DE4444426A1 - Radreifen-Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stahl, der sich als Werkstoff für Eisenbahnräder, -radscheiben, -radreifen und sonstige Gegenstände eignet, die einer mechanischen und dynamischen Abrollbeanspruchung unter­ liegen und im folgenden als Radreifen bezeichnet wer­ den.

Radreifen-Stähle unterliegen an und unter ihren Lauf- und Reibflächen unter dem Einfluß des Wagengewichts sowie der Brems- und Beschleunigungskräfte einer hohen statischen und dynamischen Beanspruchung. Hinzu kommt eine - insbesondere bei klotzgebremsten Eisenbahnrä­ dern - erhebliche Wärmebelastung, die je nach der ent­ stehenden Reibwärme beim Bremsen und Anfahren zu Gefü­ geumwandlungen mit einer Laufflächenaufhärtung infolge Martensitbildung in der erhitzten Laufflächenzone füh­ ren kann. Infolge der ständigen hohen Wälz- und Schlag­ beanspruchung kommt es daher bei Eisenbahnrädern häufig zu Rißbildungen und Abblätterungen.

Diese Gefahr ist bei Werkstoffinhomogenitäten, insbe­ sondere bei oxidischen Einschlüssen besonders groß. Von derartigen Einschlüssen geht ein erheblicher, das Entstehen von Rissen und die Rißausbreitung fördernder schädlicher Einfluß aus. Bei diesen Einschlüssen han­ delt es sich üblicherweise um Tonerderückstände aus einer Aluminium-Desoxidation, die einer Verminderung des Sauerstoffgehalts unter 10^-3% dient und darauf ab­ zielt, das Entstehen von CO-Randblasen beim Erstarren des Stahls zu vermeiden. Derartige Randblasen führen bei der Weiterverarbeitung ihrerseits zu Oberflächen­ fehlern, die bei Radreifen als Laufflächenfehler in Erscheinung treten. Ein weiterer Vorteil der Aluminium-Desoxidation ergibt sich aus dem stabilen Abbinden des im flüssigen Stahl gelösten Stickstoffs zu Alu­ miniumnitrid und der daraus resultierenden Alterungs­ beständigkeit sowie der Unterdrückung einer Kornver­ gröberung bei einer etwaigen Wärmebehandlung oder auch unter dem Einfluß einer lokalen Beanspruchung durch Reibwärme beim Bremsen und Anfahren.

Übliche Radreifen-Stähle enthalten daher neben etwa 0,2 bis 0,7% Kohlenstoff normalerweise 0,009 bis 0,063% Aluminium.

Die erwähnten Risse, die häufig ursächlich für Ermü­ dungsschäden und -brüche sind, entstehen des weiteren als Folge einer Thermoschockbeanspruchung infolge Schlupfs beim Anfahren und Bremsen oder auch durch eine lokale Überschreitung der Dauerschwingfestigkeit im Bereich hoher Schlag- und Schubbeanspruchungen an und unter der Lauffläche.

Um die mechanischen Eigenschaften wie hoher Verschleiß­ widerstand, Widerstand gegen Ermüdungsrisse, Spröd­ bruchsicherheit, Dauerschwingfestigkeit und Thermo­ schockbeständigkeit zu verbessern, enthalten Radreifen-Stähle vielfach noch Legierungselemente wie bis 0,8% Kohlenstoff, bis 1,0% Chrom, bis 0,20% Molybdän und bis 0,20% Vanadium. Auf diese Weise lassen sich zwar ein­ zelne Werkstoffeigenschaften verbessern, nicht jedoch die Laufflächenschäden vermeiden, für die Tonerdeein­ schlüsse aus der Aluminium-Desoxidation ursächlich sind.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Stahl zu schaffen, der einen höheren Reinheitsgrad als herkömmliche Radreifen-Stähle besitzt und daher weniger empfindlich gegen Ermüdungsrisse ist.

Die Lösung dieses Problems basiert auf dem Gedanken, auf die herkömmliche Aluminium-Desoxidation zu verzich­ ten und den Stahl, vorzugsweise einen stranggegossenen Stahl, statt dessen im Vakuum über eine CO-Bildung zu desoxidieren, um so den Sauerstoffgehalt auf höchstens 0,0015%, vorzugsweise höchstens 0,0010% zu verringern. Dabei sollte der Aluminiumgehalt 0,003%, vorzugsweise 0,002% nicht übersteigen und der Stahl im Längsschliff senkrecht zur Lauffläche nach DIN 50 602 K-Werte von höchstens 1, vorzugsweise von 0 besitzen.

Der erfindungsgemäß tonerdefreie, im Vakuum desoxi­ dierte Stahl enthält 0,4 bis 0,7% Kohlenstoff, 0,20 bis 0,50% Silizium, 0,60 bis 1,30% Mangan, bis 0,30% Chrom, höchstens 0,025% Phosphor und höchstens 0,025% Schwefel; er ist vorzugsweise titanfrei, da das Titan unerwünschte scharfkantige Karbonnitride bildet, die zu Ermüdungsschäden führen können.

Der erfindungsgemäße tonerdefreie Radreifen-Stahl kann jedoch auch 0,60 bis 0,80% Kohlenstoff, 0,50 bis 1,20% Silizium, 0,80 bis 1,30% Mangan, höchstens 0,025% Phos­ phor und 0,40 bis 1,50% Chrom oder auch bis 0,08% Molybdän und/oder Vanadium enthalten.

