EP1476586B1

EP1476586B1 - Stahl, vollrad und radreifen für schienenfahrzeuge und verfahren zur herstellung derartiger bauelemente

Info

Publication number: EP1476586B1
Application number: EP03706505A
Authority: EP
Inventors: Ingo Poschmann; Cornelia Heermant
Original assignee: Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH
Current assignee: Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: AU2003208852A1; WO2003070995A1; UA80110C2; DE50300911D1; DE10208186A1; DE10208186C2; ES2247519T3; EP1476586A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Stahl zur Herstellung von im Einsatz rollend belasteten Bauelementen für Schienenfahrzeuge, wie Vollräder, Radreifen oder Wellen oder dergleichen, aus einem solchen Stahl hergestellte Vollräder und Radreifen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Räder für Schienenfahrzeuge können aus Vollmaterial oder als gebaute Räder hergestellt sein, bei denen ein Radreifen auf eine Felge aufgezogen ist. Unabhängig davon, ob es sich um ein Vollrad oder ein gebautes Rad handelt, unterliegen Schienenräder im Fahrbetrieb im Bereich ihrer mit der Schiene in Kontakt kommenden Laufflächen erheblichen Belastungen. Diese Belastungen werden durch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des Bahnbetriebs erhöhte Achslasten, höhere Durchschnittsgeschwindigkeiten und ebenso erhöhte Beschleunigungs- und Bremskräfte gesteigert.

Als Werkstoff für die Vollräder und die Radreifen gebauter Räder werden üblicherweise unlegierte oder niedrig legierte Kohlenstoffstähle eingesetzt, wie sie beispielsweise in der DIN EN 13262 vorgegeben sind. Diese Stähle weisen Kohlenstoffgehalte von maximal 0,48 Gew.-% (Stahl ER6), 0,52 Gew.-% (Stahl ER7), 0,56 Gew.-% (Stahl ER8), 0,60 Gew.-% (Stahl ER9) auf. Gleichzeitig enthalten sie jeweils 0,40 Gew.-% Si, 0,75 Gew.-% (Stahl ER6) bzw. 0,80 Gew.-% (Stähle ER7, ER8, ER9) Mn, jeweils maximal 0,30 Gew.-% Cr, Cu und Ni, 0,06 Gew.-% V sowie maximal 0,08 % Gew.-% Mo auf, wobei die Summe der Gehalte an Cr, Mn und Ni höchstens 0,5 Gew.-% betragen soll.

Bei dieser Zusammensetzung müssen für den Stahl ER6 Mindestdehngrenzen R_p0,2 von 500 N/mm², den Stahl ER7 von 520 N/mm², den Stahl ER8 von 540 N/mm² und den Stahl ER9 von 580 N/mm² garantiert werden. Die durchschnittlichen Zugfestigkeiten R_m liegen für die Stähle ER6, ER7, ER8 bzw. ER9 bei 780/900 N/mm², bei 820/900 N/mm², bei 860/980 N/mm² bzw. bei 900/1050 N/mm².

Im System Rad-Schiene unterliegen die Werkstoffe komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen, die als konstante oder wechselnde Belastungen auftreten können. Entscheidenden Einfluss auf das Niveau, bis zu dem das jeweils verwendete Material bzw. das daraus hergestellte Bauteil die jeweils wirksamen Beanspruchungen ertragen kann, haben dabei die Festigkeit, insbesondere die Warmfestigkeit, die Dauer- und Zeitfestigkeit, das Rissinitiierungs- und Risswachstumsverhalten, die Bruchzähigkeit, das thermische Ermüdungsverhalten, insbesondere das Thermoschockverhalten sowie das Verschleißverhalten, welches sich insbesondere in der Resistenz gegen Rollkontaktermüdung und adhäsiven/tribochemischen sowie abrasiven Verschleiß äußert.

