DE2425187B2

DE2425187B2 - Verwendung eines stahles mit einem niedrigen kohlenstoffgehalt als werkstoff fuer schienenraeder

Info

Publication number: DE2425187B2
Application number: DE19742425187
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing 4140 Rheinhausen; Knorr Walter Dipl.-Ing.; 4630 Bochum Heller
Original assignee: Fried Krupp Huettenwerke AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1978-01-12
Also published as: IT1038237B; SE407696B; CA1041799A; FR2271944B1; AT344241B; SE7505904L; AU8143975A; BR7503290A; ATA393375A; DE2425187C3; GB1452450A; DE2425187A1; JPS556700B2; JPS516812A; FR2271944A1

Description

3. Verwendung von Stahl nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Schienenrad als Vollrad aus dem genannten Werkstoff besteht.

4. Verwendung von Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein Zwischenstufengefüge oder ein Gefüge von zähem Martensit aufweist.

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung j5 eines Stahls mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt als Werkstoff für Schienenräder. Vollräder bzw. Radreifen werden vorwiegend aus unlegierten Kohlenstoffstählen hergestellt. Ein derartiger Stahl ist z. B. in der GB-PS 4 91 922 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,55 bis 0,65% und geringen Gehalten an Silizium, Mangan, Chrom und Molybdän beschrieben. Dieses vorbekannte Schienenrad muß einer Wärmebehandlung unterworfen werden.

Die dem Stand der Technik entsprechenden üblichen Schienenräder aus unlegierten Kohlenstoffstählen werden im naturharten, normalisierten vergüteten und laufkranzvergüteten Zustand eingesetzt. Das Gefüge besteht aus mehr oder weniger feinstreifigem Perlit. Gefüge und chemische Zusammensetzung bedingen eine nur geringe Zähigkeit.

Ein Problem bei den vorbekannten Schienenrädern aus Stählen mit hohen Kohlenstoffgehalten ist das Auftreten von Schleifmartensit durch Klotzbremsen oder Schleudern und Rutschen. Aufgrund der hohen Kohlenstoffgehalte ergeben sich hohe Martensithärten, die eine akute Rißgefahr bedeuten. Über dieses Problem wird z. B. in der Zeitschrift »Glasers Annalen«, April 1974, S. 93 bis 100 berichtet. Dort werden die Stähle BVl und BV2 erwähnt, die bekanntlich einen bo Kohlenstoffgehalt von 0,5-0,65 % und geringe Mengen an Silizium und Mangan enthalten. Es wird angeregt, der Laufkranzvergütung besondere Aufmerksamkeit zu widmen.

Außerdem ist es bekannt, die Zähigkeit der Schienenräder durch Einsatz legierter Stähle zu erhöhen, wobei diese Stähle durch eine Wärmebehandlung, bestehend aus Härten und Anlassen, ein Vergütungsgefüge entwickeln und dadurch die hohe Zähigkeit erbringen.

Selbst wenn man unter Abstimmung der Analyse zum vorliegenden Querschnitt Zwischenstufengefüge erzeugt und anläßt und dabei die Zähigkeiten verbessert, ist die Anfälligkeit für Oberflächenschäden durch Schleifmartensit noch nicht beseitigt.

Aus der US-PS 11 49 267 ist der Vorschlag bekannt, für Schienenräder einen Verbundwerkstoff zu verwenden, wobei der innere Teil des Schienenrades - also Radnabe und Radscheibe - aus einem weichen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bestehen, während der äußere Teil (Radreifen oder Radkranz) aus einem harten Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt besteht. Der hochgekohlte harte Stahl soll vorzugsweise einen Mangangehalt von über 6% enthalten, während der weiche Stahl einen niedrigeren Mangangehalt hat. Da bei diesem vorbekannten Verbundwerkstoff zumindest der Radreifen aus einem verschleißfesten Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt besteht, ergeben sich die eingangs beschriebenen Nachteile.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bei sehr hoher Beanspruchung, z. B. im Hochgeschwindigkeitsverkehr, erhebliche Risiken bestehenbleiben, die Werkstoffe für Vollräder bzw. Radreifen mit wesentlich verbesserter Bruchsicherheit und geringer bzw. fehlender Anfälligkeit gegen Reibmartensit erfordern. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für den Verwendungszweck Radreifen bzw. Vollräder einen Werkstoff vorzuschlagen, welcher die obengenannten Forderungen erfüllt. Der Werkstoff soll eine hohe Bruchsicherheit, eine hohe Streckgrenze (bei hohem Streckgrenzenverhältnis) sowie eine gute Verschleißfestigkeit aufweisen und keine Anfälligkeit von Reibmartensit zeigen.

