DE102010033473B4 - Process for the heat treatment of the wheel rim of rail vehicle wheels - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Wärmebehandlung des Radkranzes von Schienenfahrzeugrädern, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufkranz (7) eines ersten Schienenfahrzeugrades in Zonen und zwar die Laufflächenzone (19) und Spurkranzzone (17) mit den unter der Laufflächenzone (19) und der Spurkranzzone (17) liegenden Härtezonen (21) sowie die beiden, sich an die Lauffläche (5) bzw. den Spurkranz (4) anschließenden Laufkranzstirnflächenzonen (22, 23) als auch die Laufkranzbodenzone (20) unterteilt wird und diese Zonen in Abhängigkeit der am Laufkranz (7) zu erzielenden Gefügestrukturen auf der Grundlage eines Basisprogramms, gegliedert in thermischen Phasen volumenstrom- und zeitgesteuert mit mindestens einem Kühlmedium beaufschlagt werden, wobei – zunächst eine Abkühlung der Laufflächenzone (19) und der sich anschließenden Spurkranzzone (17) beginnend am Außenprofil des Laufkranzes (7) bis zu einer Tiefe von 0,5% des Durchmessers des Schienenfahrzeugrades (1), die bei geringer Abkühlgeschwindigkeit unter stabilisierender Ausbildung eines homogenen perlitischen Gefüges, zur Bildung eines Kühlmediumübertragungsbandes (15) vorgenommen wird, durch welches nachfolgend eine Dämpfung der Abkühlwirkung des weiterhin einwirkenden Kühlmediums für die Wärmeführung zum eigentlichen Härteprozess der darunter liegenden Härtezonen (21) erfolgt, – gleichzeitig werden die beiden Laufkranzstirnflächenzonen (22, 23) mit dem Kühlmedium (12, 13) beaufschlagt, um in Verbindung mit der Wärmeableitungszone das Rückströmen von Wärme in die Härtezonen (21) und deren Einfluss auf die bereits entstandene Gefügestruktur in den Härtezonen (21) zu unterbinden, wobei zusätzlich im seitlichen Bereich des Spurkranzes (4) eine Abkühlung mittels eines Kühlmediums (14) erfolgt, – nach der abgeschlossenen Wärmebehandlung des ersten Schienenfahrzeugrades wird das Rad einer werkstofftechnischen Probenauswertung unterzogen und aus dem Soll-Ist-Vergleich hinsichtlich der Gefügestruktur und den Härtewerten zur Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses werden Korrekturwerte (den thermischen Phasen zugeordnete Kühlmediummengen, die Kühlmedienart sowie die Festlegung der Wärmeabführung aus den sekundären Bereich des Schienenfahrzeugrades (1) und der Geschwindigkeit des Drehantriebes des Schienenfahrzeugrades (1)) für die Härtung eines weiteren Schienenfahrzeugrades festgelegt und – die so gefundenen Werte werden in einer Datenbank abgelegt und stehen für eine Serienfertigung von Schienenfahrzeugrädern (1) dieses speziellen Typs bereit.Process for the heat treatment of the wheel rim of rail vehicle wheels, characterized in that the tread ring (7) of a first rail vehicle wheel divides into zones, namely the tread zone (19) and wheel flange zone (17) with the hardness zones lying under the tread zone (19) and the wheel flange zone (17) (21) as well as the two tread end face zones (22, 23) adjoining the tread (5) or the wheel flange (4) as well as the tread base zone (20) and these zones depending on those to be achieved on the tread ring (7) Structural structures based on a basic program, divided into thermal phases with volume flow and time control, are acted upon with at least one cooling medium, with - first cooling of the tread zone (19) and the subsequent flange zone (17) starting at the outer profile of the rim (7) up to a depth of 0.5% of the diameter of the rail vehicle wheel (1), which at low cooling speed Windy with a stabilizing formation of a homogeneous pearlitic structure, to form a cooling medium transfer belt (15), which subsequently dampens the cooling effect of the cooling medium that continues to act for heat conduction to the actual hardening process of the underlying hardness zones (21) - at the same time, the two The cooling medium (12, 13) is acted upon by the cooling medium