DE4023462C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines vollaustenitischen
stickstoffhaltigen Stahls als Werkstoff zur Herstellung von
Teilen an Schienenfahrzeugen, die bei der Fahrbewegung hohen Be
anspruchungen ausgesetzt sind.
Bei den heutigen Bestrebungen, das System Rad/Schiene unter
dem Zwang der Verkehrssituation bis an die Grenzen der tech
nischen Möglichkeiten zu entwickeln und auszubauen, können die
Aufgaben eines Radsatzes, das Fahrzeug im Gleis zu tragen und zu
führen, Antriebs- und Bremskräfte auf das Gleis zu übertragen
sowie gegebenenfalls die Radlauffläche als Bremsfläche für Brems
klötze zu nutzen, von den gebräuchlichen Rad- bzw. Radreifenwerk
stoffen (perlitische bzw. ferritisch-perlitische Kohlenstoffstähle
mit 0,4 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Silizium,
0,5 bis 1,0 Gew.-% Mangan als Grundanalyse, gegebenenfalls bis
1 Gew.-% Chrom, bis 0,3 Gew.-% Molybdän, bis 0,15 Gew.-% Vanadium,
Streckgrenzenwerte von 400 bis 550 N/mm2, Zugfestigkeitswerte
von 800 bis 1100 N/mm2) nur noch bedingt erfüllt werden.
Noch weit mehr als im normalen Fahrbetrieb unterliegen Räder aus
diesen Werkstoffen bei gesteigerten Fahrgeschwindigkeiten und da
mit verbundenen gesteigerten Beschleunigungs- und Bremsmomenten
neben dem allgemeinen Verschleiß Zusatzbeanspruchungen, die ein
zeln oder zusammen zu vorzeitigen Ausfällen der Räder führen
können.
Bei Klotzbremsung erzeugt der Klotz durch Bremswärme im Reifen
und besonders im Vollrad Formänderungen, die zum Lösen des Rei
fens auf der Felge oder aber zu Spannungszuständen im Reifen
oder Vollrad führen. Diese Spannungen können ein Zersprengen des
Reifens oder des Rades auslösen. Sie können zu bleibenden Form
änderungen und damit zu Änderungen des Spurmaßes führen. Die
Formänderungen verursachen auch Eigenspannungszustände, die bei
statischer und dynamischer Beanspruchung des Rades der Grund
spannung - bedingt durch die Radlast - zugeschlagen werden müs
sen.
Beim Lauf der Räder auf der Schiene wird durch Kaltverformung
ein Druckspannungszustand und durch die Bremswärme ein Zugspan
nungszustand aufgebaut. Der zyklische Wechsel zwischen beiden Zu
ständen bedeutet eine quasi Dauerschwingbeanspruchung in Wärme
und Kälte. Sie kann auf der Lauffläche der Räder zu Wärmewechsel
rissen führen. Da die gebräuchlichen Radwerkstoffe eine geringe
Zähigkeit haben, können diese Risse unter ungünstigen Bedingun
gen zu Ausgangspunkten von Radreifen- oder Radbrüchen werden.
Nutzt man die Radlaufflächen nicht mehr als Bremsflächen für
Bremsklötze, wendet man z. B. die Scheibenbremse an, so ent
fallen diese Erscheinungen. Es bleiben aber die Beanspruchungen
durch Übertragung der Brems- und der Antriebskraft auf die
Schiene. Dabei kommt es zum Schlupf und zum Gleiten in der Rad
aufstandfläche. Unter solchen Einflüssen wandelt sich der Stahl
werkstoff in Teilbereichen der Radlauffläche vom zähen perliti
schen Zustand in einen harten Martensit, den sogenannten Reib
martensit um. Durch den Martensit kommt es zur Ausbildung von
Rissen und schließlich zu großflächigen lokalen Ausbrüchen aus
der Radlauffläche, welche schließlich die Überarbeitung oder den
Ersatz des Rades nötig machen. Besonders markant tritt dieser
Einfluß bei den Antriebsrädern von schweren Lokomotiven in Er
scheinung.