Als erfindungswesentlich wird angesehen, daß zumindest der Radreifen aus einem Stahl besteht, der

0,04 bis 0,12% Kohlenstoff
0,20 bis 0,70% Silizium
3,5 bis 5,0% Mangan, wobei 1-1,5% Mangan
durch Chrom ersetzbar sind
0,005 bis 0,025% Stickstoff
0 bis 0,4% Niob
0 bis 0,4% Vanadium,
jedoch 0,002 bis 0,4% Niob und Vanadium
0 bis 2% Kupfer
0 bis 0,5% Molybdän
0 bis 0,2% Zirkon
0 bis 0,0)% Bor
0 bis 0,3 % Titan

0 bis 0,1 % metallisches Aluminium
Rest Eisen mit den üblichen niedrigtn Verunreinigungen und der Stahl nach Luftabkühlung oder nach schroffen Abkühlen bei hoher Bruchsicherheit und fehlender Neigung zu Reibmartensit eine Festigkeit von mindestens 70 kp/mm² und eine Streckgrenze von mindestens 50 kp aufweist.

Es wird empfohlen, in Kombination mit den angegebenen Stickstoffgehalten einen metallischen Aluminiumgehalt von 0,005 bis 0,05% vorzusehen.

Besonders geeignet ist für den beanspruchten Verwendungszweck ein Stahl mit folgender Zusammensetzung:

0,07 bis 0,12% Kohlenstoff
0,20 bis 0,50% Silizium
4,0 bis 5,0% Mangan
0,04 bis 0,12% Niob
0,005 bis 0,025% Aluminium
Rest Eisen mit den üblichen niedrigen Verunreinigungen, wobei , die Festigkeit mindestens 90 kp/mm² bis über 100 kp/mm² beträgt und die Streckgrenze zwischen 65 und 100 kp/mm² liegt.

Vorzugsweise besteht das gesamte Schienenrad als Vollrad aus dem angegebenen Werkstoff. Weiterhin wird es bevorzugt, wenn der Stahl ein Zwischenstufengefüge oder ein Gefüge von zähem Martensit aufweist. Ein derartiges Gefüge ergibt sich bei Luftabkühlung.

Unter Beachtung der vorgenannten Lehre liegen die Gebrauchseigenschaften innerhalb der aufgabengemäß erwünschten Bereiche. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl zeigt keine Neigung zur Bildung von Reibmartensit-Schichten.

Bei der Herstellung der Stähle ist es zweckmäßig, darauf zu achten, daß niedrige Wasserstoffgehalte im Stahl vorliegen. Hierzu stehen eine Reihe an sich bekannter Behandlungsmöglichkeiten zur Verfugung, Der Stahl kann wasserstofferschmolzen und/oder durch

κι eine Stahlentgasungsbehandlung im Wasserstoff auf niedrige Werte gebracht werden. Die Entgasungsbehandlung kann dabei gleichzeitig für die Erzielung besonders niedriger Kohlenstoffgehalte benutzt werden. Diese Einzelmaßnahme gehört zum Stand der Technik.

Eine andere Maßnahme zur Erzielung niedriger Wasserstoffgehalte besteht darin, die warmgeformten Räder oder Radreifen zwecks Wasserstoffentfernung auszulagern, und zwar bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur, insbesondere im Bereich von 300 bis 450⁰C.

