DE102006029818B3

DE102006029818B3 - Führungsschiene sowie Verfahren zum Herstellen einer Führungsschiene

Info

Publication number: DE102006029818B3
Application number: DE102006029818A
Authority: DE
Inventors: Thomas SÖNTGEN; Sigrid Thanner; Robert Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: WO2008000579A1

Abstract

Um eine hohe Verschleißbeständigkeit der Führungsschiene, insbesondere Eisenbahnschiene (2) zu erreichen, wird ein Schienengrundkörper (4) mit einer Beschichtung (6) versehen, die aus einer duktilen metallischen Matrix (8) mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln (10) besteht. Die Beschichtung (6) wird hierbei insbesondere elektrolytisch als eine Nickellegierung aufgebracht. Als Hartstoffpartikel (10) werden bevorzugt Borcarbid- oder Diamantpartikel verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Führungsschiene, insbesondere Eisenbahnschiene mit einem Schienengrundkörper, auf dem zumindest in einem im Betrieb belasteten Teilbereich eine Beschichtung aufgebracht ist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Durch die DE 295 03 490 U1 ist eine derartige Führungsschiene bekannt.
Führungsschienen dienen allgemein zur mechanischen Zwangsführung von beweglich gelagerten Komponenten. Werden derartige Führungsschienen zur Führung von Fahreinrichtungen eingesetzt, die ein hohes Eigengewicht aufweisen oder zur Beförderung von schweren Lasten ausgebildet sind, beispielsweise bei Lastkränen, Warentransportsystemen oder auch im Gleisverkehr, so sind die Führungsschienen erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere eine so genannte Lauffläche, mit der die Fahreinrichtung in Berührung steht, ist hierbei einer hohen Belastung ausgesetzt.
Insbesondere im Schienenverkehr müssen die Eisenbahnschienen widrigsten Umgebungsbedingungen und dabei extrem hoher mechanischer Belastung standhalten. Aufgrund der beim Schienenverkehr auftretenden dynamischen Belastung müssen die Eisenbahnschienen eine ausreichende Elastizität aufweisen, damit kein Sprödbruch auftritt. Gleichzeitig muss die Lauffläche der Führungsschiene eine ausreichend hohe Oberflächenhärte aufweisen, um den Verschleiß gering zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Führungsschiene mit einem im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Verschleißschutz zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Führungsschiene, insbesondere Eisenbahnschiene, mit einem Schienengrundkörper, auf dem zumindest in einem im Betrieb belasteten Teilbereich eine Beschichtung aus einer duktilen metallischen Matrix mit eingelagerten Hartstoffpartikeln auf gebracht ist. Der belastete Teilbereich wird im Folgenden als Lauffläche bezeichnet.
Durch die Kombination eines duktilen metallischen Werkstoffes mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln ist der Schienengrundkörper mit einer Beschichtung versehen, die den extremen mechanischen und thermischen Belastungen standhält. Durch die Duktilität ist die Beschichtung sowohl in Hinblick auf die mechanischen Belastungen als auch im Hinblick auf die thermischen Belastungen ausreichend elastisch, so dass ein Abplatzen der Beschichtung oder das Auftreten von Rissen nicht zu befürchten ist. Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr hohe Oberflächenhärte und damit eine sehr hohe Abriebfestigkeit erhalten, so dass selbst bei hohen mechanischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine lange Lebensdauer erreicht ist. Insgesamt wird durch die Beschichtung ein Verschleiß- und Korrosionsschutz ausgebildet.
Durch die Beschichtung besteht die Möglichkeit, einen herkömmlichen Schienengrundkörper als Grundkörper für das Aufbringen der Beschichtung heranzuziehen. Es sind daher keine speziellen Maßnahmen zur Vorbereitung des Schienengrundkörpers erforderlich. Insgesamt ergibt sich durch die Beschichtung eine deutlich höhere Lebensdauer der Schienen aufgrund des geringeren Verschleißes, so dass die durch die Beschichtung höheren Fertigungskosten durch geringere Wartungs- und Reparaturkosten überkompensiert werden.
Unter duktilem metallischen Werkstoff bzw. duktiler metallischer Matrix wird hierbei ein vergleichsweise weicher metallischer Grundwerkstoff verstanden, der eine Vickers-Härte von maximal etwa 180–230 HV₀₁ aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel weisen demgegenüber eine deutlich höhere Härte auf, beispielsweise eine um den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.
Zweckdienlicherweise wird als Grundwerkstoff Nickel oder eine Nickellegierung verwendet. Der besondere Vorteil der Nickelmatrix ist unter anderem in ihrer sehr hohen Dichtheit zu sehen. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass eine Matrix auf Basis von Nickel oder einer Nickellegierung sich sehr gut für die Einlagerung der Hartstoffpartikel eignet.
