DE60208099T2 - Eisenbahnradlegierung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung stellt eine Eisenbahnrad-Legierung und insbesondere eine Eisenbahnrad-Legierung, die besonders zur Verwendung bei der Herstellung von Gussstahl-Eisenbahnrädern geeignet ist, bereit.
• Bei der Herstellung von Gussstahl-Eisenbahnrädern ist es wünschenswert, eine Stahllegierung zu verwenden, die gehärtet werden kann, um eine ausreichende Abnutzungsbeständigkeit und gleichzeitig ausreichende Beständigkeit gegenüber thermischer Rissbildung zu ermöglichen. Die mechanische Festigkeit von Stahl kann durch das Hinzufügen von Legierungselementen wie beispielsweise Chrom, Mangan und Molybdän verbessert werden. Solche Zusätze müssen jedoch sorgfältig ausgewählt werden, um sowohl eine Erhöhung der Kosten zu minimieren als auch die mögliche Verminderung der verbesserten Eigenschaften, die durch wünschenswerte Mengen solcher Legierungen hinzugefügt werden, abzuwägen.
• Dokument JP-A-58 161 749 offenbart einen Stahl für feste Räder, der in Gew.-% C 0,57–0,75 %, Mn 0,60–0,90 %, Si 0,15–0,35 %, P max. 0,035 %, S max. 0,035 %, Cr 0,15–0,25 %, Mo ≥ 0,15 % und im Übrigen Eisen enthält.
• Thermisch-mechanisches Schälen und Abplatzen sind die beiden überwiegenden Ursachen für eine Beschädigung der Lauffläche, die bei Eisenbahnrädern im Betrieb auftritt. Diese Beschädigung der Lauffläche führt dazu, dass erhebliche Mengen der Räder vorzeitig aus dem Betrieb genommen werden. Das Phänomen des thermisch-mechanischen Schälens triff im Allgemeinen besonders beim Schwerlasttransportbetrieb von Kohle, Erz und Getreide auf, wo die Umgebung zu dieser Art von Störungen beiträgt. Die beitragenden Faktoren, die mit diesen Betriebsarten in Zusammenhang stehen, beinhalten hohe Normalkräfte wenn die Eisenbahnwagen beladen werden, steilen und langen Steigungen in Bergregionen ausgesetzt sind. Die Normalkräfte der Beladung von Eisenbahnwaggons liegen für die Schienenwege idealerweise beim zulässigen Maximum für die Konstruktion der Räder. Beim Abplatzen spielt die Phasenmwandlung des Materials der Laufflächenoberfläche in die spröde Martensit-Phase eine Rolle. Diese Materialumwandlung wird durch das Gleiten des Rades auf der Schiene hervorgerufen. Die vorliegende Entwicklung einer Legierung zielt darauf hin, die Schäden, die durch thermisch-mechanische Abnutzung oder Gleiten des Rades auf den Schienen hervorgerufen werden, zu verringern oder zu verhindern.
• Drei Komponenten des thermisch-mechanischen Schälens sind gemeinsam dafür verantwortlich, dass die Schädigung der Lauffläche auftritt. Der mechanische Anteil des Vorgangs ist eine Rollkontaktermüdung. Das Rollen des Rades verursacht die zyklischen Belastungen, so dass fortschreitende Störungen auftreten. Die thermische Komponente, welche durch den Bremswiderstand eingebracht wird, bringt nicht nur thermische Belastungen in dem Rad mit sich, sondern verringert außerdem die Fähigkeit des Materials, einer mechanischen Belastung zu widerstehen aufgrund der bei erhöhter Temperatur verringerten Materialfestigkeit. Die letzte Komponente dieser fortschreitenden Störung ist die Zeit-bei-Temperatur. Je länger das Rad einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, umso größer die Anzahl an Lastzyklen, die benötigt werden, um die Risse zu bilden und zu vergrößern.
• Selbstverständlich kann die wünschenswerte Legierung der vorliegenden Erfindung nicht nur in Gussstahl-Eisenbahnrädern, sondern auch bei anderen Herstellungsformen von Eisenbahnrädern, einschließlich Schmieden, eingesetzt werden.
• Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Legierung bereitzustellen, die insbesondere für die Herstellung von Eisenbahnrädern geeignet ist.
