DE69113358T2

DE69113358T2 - High-strength, damage-proof rail.

Info

Publication number: DE69113358T2
Application number: DE69113358T
Authority: DE
Inventors: Gordon O Besch; Kozo Fukuda; Jun Furukawa; Takao Gino; Tomoo Horita; John A Hovland; Tetsunari Ide; Atsushi Ito; Yuzuru Kataoka; Masahiro Ueda; Hideyuki Yamanaka
Original assignee: Nippon Kokan Ltd; Burlington Northern Railroad Co
Current assignee: JFE Engineering Corp; BNSF Railway Co
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1991-07-30
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: KR920002236A; AU8143291A; CA2048097A1; EP0469560B1; SU1839687A3; DE69113358D1; AU642279B2; JPH0617193A; CA2048097C; KR930010334B1; EP0469560A1; BR9103264A; CN1063916A; ATE128486T1

Abstract

A high-strength, damage-resistant rail characterized by essentially consists of 0.60 to 0.85 wt% of C, 0.1 to 1.0 wt% of Si, 0.5 to 1.5 wt% of Mn, not more than 0.035 wt% of P, not more than 0.040 wt% of S, and not more than 0.05 wt% of A l , a balance being Fe and indispensable impurity. The rail comprises corner and head side portions (2, 3) having a Brinell hardness HB of 341 to 405 and a head top portion (1) having a hardness which is not more than 0.9 of the Brinell hardness of the corner and head side portions. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißgeschützte, hochfeste, schadensbeständige Schiene, die für scharfe Kurven einer Eisenbahn mit hoher Radsatz- bzw. Achsbelastung verwendet wird, und insbesondere eine hochfeste, schadensbeständige Schiene, bei der eine Anpassungseigenschaft an Räder während einer anfänglichen Gebrauchsperiode der Schiene und die Schadensbeständigkeit eines oberen Kopfbereichs verbessert werden können.The invention relates to a wear-protected, high-strength, damage-resistant rail used for sharp curves of a railway with high axle load, and more particularly to a high-strength, damage-resistant rail in which a conforming property to wheels during an initial use period of the rail and the damage resistance of an upper head portion can be improved.

Der Kopf einer Schiene hat einen oberen Kopfbereich, Eckbereiche, Kopfseitenbereiche und Backen bzw. Wangen. Eine herkömmliche schleißfeste, hochfeste Schiene, die bei einem Gleis mit scharfen Kurven für eine Eisenbahn mit hoher Radsatzlast, wobei Holzschwellen verwendet werden, eingesetzt wird, wird wärmebehandelt, so daß die Härte der Eck- und Kopfseitenbereiche gleich derjenigen des oberen Kopfbereichs ist. Daher sind die Schleißfestigkeitseigenschaften der Schieneneckbereiche die gleichen wie diejenigen des oberen Kopfbereichs der Schiene.The head of a rail has a top head portion, corner portions, head side portions and cheeks. A conventional wear-resistant, high-strength rail used on a track with sharp curves for a high axle load railway using wooden sleepers is heat-treated so that the hardness of the corner and head side portions is equal to that of the top head portion. Therefore, the wear-resistant properties of the rail corner portions are the same as those of the top head portion of the rail.

Der Kontakt zwischen den Rädern und den Schienen ist jedoch kompliziert, und die Kontaktdrücke sind in Abhängigkeit von der Position des Kontakts zwischen Schienenkopf und Rad veränderlich. In einer scharfen Kurve einer Eisenbahn mit hoher Radsatzlast wirken große Schlupfkräfte auf einen Spurführungs-Eckbereich (d. h. einen inneren Eckbereich) und Seitenflächen des Schienenkopfs. Auf den oberen Kopfbereich der Schiene und den Spurführungs-Eckbereich wirken jedoch große Kontaktdrücke. Infolgedessen unterliegen der Spurführungs-Eckbereich und die Seitenbereiche des Schienenkopfs der herkömmlichen schleißfesten, hochfesten Schiene erheblich stärkerer Abnutzung als der obere Kopfbereich der Schiene. Daher unterliegt der obere Schienenkopfbereich immer einer geringeren Abnutzung als der Schienenführungs- Eckbereich, und ein maximaler Kontaktdruck jedes Rads wirkt auf den zentralen, einer geringeren Abnutzung ausgesetzten Bereich des oberen Kopfbereichs.However, the contact between the wheels and the rails is complicated, and the contact pressures are variable depending on the position of the contact between the rail head and the wheel. In a sharp curve of a railway with a high axle load, large slip forces act on a track guide corner portion (i.e., an inner corner portion) and side surfaces of the rail head. However, large contact pressures act on the upper head portion of the rail and the track guide corner portion. As a result, the track guide corner portion and side surfaces of the rail head of the conventional wear-resistant high-strength rail are subject to significantly greater wear than the upper head portion of the rail. Therefore, the upper head portion of the rail is subject to always subject to less wear than the rail guide corner area, and a maximum contact pressure of each wheel acts on the central area of the upper head area which is subject to less wear.

Da der Kontaktzustand zwischen den Rädern und der herkömmlichen schleißfesten, hochfesten Schiene, wie oben beschrieben, gleiche Verschleißeigenschaften des Schienenkopfs hat, dauert es lang, um während einer Anfangsperiode des Gebrauchs der Schiene die Räder an die Schiene anzupassen. Eine lokale übermäßige Kontaktbeanspruchung bleibt über einen langen Zeitraum erhalten, und es besteht die Tendenz der Ausbildung von Defekten aufgrund von Ermüdung. Auch nachdem die Räder zufriedenstellend an die neuen Schienen angepaßt sind, wirkt ein maximaler Kontaktdruck auf den oberen Schienenkopfbereich jeder Schiene. In diesem Zustand ergeben sich zwar keine schwerwiegenden Probleme, wenn zur Bildung eines Gleises Holzschwellen verwendet werden. Wenn jedoch Betonschwellen verwendet werden, um ein hochsteifes Gleis zu bauen, wird ein stoßartig wirkender maximaler Kontaktdruck, der bei der Passage eines rollenden Materials erzeugt wird, erhöht. Daher tritt in dem zentralen oberen Schienenkopfbereich typischerweise ein Schaden auf, der als Oberflächenkontaktermüdung (Riß) bezeichnet wird.Since the contact state between the wheels and the conventional wear-resistant, high-strength rail has the same wear characteristics of the rail head as described above, it takes a long time to adapt the wheels to the rail during an initial period of rail use. A local excessive contact stress remains for a long period of time and there is a tendency for defects to develop due to fatigue. Even after the wheels are satisfactorily adapted to the new rails, a maximum contact pressure acts on the upper rail head portion of each rail. In this state, no serious problems arise when wooden sleepers are used to form a track. However, when concrete sleepers are used to build a high-rigidity track, a shock-like maximum contact pressure generated when a rolling stock passes is increased. Therefore, damage called surface contact fatigue (crack) typically occurs in the central upper rail head area.