Zusätzlich kann es durch das Zusammenwirken der Radreibung gegen
die Schiene, der Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente sowie
der relativen Beweglichkeit der Fahrgestelle zu einer sogenannten
Polygon-Bildung kommen. Dabei wird die ursprünglich als Kreis
ausgebildete Lauffläche der Räder durch selektive Abtragung bzw.
Verschleiß zu einem Vieleck umgewandelt, wodurch sich die weite
re Verschleißwirkung noch verstärkt. Auch diese Erscheinung führt
neben der Erzeugung eines unangenehmen Geräuschpegels zu Rissen
und schließlich zum Ausfall des Rades.
Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten haben auch die Bremsflächen se
parater, am Rad oder auf der Achse eines Radsatzes befestigter
Bremsscheiben einen überdurchschnittlich hohen Verschleiß.
Um den genannten hohen Zusatzbeanspruchungen an Rädern zu be
gegnen, ist bereits die Verwendung eines an sich bekannten aus
härtenden austenitischen Manganstahls mit über 500 N/mm2 Streck
grenze zumindest für die Scheibe von bereiften Rädern oder von
Rädern an Schienenfahrzeugen vorgeschlagen worden, bei denen die
Radscheibe als Bremsscheibe ausgebildet ist und unmittelbar
durch Reibung gebremst wird (DE-A 24 57 719). Ein solcher Stahl
ist weniger gegen Spannungsrisse empfindlich, wodurch die Stand
zeit der Räder sich entsprechend erhöht. Eine bevorzugte Zusammen
setzung eines solchen Manganstahls ist z. B.: 0,45 bis 0,55 Gew.-%
Kohlenstoff, 0,30 bis 0,80 Gew.-% Silizium, 18 bis 19 Gew.-% Man
gan, 3,5 bis 5,0 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 0,65 Gew.-% Vanadium,
0,08 bis 0,12 Gew.-% Stickstoff, gegebenenfalls bis 0,5 Gew.-%
Nickel und bis 0,3 Gew.-% Molybdän.
Stähle dieser Art werden bei 1000°C einer Lösungsglühung mit
nachfolgender schneller Abkühlung unterworfen, anschließend wird
mit einer weiteren Glühung im Temperaturbereich zwischen 500 und
700°C die Festigkeit und Zähigkeit eingestellt.
Ein Nachteil dieses aushärtenden austenitischen Manganstahls,
welcher letztendlich seine Durchsetzung in der Bahntechnik ver
hindert hat, liegt in der Tatsache begründet, das es auch bei
diesem Stahl auf der Lauffläche der Räder zur Bildung von Reib
martensit kommt, der insbesondere bei Einsatz der Räder als An
triebsräder für schwere Zugmaschinen zu Ausbrüchen auf der Rad
lauffläche und zum Unbrauchbarwerden des Rades führt, unbescha
det der Tatsache, daß ein Rad aus einem solchen Werkstoff beim
Bremsen die in der Radscheibe auftretende Spannungsbeanspruchung
aufnehmen kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Stahls, der bei der
Verwendung für Vollräder, Radreifen oder Radsatzbremsscheiben von
Schienenfahrzeugen nicht zu der unerwünschten Bildung von
Reibmartensit neigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
einen vollaustenitischen Stahl mit (in Masse %)
bis 0,20% C
16 bis 24% Cr
17 bis 20% Mn
0,5 bis 1,3% N
16 bis 24% Cr
17 bis 20% Mn
0,5 bis 1,3% N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
der nach einem Lösungsglühen bei 1000 bis 1150°C und Abkühlung auf
Raumtemperatur eine Mindeststreckgrenze Rp0,2 von 550 N/mm2 und
eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 150 Joule (Iso-V-Probe)
aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Vollrädern, Radreifen
oder Radsatzbremsscheiben von Schienenfahrzeugen zu verwenden.