Um den sich in der Praxis stellenden Belastungen gerecht zu werden, werden die aus den bekannten Stählen hergestellten Räder oder Radreifen im allgemeinen radkranzgehärtet oder, im Fall der Herstellung von Radreifen, vollständig in ein flüssiges Medium getaucht. Dazu werden die auf Härtetemperatur erwärmten Räder bzw. Radreifen im Bereich ihrer Lauffläche gezielt mit Wasser besprüht. Durch die so erzwungene Abkühlung werden die relativ hohen Festigkeiten erzielt. Gleichzeitig wird durch die gezielte Abschreckung ein definierter Eigenspannungszustand in dem jeweiligen Werkstück eingestellt.

Aufgrund der immer höher werdenden Belastungen entsteht die Gefahr, dass die Grenzen der Belastbarkeit der aus den bekannten Stählen hergestellten Schienenräder erreicht werden. So zeigt sich schon heute, dass das Betriebsverhalten der konventionell erzeugten Schienenräder bzw. -reifen den seitens der Betreiber in Zukunft bezüglich der Laufleistungen gestellten Anforderungen nicht mehr gewachsen sein wird.

Es ist versucht worden, die Verschleißeigenschaften von Schienenrädern und für Schienenräder bestimmten Radreifen dadurch zu verbessern, dass ein Wälzlagerstahl zu ihrer Herstellung verwendet wird (DE 198 37 311 C2). Der bekannte Wälzlagerstahl soll (in Gew.-%) 0,45 bis 0,55 % C, 1,2 bis 1,3 % Si, 0,6 bis 0,7 % Mn, weniger als 0,5 % Cr, weniger als 0,15 % Cu, 0,3 bis 0,4 % Mo, weniger als 0,2 % Ni und 0,11 bis 0,16 % V enthalten. Dabei muss das Verhältnis von Si/Mn 1,8 bis 2,2 und das Verhältnis V:MO:CR:MO 1 : 1,8 bis 2,4 : 3,2 bis 3,8 : 4,2 bis 4,8 betragen, um den gewünscht hohen Verschleißwiderstand bei gleichzeitig hoher Warmfestigkeit zu erhalten.

Ein nach Art des bekannten Stahles niedriglegierter bzw. unlegierter Stahl besitzt, wenn er konventionell verarbeitet wird und die in der DE 198 37 311 C2 angegebenen mechanischen Kennwerte aufweist, ein Vergütungsgefüge. Ein solches Nicht-Gleichgewichtsgefüge erweist sich bei einer schnellen Erwärmung über die Umwandlungstemperatur hinaus als umwandlungsfreudiger als gleichgewichtsnahe Gefüge.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, einen Stahlwerkstoff zu schaffen, der den sich in der Praxis stellenden hohen Anforderungen auch bei hoher thermischer Belastung gerecht wird. Darüber hinaus sollte ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich aus erfindungsgemäßen Stählen Schienenräder und vergleichbar belastete Bauelemente herstellen lassen, die eine für die in der Praxis auftretenden Belastungen optimale Eigenschaftsverteilung besitzen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik in Bezug auf den Werkstoff durch einen Stahl für die Herstellung von Vollrädern, Radreifen, Wellen oder vergleichbar rollend belasteten Bauelementen für Schienenfahrzeuge mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) gelöst:

C	0,33 - 0,49 %,
Si	0,85 - 1,00 %,
Mn	0,25 - 0,40 %,
Cr	0,85 - 1,00 %,
Mo	0,10 - 0,20 %,
Cu	≤ 0,10 %,
Ni	≤ 0,10 %,
P	≤ 0,009 %,
S	≤ 0,005 %

sowie wahlweise eines oder mehrere Legierungselemente aus der folgenden Gruppe

V	0,06 - 0,10 %,
Nb	0,010 - 0,015 %,
B	0,0015 - 0,0030 %,
Ti	≤ 0,01 %,
Al	0,010 - 0,015 %,
N	0,005 - 0,010 %,