Vorzugsweise ist als Matrixwerkstoff hierbei eine Nickel-Kobaltlegierung vorgesehen. Bei dieser beträgt der Nickelanteil bevorzugt 65–95 Vol% und insbesondere etwa 90 Vol%.
Um die gewünschte hohe Verschleißfestigkeit zu erreichen, sind als Hartstoffpartikel zweckdienlicherweise Borcarbidpartikel oder Diamantpartikel eingelagert. Der Anteil der Hartstoffpartikel liegt hierbei vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 40 Vol% und insbesondere bei etwa 25 Vol%. Diese Hartstoffpartikel bilden hierbei Teil der Oberfläche bzw. stehen sogar etwas über die metallische Matrix hervor, so dass diese metallischen Hartstoffpartikel maßgebend die Oberflächeneigenschaften, wie Härte und Verschleißfestigkeit, bestimmen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Hartstoffpartikel vorzugsweise eine Größe im nanoskaligen Bereich oder im Mikrometerbereich aufweisen. Die Hartstoffpartikel weisen hierbei beispielsweise eine Größe bis zu etwa 100 μm auf.
Um eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten, beträgt die Schichtdicke der Beschichtung vorzugsweise mehr als 1 mm. Prinzipiell sind die Beschichtungen im Bereich zwischen etwa 50 μm und 6 mm möglich und je nach Anwendungsfall auch vorgesehen.
Um eine sehr gute Anbindung der Beschichtung an den metallischen Schienengrundkörper zu gewährleisten, ist die Beschichtung bevorzugt elektrolytisch auf den Schienengrundkörper aufgebracht.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die im Hinblick auf die Führungsschiene angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anzuwenden.
Als Beschichtungsverfahren wird insbesondere ein elektrolytisches Auftragsverfahren ausgewählt. Hierbei wird der zu beschichtende Schienengrundkörper als elektrische Kathode geschaltet und als Anode ist eine Verbrauchselektrode bestehend aus dem aufzubringenden duktilen metallischen Werkstoff, also insbesondere aus einer Nickellegierung, vorgesehen. Zwischen der Anode und dem Schienengrundkörper wird eine Elektrolytlösung angeordnet, in die die einzulagernden Hartstoffpartikel eingebracht werden. Beim elektrolytischen Auftragsverfahren werden diese einzulagernden Hartstoffpartikel mit den von der Anode zum Schienengrundkörper wandernden Metallionen mitgenommen und homogen und gleichmäßig verteilt in den Beschichtungsaufbau eingelagert.
Bevorzugt wird die Beschichtung in einem kontinuierlichen Auftragsverfahren, insbesondere ein so genanntes Bürstenbeschichtungsverfahren, aufgebracht. Bei einer derartigen Bürstenbeschichtung wird die Nickelelektrode (Anode) nach Art einer Bürste ausgebildet und über den zu beschichtenden Schienengrundkörper verfahren. Gleichzeitig wird der Elektrolyt beispielsweise mit Hilfe einer rohrförmigen Zuführung zwischen der Nickelelektrode und dem Schienengrundkörper aufgebracht. Der Schienengrundkörper wird daher sukzessive und kontinuierlich in kleinen Teilbereichen mit der Beschichtung versehen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass mehrere Beschichtungsaufträge erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt eine Eisenbahnschiene in einer Querschnittsdarstellung.
Die Eisenbahnschiene 2 ist gebildet durch einen Schienengrundkörper 4 und einer in einem Teilbereich aufgebrachten Beschichtung 6. Die Beschichtung 6 bildet hierbei die mechanisch belastete Lauffläche der Eisenbahnschiene 2. Die Beschichtung besteht aus einer duktilen metallischen Matrix 8, in die Hartstoffpartikel 10 eingelagert sind. Die duktile metallische Matrix 8 ist insbesondere eine Nickel- oder Nickel-Kobaltlegierung mit einem hohen Nickelanteil, etwa im Bereich von 75 Vol% (bezogen auf die Nickellegierung). Als Hartstoffpartikel 10 werden insbesondere Borcarbidpartikel oder auch Diamantpartikel eingesetzt. Die Partikel weisen einen Durchmesser im Nano- oder auch im Mikrometerbereich auf. Ihr Anteil an der Beschichtung 6 beträgt bis zu 70 Vol% und liegt insbesondere im Bereich von etwa 25 Vol%.
Die Beschichtung 6 wird hierbei mittels eines elektrolytischen Auftragsverfahrens, insbesondere einem Bürstenbeschichtungsverfahren aufgebracht. Die derart aufgebrachte Beschichtung 6 ist dauerhaft und fest mit dem Schienengrundkörper 4 verbunden. Durch die Kombination des duktilen metallischen Werkstoffs 8 mit den eingelagerten Hartstoffpartikeln 10 ist eine sehr verschleißarme und mechanisch hoch belastbare Beschichtung 6 und damit Lauffläche erhalten. Durch die eingelagerten Hartstoffpartikel 10 weist die Beschichtung 6 eine sehr hohe Oberflächenhärte und damit eine gute Verschleißresistenz auf. Gleichzeitig ist durch die Verwendung eines duktilen metallischen Grundwerkstoffs, nämlich der Nickellegierung, die Beschichtung 6 derart ausgebildet, dass sie auch Wechselbeanspruchungen sowohl mechanischer als auch thermischer Natur sehr gut standhält, so dass die Beschichtung 4 eine gute Langzeitstabilität aufweist.