Gleich bzw. ähnlich zusammengesetzte Stähle gehören zwar zum Stand
der Technik (AT-PS 2 66 900, US-PS 38 20 980, US-PS 39 12 503), jedoch
ist nichts darüber bekannt, mit welcher speziellen Zusammensetzung
innerhalb der bekannten Bereiche man bei Beanspruchung auf
Reibverschleiß die Bildung von Reibmartensit vermeidet.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl ist vollaustenitisch und
behält diesen Gefügezustand bei allen Belastungszuständen bei. Auch
örtliche Umwandlungen des austenitischen Gefügezustandes in ein
martensitisches oder martensitisch/ferritisches Gefüge sind bei
diesem Stahl ausgeschlossen. Für das Nichtauftreten dieser
Umwandlungsvorgänge ist der niedrige Kohlenstoffgehalt des
erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls in Verbindung mit den
vorgesehenen hohen Stickstoffgehalten maßgebend.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl weist den zusätzlichen
Vorteil auf, daß er trotz relativ geringer Ausgangsfestigkeit
beim Einsatz an der Oberfläche stark verfestigt. Trotzdem bleibt
die Zähigkeit, die ja letztendlich auch die Lebensdauer der
Bauteile mit entscheidet, im gewünschten Maß erhalten. Anders als
bei herkömmlichen Stählen fallen die Zähigkeitswerte bei einer
Verfestigung des Stahls nicht in starkem Maße ab.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines vollaustenitischen
Stahls mit in Masse %
bis 0,10% C
17 bis 19% Cr
17 bis 19% Mn
0,5 bis 0,65% N
17 bis 19% Cr
17 bis 19% Mn
0,5 bis 0,65% N
Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Ein Rad aus einem solchen Stahl wurde im Dauereinsatz bei einer
schweren Zugmaschine auf extremen Bergstrecken über längere Zeit
getestet und hat ein den bisher verwendeten Stählen weit
überlegenes Standverhalten gezeigt. Dabei war überraschend, daß
auch das Traktionsverhalten, welches normalerweise gegen den
Einsatz herkömmlicher austenitischer Stähle sprach, voll
ausreichend war.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl kann wahlweise noch bis zu
0,5% V, bis 0,5% Nb, bis 3% Mo, bis weniger als 3% Ni und bis
3% Si enthalten. Vanadium und Niob erhöhen die Feinkörnigkeit
und beeinflussen so die mechanischen Eigenschaften positiv.
Silizium in Mengen bis 3% gelangt bei der üblichen schmelzmetall
urgischen Herstellung zwangsläufig in den Stahl und beeinträchtigt
die mechanischen Eigenschaften nicht wesentlich. Molybdän in einer
Menge bis 3% steigert die Festigkeit, und Nickel als üblicher
Stahlbegleiter kann ebenfalls in Mengen bis weniger als 3%
anwesend sein, ohne die Eigenschaften des Stahls nachteilig
zu beeinflussen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Verwendung eines vollaustenitischen Stahls als Werkstoff zur
Herstellung von Radreifen verschiedener Fahrzeugräder vorgesehen,
wobei die Radreifen nach dem Warmumformen durch eine Kaltaufweitung
verfestigt worden sind. Durch dieses Kaltaufweiten des Radreifens
kann seine Ausgangsfestigkeit erhöht und die Neigung zu seitlichem
Fließen im nur warmumgeformten Zustand verhindert werden.
Anstatt die Bauteile voll aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff
herzustellen, kann es auch sinnvoll sein, nur die unmittelbar der
Verschleißwirkung ausgesetzten Teile aus dem vorgeschlagenen
Werkstoff herzustellen.
Eine erfindungsgemäße Variante der Verwendung des vorgeschlagenen
Stahls besteht deshalb darin, den Stahl zur Herstellung von auf die
Laufflächen von Vollrädern und Radreifen oder die Bremsflächen von
Bremsscheiben aufzubringenden Verschleißschichten zu verwenden.
