit einer nicht ausreichenden Härte des Zwischenstücks bleiben aber bei einer derartigen Ausbildung ungelöst.

In der EP 391007 Bl wurde nun bereits vorgeschlagen, eine einfache Abkühlung durch Umgebungsluft auch bei der Verschweißung des Zwischenstücks mit dem Manganhartstahlguss vorzunehmen. Zu diesem Zweck wurden spezielle Werkstoffe ausgewählt, die im Wesentlichen aus 6 bis 11 Gew.% Mangan, 5 bis 8 Gew.% Nickel, 17 bis 20 Gew.% Chrom und einen Deltaferritgehalt im Bereich zwischen 5 und 15 Gew.% aufweisen. Mit derartigen Stählen ebenso wie mit anderen bisher vorgeschlagenen Stählen

für das Zwischenstück wurden zwar die Probleme, die eine Di- rektverschweißung zwischen den beiden Stählen mit sich bringen würde, im Wesentlichen vermieden, wobei aber die Schwachstellen in Bezug auf Dauerfestigkeit und Biegebruchfestigkeit der Gesamtschweißverbindung nicht vollständig gelöst werden konnten, da die austenitischen Bauteile, und insbesondere der Werkstoff des Herzstücks und des Zwischenstücks, nur eine maximale Zugfestigkeit von 500 bis 600 N/mm ² erreichen lassen, was daher zu Eindellungen führt.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, Eindellungen im Bereich der Schweißverbindung und insbesondere im übergangsbereich zwischen Regelschiene und Hartmanganstahl besser zu verhindern und einen besonders gleichmäßigen Härte- und Festigkeitsverlauf über die GesamtVerbindung zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen darin, dass das Zwischenstück einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, welche sich über den Umfang des Zwischenstückprofils erstreckt. Dadurch, dass das Zwischenstück einer Härtungsbehandlung unterworfen wird, lassen sich im Bereich des Zwischenstücks und ggf. im Anschlussbereich und damit im Bereich der Schweißstellen die entsprechenden Festigkeitseigenschaften auch bei Wahl entsprechend weicherer Zwischenstücke entsprechend einstellen, wobei als Härtebehandlungsverfahren ein Explosionsverfestigungsverfahren besonders geeignet ist. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass das Explosionsverfestigungsverfahren so durchgeführt wird, dass es sich über einen großen Teil und insbesondere über den gesamten Umfang des Zwischenstücks erstreckt. Die Wahl des Verfestigungsverfahrens ist naturgemäß nach Herstellen der Schweißverbindung zwischen dem Zwischenstück und dem Mangan- hartstahlgussteil bzw. dem Zwischenstück und der Regelschiene nur mehr in einer Weise möglich, welche die Festigkeitseigenschaften der anschließenden Bauteile nicht beeinträchtigt. Nach erfolgter Schweißverbindung scheiden daher in aller Regel, thermische Härtungsbehandlungen weitestgehend aus, da diese

über die Länge des Zwischenstücks naturgemäß jeweils auch beide Schweißstellen entsprechend erfassen würden. Besonders bevorzugt ist somit in jedem Fall ein Explosionsverfestigungs- verfahren, welches zu keinen Festigkeitsverringerungen durch thermische Diffusionen oder durch Weichglühen führen kann.

Die Vorverfestigung von Herzstücken für Weichen aus Hartmanganstahl mittels Explosionsverfestigung ist bekannt. In der AT 385218 wird dazu die Verfestigung des Herzstücks durch Aufbringung von Sprengladungen auf der Lauffläche und an den Seitenflächen des Herzstückkeils und der Knieschiene im Bereich des Radüberlaufs dokumentiert. Erfindungsgemäß kann so vorgegangen werden, dass der Anschlussbereich des Manganhartstahl- gussteils vor dem Verschweißen mit dem Zwischenstück der Härtungsbehandlung unterworfen wird, wobei sich diese Härtungsbehandlung über den Umfang und damit über einen wesentlichen Teil oder die gesamte Querschnittsfläche erstrecken soll.

Die Anwendung von Explosionsverfestigungsverfahren ist ebenso aus der GB 765305 bekannt, bei der Verfestigungen an unterschiedlichen Bauelementen (wie z.B. Weichenkreuzungen) in ausgewählten Bereichen durch Auftragung des explosiven Materials in unterschiedlicher Dicke durchgeführt werden.

Auch die CZ 280993 dokumentiert ein Verfahren zur Verfestigung der Fahrflächen von Weichenherzstücken und Weichenherzstück- spitzen.

