DD298827A5 - Werkstoff fuer gleitelemente von wintersportgeraeten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff fuer Gleitelemente von Wintersportgeraeten wie fuer Kufen von Bobs, Rennschlitten, Eisseglern und Eisschnellaufkompletts. Der Werkstoff weist im Temperaturbereich von 20 bis 20C bei Schwingungsfrequenzen von 10 bis 200 Hz und bei einer Schwingungsamplitude, bei der eine Oberflaechenscherspannung von mindestens 0,02 Rp (RpStreckgrenze des Werkstoffes) auftritt, eine Daempfung mit einem logarhythmischen Dekrement von d1,510 2 bzw. eine spezifische Daempfungskapazitaet von c3% auf. Die unmittelbar eintretende Wirkung ist, dasz infolge der auftretenden mechanischen Spannungen im Werkstoff des Gleitelements mechanische Energie dissipiert und in Waermeenergie umgesetzt wird. Das fuehrt zu einer wachsenden Erwaermung der Gleitoberflaechen, wodurch sich das Gleitverhalten bei hoeheren Fahrgeschwindigkeiten deutlich verbessert.{Gleitelemente; Wintersportgeraete; Bobs; Rennschlitten; Eissegler; spezifische Daempfungskapazitaet; Gleitverhalten; Daempfung; Waermeenergie}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete Sport und Metallurgie und betrifft einen Werkstoff für Gleitelemente von Wintersportgeräten. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist zur Herstellung von Kufen von Bobs, Rennschlitten, Eisseglern, Eisschnellaufkompletts und für Stahlkanten von Ski verwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Voraussetzung zur Erreichung eines guten Gleitverhaltens von Gleitelementen von Wintersportgeräten sind außer einer hohen Oberflächengüte der Gleitfläche, großer Verschleißfestigkeit des Werkstoffes und ausreichender mechanischer Festigkeit spezielle Eigenschaftsanforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Adhäsionsverhalten gegen Eis und Schnee. Das Gleitverhalten ist in hohem Maße temperaturabhängig und steht in Wechselwirkung mit dem Temperaturgradienten zwischen der Umgebung und der Eis- oder Schneeoberfläche, so daß sich infolge ändernder meteorologischer Bedingungen während des Einsatzes das Fahrverhalten verändern kann. Aus diesen Gründen weisen die Gleitelemente von Wintersportgeräten, die üblicherweise aus Kohlenstoffstählen, austenitischen Cr-Ni-Stählen, martensitischen Cr-Stählen, Hartmanganstahl, Schnellarbeitsstahl u.a. bestehen, nur in einem eng begrenzten Bereich von Luft· und Eis- bzw. Schneetemperatur und bei bestimmten Bahnverhältnissen optimale Gleitfähigkeiten auf. Es wurden auch bereits Werkstoffe vorgeschlagen, die gegenüber den konventionellen Werkstoffen Vorteile bringen. So wurde als Kufenwerkstoff eine Nickellegierung mit einem speziellen Werkstoffgefüge vorgeschlagen, die insbesondere die Forderungen hinsichtlich Polierbarkeit und Verschleißfestigkeit erfüllt und eine verbessertes Gleitverhalten in einem weiteren Bereich der Luft- und Eis- bzw. Schneetemperatur aufweist. Dieser Werkstoff ist aber schlecht spanbar und oignet sich deshalb nicht für komplizierte geformte Kufen wie z. B. Bobkufen. Weiterhin wurde vorgeschlagen, zur Verfestigung der Oberfläche den Effekt auszunutzen, daß in martensitisch umwandelnden Legierungen im Temperaturbereich von -20°C bis +1O⁰C bei mechanischer Belastung thermoelastischer Martensit entsteht. Auch ein Werkstoff, der diesen Effekt hervorbringt, führt bereits zu einer spürbaren Verbesserung des Gleitverhaltens gegenüber den konventionellen Werkstoffen. Unter Wettkampfbedingungen steht aber die Forderung noch immer nach Werkstoffen mit ständig verbessertem Gleitvorhalten besonders auf unebenen Eis- oder Schneeoberflächen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit von Wintersportgeräten auf natürlich gewachsenen Eis- und Schneeflächen sowie Kunsteisbahnen, die stets eine mehr oder weniger wellige Oberfläche aufweisen.