Eine solche Maßnahme eignet sich insbesondere zur Reparatur von
schadhaften Radreifen. Zu diesem Zweck kann ein schadhaftes Rad in
üblicher Weise durch spanabhebende Bearbeitung wieder zu einer
runden Lauffläche abgetragen werden, wobei in einem weiteren
Arbeitsschritt der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl als
Verschleißschicht aufgetragen wird. Dies kann in bevorzugter Weise
durch den Vorgang des bekannten Plasmaspritzens geschehen, bei dem
eine Schicht von wenigen Millimetern Dicke aufgespritzt wird. Dabei
kann ein Pulver der in den Ansprüchen genannten Grundzusammen
setzung verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, daß der
Spritzvorgang mit einem Gemisch eines ionisierenden Inertgases mit
Stickstoff durchgeführt wird, wodurch einerseits Stickstoffverluste
beim Spritzvorgang verhindert, andererseits sogar ein Stickstoff
zubrand möglich wird, welcher die gewünschte Zusammensetzung der
Verschleißlegierung herbeiführt.
Härtemessungen an den Rädern, die aus dem Stahl mit den Legierungs
bestandteilen gemäß Anspruch 2 hergestellt und im Einsatz auf
Bergstrecken getestet wurden, führten aufgrund von Hochrechnungen
zu Verfestigungswerten der Radlauffläche bis 2000 N/mm2 Zugfestig
keit. Dies ist überraschend und beweist die hervorragende Eignung
des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls insbesondere für schwere
Lokomotiv-Antriebsräder.
In der folgenden Tabelle sind die chemischen Analysen und
zugehörigen Eigenschaften von drei Vollrädern A, B und C im
lösungsgeglühten Zustand und zweier kalt geweiteter Radreifen
D und E mitgeteilt. Wie sich durch Vergleich der mechanischen Werte
ergibt, liegen die Festigkeitswerte nach dem Kaltaufweiten um
ein beträchtliches Maß höher als die der nur lösungsgeglühten
Gegenstände.
Claims (6)
1. Verwendung eines vollaustenitischen Stahls, bestehend aus
den Legierungselementen (in Masse-%)
bis 0,20% C
16 bis 24% Cr
17 bis 20% Mn
0,5 bis 1,3% N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, der nach einem Lösungsglühen bei 1000 bis 1150°C und Abkühlung auf Raumtemperatur eine Mindeststreckgrenze Rp0,2 von 550 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 150 Joule (Iso-V-Probe) aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Vollrädern, Radreifen oder Radsatzbremsscheiben von Schienenfahrzeugen.
bis 0,20% C
16 bis 24% Cr
17 bis 20% Mn
0,5 bis 1,3% N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, der nach einem Lösungsglühen bei 1000 bis 1150°C und Abkühlung auf Raumtemperatur eine Mindeststreckgrenze Rp0,2 von 550 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 150 Joule (Iso-V-Probe) aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Vollrädern, Radreifen oder Radsatzbremsscheiben von Schienenfahrzeugen.
2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 mit den Legierungs
elementen (in Masse-%)
bis 0,10% C
17 bis 19% Cr
17 bis 19% Mn
0,5 bis 0,65% N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.
bis 0,10% C
17 bis 19% Cr
17 bis 19% Mn
0,5 bis 0,65% N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung nach Anspruch 1
oder 2, der zusätzlich noch (in Masse-%)
bis 0,5% V
bis 0,5% Nb
bis 3% Mo
weniger als 3% Ni
bis 3% Si
enthält für den Zweck nach Anspruch 1.
bis 0,5% V
bis 0,5% Nb
bis 3% Mo
weniger als 3% Ni
bis 3% Si
enthält für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3
als Werkstoff zur Herstellung von Radreifen für Schienenfahrzeug
räder, die nach dem Warmumformen durch eine Kaltaufweitung
verfestigt worden sind.
5. Verwendung eines Stahls mit der in einem der Ansprüche 1
bis 3 angegebenen Zusammensetzung als Werkstoff zur Herstellung
von auf die Laufflächen von Vollrädern, Radreifen oder die Brems
flächen von Bremsscheiben aufzubringenden Verschleißschichten.
6. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung
nach einem der Ansprüche 1 bis 3
in Pulverform zum Aufbringen von
Verschleißschichten von wenigen Millimetern
Dicke auf die Laufflächen von Rädern
oder Bremsflächen von Bremsscheiben
durch Plasmaspritzen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19904023462 DE4023462C1 (de) | 1989-10-12 | 1990-07-24 | |
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