face zones (22, 23) in order to prevent the return flow of heat into the hardening zones (21) in connection with the heat dissipation zone and their influence on the structure already formed in the hardening zones (21), whereby In addition, in the lateral area of the wheel flange (4) there is cooling by means of a cooling medium (14), - after the heat treatment of the first rail vehicle wheel has been completed, the wheel is subjected to a material-technical sample evaluation and from the target-actual comparison with regard to the microstructure The structure and the hardness values for optimizing the heat treatment process are correction values (cooling medium quantities assigned to the thermal phases, the type of cooling medium and the determination of the heat dissipation from the secondary area of the rail vehicle wheel (1) and the speed of the rotary drive of the rail vehicle wheel (1)) for the hardening of a further rail vehicle wheel specified and - the values found in this way are stored in a database and are available for series production of rail vehicle wheels (1) of this special type.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung des Radkranzes von Schienenfahrzeugrädern, insbesondere von Eisenbahnrädern.The invention relates to a method for heat treatment of the wheel rim of rail vehicle wheels, in particular of railway wheels.
Aus der
Dabei besteht außerdem die Möglichkeit, dass nacheinander verschiedene Kühlmedien mit unterschiedlicher Kühlwirkung, zum Beispiel Luft und/oder Wasser und/oder Wasser mit Härtezusätzen und/oder Luft-Wasser-Gemische, auf die abzukühlenden Oberflächenbereiche des rotationssymmetrischen Körpers aufgebracht werden und die Zufuhr des Kühlmediums zeitabhängig erfolgt.In this case, there is also the possibility that successively different cooling media with different cooling effect, for example air and / or water with hardness additives and / or air-water mixtures are applied to the surfaces to be cooled surface of the rotationally symmetrical body and the supply of the cooling medium time-dependent.
Schwerpunktmäßig wird das Volumen der Kühlmedienzufuhr in Abhängigkeit der Temperatur des erhitzten rotationssymmetrischen Körpers, insbesondere von dessen kontinuierlich gemessenen Oberflächentemperatur mittels einer Temperaturmeßkamera, realisiert, und dabei die Zufuhr des Kühlmediums in Abhängigkeit empirisch ermittelter Gefügewerte des Körpers zeitabhängig vorgenommen.The focus of the volume of the cooling medium supply depending on the temperature of the heated rotationally symmetrical body, in particular its continuously measured surface temperature by means of a Temperaturmeßkamera realized, and thereby made the supply of the cooling medium in dependence of empirically determined Gefügewerte the body time-dependent.
Der rotationssymmetrische Körper wird während seines Drehantriebes auf seiner Ober- und Unterseite und an seiner Umfangsfläche durch die Volumenströme des Kühlmediums gleichzeitig, gegebenenfalls auf unterschiedliche Oberflächenbereiche und/oder zeitversetzt, abgekühlt, indem zeitgleich die Lauffläche und die Radunter- und die Radoberseite durch das Kühlmedium oder die Kühlmedien beaufschlagt werden. Mit dem Abkühlen von Randbereichen und/oder der Ober- und Unterseite des Körpers kann gleichzeitig auch die Nabe des rotationssymmetrischen Körpers durch einen oder mehrere Volumenströme gekühlt werden.The rotationally symmetrical body is simultaneously cooled during its rotary drive on its top and bottom and on its peripheral surface by the volume flows of the cooling medium, optionally to different surface areas and / or delayed by simultaneously the tread and the Radunter- and the Radoberseite by the cooling medium or the cooling media are acted upon. With the cooling of edge regions and / or the top and bottom of the body, the hub of the rotationally symmetrical body can be cooled by one or more volume flows at the same time.