-2- 298 827 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für Wintersportgeräte anzugeben, der den Anforderungen hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Verschleiß- und Polierfähigkeit, Spanbarkeit gerecht wird und der ein verbessertes Gleitverhalten auf praktisch vorkommenden Bahnoberflächen in einem weiten Bereich von Luft- und Eis- bzw. Schneetemperatur aufweist. Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Werkstoff mit ausreichender mechanischer Festigkeit, hoher Verschleißfestigkeit und guter Polierbarkeit im Temperaturbereich von +20"C bis -20°C bei Schwingungsfrequenzen von 10 bis 200Hz und bei einer Schwingungsamplitude, bei der eine Oberflächenscherspannung von mindestens 0,01 R_p (Rp = Streckgrenze des Werkstoffes) auftritt, eine Dämpfung mit einem logarhythmischen Dekrement von δ a 1,5 · 10"² bzw. eine spezifische Dämpfungskapazität von ψ a 3% aufweist. Diese Schwingungsfrequnnzen treten b lim Gleiten von Wintersportgeräten auf naturgemäß stets rauhen Bahnoberflächen auf. Durch die Dämpfungseigenschaften werden während der Fahrt des Wintersportgerätes infolge der auftretenden mechanischen Spannungen im Werkstoff des Gleitelementes mechanische Energie dissipiert und in Wärmeenergie umgesetzt. Das führt im Verlauf der Fahrt des Wintersportgerätes zu einer wachsenden Erwärmung der Gleitoberfläche, wodurch sich das Gleitverhalten bei höhet^n Fahrgeschwindigkeiten deutlich verbessert und sich insgesamt eine Verkürzung der Fahrzeit ergibt. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist entweder ein spezieller martensitischer Werkstoff, dessen Dämpfungseigenschaften darauf zurückzuführen sind, daß durch mechanische Spannungen energiedissipative Bewegungen von Substrukturgrenzen in den Martensitplatten erzeugt werden, oder eine ferromagnetische Legierung, deren Dämpfungseigenschaften darauf beruhen, daß infolge magnetischer Kopplung die mechanische Schwingungsenergie durch magnetomechanische Hystereseeffekte und/oder mikroskopischer Wirbelstrombildung in thermische Energie überführt wird. Der erfindungsgemäße martensitische Werkstoff ist beispielsweise eine Mn-Cu-Legierung, mit 15 bis 60 Masseanteilen Cu und eventuell festigkeitssteigernden Zusätzen von Fe, Ni, Al von jeweils 0,2 bis 5 Masseanteilen und C und N von jeweils 0,02 bis 0,5 Masseanteilen pro Element, der Rest ist Mn. Vorzugsweise enthält die Mn-Cu-Legierung 30 bis 50 Masseanteile Cu.

Der erfindungsgemäße ferromagnetische Werkstoff ist beispielsweise eine Fe-Co-Legierung mit 20 bis 40% Co, ggf. mit festigkeitssteigernden Zusätzen von Al, Ti, Si, Cr, V bis maximal 5% je Element und C und N bis jeweils 0,5 Masseanteilen. Er kann ebenso eine Co-Basis-Legierung mit 10-40% Ni und/oder 10-40% Fe, ggf. 5 bis 20Massenanteilen Cr und eventuell mit festigkeitssteigernden Zusätzen von Mn, V, Ti, Al, Si bis maximal 5% je Element sein oder eine Fe-Cr-Legierung mit 10-20% Cr, ggf. bis 10% Ni und festigkeitssteigernden Zusätzen von Al, V, Mc. W, Cu, Mn bis maximal 5% je Element, vorzugsweise eine Legierung mit 13% Cr, 2 Masseanteilen Ni und 3 bis 5% Al, der Reut bei letztgenannten ferromagnetischen Legierungen ist Fe, Gehalte von jeweils 0,02 bis 0,5% C und N sind möglich. Die Angaben beziehen sich dabei immer auf Masseanteile. Die Gehalte an festigkeitssteigernden Zusätzen richten sich nach dem gewünschten Einsatz der Werkstoffe. Bekanntlich weisen Werkstoffe mit hohem Dämpfungsvermögen meist niedrige mechanische Festigkeiten auf. Konstruktiv bedingt sind die Festigkeitsanforderungen an die Kufenwerkstoffe für einzelne Winter&portgeräte unterschiedlich. Es ist deshalb eine Anpassung zwischen der notwendigen Festigkeit und dem erreichbaren Dämpfungsverhalten für den zum Einsatz kommenden Kufenwerkstoff erforderlich. Für Bobkufen, bei denen zur Verhinderung einer plastischen Deformation der Kufen Werkstoffe mit höheren Streckgrenzenwerten eingesetzt werden müssen, sind Werkstoffe mit Dämpfungskapazitäten > 1 % ausreichend, weil gleichzeitig höhere Schwingungsamplituden während der Fahrt erreicht werden. Bei Rennschlittenkufen, wo der Kufenwerkstoff auf einer festen Unterlage mechanisch befestigt ist, ist die Anwendung höherdämpfender Werkstoffe (ψ s 5%) mit niedrigerem Festigkeitsniveau möglich.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend soll die Erfindung durch drei Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

