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Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten
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Rädern und Radreifen von Schienenfahrzeugen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Herstellung von verschleissfesten Rä-dern und Radreifen
von Schienenfahrzeugen.
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Radkörper unterliegen neben dem Verschleiss hohen dynamischen Belastungen
im unmittelbaren Einwirkungsbereich der Schienen sowie stossartigen und Temperaturwechsel-Beanspruchungen.
Die jeweils anzustrebenden Prüf- und Gebrauchseigenschaften stehen z.T. in einem
gegenläufigen Zusammenhang; so nimmt z.B. der Verschleisswiderstand mit steigender
Zugfestigteit zu, der Widerstand gegen Stossbeanspruchung jedoch ab.
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Tafel 1 gibt eine uebersicht über die chemische Zusammensetzung und
Festigkeit von Vollrädern und Radreifen. In Sonderfällen werden noch Gehalte an
Chrom, Molybdän und Nickel zulegiert.
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Man kann zwischen dem naturharten und dem Laufkranz- oder vollvergüteten
Zustand unterscheiden. Bei der Laufkranzvergütung
werden die Räder
nach Abkühlen unter den Punkt der Gamma-Alpha-Umwandlung erneut aufgeheizt und in
einer Abschreckvorrichtung unter Rotationsbewegung im Laufkranzbereich in Wasser
abgeschreckt, wobei das Wasser mit der Scheibe und der Nabe nicht in Berührung kommt
(THE MAKING, SHAPING AND TREATING OF STEEL, H.E. McGannon, United States Steel,
8. Edt. (1964), S. 724/3). Nach einer bestimmten Abschreckdauer wird das Rad in
einem Ofen angelassen und anschliessend in einer Grube oder unter einer Haube verzögert
abgekühlt. Beim Vollvergüten mit b1 wird das Rad wie beim Laufkranzhärten behandelt.
Anstelle des Wassers wird O1 als Abschreckmittel verwendet, wobei das Rad voll eintaucht.
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Neben diesem vergüteten Zustand ist es auch möglich, die Radreifen
und Räder in naturhartem Zustand einzusetzen. So ist es aus der DT-PS 1 261 149
und dem Zusatzpatent 1 267 239 bekannt, zur Erhöhung der Verschleissfestigkeit von
Radreifen durch eine Wärmebehandlung bis zu einer Tiefe von 8 - 12 mm von der Oberfläche
einen einheitlichen perlitischen Gefüge zustand zu erzeugen. Weiterhin ist es aus
dem "WerkstofShandbuch Stahl und Eisen", 4.Aufl. (1965), 5. Q zu 42-7, bekannt,
dass durch die Erzeugung eines Gefüges aus grobstreifigem Perlit ein hoher Verschleisswiderstand
bewirkt werden kann.
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Neben der Verschleissfestigkeit steht aber bei den Rädern und Radreifen
aufgrund der hohen dynamischen Belastungen der Widerstand gegen Stossbeanspruchung
im Vordergrund. So wird für die Stossbeanspruchung und Schlagzähigkeit eine VergUtungsbehandlung
in der Fachwelt als wesentlich angesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von verschleissfesten Rädern und Radreifen von Schienenfahrzeugen
anzugeben, das einfach zu handhaben ist und das zu einer verbesserten Eigenschaftskombination
führt, wobei neben dem Verschleiss insb. den dynamischen Belastungen Rechnung getragen
wird. Durch ein einfaches Verfahren soll eine merkliche Verlängerung
der
Lebensdauer erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Räder
oder Radreifen in Wasser von mehr als 80 0 C abgeschreckt und diesem Wasser erst
entnommen werden, wenn die Temperatur im Oberflächenbereich 4500C nicht mehr übersteigt.
Vorzugsweise beträgt die Temperatur des Wassers mind. 90 ° C. Angestrebt wird eine
Abschrekkung in siedendem Wasser. Die angegebene Untergrenze der Wassertemperatur
bringt zum Ausdruck, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, den Abschreckvorgang
bereits mit siedendem Wasser zu beginnen, sondern dass Temperaturschwankungen auf
diesen unteren Wert hin zulässig sind. Der besondere Vorteil der vorgeschlagenen
technischen Massnahme ist darin zu sehen, dass es sich um eine einfache technische
Massnahme handelt, bei der sich die Abschreckbedingungen selbst regulieren, da die
Siedetemperatur des Wassers nicht überschritten werden kann und lediglich die verdampfte
Wassermenge wieder zu ergänzen ist.
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Das Abkühlungsvermögen von Wasser mit 5o0 0 oder looOG ist an sich
bekannt. So wird z.B. in dem Fachbuch von E.Houdremont "Handbuch der Sonderstahlkunde"
(1956; Seite 283-296, in Verbindung mit der Härtung das Abkühlungsvermögen verschiedener
Härtemittel beschrieben.
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Wie der eingangs gewürdigte Stand der Technik zeigt, haben diese Grundlagen
über das Abkühlungsvermögen verschiedenster Abschreckmittel offenbar keine Veranlassung
gegeben, Räder oder Radreifen in siedendem Wasser abzuschrecken.
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Der einfache Weg, Räder oder Radreifen in siedendes Wasser einzutauchen
und dort bis zum Ende der Umwandlung oder sogar bis zu einer Abkühlung von unter
1500C zu belassen, wurde nicht gesehen.
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Dabei werden neben der einfachen technischen Maßnahme auch gute Eigenschaftskombinationen
erzielt. Das Verfahren wird zweckmässigerweise auf Radwerkstoffe mit o,4o bis o,85
ffi C, o,6o bis 1,80 ffi Mn
und weniger als 1,3 ffi Si angewendet.
Der Mangangehalt kann durch eine Kombination anderer Legierungselemente ersetzt
werden, welche zu einem gleichartigen Umwandlungsverhalten führen. Die Zusammensetzung
des Stahles sollte so abgestimmt sein, dass die Abschreckung bis zu einer Eindringtiefe
von mindestens 20 mm von der Lauf aber fläche aus zu einem feinstperlitischen Gefüge
führt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren auf Radreifen
angewendet, wobei die Legierungselemente C und mn innerhalb der Bereiche von o,4o
bis o,85 X C und o,60 bis 1,80 % Mn so aufeinander abgestimmt sind, dass die Abschreckung
bis zu einer Tiefe von mind. 20 mm von der Laufoberfläche aus zu einem feinstperlitischen
Gefüge führt.
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Es ist besonders bevorzugt, ganze Räder nach dem angegebenen Verfahren
herzustellen, wobei die Legierungselemente C und Mn innerhalb der Bereiche von o,4o
bis o,85 % C und o,6o bis 1,50 Mn, vorzugsweise o,60 bis 1,20 ffi Mn, so aufeinander
abgestimmt sind, dass die Abschreckung bis zu einer Tiefe von mind. 20 mm von der
Laufoberfläche aus zu einem feinstperlitischen Gefüge führt. Bei der Abschreckung
des ganzen Rades ist der Einfluss der Gehalte umwandlungsverzögernder Elemente,
vor allem des Mangans, zu berücksichtigen.
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Es sollen nur Stähle behandelt werden, deren Perlitumwandlung bei
einer Abkühlung bis auf 4000C nach 80 Sek. abgeschlossen ist.
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Es kann vorteilhaft sein, die eingetauchten Räder während des Eintauchvorganges
zu drehen.
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Die in das Wasser eingetauchten Räder oder Radreifen können in dem
Wasserbad verbleiben, bis sie nahezu die Temperatur von looOC erreicht haben. Natürlich
können die Räder auch nach Unterschreiten der Oberflächentemperatur von rund 40000
an Luft weiter abkühlen; hierbei verzögert sich aber die Herstellungszeit für das
jeweilige Rad. Zum Spannungsabbau kann bei üblichen Temperaturen um 500-550°C
abschliessend
eine Glühbehandlung erfolgen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Ein ganzes Rad aus einem Stahl mit c,75 ,% C, o,25 ffi Si und l,o
Mn, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen, wurde einmal in bei kannter Weise
an Luft und zum zweiten in WAsser mit einer Temperatur von mehr als 90°C abgeschreckt.