Um einen Schienenkopfriß zu vermeiden, wird nach einer herkömmlichen Technik ein Verfahren zum Schleifen und Korrigieren einer Schienenkopfoberfläche vor der Ausbildung von Ermüdung in den Schienen angewandt. Dieser Vorgang ist jedoch zeitaufwendig und teuer. Außerdem ist es auch schwierig, eine optimale Schleif/Korrekturzeit zu bestimmen. Aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 12, Nr. 293 (C-615) [3641) und JP-A-187719 ist eine Wärmebehandlung für Schienen bekannt, die es zuläßt, die gewünschte Härte im Schienenkopf und in den Schienenführungs-Eckbereichen einzustellen.In order to prevent a rail head crack, a conventional technique uses a process for grinding and correcting a rail head surface before fatigue develops in the rails. However, this process is time-consuming and expensive. In addition, it is also difficult to determine an optimal grinding/correcting time. From Patent Abstracts of Japan, Vol. 12, No. 293 (C-615) [3641) and JP-A-187719, a heat treatment for rails is known which allows the desired hardness to be set in the rail head and in the rail guide corner areas.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der obigen Situation gemacht, und die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer hochfesten, schadensbeständigen Schiene, wobei ein maximaler Kontaktdruck, der auf einen zentralen oberen Schienenkopfbereich wirkt, herabgesetzt werden kann, ohne die Radlasten von rollendem Material zu verringern, wobei ferner in dem zentralen oberen Schienenkopfbereich ohne Schleifen und Korrektur der Schienen keine Ermüdung auftritt und eine hohe Beständigkeit gegenüber Kontaktermüdung und hohe Schadensbeständigkeit erzielt werden können, und wobei die Räder mit neuen Schienen in der Anfangsperiode ihres Gebrauchs in zufriedenstellenden Rollkontakt gebracht werden können.The present invention has been made in consideration of the above situation, and the object of the invention is to provide a high-strength, damage-resistant rail, wherein a maximum contact pressure acting on a central upper rail head portion can be reduced without reducing wheel loads of rolling stock, further wherein no fatigue occurs in the central upper rail head portion without grinding and correction of the rails and high resistance to contact fatigue and high damage resistance can be achieved, and wherein the wheels can be brought into satisfactory rolling contact with new rails in the initial period of their use.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine hochfeste, schadensbeständige Schiene angegeben, die die folgende Zusammensetzung hat: 0,60 bis 0,85 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,035 Gew.-% P, nicht mehr als 0,049 Gew.-% S und nicht mehr als 0,05 Gew.-% Al, Rest Fe und übliche Verunreinigungen, wobei die Schiene Eckbereiche und Kopfseitenbereiche (2, 3) mit einer Brinell- Härte HB von 341 bis 405 und einen oberen Kopfbereich (1) mit einer Härte hat, die nicht mehr als 0,9 der Brinell- Härte der Eck- und Kopfseitenbereiche (2, 3) ist.According to one aspect of the invention there is provided a high strength, damage resistant rail having the following composition: 0.60 to 0.85 wt% C, 0.1 to 1.0 wt% Si, 0.5 to 1.5 wt% Mn, not more than 0.035 wt% P, not more than 0.049 wt% S and not more than 0.05 wt% Al, balance Fe and usual impurities, the rail having corner regions and head side regions (2, 3) with a Brinell hardness HB of 341 to 405 and an upper head region (1) with a hardness that is not more than 0.9 of the Brinell hardness of the corner and head side regions (2, 3).

Gemäß einem anderen Aspekt der. Erfindung wird eine hochfeste, schadensbeständige Schiene angegeben, die die folgende Zusammensetzung hat: 0,60 bis 0,85 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,035 Gew.-% P, nicht mehr als 0,040 Gew.-% S, nicht mehr als 0,05 Gew.-% Al, wenigstens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 0,05 bis 1,5 Gew.-% Cr, 0,01 bis 0,20 Gew.-% Mo, 0,01 bis 0,10 Gew.-% V, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Ni und 0,005 bis 0,050 Gew.-% Nb besteht, Rest Fe und übliche Verunreinigungen, wobei die Schiene Eck- und Kopfseitenbereiche (2, 3) mit einer Brinell-Härte HB von 341 bis 405 und einen oberen Kopfbereich (1) mit einer Härte hat, die nicht mehr als 0,9 der Brinell-Härte der Eck- und Kopfseitenbereiche (2, 3) ist.According to another aspect of the. The invention provides a high-strength, damage-resistant rail having the following composition: 0.60 to 0.85 wt.% C, 0.1 to 1.0 wt.% Si, 0.5 to 1.5 wt.% Mn, not more than 0.035 wt.% P, not more than 0.040 wt.% S, not more than 0.05 wt.% Al, at least one element selected from the group consisting of 0.05 to 1.5 wt.% Cr, 0.01 to 0.20 wt.% Mo, 0.01 to 0.10 wt.% V, 0.1 to 1.0 wt.% Ni and 0.005 to 0.050 wt.% Nb, the remainder Fe and usual impurities, the rail having corner and head side regions (2, 3) with a Brinell hardness HB of 341 to 405 and an upper head region (1) with a hardness which is not more than 0.9 of the Brinell hardness of the corner and head side areas (2, 3).

Bei dieser hochfesten, schadensbeständigen Schiene hat ihr oberer Kopfbereich eine verbesserte Anpassungseigenschaft an die Räder während der anfänglichen Gebrauchsperiode der Schiene, und die Schadensbeständigkeit ihres oberen Kopf bereichs, der entlang einem hochsteifen Gleis verwendet wird, kann verbessert werden.In this high-strength damage-resistant rail, its upper head portion has an improved conforming property to the wheels during the initial use period of the rail, and the damage resistance of its upper head portion used along a high-rigidity track can be improved.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren angegeben zum Herstellen einer hochfesten, schadensbeständigen Schienne, das die folgenden Schritte aufweist: Herstellen eines Schienenmaterials mit der folgenden Zusammensetzung. 0,60 bis 0,85 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,035 Gew.-% P, nicht mehr als 0,040 Gew.-% S, nicht mehr als 0,05 Gew.-% Al, Rest Fe und übliche Verunreinigungen, durch Warmwalzen, und Abkühlen des Kopfs des Schienenmaterials durch Zuführen eines Kühlmittels aus Düsen eines Kühlmittelverteilers auf den Kopf des Schienenmaterials in einem Zustand, in dem der Kopf des Schienenmaterials eine Austenit-Temperatur beibehält, wobei der Kühlschritt so durchgeführt wird, daß die Kühlgeschwindigkeit des oberen Kopfbereichs niedriger als diejenige der Kopfseitenbereiche des Schienenmaterials ist, indem wenigstens eines der folgenden eingestellt wird: die Anzahl Düsen, die für den Kühlmittelverteiler vorgesehen ist; der Durchmesser der Düsen; und der Kühlmittelzuführdruck.According to yet another aspect of the invention there is provided a method of making a high strength, damage resistant rail comprising the steps of: preparing a rail material having the following composition. 0.60 to 0.85 wt% C, 0.1 to 1.0 wt% Si, 0.5 to 1.5 wt% Mn, not more than 0.035 wt% P, not more than 0.040 wt% S, not more than 0.05 wt% Al, balance Fe and usual impurities, by hot rolling, and cooling the head of the rail material by supplying a coolant from nozzles of a coolant distributor to the head of the rail material in a state in which the head of the rail material maintains an austenite temperature, the cooling step being carried out so that the cooling rate of the top head portion is lower than that of the head side portions of the rail material by adjusting at least one of the following: the number of nozzles provided for the coolant distributor; the diameter of the nozzles; and the coolant supply pressure.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren angegeben zum Herstellen einer hochfesten, schadensbeständigen Schiene, das die folgenden Schritte aufweist: Herstellen eines Schienenmaterials mit der folgenden Zusammensetzung: 0,60 bis 0,85 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,035 Gew.-% P, nicht mehr als 0,040 Gew.-% S, nicht mehr als 0,05 Gew.-% Al, wenigstens eines von 0,05 bis 1,5 Gew.-% Cr, 0,01 bis 0,20 Gew.-% Mo, 0,01 bis 0,10 Gew.-% V, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Ni und 0,005 bis 0,050 Gew.-% Nb; Rest Fe und übliche Verunreinigungen, durch Warmwalzen und Abkühlen des Kopfs des Schienenmaterials durch Zuführen eines Kühlmittels aus Düsen eines Kühlmittelverteilers auf den Kopf des Schienenmaterials in einem Zustand, in dem der Kopf des Schienenmaterials eine Austenit-Temperatur beibehält, wobei der Kühlschritt so durchgeführt wird, daß die Kühlgeschwindigkeit des oberen Kopfbereichs niedriger als diejenige der Kopf seitenbereiche des Schienenmaterials ist, indem wenigstens eines der folgenden eingestellt wird: die Anzahl Düsen, die für den Kühlmittelverteiler vorgesehen ist; der Durchmesser der Düsen; und der Kühlmittelzuführdruck.According to yet another aspect of the invention, there is provided a method for producing a high strength, damage resistant rail comprising the steps of: producing a rail material having the following composition: 0.60 to 0.85 wt.% C, 0.1 to 1.0 wt.% Si, 0.5 to 1.5 wt.% Mn, not more than 0.035 wt.% P, not more than 0.040 wt.% S, not more than 0.05 wt.% Al, at least one of 0.05 to 1.5 wt% Cr, 0.01 to 0.20 wt% Mo, 0.01 to 0.10 wt% V, 0.1 to 1.0 wt% Ni, and 0.005 to 0.050 wt% Nb; balance Fe and usual impurities, by hot rolling and cooling the head of the rail material by supplying a coolant from nozzles of a coolant distributor to the head of the rail material in a state where the head of the rail material maintains an austenite temperature, the cooling step being carried out so that the cooling rate of the top head portion is lower than that of the top side portions of the rail material by adjusting at least one of the following: the number of nozzles provided for the coolant distributor; the diameter of the nozzles; and the coolant supply pressure.