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Die im erfindungsgemäßen Stahl enthaltenen Legierungselemente sind so gewählt, dass er bei Anwendung einer geeigneten Wärmebehandlung eine ferritischperlitische Gefügeausprägung besitzt. Dieses Gefüge zeichnet sich durch eine besonders gute Resistenz gegen Verschleiß aus und besitzt eine thermodynamische Stabilität, die höher ist als bei den im Stand der Technik vorzufindenden bainitischen oder martensitischen Gefügen. Auf diese Weise ist erfindungsgemäß zusammengesetzter Stahl in der Lage, auf kurzzeitige Überschreitungen der Umwandlungstemperatur umwandlungsträger zu reagieren als ein Stahl mit Vergütungsgefüge. In gleicher Weise erweist sich erfindungsgemäßer Stahl als umwandlungsträger als die bekannten Stähle ER6 bis ER9, so dass die Gefahr einer infolge einer kurzzeitigen Erhitzung auf hohe Temperaturen nachhaltigen, Verschlechterung der Materialeigenschaften mit sich bringenden Gefügeumwandlung bei erfindungsgemäßem Stahl auch gegenüber diesen bekannten, einen deutlich höheren C-Gehalt besitzenden Stählen wesentlich vermindert ist. Erfindungsgemäßer Stahl eignet sich daher insbesondere für die Herstellung solcher Bauelemente, die im Betrieb extrem hohen, sich über jeweils ein längeres Zeitintervall erstreckenden Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise im Schwerlastbetrieb, bei einer Klotzbremsung aus hoher Geschwindigkeit oder bei Schlupf zwischen Rad und Schiene im Bereich der Lauffläche auftreten.

Um das gewünscht träge Umwandlungsverhalten zu erreichen, besitzt erfindungsgemäßer Stahl einen gegenüber herkömmlicherweise für die Herstellung von im Betrieb rollend belasteten Bauelementen verwendeten Stählen deutlich herabgesetzten Kohlenstoffgehalt. Ebenso ist der Mangan-Gehalt gegenüber herkömmlichen Stählen reduziert worden. Beide Maßnahmen dienen dazu, die bei Erwärmung über Umwandlungstemperatur andernfalls einsetzende Bildung von Austenit zu verzögern. Besonders wirkungsvoll und sicher lässt sich dies erreichen, wenn Gehalte an Kohlenstoff im Bereich von 0,37 Gew.-% bis 0,41 Gew.-% gewählt werden. Ebenso der erhöhten Sicherheit der Vermeidung von Austenitbildung zuträglich ist es, wenn die Mn-Gehalte in erfindungsgemäßem Stahl auf 0,30 Gew.-% bis 0,40 Gew.-% beschränkt sind.

Trotz der herabgesetzten Gehalte an C und Mn besitzt erfindungsgemäßer Stahl mechanische Eigenschaften, die denen der bekannten, für die Herstellung von Schienenrädern eingesetzten Stählen ER7, ER8 und ER9 entsprechen oder diese übertreffen. So werden bei erfindungsgemäßem Stahl Zugfestigkeiten, die im Bereich von 700 MPa bis 950 MPa liegen, bei einer Streck- bzw. Dehngrenze, die im Bereich von 475 MPa bis 625 MPa liegt, einer Bruchdehnung, die 27 % bis 17 % beträgt, einer Brucheinschnürung, die 60 % bis 50 % beträgt, und einer Kerbschlagarbeit KU erreicht, die 40 J bis 20 J beträgt (Kerbschlagarbeit KU ermittelt bei Raumtemperatur an Proben, die mit einer U-Kerbe versehen sind).