Die Zusammensetzung des Stahles kann über die genannten Legierungsgehalte hinaus verändert werden, um besondere Eigenschaften einzustellen wie z. B. eine erhöhte Ac1- oder Martensittemperatur, eine erhöhte Rißzähigkeit und eine verminderte Rißfortschrittsgeschwindigkeit oder um bestimmte Gefügezustände nach Normalgleichung oder Ver­ gütung zu erreichen. Die tonerdefreie Desoxidation wird davon nicht betroffen.

All diese Stähle eignen sich im vakuumbehandelten Zu­ stand als Werkstoff für rollendes Eisenbahnzeug wie Rä­ der, Radreifen und -scheiben. Die jeweilige Stahlzusam­ mensetzung muß auf die jeweilige Zielgröße abgestimmt sein, wie es z. B. die UIC-Normen 810-1 und 812-3 für Radreifen und Vollräder vorgeben (vgl. Tabelle 24.3).

Der erfindungsgemäße Radreifen-Stahl besitzt die Ver­ schleißfestigkeit herkömmlicher Stähle und aufgrund seiner Reinheit eine hohe Beständigkeit gegen Ermü­ dungsrisse. Dies zeigen Biegewechselversuche, die unter Verwendung von drei Stählen entsprechend Tabelle 1, Rest Eisen, an Proben durchgeführt wurden, deren Lage und Beschaffenheit sich aus der Zeichnung ergibt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Die Probenlage in einem Radlängsschnitt und

Fig. 2 im Radquerschnitt nach der Linie I-I in Fig. 1 sowie

Fig. 3 die Probenform.

Tabelle I

Die Daten der einzelnen Versuche einschließlich des oxidischen Reinheitsgrades K2 von Längsproben sind in der Tabelle zusammengestellt; sie belegen eine deutli­ che Steigerung der Biegewechselfestigkeit der erfin­ dungsgemäßen Stähle 4 und 5 im Vergleich zu den her­ kömmlichen Stählen 1 bis 3 um etwa 15 bis 22%. Um bei herkömmlichen Stählen eine derartige Steigerung der Biegewechselfestigkeit zu erreichen, müßte - durch le­ gierungstechnische Maßnahmen - deren Zugfestigkeit um etwa 18% erhöht werden. Das wäre jedoch mit einem er­ heblichen Verlust an Zähigkeit und Thermoschockbestän­ digkeit verbunden, da sich eine Erhöhung der Zugfestig­ keit nur auf Kosten der Zähigkeit und der Thermo­ schockbeständigkeit erreichen läßt.

Bei den erfindungsgemäßen Stählen folgt die höhere Bie­ gewechselfestigkeit als Indikator für die Beständigkeit gegen Ermüdungsrisse jedoch aus dem weitestgehenden Fehlen von Tonerdeeinschlüssen und der mit ihnen ver­ bundenen Kerbwirkung sowie den sie umgebenden Zugspan­ nungsfeldern, die aus der Abkühlung von Umform- und Wärmebehandlungstemperaturen resultieren.

Weniger schädlich sind hingegen Silikate und Sulfide aufgrund ihrer geringeren Kerbwirkung; sie sind wegen ihrer größeren Plastizität und ihrer größeren Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten auch nicht von Eigenspannungsfel­ dern umgeben.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Stahls als Radreifenwerkstoff fallen die ansonsten mit Tonerdeein­ schlüssen verbundenen Spannungsspitzen fort, die auf­ grund der aus der Rollbeanspruchung resultierenden Schubspannungen an und unter der Lauffläche Ausgangs­ stellen für Ermüdungsrisse sind.

Da die Aluminium-Desoxidation erfindungsgemäß entfällt, kann es sich empfehlen, zur Verbesserung der Alterungs­ beständigkeit und zur Verhinderung eines wärmebedingten Kornwachstums Stähle mit 0,02 bis 0,05% Niob und/oder 0,02 bis 0,1% Vanadium zu verwenden.

Claims (6)

1. Stahl für Eisenbahnräder und Radreifen sowie dyna­ misch rollbeanspruchte Gegenstände mit bis 0,8% Kohlenstoff, mindestens 0,2% Silizium, mindestens 0,5% Mangan, unter 0,003% Aluminium sowie einem durch Vakuumentgasen auf höchstens 0,0015% einge­ stellten Sauerstoffgehalt.

2. Stahl nach Anspruch 1 mit 0,4 bis 0,70% Kohlen­ stoff, 0,20 bis 0,50% Silizium, 0,70 bis 1,20% Man­ gan und höchstens 0,025% Phosphor, 0,30% Chrom, 0,30% Kupfer, 0,08% Molybdän, 0,30% Nickel, 0,05% Vanadium, Rest Eisen einschließlich erschmelzungs­ bedingter Verunreinigungen.

3. Stahl nach Anspruch 1 mit 0,4 bis 0,70% Kohlen­ stoff, 0,20 bis 0,50% Silizium, 0,60 bis 0,90% Man­ gan und höchstens 0,025% Phosphor, Rest Eisen ein­ schließlich verschmelzungsbedingter Verunreinigun­ gen.

4. Stahl nach Anspruch 1 mit 0,20 bis 0,80% Kohlen­ stoff, 0,20 bis 1,20% Silizium, 0,60 bis 1,30% Man­ gan, höchstens 0,025% Phosphor und 0,70 bis 1,20% Chrom, bis 0,40% Molybdän, bis 0,25% Vanadium, bis 0,003% Bor, Rest Eisen einschließlich erschmel­ zungsbedingter Verunreinigungen.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit 0,02 bis 0,05% Niob und/oder 0,05 bis 0,1% Vanadium.

6. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff für Eisenbahnräder, Radreifen und dynamisch rollbeanspruchte Gegenstände.