CH648600A5 - Gegenstaende mit erhoehter bestaendigkeit gegen oberflaechenbeschaedigung durch abroll- und/oder reibungsvorgaenge. - Google Patents

Description

648 600

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PATENTANSPRUCH Gegenstände mit erhöhter Beständigkeit gegen Oberflächenbeschädigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgänge, bestehend aus einer im wesentlichen perlitischen Stahllegierung, welche im wesentlichen zwischen 0,60 und 0,75% Kohlenstoff, zwischen 0,40 und 0,75% Silizium, zwischen 0,60 und 1,20% Chrom, bis 0,20% Molybdän, bis 0,10% Vanadium sowie zwischen 0,50 und 0,80% Mangan enthält, deren Temperatur Ac 1 der beginnenden Austenitisation, bei einer Aufheizgeschwindigkeit bis 4 °C/min, wenigstens 743 °C beträgt.

Die Erfindung betrifft Gegenstände mit erhöhter Beständigkeit gegen Oberflächenbeschädigung durch Abroll- und/ oder Reibungsvorgänge.

Riffeln und Wellen sind als periodische Verschleisser-scheinungen an Eisenbahnschienen bekannt. Insbesondere werden sogenannte kurze Wellen bei Gebirgs-Adhäsionsbah-nen - vor allem in Übergangsbögen auf der kurveninneren Schiene auftretend - darauf zurückgeführt, dass beim Fahren im Grenzbereich der Adhäsion periodischer, ruckartiger Schlupf zwischen den Rädern und der Schiene auftritt. Dieser scheint auf der Schiene ein Abnützungsmuster einzuprägen, welches bei erneutem Überrollen verstärkt wird.

Mit den Schienenriffeln oder -wellen kann die Verriffe-lung von Lokomotivrädern bzw. Lokomotivradbandagen einhergehen. Dabei bilden sich Bandagenriffeln von derselben Art wie die obengenannten Schienenriffeln, wobei es jedoch durchaus möglich ist, dass Räder unbeschädigt über eine verriffelte Strecke rollen. Das riffelbedingte Überdrehen der Bandagen bedeutet eine empfindliche Einschränkung der Betriebsverfügbarkeit der Lokomotiven.

Ein Verfahren zur Verminderung oder Vermeidung einer Riffelbildung bei Schienen ist z.B. in der DE-PS 966 656 offenbart. Hierbei wird davon ausgegangen, dass zwischen den in der Schiene durch die darüberrollenden Fahrzeuge entstehenden Eigenschwingungen und der Bildung der Riffeln auf der Schienenlauffläche ein inniger Zusammenhang in der Art besteht, dass, bei sonst gleichbleibenden Betriebsverhältnissen, mit einem geringeren Ausmass an Eigenschwingungen auch die Neigung der Schiene zur Riffelbildung abnimmt. Dabei soll ein rasches Abklingen der in den Schienen hervorgerufenen Schwingungen erreicht werden, indem durch Querschnittveränderungen, die unregelmässig über die Schienenlänge verteilt sind, die Ausbildung einer Resonanzschwingung behindert oder eine entstehende Resonanzschwingung gedämpft wird.

Der genannten PS ist auch zu entnehmen, dass die Gefügeausbildung als solche, wie beispielsweise der Ferrit- und der Karbidanteil, die Korngrösse des Gefüges und anderes mehr die Eigendämpfung des Werkstoffes wesentlich beeinflussen. Diese Erhöhung der Eigendämpfung des Werkstoffes, welche in besonderem Masse bei einem Zwischenstufen-gefüge zur Geltung gelangt, soll zur Beschleunigung des Abbaues von Eigenschwingungen der Schienen ausgenutzt werden, wodurch einer Riffelbildung entgegengewirkt werden soll. Eine praktisch brauchbare Verminderung der Riffelbildung konnte hierdurch jedoch nicht erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs erwähnten Gegenstände durch Legierungsmassnahmen so zu verbessern, dass die Riffelbildung weitgehend vermieden wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst, indem die Gegenstände aus einer im wesentlichen perlitischen Stahllegierung, welche im wesentlichen zwischen 0,60 und 0,75% Kohlenstoff, zwischen 0,40 und 0,75% Silizium, zwischen 0,60

und 1,20% Chrom, bis 0,20% Molybdän, bis 0,10% Vanadium sowie zwischen 0,50 und 0,80% Mangan enthält, deren Temperatur Ac 1 der beginnenden Austenitisation, bei einer Aufheizgeschwindigkeit bis ca. 4 °C/min, wenigstens 743 °C beträgt, bestehen.