Um dies zu gewährleisten, enthält erfindungsgemäßer Stahl einen gegenüber den konventionellen Stählen höheren Si-Gehalt. Dieser ist so auf den Mangan-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahls abgestimmt, dass sich eine Verfestigung der Ferritphase des perlitisch-ferritischen Gefüges durch Mischkristallverfestigung einstellt. Martensit, der sich trotz der bei erfindungsgemäßer Zusammensetzung eintretenden Stabilisierung des Ferrits bilden kann, ist weniger spröde und ist daher der Verschleißbeständigkeit erfindungsgemäßen Stahls weniger abträglich. Die gewünscht stabilisierende Wirkung von Silizium in erfindungsgemäßem Stahl lässt sich besonders sicher dann erzielen, wenn der Gehalt an Si 0,90 Gew.-% bis 1,00 Gew.-% beträgt, wobei es insbesondere günstig ist, wenn diese Gehalte mit den schon erwähnten bevorzugten Gehalten an Mn kombiniert werden.

Mit den Zugaben an Chrom und Molybdän wird in erfindungsgemäßem Stahl der Festigkeitsverlust ausgeglichen, den die Verminderung des Kohlenstoffgehaltes andernfalls mit sich bringen würde. Insbesondere Chrom als Sonderkarbidbildner und Mischkristallhärter wirkt sich festigkeitssteigernd aus. Dem gleichen Zweck dienen die erfindungsgemäß vorgesehenen Gehalte an Molybdän, die im Hinblick auf die Durchhärtung günstige feine Ausscheidungen bilden. Neben ihren vorteilhaften Auswirkungen auf die Festigkeit des erfindungsgemäßen Stahls steigern Cr und Mo im erfindungsgemäßen Stahl die Warmfestigkeit. Im Ergebnis garantieren sie so eine erhöhte Zeitstandfestigkeit, die erfindungsgemäßen Stahl insbesondere für den Einsatz im Schwerlastbetrieb geeignet macht. Dabei liegen die Gehalte an diesen beiden Legierungselementen bevorzugt im Bereich von 0,90 Gew.-% bis 1,00 Gew.-% Cr und 0,15 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% Mo.

Die Obergrenzen, innerhalb der die Eisenbegleitelemente P und S in erfindungsgemäßem Stahl noch ertragen werden, sind möglichst niedrig, um die Entstehung von Sulfiden und anderen unerwünschten Ausscheidungen weitgehend auszuschließen. Bevorzugt ist der Gehalt an P auf maximal 0,007 Gew.-% und der an S auf maximal 0,003 Gew.-% beschränkt.

Um Versprödungen infolge der Anwesenheit von Wasserstoff zu vermeiden und die Entstehung von Oxiden zu unterdrücken, ist es darüber hinaus günstig, die Gehalte an H und O in erfindungsgemäßem Stahl so gering wie möglich zu halten. Bevorzugt ist daher der Gehalt an H auf höchstens 2,0 ppm, insbesondere höchstens 1,6 ppm, und der an O auf höchstens 40 ppm beschränkt.

Zur Steigerung der Festigkeit kann erfindungsgemäßer Stahl weitere Elemente wie V, Nb, B, Ti oder Al enthalten. Dabei sind abhängig vom jeweils eingesetzten Legierungselement ausreichende Mengen an N zuzugeben, um die jeweils gewünschten festigkeitssteigernden Ausscheidungen zu erzeugen. Es ist sowohl eine einzelne als auch eine kombinierte Zugabe dieser Elemente zu erfindungsgemäßem Stahl möglich, wobei ein erfindungsgemäßer Stahl, wenn er mikrolegiert ist, jeweils mindestens zwei der in Frage kommenden Elemente enthält. Bevorzugt liegt dabei der Gehalt an V im Bereich von 0,08 Gew.-% bis 0,10 Gew.-%, der von Nb im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 0,015 Gew.-% und der von B im Bereich von 0,0020 Gew.-% bis 0,0030 Gew.-%.