• Es ist außerdem ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Legierung bereitzustellen, die insbesondere geeignet ist für die Herstellung von Gussstahl-Eisenbahnrädern mit verbesserter Härte und entsprechend verbesserter Abnutzungsbeständigkeit sowie Beständigkeit gegenüber thermischer Rissbildung.
• Die Erfindung stellt Eisenbahnradlegierungen bereit, welche in Gewichtsprozent Kohlenstoff 0,67–0,77, Mangan 0,70–0,85, Silizium 0,65–0,85, Phosphor weniger als 0,05, Schwefel weniger als 0,05, Chrom 0,14–0,25, Molybdän 0,08–0,14 und als restlichen Anteil Eisen und beiläufige Verunreinigungen umfassen.
• Die Erfindung stellt außerdem ein Eisenbahnrad bereit, welches die Legierung der vorliegenden Erfindung umfasst und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Eisenbahnrades, in welchem die Legierung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
• Bei der beanspruchten Legierung handelt es sich um eine Chrom-Silizium-Molybdän-Legierung, die auf die Beeinträchtigungen des thermisch-mechanischen Schälens gerichtet ist. Diese Legierung hat sich beim firmeneigenen Schwerlasttransportbetrieb als sehr vielversprechend erwiesen. Molybdän und Chrom verbessern die Hochtemperatureigenschaften des Stahls. Diese verbesserten Hochtemperatureigenschaften erhöhen die Minimaltemperatur bei der sich Ermüdungsrisse bilden und daher verringert sich die Zeit, bei der sich das Material der Lauffläche oberhalb der kritischen Temperatur befindet. Indem diese beiden Komponenten der Ermüdung und der Zeit-bei-Temperatur verringert werden, werden weniger Risse auftreten und in der Lauffläche fortschreiten. Alle drei Legierungselemente erhöhen die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Stahls. Dadurch wird die anschließende Ausdehnung jeglicher Risse, die sich bei erhöhter Temperatur bilden, verringert, während das Rad unter normalen Betriebsbedingungen rollt. Ein zusätzlicher Vorteil der Molybdän- und Chromlegierungen ist eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit, wodurch sich die normale Betriebsdauer des Rades verlängert.
• Rostfraß hängt mit dem Gleiten des Rades auf der Schiene zusammen. Das Material im Kontaktbereich wird durch die Gleitreibung über die Umwandlungstemperaturen, ungefähr 872 °C (1.600 °F) erwärmt und wird anschließend rasch durch die Masse des Rades abgeschreckt, wenn das Rad anhält oder rotiert. Der gebildete Martensit ist spröde und reisst unter den anschließenden normalen Rolllasten. Diese Rissbildung führt zu Rostfraß der Lauffläche, der auch als Abplatzen bezeichnet wird.
• Es ist eine Reihe von Legierungen entwickelt worden als Versuch, Laufflächenschädigung durch Abplatzen zu verringern. Bei den Legierungen handelt es sich um Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt, wobei Legierungszusätze hinzugefügt werden, um die Materialeigenschaften aufrecht zu erhalten; siehe beigefügte Tabelle der chemischen Zusammensetzungen. Dieser Ansatz hinsichtlich des Problems des Abplatzens verringert oder verhindert nicht die Bildung von Martensit, sondern verbessert stattdessen die Eigenschaften des Martensits und verringert die Disparität der Eigenschaften zwischen dem Martensit und dem Stahlgrundstoff. Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist weniger hart, weniger spröde und wird erst bei einer höheren Temperatur gebildet und sollte den mit dem Abblättervorgang verbundenen Rostfraß hemmen oder vermindern. Die Erniedrigung des Kohlenstoffgehalts führt zu einer entscheidenden Verrminderung der Materialfestigkeit und der Abnutzungseigenschaften. Um diesen Verminderungen entgegen zu wirken werden Nickel, Chrom und Molybdän hinzugefügt. Diese Legierungszusätze ergeben dieselben Vorteile wie oben wiedergegeben.
• Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung werden nun als Beispiele beschrieben.
• Eisenbahnräder mit einer Legierung wie in den folgenden Beispielen 1–5 dargestellt wurden gegossen und verschiedenen Feldversuchen zur Funktionsprüfung unterzogen.