Die Auswahl eines derartigen Explosionverfestigungsverfahrens ist nun insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn mit einem derartigen Verfahren nicht lediglich die Lauffläche bzw. Fahrfläche des Zwischenstücks bzw. des Schweißbereichs beein- flusst wird. Vielmehr soll sich das Explosionsverfestigungs- verfahren über einen großen Teil und wenn möglich über den gesamten Umfang des Zwischenstücks bzw. der Schweißstelle erstrecken, wofür erfindungsgemäß mit Vorteil so vorgegangen wird, dass das Explosionsverfestigungsverfahren in zwei

Schritten durchgeführt wird, wobei zuerst ein Teil der Oberfläche des Profils bzw. der Schweißverbindung und dann der übrige Teil der Oberfläche des Profils explosionsverfestigt wird. Eine derartige Durchführung des Explosionsverfestigungs- verfahrens in zwei gesonderten Schritten erlaubt es nicht nur, die als Lauffläche dienende Oberfläche des Profils sondern auch den Steg und den Fußbereich des Profils entsprechend zu härten, wobei mit Vorteil so vorgegangen wird, dass die Härtungsbehandlung nach dem Verschweißen des Zwischenstücks mit dem oder den benachbarten Werkstoffen vorgenommen wird und sich über den Schweißbereich und die Länge des Zwischenstücks erstreckt. Mit Vorteil wird dabei so vorgegangen, dass die Explosionsverfestigung in einer Weise vorgenommen wird, dass sich die Verfestigung ausgehend vom Umfang des Profils bis zum Kern über wenigstens 50 % der Querschnittsfläche, vorzugsweise die gesamte Querschnittsfläche des Profils erstreckt.

Ein besonders geeignetes Zwischenstück für die Verwendung in einem derartigen Verfahren ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Werkstoff mit einem Auste- nitanteil von wenigstens 40 Gew.% besteht und einer Explosi- onshärtungsbehandlung über den gesamten Umfang des Profils unterworfen wird. Derartige Stähle, welche auch als Duplex- stähle bekannt geworden sind, zeichnen sich durch einen Ferritanteil von bis zu 60 Gew.% und einen entsprechenden Auste- nitanteil aus, sodass sich insgesamt beste Voraussetzungen für eine Härtung unter Verwendung eines Explosionsverfestigungs- verfahrens ergeben. Insgesamt gelingt es bei Abbrennstumpf- schweißungen von Hartmanganstahlgussherzen mit Regelschienen bzw. mit gewalzten Hartmanganstahlschienen annähernd die gleiche Dauerfestigkeit wie bei Schienenschweißstößen zu erreichen, wenn der gesamte Umfangsbereich der Zwischenstücke und der Anschlussbereich der gegossenen Herzstücke, die in der Regel einem Schienenprofil entsprechen, mit Sprennstoff umhüllt und gezündet wird. Die Wahl der Sprengstoffmenge und die Explosionsintensität kann auf die unterschiedlichen Werkstoffe entsprechend abgestimmt werden, wobei der Verschweißübergang

Herzstück — Zwischenstück - Schienenbereich jeweils mit unterschiedlichen Sprengstoffdicken belegt werden kann. Die Ober- flächenhärtesteigerung erstreckt sich hierbei über den gesamten Profilbereich, wodurch auch die Dauerfestigkeitswerte der Gesamtschweißverbindung wesentlich erhöht werden können. An der Fahrfläche lassen sich durch Explosionsverfestigung im Bereich des Zwischenstückmaterials Steigerungen des Härteverlaufs von 150 bis 280 auf 350 HB, im Anschlussbereich des Manganherzstücks von 200 bis 320 auf 420 HB und im anschließenden Bereich der Regelschiene von 260 bis 350 auf 400 HB erzielen. Dadurch, dass nun der Sprengstoff am gesamten Umfang des Zwischenstückmaterials bzw. im Bereich der Anschlüsse des Anschlussschienenprofils des Manganherzstücks aufgebracht wird, kann die Dauerfestigkeit insbesondere im kritischen Bereich des Schienenfußes hinreichend gesteigert werden, wobei die Unterseite dadurch verfestigt werden kann, dass dieser Bereich des Zwischenstücks im Anschlussbereich des Manganherzes in einem zweiten nachgeschalteten Verfahrensschritt der Explosionsverfestigung unterworfen wird.

Die Belegungsdicke des Sprengstoffs ist auf das jeweilige Werkstoffmaterial und auf die Geometrie abgestimmt, wobei als Sprengstoff üblicherweise PETN (Pentaerythriol Tetranitrat) mit einer Explosionsgeschwindigkeit > 6800 m/sec verwendet wird.

Prinzipiell kann das Explosionsverfestigen auch vor der Verschweißung einzeln an der Regelschiene, dem Zwischenstück und dem Anschlussbereich des Herzstücks vorgenommen werden, wobei hier Steigerungen der Dauerfestigkeit von 150 N/mm ² auf 190 N/mm ² erzielbar sind. Wesentlicher Vorteil im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist neben der entsprechenden Verbesserung der Festigkeitswerte über das gesamte Querschnittsprofil naturgemäß der Umstand, dass ein Explosionsverfesti- gungsverfahren die Festigkeitseigenschaften der Grundmaterialien, die unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren unter-

worfen werden müssen, nicht nachträglich wiederum beeinträchtigt.