Ein hinsichtlich der Einflüsse aller Elemente optimierter erfindungsgemäßer Stahl, der das Erreichen des gewünschten Arbeitsergebnisses besonders sicher gewährleistet, ist somit wie folgt zusammengesetzt (in Gew.-% sofern nicht anders angegeben):

Element	Minimaler Gehalt	Maximaler Gehalt
C	0,37	0,41
Si	0,90	1,00
Mn	0,30	0,40
P	0,00	0,007
S	0,00	0,003
Cu	0,00	0,10
Ni	0,00	0,10
Cr	0,90	1,00
Mo	0,15	0,20
V	0,08	0,10
Nb	0,010	0,015
B	0,0020	0,0030
Ti	0,00	0,01
Al	0,010	0,015
N	0,005	0,010
H	0,00	1,6 Gew.-ppm
O	0,00	40 Gew.-ppm

Aufgrund der hohen Gleichmäßigkeit und geringen Streuung seiner mechanischen Eigenschaften eignet sich erfindungsgemäßer Stahl in besonderer Weise für die Herstellung von Vollrädern oder Radreifen für Schienenfahrzeuge. Besonders günstig erweist es sich dabei, dass bei Vollrädern die optimierten Eigenschaften nicht nur im Bereich der unmittelbar unter Rollbelastung stehenden Lauffläche anzutreffen sind, sondern sich abhängig von der jeweiligen Wärme- und Abkühlungsbehandlung auf den gesamten Radkranz, das Blatt und die Nabe des Rades erstrecken. Ebenso sind die mechanischen Eigenschaften bei aus erfindungsgemäßem Stahl erzeugten Radreifen gleichmäßig über deren Dicke verteilt. So ist bei Verwendung von erfindungsgemäßem Stahl zu ihrer Herstellung sowohl beim Vollrad als auch beim Radreifen sichergestellt, dass das Vollrad bzw. das mit einem erfindungsgemäßen Radreifen gebaute Rad im Bereich seiner Lauffläche auch nach mehreren materialabtragenden Nachbearbeitungen eine Eigenschaftsverteilung besitzt, die im wesentlichen gleich der des Neuzustands ist. Das Auftreten von Versprödungen und die damit einhergehende Gefahr von Materialausbrüchen oder ungleichmäßigem Verschleiß infolge von Gefügeumwandlungen ist so auf ein Minimum reduziert.

In Bezug auf das Verfahren zur Herstellung von Vollrädern, Radreifen oder Wellen und anderen rollend belasteten Bauelementen für Schienenfahrzeuge wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass aus einem erfindungsgemäßen Stahl ein Rohling erzeugt wird, dass der Rohling einer gesteuerten Erwärmung auf eine über der Austenitumwandlungstemperatur liegenden Erwärmungstemperaturunterzogen wird und dass der Rohling nach der gesteuerten Erwärmung kontrolliert abgekühlt wird, indem die Oberfläche des Rohlings mindestens in einem Abschnitt mit einem Kühlfluid, insbesondere einem Luftstrom, derart beaufschlagt wird, dass sich eine Abkühlgeschwindigkeit ergibt, die niedriger ist als beim Abschrecken mit einer Abschreckflüssigkeit und höher als an ruhender Luft.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Bauteil weist trotz der Verwendung eines niedrig legierten und gegenüber den bekannten Stählen in ihrem Kohlenstoff stark abgesenkten Stahlzusammensetzung und obwohl es ein ferritisch-perlitisches Gefüge besitzt, eine für den Einsatzzweck optimierte Festigkeit, Zähigkeit, Bruchzähigkeit sowie ein ebenso optimales Ermüdungs-Verschleiß- und Rissfortschrittsverhalten. Dabei sind diese Eigenschaften sehr gleichmäßig über das Bauteil verteilt.

Praktische Versuche haben bestätigt, dass Werkstücke, die in erfindungsgemäßer Weise hergestellt sind, solchen Bauteilen überlegen sind, die aus den konventionellen Stählen ER 6 bis ER9 hergestellt sind.