• Beispiel 1
• Eisenbahnräder wurden mit der wie folgt zusammengesetzten Legierung gegossen, in Gewichtsprozent: Kohlenstoff 0,67–0,70, Mangan 0,70–0,85, Silizium 0,65–0,85, Phosphor weniger als 0,025, Schwefel weniger als 0,025, Chrom 0,18–0,25 und Molybdän 0,08–0,12.
• Beispiel 2 – Nicht Gegenstand der Ansprüche
• Eisenbahnräder wurden mit der wie folgt zusammengesetzten Legierung gegossen, in Gewichtsprozent: Kohlenstoff 0,67–0,77, Mangan 0,60–0,85, Silizium 0,36–0,60, Phosphor weniger als 0,035, Schwefel weniger als 0,035, Nickel 0,40–0,60 und Molybdän 0,25–0,40.
• Beispiel 3 – Nicht Gegenstand der Ansprüche
• Eisenbahnräder wurden mit der wie folgt zusammengesetzten Legierung gegossen, in Gewichtsprozent: Kohlenstoff 0,16–0,25, Mangan 0,90–1,10, Silizium 0,50–0,70, Phosphor weniger als 0,035, Schwefel weniger als 0,035, Nickel 1,0–1,5, Molybdän 0,40–0,60, Chrom 0,40–0,60.
• Beispiel 4 – Nicht Gegenstand der Ansprüche
• Eisenbahnräder wurden mit der wie folgt zusammengesetzten Legierung gegossen, in Gewichtsprozent: Kohlenstoff 0,26–0,35, Mangan 0,90–1,10, Silizium 0,50–0,70, Phosphor weniger als 0,035, Schwefel weniger als 0,035, Nickel 1,0–1,5, Molybdän 0,40–0,60, Chrom 0,40–0,60.
• Beispiel 5 – Nicht Gegenstand der Ansprüche
• Eisenbahnräder wurden mit der wie folgt zusammengesetzten Legierung gegossen, in Gewichtsprozent: Kohlenstoff 0,36–0,45, Mangan 0,90–1,10, Silizium 0,50–0,70, Phosphor weniger als 0,035, Schwefel weniger als 0,035, Nickel 1,0–1,5, Molybdän 0,40–0,60, Chrom 0,40–0,60.
• Die Räder wurden anstrengenden Funktionsprüfungen unterzogen, wobei zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden.
• Tatsächlich wurden im Vergleich zu einer Kontrollgruppe von Rädern, die aus einer normalen Stahllegierung mit den folgenden Gewichtsprozenten zusammengesetzt waren: Kohlenstoff 0,67–0,77, Mangan 0,60–0,85, Silizium mehr als 0,15, Phosphor weniger als 0,05, Schwefel weniger als 0,05, sowie nur Spurenmengen an Chrom und Molybdän, die folgenden Leistungsmerkmale ermittelt: Nach etwa 442 570 km (275 000 Meilen) im herkömmlichen Güterwaggon-Betrieb wurden 50 % der Räder mit einer Zusammensetzung der Kontrollgruppe aufgrund von Schälen entfernt, während nur 15 % der bevorzugten Legierungen der vorliegenden Erfindung aus dem Betrieb genommen wurden.
• Aufgrund dieser Ergebnisse der Feldversuche und unterstützender Labortests sind die erfindungsgemäßen Legierungen beständiger gegenüber einem Schälzustand der Lauffläche als normaler Stahl vom Kohlenstofftyp. Tatsächlich ist erkennbar, dass die Laufleistung der erfindungsgemäßen Gussstahlräder bei einem normalen Güterwaggon-Betrieb an 643 738 km (400 000 Meilen) heranreicht.

Claims (3)

1. Eisenbahn-Stahllegierung, welche, ausgedrückt in Gewichtsprozent, 0,67–0,77 Kohlenstoff, 0,70–0,85 Mangan, 0,65–0,85 Silizium, weniger als 0,05 Phosphor, weniger als 0,05 Schwefel, 0,14–0,25 Chrom, 0,08–0,14 Molybdän umfasst, wobei der Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen ist.
2. Eisenbahnrad, das aus einer Legierung nach Anspruch 1 gebildet ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Eisenbahnrades, welches die Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 umfasst.