Claims

Führungsschiene (2), insbesondere Eisenbahnschiene, mit einem Schienengrundkörper (4), auf dem zumindest in einem im Betrieb belasteten Teilbereich eine Beschichtung (6) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) aus einer duktilen Matrix (8) mit eingelagerten Hartstoffpartikeln (10) besteht.
Führungsschiene (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als duktile Matrix (8) Nickel oder eine Nickellegierung vorgesehen ist.
Führungsschiene (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als duktile Matrix (8) eine Nickel-Kobaltlegierung vorgesehen ist.
Führungsschiene (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoffpartikel (10) Borcarbidpartikel oder Diamantpartikel eingelagert sind.
Führungsschiene (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Hartstoffpartikel (10) in der Beschichtung etwa 10–40 Vol% beträgt.
Führungsschiene (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (10) eine Größe im Nanometer- oder Mikrometerbereich aufweisen.
Führungsschiene (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung (6) größer etwa 1 mm ist.
Führungsschiene (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) elektrolytisch auf den Schienengrundkörper (4) aufgebracht ist.
Verfahren zum Herstellen einer Führungsschiene (2), insbesondere einer Eisenbahnschiene, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Schienengrundkörper (4) eine Beschichtung (6) aus einer duktilen metallischen Matrix (8) mit eingelagerten Hartstoffpartikeln (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) elektrolytisch aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) über eine Bürstenbeschichtung aufgebracht wird.