Anders als beim Stand der Technik sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Abkühlung des Rohlings mittels eines Fluides durchzuführen, welches das Werkstück zwar gesteuert, jedoch wesentlich milder abkühlt als dies beim konventionellen Abschrecken der Falls ist. Gemäß der Erfindung wird folglich keine Abschreckung der jeweiligen Lauffläche mit hohen Abkühlraten vorgenommen, sondern es findet eine vergleichsweise langsame Abkühlung statt, die sich unter den durch die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stahls geschaffenen Voraussetzungen günstig auf die Ausbildung eines gleichmäßigen Gefüges und eines geringen Gradienten der mechanischen Eigenschaften über den Querschnitt des jeweiligen Bauteils auswirkt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen als Kühlfluid grundsätzlich sämtliche Flüssigkeiten und Gase in Frage, deren Kühlverhalten etwa dem von Luft entspricht. Wesentlich ist, dass die bei erfindungsgemäßer Fluidkühlung erzielten Abkühlgeschwindigkeiten jeweils höher sind als bei einer Abkühlung an ruhender Luft, jedoch immer niedriger als die Abkühlraten, die bei einer Flüssigkeitskühlung erzielt werden. Dabei besteht der besondere Vorteil der Verwendung eines Gases für die Kühlung des Rohlings darin, dass ein solches Gas problemlos gezielt über den jeweils zu kühlenden Flächenabschnitt des Rohlings streichen kann. Anders als bei Verwendung von Abschreckflüssigkeiten lässt sich so eine auf einen bestimmten Bereich konzentrierte Kühlung ohne die Gefahr durchführen, dass benachbarte Bereiche durch abfließende Flüssigkeit unbeabsichtigt ebenfalls von der Kühlung erfasst werden. Demzufolge ist es bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise möglich, eine umfassende Kühlung des Radkranzes durchzuführen, die nicht nur die Lauffläche, sondern auch die beiden Stirnseiten des Stirnkranzes erfasst, und gleichzeitig die Scheibe und die Nabe des Rades an ruhender Luft abzukühlen. Auf diese Weise wird eine Eigenschaftsverteilung in den einzelnen Abschnitten des Vollrades erreicht, die an die auf diese Abschnitte im Betrieb jeweils wirkenden Belastungen optimal angepasst ist.

Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäß kontrollierten Abkühlung von der Erwärmungstemperatur, die oberhalb der Austenitumwandlungstemperatur liegt und in der Regel 900 °C und mehr beträgt bis zu einer unterhalb von 450 °C liegenden Temperatur abgekühlt. Dabei wird die Abkühlung bevorzugt innerhalb eines Zeitintervalls durchgeführt, welches mindestens 5 Minuten und höchstens 25 Minuten beträgt. Es hat sich gezeigt, dass sich bei Einhaltung dieser Randbedingungen der Abkühlung besonders sicher Produkte erzeugen lassen, die hinsichtlich ihrer Belastbarkeit im praktischen Einsatz deutlich den in konventioneller Weise erzeugten Produkten überlegen sind. Gleichzeitig erfüllen die erfindungsgemäß erzeugten Produkte hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften alle Anforderungen, die nach den geltenden Vorschriften an Werkstoffe für Bauteile gestellt werden, die im Einsatz unter Kontaktbelastung rotieren, wie es bei Schienenrädern, Schienenradringen oder Wellen der Fall ist.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schienenräder und Radreifen weisen deutlich höhere Druckeigenspannungen im Radkranz auf als Räder bzw. Reifen, die aus konventionellen Stählen in konventioneller Weise hergestellt worden sind. So ist festgestellt worden, dass die Druckeigenspannungen bei erfindungsgemäßen Rädern bzw. Radreifen regelmäßig über denen lagen, die für konventionell hergestellte Räder und Radreifen ermittelt werden konnten. Die hohen Druckeigenspannungen tragen zusätzlich zur Verschleißbeständigkeit erfindungsgemäß erzeugter Schienenvollräder und Radreifen bei, indem sie grundsätzlich der Entstehung von Rissen entgegenwirkt und in dem Fall, dass es dennoch zu einem Riss kommt, dessen Fortschreiten hemmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt eines axial geschnittenen Vollrades für Schienenfahrzeuge.