1 .Ausführungsbeispiel

Der Werkstoff ist eine martensitische Legierung gemäß der Ansprüche 1,2 und 3. Eingesetzt wird der Werkstoff für die Herstellung von Rennschlittenkufen. Der erfindungsgemäße Werkstoff besteht aus ~ 49,8 Masseanteilen Mn, ~ 50,2 Masseanteilen Cu, 0,04 Masseanteilen C sowie üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen. Dieser Werkstoff wird auf die übliche Weise zu Schlittenkufen verarbeitet. Diese werden nach der Formgebung einer Homogenisierungsglühung unterzogen, in Wasser abgeschreckt und bei 425°C über 2 Stunden wärmebehandelt. Nach dieser Technologie weist der Kufenwerkstoff folgende Festigkeitseigenschaften auf:

- ZugfestigkeitR_m =580 MPa

- Streckgrenze Rpo.j =350 MPa

- DehnungA, = 23%

- Einschnürung Z = 49%.

Das logarhythmische Dekrement der Dämpfung beträgt bei einer Frequenz von f = 99,5Hz und einer Oberflächenscherspannung von 7MPa δ = 3 · 10~² bzw. die spezifische Dämpfungungskapazität ψ ist» 6%.

Rennschlitten mit diesen Kufen wurden unter Weltkampfbedingungen mit Rennschlitten verglichen, bei denen die Kufen aus herkömmlichem und für die vorliegenden Bahn· und Witterungsverhältnisse sich als geeignet erwiesenem Werkstoff, einem austenitischen Cr-Ni-Stahl der Qualität X15 CrNiSi 25,20, bestehen. Die Eistemperatur betrug -6⁰C. Auf einer Teststrecke von 1200m konnte ein Zeitgewinn von 0,2 Sekunden durch die Rennschlitten mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff erreicht werden.

2. Ausführungsbeispiel

Der Werkstoff ist eine ferromagnetische Legierung gemäß der Ansprüche 1,3 und 8. Eingesetzt werden soll der Werkstoff zur Herstellung von Bobkufen. Der erfindungsgemäße Werkstoff hat folgende Zusammensetzung in Massenteilen: 12,5% Cr, 2,5% Al, 2,5% Ni, 1 % V, 1 % Cu und 0,1 % C sowie weiteren, herstellungsbedingten Verunreinigungen, der Rest ist Fe. Dieser Stahl wurde zu Bobkufen verarbeitet, diese bei 750°C homogenisiert. Danach wurden folgende Festigkeitswerte ermittelt:

- Zugfestigkeit R_m = 812MPa

- Streckgrenze Rpo.2 =621MPa

- DehnungA, = 18%

- Einschnürung Z =40,4%.

Das logarhythrnische Dekrement der Dämpfung beträgt bei einer Frequenz von f = 99,5Hz und einer Oberflächenscherspannung von7Mpaö = 1,5· 10"² bzw. die spezifische Dämpfungskapazität ist ψ = 3%.

Ein Versuchsbob mit Kufen aus diesem Werkstoff ist im Vergleich zum gleichen Bob mit Kufen aus sonst üblichem C 100-Stahl auf einerTeststrecke von 1200m 0,1 bis 0,2 s schneller. Die Lufttemperaturen betrugen dabei -4 bis -5⁰C, die Eistemperatur -6 bis

3.Ausführungsbeispiel

Der Werkstoff ist eine ferromagnetische Legierung gemäß der Ansprüche 1,3 und 7. Aus diesem Werkstoff sollen Kufen für Eissegler hergestellt werden. Infolge der meist sehr welligen Eisoberflächen auf den Gewässern sind Eissegler besonderen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Die Co-Basis-Legierung enthält in Masseanteilen: 25% Ni, 1 % Ti, 1 % V, 1 % Al und 0,75% Cr. Die Festigkeitswerte der erfindungsgemäßen Legierung sind:

- Härte	= 245HV10
- Zugfestigkeit Rn,	= 770MPa
- Streckgrenze Rpo,2	= 520MPa
- DehnungA2	= 12,5%
- Einschnürung Z	= 38%.

Das logarithmische Dekrement der Dämpfung beträgt bei einer Frequenz von 50 Hz und einer Oberflächenscherspannung von 0,5MPa δ = 4,5 · 10"² bzw. die spezifische Dämpfungskapazität ψ « 9%.

Eissegler mit Kufen aus ' jm erfindungsgemäßen Werkstoff sind gegenüber Eisseglern aus dem dafür gebräuchlichen austenitischen Cr-Ni-Stahl auf vergleichbarer Fahrstrecke deutlich schneller. Der Effekt ist umso größer, je höher die Fahrgeschwindigkeit und je unebener die Eisfläche ist.

Claims (7)

1. Werkstoff für Gleitelemente von Wintersportgeräten mit ausreichender mechanischer Festigkeit, hoher Verschleißfestigkeit und guter Polierbarkeit, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff ein martensitisches Gefüge aufweist oder eine ferromagnetische Legierung ist und im Temperaturbereich von +2O⁰C bis -20⁰C bei Schwingungsfrequenzen von 10 bis 200Hz und bei einer Schwingungsamplitude, bei der eine Oberflächenscherspannung von mindestens 0,01 R_p (Rp = Streckgrenze des Werkstoffes) auftritt, eine Dämpfung mit einem logarhythmischen Dekrement von δ > 1,5 · 10~²bzw. eine spezifische Dämpfungskapazität von ψ > 3% aufweist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff mit martensitischem Gefüge eine Mn-Cu-Legierung mit 15 bis 60 Masseanteilen Cu und eventuell festigkeitssteigernden Zusätzen von Fe, Ni, Al von jeweils 0,2 bis 5 Masseanteilen und C und N von jeweils 0,02 bis 0,5 Masseanteilen ist.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß er eine Mn-Cu-Legierung mit 30 bis 50 Masseanteilen Cu und eventuell festigkeitssteigernden Zusätzen von Fe, Ni, Al von jeweils 0,2 bis 5 Masseanteilen und C und N von jeweils 0,02 bis 0,5 Masseanteilen ist.

4. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff eine ferromagnetische Fe-Co-Legierung mit 20 bis 40 Masseanteilen Co und ggf. mit festigkeitssteigernden Zusätzen von Al, Ti, Si, Cr, V u. a. bis maximal 5 Masseanteilen je Element und C und N bis 0,5 Masseanteilen ist.

5. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß er eine ferromagnetische Co-Basis-Legierung mit 5 bis 40 Masseanteilen Ni und/oder 10 bis 40 Masseanteilen Fe, ggf. 5 bis 20 Masseanteilen Cr und eventuell Zusätzen von Mn, V, Ti, Al, Si in Zusätzen bis 5 Masseanteilen je Element und C und N in Zusätzen bis jeweils 0,5 Masseantoilen ist.

6. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß er eine ferromagnetische Fe-Cr-Legierung mit 10 bis 20 Masseanteilen Cr, ggf. mit bis 10 Masseanteilen Ni, festigkeitssteigernden Zusätzen von Al, V, Mo, W, Cu, Mn bis maximal 5 Masseanteilen je Element sowie C und N bis 0,5 Masseanteilen ist.

7. Werkstoff nach Anspruch 1 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß er eine ferromagnetische Fe-Cr-Legierung mit 13 Masseanteile Cr, 2 Masseanteile Ni und 3 bis 5 Masseanteile Al enthält.