Das Verständnis der Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:The invention will be more fully understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung, die einen Schienenkopf gemäß der Erfindung zeigt;Fig. 1 is a sectional view showing a rail head according to the invention;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung des Zweizylinder- Rollkontakttests zum besseren Verständnis der Beziehung zwischen der Schadensfestigkeit und der auf die Schiene aufgebrachten vertikalen Belastung;Fig. 2 is a diagram illustrating the two-cylinder rolling contact test to better understand the relationship between the damage resistance and the vertical load applied to the rail;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Schadensfestigkeit als Funktion der vertikalen Belastung bei dem in Fig. 2 gezeigten Test darstellt;Fig. 3 is a graph showing the damage resistance as a function of vertical loading in the test shown in Fig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Schleißrate als Funktion der Härte bei dem Zweizylinder-Rollkontakt-Verschleißtest zeigt;Fig. 4 is a graph showing the wear rate as a function of hardness in the two-cylinder rolling contact wear test;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Schadensfestigkeit als Funktion des Härteverhältnisses des oberen Schienenkopfbereichs zu dem Schieneneckbereich zeigt;Fig. 5 is a diagram showing the damage resistance as a function of the hardness ratio of the upper rail head region to the rail corner region;

Fig. 6 Darstellungen, die die Härteverteilung von Schienen gemäß der Erfindung zeigen;Fig. 6 are diagrams showing the hardness distribution of rails according to the invention;

Fig. 7 ein Diagramm, das Härteverteilungen der Schienenköpfe zeigt;Fig. 7 is a diagram showing hardness distributions of the rail heads;

Fig. 8 eine Darstellung von Meßpunkten der in Fig. 7 gezeigten Härteverteilungen;Fig. 8 is a representation of measuring points of the hardness distributions shown in Fig. 7;

Fig. 9 ein Diagramm, das die Schadensfestigkeitszyklen als Funktion der Härteverhältnisse der Schienenteststücke mit unterschiedlichen Zusammensetzungen oder unterschiedlichen Methoden der Wärmebehandlung zeigt;Fig. 9 is a graph showing the damage resistance cycles as a function of the hardness ratios of the rail test pieces with different compositions or different methods of heat treatment;

Fig. 10 eine Darstellung, die zeigt, wie ein Schienenmaterial gekühlt wird;Fig. 10 is a diagram showing how a rail material is cooled;

Fig. 11 eine Darstellung, die zeigt, wie Düsenöffnungen in dem für den oberen Kopfbereich bestimmten Kühlkopf angeordnet sind, der bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendet wird;Fig. 11 is a diagram showing how nozzle openings are arranged in the cooling head for the upper head region used in the method according to the invention;

Fig. 12 eine Darstellung, die die Anordnung von Düsenöffnungen in dem für den oberen Kopfbereich verwendeten Kühlkopf gemäß dem Stand der Technik zeigt.Fig. 12 is a diagram showing the arrangement of nozzle openings in the cooling head used for the upper head region according to the prior art.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen beschrieben.The invention is described in detail below.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung, die einen Kopf einer hochfesten, schadensbeständigen Schiene gemäß der Erfindung zeigt. Der Schienenkopf umfaßt einen oberen Kopfbereich 1, Eckbereiche 2, Kopfseitenbereiche 3 und Wangenbereiche 4. Einer der Eckbereiche 2 dient als ein Schienenführungs- Eckbereich, der beim Gebrauch der Schiene mit jedem Rad in Kontakt gebracht wird.Fig. 1 is a sectional view showing a head of a high-strength, damage-resistant rail according to the invention. The rail head comprises an upper head portion 1, Corner areas 2, head side areas 3 and cheek areas 4. One of the corner areas 2 serves as a rail guide corner area which is brought into contact with each wheel when the rail is in use.

Ein Schaden an der Schiene, insbesondere ein Riß an dem oberen Kopfbereich 1, tritt innerhalb eines kurzen Zeitraums auf, wenn eine auf den Schienenkopf aufgebrachte Kontaktbeanspruchung erhöht ist. Das wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Fig. 2 zeigt einen Zweizylinder- Rollkontakt-Ermüdungstest unter Verwendung eines Schienenteststücks, das einen Kontaktkrümmungsradius von 15 mm und einen maximalen Durchmesser von 30 mm hat, und eines Radteststücks, das einen Durchmesser von 30 mm hat. Eine Beziehung zwischen einer vertikalen Belastung und einer Schadensfestigkeit wird erhalten, wie Fig. 3 zeigt. Wenn eine vertikale Belastung groß ist, d. h. wenn eine Kontaktbeanspruchung groß ist, kann bestätigt werden, daß ein Schaden innerhalb eines kurzen Zeitraums eintritt (d. h. die Lebensdauer bis zum Schadenseintritt ist kurz).Damage to the rail, particularly a crack at the upper head portion 1, occurs within a short period of time when a contact stress applied to the rail head is increased. This will be described with reference to Figs. 2 and 3. Fig. 2 shows a two-cylinder rolling contact fatigue test using a rail test piece having a contact curvature radius of 15 mm and a maximum diameter of 30 mm and a wheel test piece having a diameter of 30 mm. A relationship between a vertical load and a damage resistance is obtained as shown in Fig. 3. When a vertical load is large, that is, when a contact stress is large, it can be confirmed that damage occurs within a short period of time (that is, the life until damage occurs is short).

Wenn das Rad mit einer neuen hochfesten Schiene in der anfänglichen Gebrauchsperiode in unbefriedigenden Rollkontakt gebracht wird, konzentriert sich eine vertikale Belastung auf die Schiene, und es besteht die Tendenz, daß in der Schiene ein Schaden auftritt. Wenn ein Schienenbereich, der mit einem Rad in Kontakt gebracht wird, aufgrund von Verschleiß eine Gestalt hat, die eine zufriedenstellende Anpassung an das Rad erlaubt, wird eine vertikale Beanspruchung auf einen breiteren Bereich der Schiene aufgebracht, wodurch die Oberflächenkontaktbeanspruchung verringert wird, was in einer Schleißrate resultiert. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Tatsachen ist es zur Verlängerung der Schienenlebensdauer wirksam, eine maximale vertikale Beanspruchung, die auf die obere Oberfläche des herkömmlichen Schienenkopfs stark einwirkt, zu verteilen. Diese Beanspruchung wirkt auf die Oberfläche aufgrund einer geringeren Schleißrate.When the wheel is brought into unsatisfactory rolling contact with a new high-strength rail in the initial period of use, a vertical stress is concentrated on the rail and damage tends to occur in the rail. When a rail portion that is brought into contact with a wheel has a shape that allows a satisfactory fit to the wheel due to wear, a vertical stress is applied to a wider area of the rail, thereby reducing the surface contact stress, resulting in a wear rate. In consideration of the above facts, it is effective to disperse a maximum vertical stress that strongly acts on the upper surface of the conventional rail head to prolong the rail life. This stress acts on the surface due to a lower wear rate.

Um den Kopfriß des oberen Kopfbereichs 1 zu verzögern, wird eine auf die Schiene wirkende Belastung verringert, oder ein Kontaktdruck eines Rads wird so kontrolliert, daß er nicht auf einen bestimmten Schienenbereich konzentriert ist.In order to delay the head crack of the upper head portion 1, a load acting on the rail is reduced, or a contact pressure of a wheel is controlled so that it is not concentrated on a certain rail portion.

Die vorliegende Erfindung wendet die letztgenannte Methode an, um das bekannte Problem zu lösen, ohne daß die Radlasten von rollendem Material herabgesetzt werden. Insbesondere wird zwar die Festigkeit zur Aufnahme von Eisenbahnwagen und zur Erhaltung der Schleißfestigkeitseigenschaft beibehalten, aber die Schienenzusammensetzung wird so eingestellt, daß die auf den oberen Schienenkopfbereich wirkende maximale Kontaktbeanspruchung verringert wird. Gleichzeitig wird die Härrte der Eck- und Kopfseitenbereiche der Schiene höher als diejenige des oberen Kopfbereichs eingestellt.The present invention applies the latter method to solve the known problem without reducing the wheel loads of rolling stock. In particular, while maintaining the strength for supporting railway cars and maintaining the wear resistance property, the rail composition is adjusted to reduce the maximum contact stress acting on the upper rail head portion. At the same time, the hardness of the corner and head side portions of the rail is adjusted to be higher than that of the upper head portion.