Aus einem erfindungsgemäßen Stahl E1 mit (in Gew.-%)

C	0,39 %,
Si	0,95 %,
Mn	0,35 %
P	< 0,007 %
S	< 0,003 %
Cr	0,95 % Cr
Mo	0,18 %,
V	0,09 %,
Nb	0,013 %
B	0,0025 %
Ti	0,005 %
Al	0,013 %
Cu	0,05 %
Ni	0,05 %
N	0,008 %,
H	< 1,6 Gew.-ppm
O	< 40 Gew.-ppm

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen
ist ein Schienenradrohling 1 aus Vollmaterial gefertigt worden. Der in seiner Formgebung konventionell ausgestaltete Schienenradrohling 1 weist eine um seinen äußeren Umfang umlaufende Lauffläche 2 auf, die an der Umfangsfläche des Radkranzes 3 des Schienenradrohlings 1 ausgebildet ist. An ihrem einen an eine Stirnseite 4 des Radkranzes 3 angrenzenden Rand ist die Lauffläche 2 durch einen ebenfalls um den Umfang des Schienenradrohlings 1 umlaufenden, in radialer Richtung gegenüber der Lauffläche 2 erhöhten Spurkranz 5 begrenzt. Im Bereich des Übergangs von der Lauffläche 2 zum Spurkranz 5 ist eine Kehle 2a ausgebildet.

Der Radkranz 3 ist einstückig mit dem äußeren Umfangsrand einer Scheibe 6 verbunden, die eine gegenüber dem Radkranz 3 deutlich verminderte Querschnittsdicke aufweist und in Achsrichtung etwa mittig zum Radkranz 3 ausgerichtet ist. Die Scheibe 6 wird von einer ebenfalls einstückig mit ihr verbundenen Nabe 7 getragen, die konzentrisch zum Radkranz 3 ausgerichtet ist.

Nach der formgebenden Verarbeitung ist der Schienenradrohling 1 einer Austenitisierung unterzogen worden, bei der er für mindestens eine Stunde auf eine oberhalb von 875 °C liegende Temperatur erwärmt worden ist. Anschließend ist der noch heiße Schienenradrohling in eine hier im einzelnen nicht dargestellte Kühlvorrichtung gesetzt worden.

Die betreffende Kühlvorrichtung weist eine Vielzahl von einzeln oder gemeinsam ausrichtbaren, hier ebenfalls nicht dargestellten Düsen auf, die jeweils ein Luftstrom L1 - L5 auf den Schienenradrohling 1 richten. Der erste Luftstrom L1 ist dabei beispielsweise auf die Lauffläche 2, der zweite Luftstrom L2 auf die Umfangsfläche 5a des Spurkranzes 5, der dritte Luftstrom L3 auf die dem Spurkranz 5 zugeordnete Stirnseite 4, der Luftstrom L4 auf die der Stirnseite 4 gegenüberliegende Stirnseite 8 des Schienenradrohlings 1 und der Luftstrom L5 in die Kehle 2a gerichtet.

Abhängig von der Konstruktion des Schienenradrohlings 1 oder den Anforderungen an die Gefügeausbildung werden die Lüftströme L1 bis L5 einzeln, in Gruppen oder alle gemeinsam auf den Schienenradrohling 1 gerichtet. Wesentlich ist dabei, dass die Abkühlung in den von den jeweiligen Luftströmen L1 bis L5 getroffenen Bereichen des Schienenradrohlings 1 zwar mit Abkühlraten fortschreitet, die einerseits höher sind als die an ruhender Luft erzielten andererseits jedoch niedriger als die Abkühlgeschwindigkeiten, die bei einer konventionellen Kühlung, beispielsweise beim bekannten Laufkranzhärten, mit Flüssigkeiten erzielt werden. Dabei können die Luftströme L1 bis L5 problemlos so ausgerichtet und erforderlichenfalls durch geeignete Absauganlagen abgeführt werden, dass beispielsweise die Scheibe 6 und die Nabe 7 von ihnen nicht getroffen werden. Eine in diesen Bereichen unerwünschte beschleunigte Abkühlung kann so sicher vermieden werden.