Ein Nachteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass zur gezielten Beeinflussung der gewünschten Materialeigenschaften, die Regelung und Steuerung der Abkühlungsvorgänge durch ein entsprechendes Volumen für die Kühlmedienzufuhr, auf der Messung der Oberflächentemperatur des rotationssymmetrischen Körpers basiert. Diese Oberflächentemperatur kann unter Produktionsbedingungen aber nur auußerhalb der Auftreffbereiche des Kühlmediums am rotationssymmetrischen Körper gemessen werden und erfolgt an der laufflächenseitigen Laufkranzstirnfäche des Schienenfahrzeugrades. Die ermittelte Oberflächentemperatur ist damit nicht signifikant für den sich im Körperquerschnitt vollziehenden Wärmefluss und den sich damit einstellenden qualitativen und quantitativen Materialeigenschaftsbildern homogenes Gefüge bzw. Brinellhärte (HB). Eine innerhalb eines online-Betriebs auf der Messung der Oberflächentemperatur gestützte Regelung des Volumens der erforderlichen Kühlmedienzufuhr ist grundsätzlich nicht zur Erzielung der gewünschten Materialeigenschaften des rotationssymmetrischen Körpers geeignet, weil sie keinerlei Bezug zur Wärmeführung im Querschnitt des Körper aufweist und außerdem zu träge ist, für die in einem engen Zeitfenster liegende homogene perlitische Gefügebildung.A disadvantage of this solution is the fact that for the targeted influencing of the desired material properties, the regulation and control of the cooling processes by a corresponding volume for the cooling medium supply, based on the measurement of the surface temperature of the rotationally symmetrical body. This surface temperature can be measured under production conditions but only outside the impact areas of the cooling medium on the rotationally symmetrical body and takes place on the tread-side Laufkranzstirnfäche the rail vehicle wheel. The determined surface temperature is thus not significant for the heat flow taking place in the body cross-section and the resulting qualitative and quantitative material property images of homogeneous microstructure or Brinell hardness (HB). A control of the volume of the required cooling medium supply, which is based on the measurement of the surface temperature during an online operation, is fundamentally not suitable for achieving the desired material properties of the rotationally symmetrical body because it has no relation to the heat conduction in the cross section of the body and is also too sluggish for the Homogeneous perlitic microstructure in a narrow time window.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem ein homogenes, im Wesentlichen perlitisches Gefüge über den gesamten Querschnitt des Radkranzes des als Schienenfahrzeugrad ausgebildeten rotationssymmetrischen Körpers realisiert und gleichzeitig die geforderten Festigkeits- und Härtewerte im Radkranz des Schienenfahrzeugrades durch Optimierung der Wärmeabführung hinsichtlich der Zeit und der Wärmemenge auf den Funktionsquerschnitt des Radkranzes präzise eingestellt werden können. Dabei sollen insbesondere zum inneren des Radkranzes hin ansteigende Festigkeits- und Härtewerte erreicht werden.The object of the invention is to propose a method in which realizes a homogeneous, substantially pearlitic structure over the entire cross section of the rim of the rotationally symmetrical body designed as rail vehicle and at the same time the required strength and hardness values in the wheel rim of the rail vehicle wheel by optimizing the heat dissipation the time and the amount of heat can be precisely adjusted to the functional cross section of the rim. It should be achieved in particular to the inner of the rim towards increasing strength and hardness values.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features specified in
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass gezielt in der ersten Zone des primären Bereichs (Lauffläche und Spurkranz) ein Kühlmediumübertragungsband aufgebaut wird, durch das der eigentliche Härtevorgang erfolgt, und die sanfte Abkühlung des geometrisch sekundären Bereichs (beide Laufkranzstirnflächen und der Laufkranzboden) eine unterstützende Funktion bei der optimalen Härte- und Gefügebildung im primären Bereich zukommt. Dadurch sind die komplexen Vorgänge bei der Gefügebildung prozesssicher beeinflussbar, so dass zum inneren des Radkranzes hin ansteigende Festigkeits- und Härtewerte erzielbar sind. The advantages of the invention are that targeted in the first zone of the primary area (tread and flange) a cooling medium transfer belt is established, through which the actual hardening process takes place, and the gentle cooling of the geometrically secondary region (both Laufkranzstirnflächen and the Laufkranzboden) a supporting Function in the optimal hardening and structure formation in the primary area belongs. As a result, the complex processes in the structure formation can be reliably influenced so that increasing strength and hardness values can be achieved towards the interior of the wheel rim.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings.