Es hat sich dabei überraschenderweise gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Temperatur Ac 1 bei den herkömmlichen Stählen für Lokomotivradbandagen die Riffelbildung wesentlich verringert wird. Die Erhöhung der Temperatur Ac 1 kann dabei in bekannter Art und Weise durch Erhöhung der Anteile an ferritbildenden Legierungselementen und/oder Reduktion der Anteile an austenitbildenden Legierungselementen erfolgen, wie aus nachstehender Tabelle 1 hervorgeht.

Bei Überschreiten der 0,20% Mo bzw. 0,10% V sind die optimalen Eigenschaften nicht mehr gewährleistet.

Wie aus der Literatur, z.B. aus dem Artikel «Schienenriffeln, ihre Erforschung und Verhütung», von Dr.-Ing. Fritz Biermann, VDI-Z. 100 (1958) Nr. 26, Seite 1259, Spalte 2, Abs. 2 bekannt ist, sind die Riffelberge von einem dünnen Martensithäutchen überzogen. Erfindungsgemäss wird nun angenommen, dass die Martensitbildung nicht als Begleiterscheinung, sondern als eigentliche Ursache der Riffelbildung zu betrachten ist und dass die genannte Heraufsetzung der Temperatur Ac 1 bereits eine derartige Reduktion der Martensitbildung bewirkt, dass auch die Riffelbildung unterdrückt bzw. verhindert wird. Es versteht sich jedoch, dass diese Annahme nicht auf sämtliche Formen der Riffeln und Wellen zutreffen muss und dass bei ihrer Bildung auch andere Ursachen vorliegen können.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung.

Beispiel 1

Es wurde ein Langzeit-Betriebsversuch mit bis zu 10 Grenzleistungs-Lokomotiven durchgeführt, welche mit 6 verschiedenen Radbandagen-Stählen A bis F ausgerüstet waren, deren Zusammensetzung aus nachstehender Tabelle 2 hervorgeht. (Als Grenzleistungs-Lokomotive wird eine Lokomotive bezeichnet, deren Leistung so bemessen ist, dass das zwischen Schiene und Rad bestehende Adhäsionsangebot vollständig genutzt werden kann.)

Es wurde eine periodische Überwachung des Radum-fangsprofils mittels visueller Beobachtung und analoger Registrierung während vier Jahren sowie eine periodische Repro-filierung der Räder durchgeführt. Als Bewertungskriterium für die Anfälligkeit gegenüber Bildung von mittleren Wellen diente der Durchschnitt App der vier grössten «Berg-Tal»--Höhendifferenzen pro Radumfang app (mm) im Wellenlängen-Bereich von etwa 15 cm nach einer Laufleistung von 30 000 km unter sommerlich trockenen Witterungsverhältnissen, wie aus Fig. 1 hervorgeht, welche einen typischen Ausschnitt eines Radumfangsprofils zeigt.

Die Ergebnisse sind aus dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm ersichtlich, wobei der Wert App (mm) als Ordinate und die Temperatur Ac 1 (°C) als Abszisse dargestellt sind. Die Temperatur Ac 1 ist dabei nach Formel 1 gemäss obiger Tabelle 1 anhand von Soll- und Istanalysen gemäss Tabelle 2 (Durchschnittswerte) berechnet worden. Die Zahl unter dem jeweiligen Buchstaben A-F bezieht sich auf die Anzahl Versuche, wobei die Gesamtzahl der Versuche 104 beträgt.

Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Werkstoff A mit dem höchsten Bereich der Temperatur Ac 1 die geringsten Wellenbildungswerte aufweist. Die Abhängigkeit der Wellenbildungswerte von der Temperatur Ac 1 ist aus dem Diagramm klar ersichtlich.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

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Beispiel 2

Mit den gleichen Werkstoffen A-F wie in Beispiel 1 sowie mit zusätzlich zwei typischen Schienenstählen S1 und S2 wurden Reibimpulsversuche zwecks Bildung von Reibmartensit durchgeführt, wie beschrieben im Artikel «Die hochenergetische Kurzzeit-Oberflächenhärtung von Stahl mittels Elektronenstrahl-, Hochfrequenz- und Reib-Impulsen», von Dr.-Ing. G. Stähli, Härterei-technische Mitteilungen, 29 (1974) Heft 2/Juni, Seite 55/67 beschrieben. Die Versuchsdaten waren dabei folgende:

Probenzustand: normalgeglüht (perlitisch)

Reibscheibe: X 220 CR 13, gehärtet, feingeschliffen, badnitriert

Anpresskraft: 5,5 Kp Kontaktzeit: 100 ms Gleitgeschwindigkeit: 25 m/s

Das Aussehen und die Abmessungen (mm) der Versuchskörper, der Reibkontaktfläche (R) und der Reibimpulseinhär-tungstiefe (Rht, mm) sind aus Fig. 3 ersichtlich.

Das Ergebnis der Versuche ist im Diagramm gemäss Fig. 4 dargestellt, wobei die erzielten Reibimpuls-Einhär-tungstiefen (mm) (Ordinate) als Funktion des di lato metrisch bestimmten Umwandlungspunktes Ac 1 (°C) (Abszisse) dargestellt ist.

•Aus dem Diagramm wird deutlich, dass eine Reduktion der Reibimpulseinhärtungstiefe, d.h. eine Verringerung der Reibmartensitbildung, bei steigender Temperatur Ac 1 eintritt.

Es versteht sich, dass die Erfindung auch in Bezug auf andere Gegenstände verwendbar ist, welche Abroll- und/ oder Reibungsvorgängen ausgesetzt sind, wie z.B. Walzen, Wälzkörper und Rollbahnen.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung und Umwandlungspunkte Ac 1

C

(Gew.-%)

Si

Cr

Mo

V

Mn

Ni

Cu

Ac 1

Bisher

50-75

20-

-55

10-

1,0

00-10

00-

-10

60-95

00-20

00-20

ca. 720 bis 740

°C

Erfindungs

60-75

40-

-75

60-

-1,20

00-20

00-

-10

50-80

-

-

743 bis ca. 760

°C (oder gemäss

mehr)

Formel 1:1 Acl = 723- 11 - Mn- 17• (Ni + Cu) +30-SÌ + 17-Cr + 12-Mo + 25-V | [°C] (Elementsymbole = Gehalte in Gew.-%)

Tabelle 2 Versuchsmaterialien

Stahlbezeichnung

Analyse (Gew.-%)2 C Si

Cr

Mo

V

Mn

Ni

Cu

Ac 1 °C'

A3 Soll

58

28

95

10

100

90

Soll

742

Ist

57

28

90

08

091

74

12

12

Ist

737

B3 Soll

64

35

58

90

Soll

735

Ist

61

37

60

03

010

91

10

14

Ist

731

C3 Soll

57

53

79

Soll

732

Ist

53

40

25 • '

02

006

73

03

09

Ist

722

D3 Soll

73

26

40?

73

Soll

734

Ist

76

27

08

01

006

71

02

14

Ist

729

E3 Soll

68

35

80

Soll

731

Ist

59

37

12

02

100

67

04

04

Ist

728

F4 Soll

26

46

27

30

132

Soll

729

Ist

27

48

30

36

012

129

40

06

Ist

725

Anmerkungen:1 Berechnet nach Formel (1) gemäss Tabelle Versuchsmaterials.3 Normalgeglüht (perlitisch).4 vergütet.

«Soll» = Typenanalyse; «Ist» = eigene Spektralanalyse des

2 Blatt Zeichnungen