Die Zusammensetzung der Schiene gemäß der Erfindung wird aus den nachstehenden Gründen begrenzt.The composition of the rail according to the invention is limited for the following reasons.

Der Gehalt an C fällt in den Bereich von 0,60 bis 0,85 Gew.-%. Wenn der Gehalt an C 0,6 Gew.-% oder höher ist, kann hohe Festigkeit und eine ausgezeichnete Schleißfestigkeitseigenschaft erwartet werden. Wenn jedoch der Gehalt an C 0,85 Gew.-% überschreitet, bewirkt die Ausscheidung des primären Eisencarbids eine Verschlechterung der Zähigkeit.The C content falls within the range of 0.60 to 0.85 wt%. When the C content is 0.6 wt% or higher, high strength and excellent wear resistance property can be expected. However, when the C content exceeds 0.85 wt%, precipitation of primary iron carbide causes deterioration of toughness.

Der Gehalt an Si fällt in den Bereich von 0,1 bis 1,0 Gew.-%. Der Gehalt an Si muß wenigstens 0,1 % sein, um die Festigkeit der Schiene zu gewahrleisten. Wenn jedoch der Gehalt 1,0 % überschreitet, werden die Zähigkkeit und die Schweißbarkeit verschlechtert.The Si content falls within the range of 0.1 to 1.0 wt%. The Si content must be at least 0.1% to ensure the strength of the rail. However, if the content exceeds 1.0%, the toughness and weldability will be deteriorated.

Der Gehalt an Mn fällt in den Bereich von 0,55 bis 1,5 Gew.-%. Der Gehalt an Mn muß wenigstens 0,5 Gew.-% sein, um die Festigkeit der Schiene zu gewährleisten. Wenn der Gehalt jedoch 1,5 % überschreitet, werden Zähigkeit und Schweißbarkeit verschlechtert.The Mn content falls within the range of 0.55 to 1.5 wt%. The Mn content must be at least 0.5 wt% to ensure the strength of the rail. However, if the content exceeds 1.5%, toughness and weldability will be deteriorated.

Der Gehalt an P ist 0,035 Gew.-% oder weniger, und derjenige von S ist 0,040 Gew.-% oder weniger, um eine Verschlechterung der Verformbarkeit zu vermeiden.The content of P is 0.035 wt% or less, and that of S is 0.040 wt% or less to avoid deterioration of formability.

Die Obergrenze des Gehalts an Al ist 0,05 Gew.-%, da Aluminium ein Bestandteil ist, der die Dauerwechselfestigkeit verschlechtert.The upper limit of the Al content is 0.05 wt.%, since aluminium is a component that impairs the fatigue strength.

Im Fall von Schienen, die unter erschwerten Bedingungen des Kontakts zwischen Schienen und Rädern verwendet werden, wird wenigstens eines von Cr, Mo, V, Ni und Nb in niedriglegierter Form zugefügt.In the case of rails used under severe conditions of contact between rails and wheels, at least one of Cr, Mo, V, Ni and Nb is added in low-alloy form.

Der Gehalt an Cr fällt in den Bereich von 0,05 bis 1,50 Gew.-%. Wenn der Gehalt 0,5 Gew.-% oder mehr ist, kann der Zwischenlamellenabstand von Perlit verringert werden, um einen Feinperlit zu erhalten, so daß eine Schleißfestigkeitseigenschaft und die Schadensbeständigkeit verbessert werden. Wenn der Gehalt aber 1,50 Gew.-% überschreitet, wird die Schweißbarkeit verschlechtert.The content of Cr falls within the range of 0.05 to 1.50 wt%. If the content is 0.5 wt% or more, the interlamellar spacing of pearlite can be reduced to obtain a fine pearlite, so that a wear-resistant property and damage resistance are improved. However, if the content exceeds 1.50 wt%, the weldability is deteriorated.

Der Gehalt an Mo fällt in den Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-%. Mo ist ein Element zur Erhöhung der Festigkeit wie im Fall von Cr. Dieser Effekt zeigt sich, wenn sein Gehalt 0,01 % oder höher ist. Wenn der Gehalt jedoch 0,2 Gew.-% überschreitet, wird. die Schweißbarkeit verschlechtert.The content of Mo falls in the range of 0.01 to 0.2 wt%. Mo is a strength-enhancing element, as in the case of Cr. This effect is evident when its content is 0.01% or higher. However, when the content exceeds 0.2 wt%, weldability is deteriorated.

Nb und V sind Elemente für die Ausscheidungshärtung. Die Gehalte von Nb und V fallen in die Bereiche von 0,005 bis 0,050 Gew.-% bzw. 0,01 bis 0,10 Gew.-%. Um eine Wirkung als Ausscheidungshärtungselemente zu erzielen, ist der Gehalt an Nb 0,005 Gew.-% oder höher, und der Gehalt an V ist 0,01 % oder höher. Wenn die Gehalte an Nb und V jedoch 0,05 Gew.-% bzw. 0,10 Gew.-% überschreiten, wird ein grobes Nb- oder V- Carbonitrid ausgeschieden, wodurch die Zähigkeit der Schiene verschlechtert wird.Nb and V are precipitation hardening elements. The contents of Nb and V fall within the ranges of 0.005 to 0.050 wt% and 0.01 to 0.10 wt%, respectively. To achieve an effect as precipitation hardening elements, the content of Nb is 0.005 wt% or more, and the content of V is 0.01% or more. However, if the contents of Nb and V exceed 0.05 wt% and 0.10 wt%, respectively, coarse Nb or V carbonitride will be precipitated, thereby deteriorating the toughness of the rail.

Ni ist ein Element zur Verbesserung von Festigkeit und Zähigkeit. Der Gehalt an Ni fällt in den Bereich von 0,1 bis 1,0 Gew.-%. Wenn der Gehalt weniger als 0,1 Gew.-% ist, zeigt sich keine gute Auswirkung. Die Auswirkung ist jedoch maximal, wenn der Gehalt 1,0 Gew.-% beträgt.Ni is an element for improving strength and toughness. The content of Ni falls within the range of 0.1 to 1.0 wt%. If the content is less than 0.1 wt%, no good effect is shown. However, the effect is maximum when the content is 1.0 wt%.

Die Schiefe gemäß der Erfindung hat die oben beschriebene Zusammensetzung von Bestandteilen und eine feine perlitische Struktur. Wie oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung die Härteverteilung des Schienenkopfs eingestellt, um die Schleißfestigkeitseigenschaften der jeweiligen Bereiche der Schiene zu kontrollieren. Der maximale Kontaktdruckpegel wird herabgesetzt, und eine Schädigung des oberen Schienenkopfbereichs durch Kopfrisse, hervorgerufen durch einen hohen Kontaktdruck bei einem hochsteifen Gleis, kann unterdrückt werden. Eine bevorzugte Härteverteilung kann erreicht werden, indem eine Wärmebehandlung jedes Bereichs eingestellt wird.The skew according to the invention has the above-described composition of components and a fine pearlitic structure. As described above, according to the invention, the hardness distribution of the rail head is adjusted to control the wear resistance properties of the respective portions of the rail. The maximum contact pressure level is lowered, and damage to the upper rail head portion by head cracks caused by a high contact pressure in a high-rigidity track can be suppressed. A preferable hardness distribution can be achieved by adjusting a heat treatment of each portion.