Die Räder oder Radreifen können bevorzugt in einer Hitze vom Rohblock bis zum Fertigprofil warmgeformt werden. Das Abkühlen der fertigen Räder kann normal an Luft, oder - insbesondere zur Wasserstoffeffusion - verzögert erfolgen. Die Räder können auch in Wasser oder einem anderen Abschreckmittel beschleunigt abgekühlt werden.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstaiid anhand der Tafeln 1 ;:nd 2 näher erläutert. Die Tafeln geben an:

Tafel 1 die chemische Zusammensetzung der Radreifenstähle,

Tafel 2 die mechanischen Eigenschaften der Rad-■J5 reifenstähle.

Die Stahlnummern 1 und 2 beziehen sich auf vorbekannte Radreifenstähle mit höheren Kohlenstoffgehalten, die Stahlnummern 3 bis 5 auf den Erfindungsgegenstand. Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften zeigt, daß bei den Werten der Zugfestigkeit und der Streckgrenze keine erheblichen Unterschiede gegeben sind. Dagegen liegen die Werte für die Bruchdehnung beim Erfindungsgegenstand deutlich höher, die Werte iür die Brucheinschnürung sind mehrfach besser als beim Stand der Technik gemäß Stahlnummern 1 und 2. Die im Kerbschlag-Biegeversuch ermittelten Schlagarbeiten liegen sogar um eine Größenordnung höher.

Tafel 1

Chemische Zusammensetzung der Radreifenstähle

Stahl-

Behandlungszustand

Si

Bemerkungen

warmgewalzt
warmgewalzt
warmgewalzt

0,75
0,73
0,07

0,25
0,60
0,30

warmgewalzt 0,08 0,42

warmgewalzt 0,06 0,40
Sämtliche Schmelzen enthalten 0.005 bis 0.025% Al.

1,1 0,005 Stand der Technik

1,0 0,007 Stand der Technik

4.5 0,011 Stähle entsprechend der

Erfindung

4.6 0,011 desgl.
3,9 0,010 desgl

24 25 \87

a ie I 2

lechanische Eigenschaften der Radreifenslähle

lahl-	"0,2	a a	is	Ψ	(DVMP-Probe)
Ir.					a_t-30 C
	(kp/mm²)	(kp/mm²)	(%)	(%)	(kp · m/cm²)
1	56	98	13,5	23	2
2	68	116	11,4	22	2
3	79	110	16,4	67	29
4	104	109	16,5	57	25
5	72	88	18,0	65	25

Claims

Patentansprüche:

1. Die Verwendung eines Stahls mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt als Werkstoff für Schienenräder, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Radreifen aus einem Stahl folgender Zusammensetzung besteht:

0,04 bis 0,12% Kohlenstoff ι ο

0,20 bis 0,70% Silizium
3,5 bis 5,0% Mangan, wobei 1-1,5% Mangan durch Chrom ersetzbar sind
0,005 bis 0,025% Stickstoff
0 bis 0,4% Niob 0 bis 0,4% Vanadium,
jedoch 0,002 bis 0,4% Niob und Vanadium
0 bis 2% Kupfer
0 bis 0,5% Molybdän

0 bis 0,2% Zirkon 0 bis 0,01% Bor
0 bis 0,3% Titan

0 bis 0,1 % metallisches Aluminium
Rest Eisen mit den üblichen niedrigen Verunreinigungen und der Stahl nach Luftabkühlung oder nach schroffem Abkühlen bei hoher Bruchsicherheit und fehlender Neigung zu Reibmartensit eine Festigkeit von mindestens 70 kp/mm und eine Streckgrenze von mindestens 50 kp/mm² aufweist.

2. Verwendung von Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende Legierungsbestandteile enthält:

0,07 bis 0,12% Kohlenstoff
0,20 bis 0,50% Silizium
4,0 bis 5,0% Mangan
0,04 bis 0,12% Niob
0,005 bis 0,025% Aluminium
Rest Eisen mit den üblichen niedrigen Verunreinigungen, wobei die Festigkeit mindestens 90 kp/mm² bis über 100 kp/mm² beträgt und die Streckgrenze zwischen 65 und 100 kp/mm² liegt.