Es zeigen:Show it:
In der
Die allgemeinen Anforderungsmerkmale an ein Schienenfahrzeugrad sind in der Eisenbahnnorm UCI 812-3 festgelegt.The general requirements for a rail vehicle wheel are defined in the railway standard UCI 812-3.
Für eine lange Lebensdauer des Schienenfahrzeugrades
Für das Härten wird der auf eine werkstoffspezifische Härtetemperatur (z. B. ca. 840°C) erwärmte Rohling des Schienenfahrzeugrades
Mit Bezug auf
Dabei wird zur Realisierung eines homogenen perlitischen Gefüges über den gesamten Radquerschnitt, ausgenommen die Bereiche der Nabe
Beginnend mit einem Basisprogramm (
Dabei ist die erzielte Härte und Gefügestruktur in 2 bis 7 mm Tiefe von untergeordneter Bedeutung, da diese Bereiche bei der mechanischen Nachbearbeitung entfernt werden. Durch diese stabilisierte Zone (Kühlmedienübertragungsband), welche später keine weitere Gefügeumwandlung mehr erfährt, erfolgt der eigentliche Härteprozess, bei dem der Wärmeaustausch zwischen der abgeführten Wärmemenge und dem inneren Wärmeinhalt nur noch über dieses Kühlmediumübertragungsband
Durch die Ausgestaltung dieses Kühlmedienübertragungsbandes
Gleichzeitig werden die beiden Laufkranzstirnflächen
Mit der größtmöglichen Bereitstellung des Wasservolumenstromes
In der
Bei einem neuen Schienenfahrzeugrad wird die erste Schienenfahrzeugradhärtung mit einem Basisprogramm durchgeführt.With a new rail vehicle wheel, the first rail vehicle wheel hardening is carried out with a basic program.
Nach der durch Härten abgeschlossenen Wärmebehandlung des ersten Schienenfahrzeugrades wird das Rad einer werkstofftechnischen Probenauswertung unterzogen, metallographische und mechanische Prüfwerte, hinsichtlich Gefügestruktur, Härteprüfwerten, Zugversuchswerten sowie Kerbschlagprüfungs-Ergebnissen. Der Soll-Ist-Wert Vergleich wird geführt und daraus die Korrekturwerte für die Stellgrößen für die geometrischen und thermischen Bereiche festgelegt. Detailliert sind es die Kühlmediendosierungen bezüglich der thermischen Phasen und geometrischen Bereiche, die Medienart, die Gestaltung der Wärmeabführung aus dem sekundären Radbereichen, sowie die Geschwindigkeit des Drehantriebes des Schienenfahrzeugrades
Abgespeichert werden diese Parameter und Einstellwerte in das spezifische Radprogramm und bereitgestellt für die 2. Wärmeführung am nächsten Schienenfahrzeugrad. Bei positiver Auswertung sind die Daten aus der Datenbank für eine Serienfertigung verfügbar.These parameters and setting values are stored in the specific wheel program and provided for the 2nd heat control on the next rail vehicle wheel. If evaluated positively, the data from the database is available for mass production.
Es ist die Eigenschaft der Schienenfahrzeugrad-Werkstoffe, dass die Qualität der Gefügebildung und damit verbunden die mechanischen Eigenschaften bei konstanter Wärmeführung gemäß des Ablaufes nach
Die Bestimmung der für die Wärmeabführung erforderlichen Sollgrößen definiert sich individuell nach Radtyp, -größe, Werkstoff, Geometrie des Querschnitt-Profils und hinsichtlich der gegebenen Eigenschaften sowie zu den durch die Wärmebehandlung zu erreichenden Eigenschaften, Gefügestruktur und daran gebundenen in den Radbereichen erforderlichen Härtewerten.The determination of the required quantities required for heat dissipation is defined individually according to wheel type, size, material, geometry of the cross-sectional profile and with regard to the given properties as well as to the properties, microstructure and associated hardness values required in the wheel areas.