Die gleiche Wirkung wie oben beschrieben kann selbst dann erzielt werden, wenn eine metallurgische Struktur des oberen Kopfbereichs geändert wird, um eine Schleißgeschwindigkeit einzustellen. Dabei wird gemäß der Erfindung die Härteverteilung der Schiene durch eine geeignete Behandlung unter Annahme einer feinen perlitischen Struktur eingestellt. Durch Ändern der metallurgischen Struktur kann jedoch die Schleißfestigkeitseigenschaft ungeachtet der Härte kontrolliert werden. Wenn beispielsweise, wie Fig. 4 zeigt, der Härtewert unverändert gehalten wird, hat die feine perlitische Struktur die beste Schleißfestigkeitseigenschaft. Wie Fig. 4 zeigt, ist es durch die Kontrolle der metallurgischen Struktur möglich, eine Schleißrate zu erhöhen, während gleichzeitig die Härte erhöht wird, um die Dauerfestigkeit zu verbessern.The same effect as described above can be achieved even if a metallurgical structure of the upper head portion is changed to adjust a wear rate. Here, according to the invention, the hardness distribution of the rail is adjusted by an appropriate treatment assuming a fine pearlitic structure. However, by changing the metallurgical structure, the wear resistance property can be controlled regardless of the hardness. For example, as shown in Fig. 4, when the hardness value is kept unchanged, the fine pearlitic structure has the best wear resistance property. As shown in Fig. 4, by controlling the metallurgical structure, it is possible to increase a wear rate while increasing the hardness to improve the fatigue strength.

Ein Härteverhältnis zwischen dem oberen Kopfbereich und den Eck- und Kopfseitenbereichen bei einer Schiene mit der feinen perlitischen Struktur, wobei in der Praxis der oben beschriebene Effekt erreicht wird, wird nachstehend beschrieben. Wie oben erläutert, ist zur Einstellung eines Kontaktzustands derart, daß der Kontaktdruck eines Rads nicht lokal konzentriert ist, die Härte des oberen Schienenkopfbereichs so eingestellt, daß sie niedriger als diejenige der Eck- und Kopfseitenbereiche der Schiene ist. Bevorzugte Härteverhältnisse sind bei einem Schadensfestigkeitstest untersucht worden, wobei eine Zweizylinder-Rollkontakt-Testmaschine verwendet wurde. Dieser Test wurde durchgeführt unter Verwendung von zylindrischen Teststücken mit einer Querschnittsgröße, die 1/4 eines echten Rads bzw. einer echten Schiene war. Der Härtewert des Radteststücks war mit einer Brinell-Härte von ca. HB 331 vorgegeben. Die Schienenteststücke waren Proben eines C-Mn-Stahls (0,77 Gew.-% C, 0,23 Gew.-% Si, 0,90 Gew.-% Mn, 0,019 Gew.-% P, 0,008 Gew.-% S und 0,04 Gew.-% gel. Al). Dem Kopf entsprechende Bereiche wurden wärmebehandelt, um einen Härtewert von den Schieneneckbereichen entsprechenden Bereichen mit ca. HB 370 einzustellen. Die Härte der oberen Kopfbereiche wurde herabgesetzt, um Härteunterschiede einzustellen. Testergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt. Die Härteverhältnisse (Brinell- Härte) zwischen den Härtewerten der den oberen Kopfbereichen entsprechenden Bereiche und denjenigen der Bereiche, die den Eckbereichen entsprechen, sind entlang der Abszisse des Diagramms aufgetragen. Auf der Ordinate sind Verhältnisse von Lebensdauerzyklen der oberen Kopfbereiche der Schienenteststücke der Erfindung zu denen der herkömmlichen schleißfesten, hochfesten Schiene (unvollständig gehärtete Schiene) aufgetragen. Wenn das Verhältnis des Härtewerts des dem oberen Kopfbereich entsprechenden Bereichs zu dem des Bereichs, der dem Eckbereich entspricht, mit 0,9 oder kleiner eingestellt war, zeigte sich, daß eine Schädigung des dem oberen Kopfbereich entsprechenden Bereichs deutlich verringert wurde. Außerdem wurde bestätigt, daß die Passung zwischen dem Kopfbereich der Schiene und dem Rad in diesem Be- reich in der Anfangsperiode des Schienengebrauchs beschleunigt wurde. Daher wird das Verhältnis des Härtewerts des oberen Schienenkopfbereichs zu dem der Schieneneck- und -kopfseitenbereiche mit 0,9 oder kleiner eingestellt. Bei einem Härteverhältnis von 0,6 oder kleiner erwies es sich, daß der Bereich, der dem Schienenführungs-Eckbereich entspricht, erheblich beschädigt wurde. Daher ist das Härteverhältnis bevorzugt 0,6 oder größer.A hardness ratio between the upper head area and the corner and head side areas of a rail with the fine pearlitic structure, whereby the above-described effect is practically achieved, will be described below. As explained above, in order to set a contact state such that the contact pressure of a wheel is not locally concentrated, the hardness of the upper rail head portion is set to be lower than that of the corner and head side portions of the rail. Preferred hardness conditions were examined in a damage resistance test using a two-cylinder rolling contact testing machine. This test was carried out using cylindrical test pieces having a cross-sectional size 1/4 of a real wheel or rail. The hardness value of the wheel test piece was specified to be a Brinell hardness of about HB 331. The rail test pieces were samples of a C-Mn steel (0.77 wt% C, 0.23 wt% Si, 0.90 wt% Mn, 0.019 wt% P, 0.008 wt% S and 0.04 wt% gel Al). Regions corresponding to the head were heat treated to set a hardness value of regions corresponding to the rail corner regions to about HB 370. The hardness of the upper head regions was reduced to adjust for hardness differences. Test results are shown in Fig. 5. The hardness ratios (Brinell hardness) between the hardness values of the regions corresponding to the upper head regions and those of the regions corresponding to the corner regions are plotted along the abscissa of the graph. The ordinate shows ratios of life cycles of the upper head regions of the rail test pieces of the invention to those of the conventional wear-resistant, high-strength rail (incompletely hardened rail). When the ratio of the hardness value of the region corresponding to the upper head region to that of the region corresponding to the corner region was set to 0.9 or less, it was found that damage to the region corresponding to the upper head region was significantly reduced. In addition, it was confirmed that the fit between the head region of the rail and the wheel in this region was accelerated in the initial period of rail use. Therefore, the ratio of the hardness value of the upper rail head portion to that of the rail corner and head side portions is set to 0.9 or less. When the hardness ratio is 0.6 or less, it was found that the portion corresponding to the rail guide corner portion was significantly damaged. Therefore, the hardness ratio is preferably 0.6 or more.

Um zufriedenstellende Werte der Festigkeit und der Schleißfestigkeitseigenschaft der Schiene zu erzielen, fällt der Härtewert der Eck- und Kopfseitenbereiche der Schiene in den Bereich von HB 341 bis HB 405.In order to achieve satisfactory values of strength and wear resistance property of the rail, the hardness value of the corner and head side areas of the rail falls in the range of HB 341 to HB 405.

Fig. 6 zeigt Härteverteilungen des Kopfs der hochfesten, schadensbeständigen Schiene. In Fig. 6(a), die Bereiche von den Kopfseitenflächen der Schiene bis zu einer Tiefe von 1/4 der Kopfbreite der Schiene zeigt, sind die Schieneneckbereiche und die Kopfseitenbereiche der Schiene durch einen Bereich der oberen Kopfoberfläche der Schiene bis zu einer Tiefe von 15 mm und durch Linien definiert, die eine Verbindung von den Punkten A und A' zu den entsprechenden Wangen herstellen. Die Härtewerte dieser Bereiche fallen in den Bereich von HB 341 bis HB 405, so daß eine Schleißfestigkeitseigenschaft einer normalen hochfesten Schiene erhalten wird. Der Härtewert des als oberer Schienenkopfbereich dienenden Bereichs von der oberen. Kopfoberfläche der Schiene bis zu einer Tiefe von 25 mm ist mit 0,9 oder weniger, jedoch 0,6 oder mehr des Härtewerts der Eck- und Kopfseitenbereiche der Schiene eingestellt. Gleichzeitig ist der Härtewert des oberen Kopfbereichs HB 265 oder größer. Daher kann eine Differenz zwischen den Schleißfestigkeitseigenschaften des oberen Kopfbereichs und dem Schienenführungs- Eckbereich erzeugt werden. Die Differenz ist als ein optimaler Wert nach Maßgabe der tatsächlichen Einsatzbedingungen von verschiedenen Schienentypen vorgegeben. Daher kann das Problem, das durch den übermäßigen maximalen Kontaktdruck hervorgerufen wird, der auf die Mitte des oberen Kopfbereichs der Schiene aufgebracht wird, gelöst werden.Fig. 6 shows hardness distributions of the head of the high-strength damage-resistant rail. In Fig. 6(a), which shows regions from the head side surfaces of the rail to a depth of 1/4 of the head width of the rail, the rail corner regions and the head side regions of the rail are defined by a region of the upper head surface of the rail to a depth of 15 mm and by lines connecting from points A and A' to the corresponding cheeks. The hardness values of these regions fall within the range of HB 341 to HB 405, so that a wear resistance property of a normal high-strength rail is obtained. The hardness value of the region serving as the upper rail head region from the upper head surface of the rail to a depth of 25 mm is set to be 0.9 or less but 0.6 or more of the hardness value of the corner and head side regions of the rail. At the same time, the hardness value of the upper head region is HB 265 or greater. Therefore, a difference may be generated between the wear resistance properties of the top head portion and the rail guide corner portion. The difference is set as an optimum value according to the actual use conditions of different types of rails. Therefore, the problem caused by the excessive maximum contact pressure which is applied to the center of the upper head area of the rail.

In Fig. 6(b) ist der Härtewert derjenigen Bereiche, die von Bereichen umgeben sind, die durch Verbinden eines Anfangspunkts (dieser Punkt liegt auf einer Tiefe von 15 mm von der oberen Oberfläche des Schienenkopfs und auf einer Tiefe von 15 mm von den Seitenflächen des Schienenkopfs), der Eckbereiche der Schienen und der Wangen definiert sind, mit HB 341 bis HB 405 eingestellt. Der Härtewert des verbleibenden Bereichs, ausgehend von dem oberen Schienenkopfbereich bis zu einer Tiefe von 25 mm, ist mit 0,9 oder kleiner und mit 0,6 oder größer der Härte der obigen Bereiche (d. h. des Härtewerts von HB 341 bis HB 405) eingestellt. Diese Härtestruktur ergibt die gleiche Wirkung wie in (a) von Fig. 6.In Fig. 6(b), the hardness value of the areas surrounded by areas defined by connecting a starting point (this point is at a depth of 15 mm from the upper surface of the rail head and at a depth of 15 mm from the side surfaces of the rail head), the corner areas of the rails and the stringers is set to HB 341 to HB 405. The hardness value of the remaining area starting from the upper rail head area to a depth of 25 mm is set to 0.9 or less and 0.6 or more of the hardness of the above areas (i.e., the hardness value of HB 341 to HB 405). This hardness structure gives the same effect as in (a) of Fig. 6.

In einem Zustand mittleren Kontakts zwischen dem Rad und der Schiene wie beispielsweise in einer mäßigen Kurve kann der Härtewert der hochfesten Bereiche der Kopfseitenbereiche und Schienenführungs-Eckbereiche in den Bereich von HB 320 bis HB 380 fallen. Wenn, wie Fig. 6(c) zeigt, eine Schiene, die einen oberen zentralen Bereich hat, der von der oberen Kopf oberfläche bis zu einer Tiefe von ca. 25 mm ausgeht und die 1/2 Breite des zentralen oberen Schienenkopfbereichs hat, den obigen Härtebereich aufweist, kann diese Schiene in den Rahmen der Erfindung fallen, so daß die gleiche Wirkung wie oben beschrieben erzielt wird.In a state of medium contact between the wheel and the rail such as in a moderate curve, the hardness value of the high-strength portions of the head side portions and rail guide corner portions may fall within the range of HB 320 to HB 380. As shown in Fig. 6(c), if a rail having an upper central portion extending from the upper head surface to a depth of about 25 mm and having 1/2 the width of the central upper rail head portion has the above hardness range, this rail may fall within the scope of the invention so that the same effect as described above is achieved.

Da die Härteverteilung des Schienenkopfs so eingestellt wird, daß in der Anfangsperiode des Gebrauchs der Schiene eine Schleißrate des oberen Kopfbereichs geringfügig höher als diejenige der Eck- und Kopfseitenbereiche ist, wurde die Passung zwischen dem Kopfbereich der Schiene und dem Rad beschleunigt, und eine örtliche übermäßige Kontaktbeanspruchung kann ausgeschlossen werden. Nach Beendigung des Anpassungsprozesses sind die Schleißraten der jeweiligen Kopfbereiche im Zustand des Kontakts zwischen den Schienen und den Rädern justiert, und der zentrale obere Kopfbereich ist bevorzugt abgefahren. Daher kann eine auf den Schienenkopf aufgebrachte vertikale Belastung gleichmäßig an der Oberseite der Schienenoberfläche verteilt werden. Eine Amplitude der Beanspruchung, die auf den oberen Schienenkopfbereich aufgebracht wird, kann unterdrückt werden, und der maximale Kontaktdruck kann auf einen Wert herabgesetzt werden, der unter der Dauerschwingfestigkeit liegt. Daher kann ein Ermüdungsschaden unterdrückt werden, und die Lebensdauer der Schiene kann verlängert werden.Since the hardness distribution of the rail head is adjusted so that in the initial period of rail use, a wear rate of the upper head area is slightly higher than that of the corner and head side areas, the fit between the head area of the rail and the wheel was accelerated and local excessive contact stress can be excluded. After completion of the adjustment process, the wear rates of the respective head areas are in the state of contact between the rails and the wheels, and the central upper head portion is preferentially worn down. Therefore, a vertical load applied to the rail head can be evenly distributed on the upper surface of the rail surface. An amplitude of the stress applied to the upper rail head portion can be suppressed, and the maximum contact pressure can be reduced to a value lower than the fatigue strength. Therefore, fatigue damage can be suppressed, and the service life of the rail can be extended.

Als nächstes folgt eine Beschreibung der Herstellung der oben genannten Schiene.Next follows a description of the manufacture of the above-mentioned rail.

Im allgemeinen wird eine Schiene wie folgt hergestellt. Zuerst wird ein Schienenmaterial durch Warmwalzen vorbereitet. Dann wird der Kopf des Schienenmaterials von einer Austenit- Temperatur heruntergekühlt. Dabei wird die Kühlgeschwindigkeit so gesteuert, daß die resultierende Schiene zwischen dem oberen Kopfbereich und den Kopfseitenbereichen verschiedene Härtegrade hat.Generally, a rail is manufactured as follows. First, a rail material is prepared by hot rolling. Then, the head of the rail material is cooled down from an austenite temperature. The cooling rate is controlled so that the resulting rail has different degrees of hardness between the top of the head and the side of the head.

Wie Fig. 10 zeigt, wird der Kopf des Schienenmaterials durch Verwendung von einem Kühlmittelverteiler 11 für den oberen Kopfbereich und von zwei Kühlmittelverteilern 12 für die Kopfseitenbereiche gekühlt. Der Kühlmittelverteiler 11 für den oberen Kopfbereich wird dem oberen Kopfbereich gegenüberstehend angeordnet, und die Kühlmittelverteiler 12 für die Kopfseitenbereiche werden den jeweiligen Kopfseitenbereichen gegenüberstehend angeordnet. Jeder Kühlmittelverteiler hat eine Vielzahl Düsen, und ein Kühlmittel (z. B. Luft) wird dem Schienenmaterial aus den Düsen zugeführt. Die Kühl temperatur kann entsprechend den Bereichen des Schienenkopfs gesteuert werden, indem entweder die Anzahl Düsen, der Durchmesser der Düsen oder der Kühlmittelzuführdruck eingestellt wirrd. Es ist zu beachten, daß die Härte der Schiene umso stärker verringert wird, je langsamer das Schienenmaterial von der Austenit-Temperatur heruntergekühlt wird.As shown in Fig. 10, the head of the rail material is cooled by using one coolant distributor 11 for the top head portion and two coolant distributors 12 for the head side portions. The coolant distributor 11 for the top head portion is arranged opposite to the top head portion, and the coolant distributors 12 for the head side portions are arranged opposite to the respective head side portions. Each coolant distributor has a plurality of nozzles, and a coolant (e.g., air) is supplied to the rail material from the nozzles. The cooling temperature can be controlled according to the portions of the rail head by adjusting either the number of nozzles, the diameter of the nozzles, or the coolant supply pressure. It should be noted that the hardness of the rail is reduced the more slowly the rail material is cooled down from the austenite temperature.

Gemäß der Erfindung wird ein Schienenmaterial, das eine Zusammensetzung hat, die in den durch die Erfindung vorgeschriebenen Bereich fällt, durch Warmwalzen hergestellt. Der Kopf des Schienenmaterials wird von einer Austenit-Temperatur heruntergekühlt, indem dem Kopf ein Kühlmittel aus Kühlmittelverteilern zugeführt wird. Dabei wird wenigstens entweder die Anzahl Düsen oder der Durchmesser der Düsen oder der Kühlmittelzuführdruck so eingestellt, daß die Kühlgeschwindigkeit des oberen Kopfbereichs geringer als diejenige der Kopfseitenbereiche ist. In der resultierenden Schiene hat also der obere Kopfbereich eine geringere Härte als die Kopfseitenbereiche.According to the invention, a rail material having a composition falling within the range prescribed by the invention is manufactured by hot rolling. The head of the rail material is cooled down from an austenite temperature by supplying a coolant to the head from coolant distributors. At least one of the number of nozzles or the diameter of the nozzles or the coolant supply pressure is adjusted so that the cooling rate of the top head portion is lower than that of the head side portions. Thus, in the resulting rail, the top head portion has a lower hardness than the head side portions.

Wenn das Schienenmaterial die Austenit-Temperatur nach dem Warmwalzen beibehält, wird es so, wie es ist, gekühlt. Wenn jedoch das Schienenmaterial nach dem Warmwalzen eine Temperatur unterhalb der Austenit-Temperatur hat, wird es erneut auf die Austenit-Temperatur erhitzt.If the rail material maintains the austenite temperature after hot rolling, it is cooled as it is. However, if the rail material has a temperature below the austenite temperature after hot rolling, it is reheated to the austenite temperature.

(EXAMPLES)

Die Erfindung wird anhand von Beispielen beschrieben.The invention is described by means of examples.

Stahlschienenwerkstoffe (Tabelle 1), die Zusammensetzungen hatten, die in den Bereich der Erfindung fallen, wurden als Schienenelemente verwendet. Tabelle 1 C-Mn-Stahl Cr-V-Stahl Cr-Mo-V-Stahl Ni-Nb-Stahl Chem. Zusammensetzungen (Gew.-%) RestSteel rail materials (Table 1) having compositions falling within the scope of the invention were used as rail elements. Table 1 C-Mn steel Cr-V steel Cr-Mo-V steel Ni-Nb steel Chemical compositions (wt.%) Rest

Ein 60-kg-Schienenprobestück, das aus dem C-Mn-Stahl von Tabelle 1 hergestellt war, wurde verwendet, um eine herkömmliche Schiene mit hartem Kopf herzustellen, der durch unvollständiges Härten erhalten wurde, und eine Schiene herzustellen, die durch spezielles unvollständiges Härten erhalten wurde, wobei die Kühlung des Kopfs gemäß der Erfindung abgeschwächt wurde.A 60 kg rail specimen made of the C-Mn steel of Table 1 was used to prepare a conventional rail with a hard head obtained by incomplete hardening and a rail obtained by special incomplete hardening in which the cooling of the head was weakened according to the invention.

Eine Schiene gemäß der Erfindung wurde wie folgt hergestellt. Nachdem ein Schienenmaterial durch Warmwalzen hergestellt war, wurde unter Verwendung von Luftverteilern 11 und 12, die auf die in Fig. 10 gezeigte Weise angeordnet waren, aus den Düsen der Luftverteiler 11 und 12 dem Kopf des Schienenmaterials, das eine Ar&sub1;-Temperatur oder höher hatte, Luft zugeführt, um das Schienenmaterial zu kühlen. Der Luftverteiler 11 war ausgebildet, um den oberen Kopfbereich zu kühlen, während die Luftverteiler 12 ausgebildet waren, um die Kopfseitenbereiche zu kühlen. Fig. 11 zeigt die Anordnung der Düsenöffnungen, die in dem Kühlluftverteiler 11 für den oberen Kopfbereich gebildet sind. Wie Fig. 11 zeigt, hat der bei der Erfindung verwendete Verteiler 11 eine geringere Anzahl von Düsenöffnungen im zentralen Bereich als in den übrigen Bereichen, wohingegen ein beim Stand der Technik verwendeter Kühlmittelverteiler für den oberen Kopfbereich gleichmäßig verteilte Düsenöffnungen hat, wie Fig. 12 zeigt. Bei der Erfindung wurde also die dem oberen Kopfbereich zugeführte Luftmenge dadurch herabgesetzt, daß in dem zentralen Bereich des Verteilers 11 eine geringere Anzahl Düsenöffnungen vorgesehen war. Außerdem wurde der Luftzuführdruck der Verteiler so gesteuert, daß der Druck der dem oberen kopfbereich zugeführten Luft niedriger als der Druck der den Kopfseitenbereichen zugeführten Luft war. Zum Vergleich zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik zeigt die nachstehende Tabelle 2 die Luftzuführdrücke, die für den oberen Kopfbereich und die Kopfseitenbereiche angewandt wurden, sowie das Verhältnis der Anzahl Düsenöffnungen, die für den oberen Kopfbereich verwendet wurden, zu der Anzahl Düsenöffnungen, die für die Kopfseitenbereiche verwendet wurden. Tabelle 2 Luftdruck (kgf/cm²) Zahlenverhältnis der Düsenöffnungen Erfindung Herkömml. VerfahrenA rail according to the invention was manufactured as follows. After a rail material was manufactured by hot rolling, using air distributors 11 and 12 arranged in the manner shown in Fig. 10, air was supplied from the nozzles of the air distributors 11 and 12 to the head of the rail material having an Ar₁ temperature or higher to cool the rail material. The air distributor 11 was designed to cool the head upper portion, while the air distributors 12 were designed to cool the head side portions. Fig. 11 shows the arrangement of the nozzle openings provided in the cooling air distributor. 11 for the upper head region. As shown in Fig. 11, the distributor 11 used in the invention has a smaller number of nozzle openings in the central region than in the other regions, whereas a coolant distributor used in the prior art for the upper head region has evenly distributed nozzle openings, as shown in Fig. 12. Thus, in the invention, the amount of air supplied to the upper head region was reduced by providing a smaller number of nozzle openings in the central region of the distributor 11. In addition, the air supply pressure of the distributors was controlled so that the pressure of the air supplied to the upper head region was lower than the pressure of the air supplied to the head side regions. For comparison between the invention and the prior art, Table 2 below shows the air supply pressures used for the upper head region and the head side regions, and the ratio of the number of nozzle openings used for the upper head region to the number of nozzle openings used for the head side regions. Table 2 Air pressure (kgf/cm²) Ratio of nozzle openings Invention Conventional method

Die Härteverteilung von Bereichen auf eine Tiefe von 1 mm von den oberen Schienenkopfbereichen der Schienenprobestücke sind in Fig. 7 gezeigt. Das Symbol A in Fig. 7 bezeichnet eine Härteverteilung der herkömmlichen Schiene; und B bezeichnet eine Härteverteilung der Schiene gemäß der Erfindung. Die auf der Abszisse in Fig. 7 eingekreisten Zahlen entsprechen jeweils den eingekreisten Zahlen, die in Fig. 8 tatsächliche Härtemeßpunkte darstellen.The hardness distributions of regions at a depth of 1 mm from the upper rail head portions of the rail specimens are shown in Fig. 7. Symbol A in Fig. 7 denotes a hardness distribution of the conventional rail; and B denotes a hardness distribution of the rail according to the invention. The numbers circled on the abscissa in Fig. 7 correspond to the circled numbers representing actual hardness measurement points in Fig. 8.

Wie Fig. 7 zeigt, ist die Differenz zwischen der Härte des oberen Kopfbereichs und der Härte der Kopfseiten- und Eckbereiche der herkömmlichen Schiene gering. Aber die Härte des oberen Kopfbereichs der Schiene gemäß der Erfindung ist verringert.As shown in Fig. 7, the difference between the hardness of the top head portion and the hardness of the head side and corner portions of the conventional rail is small. But the hardness of the top head portion of the rail according to the invention is reduced.

Zylindrische Teststücke, die jeweils 1/4 der Querschnittsgröße eines echten Rads und einer echten Schiene hatten, wurden jeweils aus den Schienenwerkstoffen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen hergestellt, und ein Schadensfestigkeitstest wurde unter Verwendung einer Zweizylinder-Rollkontakt-Testmaschine durchgeführt. Der Härtewert des Radteststücks war ca. HB 331. Um das charakteristische Merkmal der Erfindung an den Bereichen vorzusehen, die den oberen Schienenkopfbereichen entsprechen, wurde der Härtewert der den oberen Kopfbereichen entsprechenden Bereiche mit 0,9 oder weniger der Härte (ca. HB 370) der Bereiche, die den Eckbereichen entsprechen, eingestellt. Ein Teststück, dessen oberer Kopfbereich nach dem unvollständigen Härten des C-Mn-Stahls der Tabelle 1 vergütet wurde, wurde ebenfalls hergestellt und dem Schadensfestigkeitstest unterzogen. Dabei ist das Ziel. eine Verringerung der Härte des oberen Kopfbereichs durch Umwandeln der Struktur des oberen Kopfbereichs in eine sphärische perlitische Struktur.Cylindrical test pieces each having 1/4 of the cross-sectional size of a real wheel and a real rail were each made of the rail materials having the compositions shown in Table 1, and a damage resistance test was conducted using a two-cylinder rolling contact testing machine. The hardness value of the wheel test piece was about HB 331. In order to provide the characteristic feature of the invention at the portions corresponding to the upper rail head portions, the hardness value of the portions corresponding to the upper head portions was set to 0.9 or less of the hardness (about HB 370) of the portions corresponding to the corner portions. A test piece whose upper head portion was tempered after incompletely hardening the C-Mn steel of Table 1 was also made and subjected to the damage resistance test. The aim is. a reduction in the hardness of the upper head region by transforming the structure of the upper head region into a spherical pearlitic structure.

Die Testergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. Wenn, wie Fig. 9 zeigt, die Härteverhältnisse der oberen Schienenkopfbereiche zu den Schieneneckbereichen aller Teststücke mit 0,9 oder weniger eingestellt waren, bestätigte sich, daß die Schadensfestigkeit um das 1,2fache oder mehr (maximal das 1,9fache) erhöht wurde.The test results are shown in Fig. 9. As shown in Fig. 9, when the hardness ratios of the upper rail head portions to the rail corner portions of all test pieces were set to 0.9 or less, it was confirmed that the damage resistance was increased by 1.2 times or more (maximum 1.9 times).

Teststücke, die unter Verwendung des Cr-V-, Cr-Mo-V- und Ni-Nb-Stahls hergestellt waren, der durch Zugabe von unter Ni, Cr, Mo, Nb und V ausgewählten Elementen erhalten war, hatten eine höhere Schadensfestigkeit als die Teststücke, die aus dem C-Mn-Stahl bestanden, der die obigen Additive nicht enthielt. Somit wurde bestätigt, daß die Schadensfestigkeit bei einer Zugabe von Legierungselementen wie etwa Cr erhöht werden konnte.Test pieces made using the Cr-V, Cr-Mo-V and Ni-Nb steel obtained by adding elements selected from Ni, Cr, Mo, Nb and V had higher damage resistance than the test pieces made of the C-Mn steel not containing the above additives. Thus, it was confirmed that the damage resistance could be increased by adding alloying elements such as Cr.

Schienen, die durch unvollständiges Härten des C-Mn-Stahls (Tabelle 1) erhalten wurden, so daß sie eine Härteverteilung B in Fig. 7 hatten, wurden als Schienen der Erfindung gemeinsam mit den herkömmlichen hochfesten Schienen in ein Eisenbahngleis für hohe Radsatzlast eingebaut. In der Praxis fuhr ein Zug auf dem Gleis. Die Schiene der Erfindung hatte eine gute Anpassungseigenschaft an die Räder in ihrer Anfangsperiode der Benutzung. Die Schadensrate der oberen Oberfläche des Schienenkopfs nach der Passage von 250.000.000 Tonnen wurde im Vergleich mit der herkömmlichen Schiene auf 1/6 verringert. Es wurde also bestätigt, daß die Schadensbeständigkeit während eines Zeitraums - mit Ausnahme des Anfangszeitraums nach Installation - ebenfalls höher als die der herkömmlichen Schiene war.Rails obtained by incompletely hardening the C-Mn steel (Table 1) so as to have a hardness distribution B in Fig. 7 were installed as rails of the invention together with the conventional high-strength rails in a high-axle-load railway track. In practice, a train ran on the track. The rail of the invention had a good conforming property to the wheels in its initial period of use. The damage rate of the upper surface of the rail head after the passage of 250,000,000 tons was reduced to 1/6 as compared with the conventional rail. It was thus confirmed that the damage resistance during a period excluding the initial period after installation was also higher than that of the conventional rail.

Ausgehend von diesen Testergebnissen hat sich die Verteilung der vertikalen Beanspruchung, die von den Rädern auf die oberen Kopfoberflächen der Schiene aufgebracht wird, zur Erhöhung der Schadensfestigkeit als wirkungsvoll erwiesen.Based on these test results, distributing the vertical stress applied by the wheels to the upper head surfaces of the rail has been shown to be effective in increasing the damage resistance.

Es gibt keinen Stand der Technik zur lokalen Kontrolle der Schleißeigenschaften des Schienenkopfs nach Maßgabe von Differenzen hinsichtlich der Positionen von Kontaktbeanspruchungen, die von den Rädern auf den Schienenkopf aufgebracht werden. In Verbindung mit dem weitverbreiteten Gebrauch von hochsteifen Gleisen wird erwartet, daß die Schiene mit einer ausgezeichneten Schleißfestigkeitseigenschaft und hoher Schadensbeständigkeit gemäß der Erfindung wirksam ist, um Erhaltungskosten von Eisenbahnanlagen zu verringern.There is no prior art for locally controlling the wear characteristics of the rail head in accordance with differences in the positions of contact stresses applied by the wheels to the rail head. In conjunction with the widespread use of high-rigidity rails, it is expected that the rail with excellent wear resistance property and high damage resistance according to the invention is effective in reducing maintenance costs of railway facilities.

Gemäß der Erfindung kann ein Schaden (z. B. Kopfriß) an dem oberen Kopfbereich, der durch übermäßigen Kontaktdruck hervorgerufen wird, unterdrückt werden, und die Schienenlebensdauer kann verlängert werden. Aus diesem Grund können Probleme gelöst werden, die bei Einführung von hochsteifen Gleisen unter Verwendung von Betonschwellen in einer scharfen Kurve einer Eisenbahn mit hoher Radsatzlast bestanden. Die Kosten der Gleiserhaltung können herabgesetzt werden, so daß sich ein großer wirtschaftlicher Vorteil ergibt.According to the invention, damage (e.g., head crack) at the upper head portion caused by excessive contact pressure can be suppressed, and the rail life can be extended. For this reason, problems that existed when high-rigidity tracks using concrete sleepers were introduced in a sharp curve of a high-axle-load railway can be solved. The cost of track maintenance can be reduced, thus providing a great economic advantage.

Claims

1. High strength, damage resistant rail having the following composition: 0.60 to 0.85 wt% C, 0.1 to 1.0 wt% Si, 0.5 to 1.5 wt% Mn, not more than 0.035 wt% P, not more than 0.040 wt% S and not more than 0.05 wt% Al, balance Fe and usual impurities, the rail having corner regions and head side regions (2, 3) with a Brinell hardness HB of 341 to 405 and an upper head region (1) with a hardness that is not more than 0.9 of the Brinell hardness of the corner regions and head side regions (2, 3).

2. High-strength, damage-resistant rail having the following composition: 0.60 to 0.85 wt.% C, 0.1 to 1.0 wt.% Si, 0.5 to 1.5 wt.% Mn, not more than 0.035 wt.% P, not more than 0.040 wt.% S, not more than 0.05 wt.% Al, at least one element selected from the group consisting of 0.05 to 1.5 wt.% Cr, 0.01 to 0.20 wt.% Mo, 0.01 to 0.10 wt.% V, 0.1 to 1.0 wt.% Ni and 0.005 to 0.050 wt.% Nb, the remainder being iron and usual impurities, the rail having corner regions and head side regions (2, 3) with a Brinell hardness HB of 341 to 405 and an upper Head area (1) with a hardness that is not more than 0.9 of the Brinell hardness of the corner areas and head side areas (2, 3).

3. A method for producing a high-strength, damage-resistant rail, comprising the following steps:

Producing a rail material having the composition of claim 1 or 2 by hot rolling,

and

Cooling the head of the rail material by supplying a coolant from nozzles of a coolant distributor (11, 12) to the head of the rail material in a condition in which the head of the rail material maintains an austenite temperature,

wherein the cooling step is carried out so that the cooling rate of the top head portion is lower than that of the head side portions of the rail material by adjusting at least one of the following: the number of nozzles provided for the coolant distributor; the diameter of the nozzles; the coolant supply pressure.