Das Rad wurde man Wasserbad entnommen, nachdem die Oberflächentemperatur unterhalb
250°C gefallen war. Anschliessend wurden Proben aus dem Bereich des Laufkranzes
genommen und hinsichtlich der in Tafel 2 gezeigten mechanischen Werkstoffeigenschaften
untersucht. Die Figuren zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch das Randprofil, um die
Lage der Proben zu verdeutlichen; Fig. 2 den Härteverlauf der in Fig. 1 gezeigten
Proben, einmal nach Luftabkühlung und einmal nach der Abkühlung in siedendem Wasser.
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Dem Laufkranz wurden gemäss Fig. 1 insgesamt drei zylindrische Proben
mit 10 mm Durchmesser entnommen. Es wurden zwei Räder untersucht. Dabei ergaben
sich folgende mechanischen Eigenschaften: Abkühl.- gS dB 5 t Schlagarbeit Rad art
in kp/mn2 in % in % J 1 Luft 47 92 12 23 24 1 sied.Wasser 64 105 12,5 28 51 2 Luft
46 91 13 22 25 2 sied.Wasser 63 106 13 27 53 Diese mechanischen Werte zeigen dass
neben der Steigerung der Festigkeitseigenschaften vor allem die Werte gestiegen
sind, die
für die dynamische Beanspruchung, insb. die Stossbelastung,
von Bedeutung sind. Die Schlagarbeit hat sich praktisch verdoppelt.
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Die Brucheinschnürung ist um mehr als 20 ffi angestiegen.
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Aus Fig. 2 ist zu ersehen, dass die Vickers-Härte bis zu einer Tiefe
von mehr als 40 mm auf Werte von oberhalb 300 HV gestiegen ist. Die Vickers-Härte
bewegt sich im wesentlichen zwischen 330 und 300 HV. Im Spurkranz E ergibt sich
an der Oberfläche eine etwas höhere Aufhärtung, die durchaus wünschenswert ist.
Insgesamt lassen diese Eigenschaften hinsichtlich Dauerbeanspruchung und Verschleiss
eine Verbesserung der Lebensdauer um weit mehr als 50 % erwarten.
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Hieraus ergibt sich, dass mittels eines einfach zu handhabenden Verfahrens
ein Rad mit einer besonders günstigen Eigenschaftskombination hergestellt wurde.
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Patentansprüche:
Tafel 1: Chemische Zusammensetzung
und Festigkeit von Vollrädern und Radreifen
| Liefer- Einsatz als Güte Chemische Zusammensetzung Zugfestigkeit
Behandlungs- |
| in Gew.-% N/mm² zustand |
| bedingung/Land C Si Mn bzw. HB |
| UIC/BRD Laufrad BV 1 rd. 0,45 <0,50 <1,20 590- 705 N/mm² |
| UIC/BRD Laufrad BV 2 rd. 0,55 <0,50 <1,20 685- 825 N/mm²
naturhart |
| BRD Treibrad M 80 rd. 0,65 <0,50 <1,20 787- 900 N/mm² |
| ASTM/USA Treib- und Class A 0,57 >0,15 0,60/0,85 255- 321
HB |
| ASTM/USA Laufrad Class B 0,75/0,67 >0,15 0,60/0,85 277-
341 HB laufkranz- oder |
| ASTM/USA Class C 0,67/0,77 >0,15 0,60/0,85 321- 363 HB vollvergütet |
| ASTM/USA Radreifen Class A 0,50/0,67 0,15/0,35 0,50/0,75 725
N/mm² |
| ASTM/USA für Treib- Class B 0,60/0,75 0,15/0,35 0,50/0,75 >795
N/mm² naturhart |
| ASTM/USA u. Laufrad Class C 0,60/0,75 0,15/0,35 0,50/0,75 >865
N/mm² |
| GOST/UdSSR Vollräder 0,52/0,63 0,20/0,42 0,50/0,90 885-1085
N/mm² laufkranzvergütet |
| GOST/UdSSR Kl. 1 0,50/0,60 0,20/0,42 0,60/0,90 >835 N/mm² |
| GOST/UdSSR Radreifen Kl. 2 0,57/0,65 0,20/0,42 0,60/0,90 >885
N/mm² vergütet |
| GOST/UdSSR Kl. 3 0,57/0,65 0,20/0,42 0,60/0,90 >930 N/mm² |