Die so gefundenen Werte werden in einer Datenbank abgelegt und stehen für eine Serienfertigung von Schienenfahrzeugrädern dieses speziellen Typs bereit.The values thus found are stored in a database and are available for series production of rail vehicle wheels of this special type.
Die Darstellung der Wasser- und Luftvolumenströme
Bestimmend für die Härtebildung ist die Wärmeabführung pro Zeiteinheit, d. h. der Volumenstrom des einwirkenden Kühlmediums.Determining the hardness is the heat dissipation per unit time, d. H. the volume flow of the acting cooling medium.
Die nach der Probenauswertung erforderlichen Korrekturwerte zur Einstellung der gewünschten Gefügestruktur und Härtewerte des Radkranzes
Dieses Diagramm gliedert sich in thermische Phasen
- –
Phase 1 = Bildung des Kühlmediumübertragungsbandes, - –
Phase 2 = Härtevorgang, - –
Phase 3 = Wärmeableitung aus dem bereits gehärteten Bereich, die Informationen zum Anfahr-, Verlaufs- und Endverhalten aufweisen.
-
Phase 1 = formation of the cooling medium transfer belt, - -
Phase 2 = hardening process, - -
Phase 3 = heat dissipation from the already hardened area, which has information on start-up, progress and end behavior.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- SchienenfahrzeugradRailway vehicle
- 22
- Nabehub
- 33
- Blattleaf
- 44
- Spurkranzflange
- 55
- Laufflächetread
- 66
- LaufkranzbodenTread ground
- 77
- Laufkranztread
- 88th
- LaufkranzstirnflächeTread face
- 99
- LaufkranzstirnflächeTread face
- 1010
- Achseaxis
- 1111
- mittlerer Wasservolumenstrommean water volume flow
- 1212
- oberer Wasservolumenstromupper water volume flow
- 1313
- unterer Wasservolumenstromlower water volume flow
- 1414
- LuftvolumenstromAirflow
- 1515
- KühlmediumübertragungsbandCoolant transfer belt
- 1616
- Kontrolllinie für die HärteprüfpunkteControl line for the hardness test points
- 1717
- SpurkranzzoneFlanged zone
- 1818
- Kontrollzone mit Linien auf denen entlang in Abständen die Härteprufpunkte liegenControl zone with lines along which the hardness test points lie at intervals
- 1919
- LaufflächenzoneTread zone
- 2020
- LaufkranzbodenzoneTread soil zone
- 2121
- HärtezonenHardiness zones
- 2222
- LaufkranzstirnflächenzoneTread face zone
- 2323
- LaufkranzstirnflächenzoneTread face zone
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R016 | Response to examination communication | ||
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R008 | Case pending at federal patents court (fpc) | ||
R009 | Remittal by fpc to dpma for new decision or registration | ||
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Representative=s name: PATENTANWAELTE FINDEISEN & NEUMANN, DE |
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Owner name: MASCHINENBAU-SERVICE-AUTOMATISIERUNGSTECHNIK C, DE Free format text: FORMER OWNER: STEFAN MORGENSTERN UND HEIKO JAEGER GBR ( VERTRETUNGSBERECHTIGTE GESELLSCHAFTER JAEGER HEIKO, 09131 CHEMNITZ, DE; MORGENSTERN STEFAN, 09577 NIEDERWIESA, DE ), 09117 CHEMNITZ, DE Effective date: 20130603 |
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Representative=s name: PATENTANWAELTE FINDEISEN & NEUMANN, DE Effective date: 20130603 |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20150217 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |