DE3111420A1

DE3111420A1 - "gegenstaende, insbesondere lokomotivradbandagen und schienen, mit erhoehter bestaendigkeit gegen oberflaechenbeschaedigung durch abroll- und/oder reibungsvorgaenge, insbesondere bildung von riffeln oder kurzen wellen beim fahrbetrieb"

Info

Publication number: DE3111420A1
Application number: DE19813111420
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Ing. 9545 Wängi Kummrow; Manfred Dipl.-Phys. Dr. 8307 Effretikon Lorenz
Original assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Current assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Priority date: 1981-03-13
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1982-10-14
Also published as: AT370366B; ATA134681A; CH648600A5

Description

Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik, Winterthur
Gegenstände, insbesondere Lokomotivradbandagen und Schienen, mit erhöhter Beständigkeit gegen Oberflächenbeschädigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgänge, insbesondere Bildung von Riffeln oder kurzen Wellen beim Fahrbetrieb Die Erfindung betrifft Gegenstände, insbesondere Lokomotivradbandagen und Schienen, mit erhöhter Beständigkeit gegen Oberflächenbeschädigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgänge, insbesondere Bildung von Riffeln oder kurzen Wellen beim Fahrbetrieb.
Riffeln und Wellen sind als periodische Verschleisserscheinungen an Eisenbahnschienen bekannt. Insbesondere werden sogenannte kurze Wellen bei Gebirgs-Adhäsionsbahnen -vor allem in Uebergangsbögen auf der kurveninneren Schiene auftretend - darauf zurückgeführt, dass beim Fahren im Grenzbereich der Adhäsion periodischer, ruckartiger Schlupf zwischen den Rädern und der Schiene auftritt. Dieser scheint auf der Schiene ein Abnützungsmuster einzuprägen, welches bei erneutem Ueberrollen verstärkt wird.
Mit den Schienenriffeln oder -Wellen kann die Verriffelung von Lokomotivrädern bzw. Lokomotivradbandagen einhergehen.
Dabei bilden sich Bandagenriffeln von derselben Art wie die obengenannten Schienenriffeln, wobei es jedoch durchaus möglich ist, dass Räder unbeschädigt über eine verriffelte Strecke rollen. Das riffelbedingte Ueberdrehen der Bandagen bedeutet eine empfindliche Einschränkung der Betriebsverfügbarkeit der Lokomotiven.
Ein Verfahren zur Verminderung oder Vermeidung einer Riffelbildung bei Schienen ist z. 13. in der DE-PS 966 656 offenbart. Hierbei wird davon ausgegangen, dass zwischen den in der Schiene durch die darüber rollenden Fahrzeuge entstehenden EigenschwingungenundderBildung der Riffeln auf der Schienenlauffläche ein inniger Zusammenhang in der Art besteht, dass, bei sonst gleichbleibenden Betriebsverhältnissen, mit einem geringeren Ausmass an Eigenschwingungen auch die Neigung der Schiene zur Riffelbildung abnimmt. Dabei soll ein rasches Abklingen der in den Schienen hervorgerufenen Schwingungen erreicht werden, indem durch Querschnittveränderungen, die unregelmässig über die Schienenlänge verteilt sind, die Ausbildung einer Resonanzschwingung behindert oder eine entstehende Resonmzschwingung gedämpft wird.
Der genannten PS ist auch zu entnehmen, dass die Gefügeausbildung als solche, wie beispielsweise drr lerrit- Räder Karbidanteil , die Korngrösse des Gefüges und anderes mehr die Eigendämpfung des Werkstoffes wesentlich beeinflussen. Diese Erhöhung der Eigendfimpfung des Werkstoffes, welche in besonderem Masse bei einem Zwischenstufengefüge zur Geltung gelangt, soll zur Beschleunigung des Abbaues von Eigenschwingungen der Schienen ausgenutzt werden, wodurch einer Riffelbildung entgegengewirkt werden soll. Eine praktisch brauchbare Verminderung der Riffelbildung konnte hierdurch jedoch nicht erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs erwähnten Gegenstände durch Legierungsmassnahmen so zu verbessern, dass die Riffelbildung weitgehend vermieden wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst, indem die Gegenstände aus einer im wesentlichen perlitischen Stahllegierung, welche im wesentlichen zwischen 0.60 und 0.75 X Kohlenstoff, zwischen 0.40 und 0.75 % Silizium, zwischen 0.60 und 1.20 X Chrom, bis 0.20 X Molybdän, bis 0.10 % Vanadium sowie zwischen 0.50 und 0.80 % Mangan enthält, deren Temperatur Ac 1 der beginnenden Austenitisation, bei einer Aufheizgeschwindigkeit bis ca. 4°C/Min., wenigstens 7430C beträgt, hergestellt sind.
Es hat sich dabei überraschenderweise gezeigt, dass bei einer Erhöhung der Temperatur Ac 1 bei den herkömmlichen Stählen für Loksoivradbandagen die Riffelbildung wesentlich verringert wird. Die Erhöhung der Temperatur Ac 1 kann dabei in bekannter Art und Weise durch Erhöhung der Anteile an ferritbildenden Legierungselementen und/ oder Reduktion der Anteile an austenitbildenden Legierungselementen erfolgen, wie aus nachstehender Tabelle 1 hervorgeht.
Wie aus der Literatur, z. B. aus dem Artikel "Schienenriffeln, ihre Erforschung und Verhütung", von Dr.-Ing.
Fritz Biermann, VDI-Z. 100 (1958) Nr. 26, Seite 1259, Spalte 2, Abs. 2 bekannt ist, sind die Riffelberge von einem dünnen Martensithäutchen überzogen. Erfindungsgemäss wird nun angenommen, dass die Martensitbildung nicht als Begleiterscheinung, sondern als eigentliche Ursache der Riffelbildung zu betrachten ist und dass die genannte Heraufsetzung der Temperatur Ac 1 bereits eine derartige Reduktion der Martensitbildung'bewirkt, dass auch die Riffelbildung unterdrückt bzw. verhindert wird. Es ver- steht sich jedoch, dass diese Annahme nicht auf sämtliche Formen der Riffeln und Wellen zutreffen muss, und dass bei ihrer Bildung auch andere Ursachen vorliegen können.
Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung.
Beispiel 1 Es wurde ein Langzeit-Betriebsversuch mit bis zu 10 Grenzleistungs-Lokomotiven durchgeführt, welche mit 6 verschiedenen Radbandagen-Stählen A bis F ausgerüstet waren, deren Zusammensetzung aus nachstehender Tabelle 2 hervorgeht (Als Grenzleistungs-Lokomotive wird eine Lokomotive bezeichnet, deren Leistung so bemessen ist, dass das zwischen Schiene und Rad bestehende Adhäsionsangebot vollständig genutzt werden kann).
Es wurde eine periodische Ueberwachung des Radumang-Profils mittels visueller Beobachtung und analoger Registrierung während vier Jahren sowie eine periodische Reprofilierung der Räder durchgeführt. Als Bewertngskriterium für die Anfälligkeit gegenüber Bildung von mittleren Wellen diente der Durchschnitt App der vier grössten "Berg-Tal"-Höhenlifferenz>n pro Radumfang app (mm) im Wellenlängen-Bereich von etwa 15 cm nach einer Laufleistung von 30 000 km unter sommerlich trockenen Witterungsvexhältnissen, wie aus Fig. 1 hervorgeht, welche einen typischen Ausschnitt eines Radumfangprofils zeigt.
Die Ergebnisse sind aus dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm ersichtlich, wobei der Wert App (mm) als Ordinate und die Temperatur Ac 1 (OC) als Abszisse dargestellt sind.
Die Temperatur Ac 1 ist dabei nach Formel 1 gemäss obiger Tabelle 1. anhand von Soll- und Istanalysen gemäss Tabelle 2 (Durchschnittswerte) berechnet worden. Die Zahl unter dem jeweiligen Buchstaben A - F bezieht sich auf die Anzahl Versuche, wobei die Gesamtzahl der Versuche 104 beträgt Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Werkstoff A mit dem höchsten Bereich der Temperatur Ac 1 die geringsten Wellenbildungs- Werte aufweist. Die Abhängigkeit der Wellenbildungs- Werte von der Temperatur Ac 1 ist aus dem Diagramm klar ersichtlich.
Beispiel 2 Mit den gleichen Werkstoffen A - F wie in Beispiel 1 sowie mit zusätzlich zwei typischen Schienenstählen S1 und S2 wurden Reibimpulsversuche zwecks Bildung von Reibmartensit durchgeführt, wie beschrieben im Artikel "Die hochenergetische Kurzzeit-Oberflächenhärtung von Stahl mittels Elektronenstrahl-, Hochfrequenz- und Reib- Impulsen", von Dr.-Ing. G. Stähli, Härterei- technische Mitteilungen, 29 (1974) Heft 2/Juni, Seite 55/67 beschrieben. Die Versuchsdaten waren dabei folgende: Probenzustand: normalgeglüht (perlitisch) Reibscheibe: X 220 CR 13, gehärtet, fein geschliffen, badnitriert Anpresskraft: 5, 5 Kp Kontaktzeit : 100 ms Gleitgeschwindigkeit: 25 m/s Das Aussehen und die Abmessungen (mm) der Versuchskörper, der Reibkontaktfläche (R) und der Reibimpulseinhärtungstiefe(Rht, mm) sind aus Fig. 3 ersichtlich.
Das Ergebnis der Versuche ist im Diagramm gemäss Fig. 4 dargestellt, wobei die erzielten Reibimpuls-Einhärtungstiefen (mm) (Ordinate) als Funktion des dilatometrisch bestimmten Umwandlungspunktes Ac 1 (°C) (Abszisse) dargestellt ist.
Aus dem Diagramm wird deutlich, dass eine Reduktion der Reibimpulseinhärtungstiefe, d. h. eine Verringerung der Reibmartensitbildung, bei steigender Temperatur Ac 1 eintritt.
Es versteht sich, dass die Erfindung auch in Bezug auf andere Gegenstände verwendbar ist, welche Abroll- und/ oder Reibungsvorgängen ausgesetzt sind, wie z. B. Walzen, Wälzkörper und Rollbahnen.

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung und Umwandungspunkte Ac 1

C Si Cr Mo V Mn Ni Cu Ac1

(Gew.-%)

Bisher .50-.75 .20-.55 .10.1.0 .00-.10 .00-.10 .60-.95 .00-.20 .00-.20 ca. 720 bis 740 °C

Erfindungsgemäß .60-.75 .40-.75 .60-1.20 .00-.20 .00-.10 .50-.80 - - 743 bis ca. 760 °C

(oder mehr)

Formel(1): Ac1= 723 - 11 # Mn - 17 # (Ni+Cu) + 30 # Si + 17 + Cr + 12 # Mo + 25V [°C] (Elementsymbole=Gehalte in Gewichtsprozent) Tabelle 2 Versuchsmaterialien

Stahl- ANALYSE (Ges.-%) 2) Ac 1 °C

Bezeichnung C Si Cr Mo V Mn Ni Cu 1)

A 3) SOLL .58 .28 .95 .10 .100 .90 SOLL 742

IST .57 .28 .90 .08 .091 .74 .12 .12 IST 737

B 3) SOLL .64 .35 .58 .90 SOLL 735

IST .61 .37 .60 .03 .010 .91 .10 .14 IST 731

C 3) SOLL .57 .53 .79 SOLL 732

IST .53 .40 .25 .02 .006 .73 .03 .09 IST 722

D 3) SOLL .73 .26 .40? .73 SOLL 734

IST .76 .27 .08 .01 .006 .71 .02 .14 IST 729

E 3) SOLL .68 .35 .80 SOLL 731

IST .59 .37 .12 .02 .100 .67 .04 .04 IST 728

F 49 SOLL .26 .46 .27 .30 1.32 SOLL 729

IST .27 .48 .30 .36 .012 1.29 .40 .06 IST 725

Anmerkungen: 1) Berechnet nach Formel (1) gemäß Tabelle 1 2) "SOLL" = Typenanalyse; "IST"=eigene Spektralanalyse des Versuchsmaterials 3) Normalgeglüht (perlitisch) 4) vergütet

Claims

Patentanspruch Gegenstände, insbesondere Lokomotivradbandagen und Schienen, mit erhöhter Beständigkeit gegen Oberflächenbeschädigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgänge, insbesondere Bildung von Riffeln oder kurzen Wellen beim Fahrbetrieb, hergestellt aus einer im wesentlichen perlitischen Stahllegierung, welche im wesentlichen zwischen 0.60 und 0.75 % Kohlenstoff, zwischen 0.40 und 0.75% Silizium, zwischen 0.60 und 1.20 % Chrom, bis 0.20 % Molybdän, bis 0.10 % Vanadium sowie zwischen 0.50 und 0.80 % Mangan enthält, deren Temperatur Ac 1 der beginnenden Austenitisation, bei einer Aufheizgeschwindigkeit bis ca. 40C/Mln., wenigstens 7430C beträgt.