Nach Beendigung der Luftstromkühlung weist der Schienenradrohling 1 im Bereich der von der gezielten Kühlung durch die Luftströme L1 bis L5 erfassten Radkranz 3 und Spurkranz 5 ein homogen verteiltes ferritisch-perlitisches Gefüge auf, dass sich durch hohe Festigkeiten auszeichnet und auch bei im Schienenfahrbetrieb kurzzeitig auftretenden hohen Temperaturbelastungen als träge gegen eine unerwünschte Gefügeumwandlung erweist. Gleichzeitig sind im Bereich des Radkranzes 3 hohe Druckeigenspannungen entstanden, durch die sichergestellt ist, dass die betriebsbedingte Bildung und das Wachstum von Rissen in der Lauffläche 2 der fertigen Räder nachhaltig unterdrückt werden. Im Bereich der Scheibe 6 und der Nabe 7 weist der Scheibenrohling 1 dagegen ein zähes Gefüge auf, durch welches sichergestellt ist, dass das fertige Schienenrad die in diesem Bereich auftretenden Belastungen sicher aufnehmen kann.

Die Eigenschaften der in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Produkte wurden anhand von Vergleichsversuchen ermittelt, bei denen aus den bekannten Stählen R7 (0,52 Gew.-% C, 0,40 Gew.-% Si, 0,80 Gew.-% Mn, 0,020 Gew.-% P, 0,015 Gew.-% S, 0,30 Gew.-% Cr, 0,30 Gew.-% Cu, 0,08 Gew.-% Mo, 0,30 Gew.-% Ni, 0,06 Gew.-% V, Summe der Gewichtsanteile von Cr, Mo und Ni 0,5 Gew.-%) und R8, der bei im übrigen gleicher Zusammensetzung wie der Stahl R7 einen höheren C-Gehalt von 0,56 Gew.-% aufweist, Probestücke gefertigt. Ebenso wurden Probestücke aus dem voranstehend beispielhaft genannten erfindungsgemäßen Stahl E1 und weitere Probestücke aus einem Stahl E2 gefertigt, der bei im übrigen mit dem erfindungsgemäßen Stahl E1 identischer Zusammensetzung einen C-Gehalt von 0,45 Gew.-% besaß.

Die erfindungsgemäß hergestellten Probestücke wurden auf eine Erwärmungstemperatur gebracht, die so hoch war, dass die Austenitisierung sicher einsetzte. Bei dieser Erwärmungstemperatur wurden die Probestücke für ca. zwei Stunden gehalten. Dann wurden die Proben im Luftstrom gesteuert abgekühlt.

Diag. 1 zeigt den Bereich der Temperatur- / Zeitverläufe, die zu einem optimalen Arbeitsergebnis führten. Dabei ist durch die Linie uK derjenige Verlauf der Temperaturabnahme dargestellt, der sich einstellt, wenn ausgehend von der ca. 900 °C betragenden Erwärmungstemperatur innerhalb von ca. 348 Sekunden (5,8 Minuten) auf eine Abkühlungsendtemperatur von ca. 400 °C im Luftstrom abgekühlt wird. Die Linie oK gibt dagegen denjenigen Verlauf der Temperaturabnahme wieder, der sich einstellt, wenn ausgehend von der Erwärmungstemperatur innerhalb von ca. 1328 Sekunden (22,13 Minuten) auf die Abkühlungsendtemperatur abgekühlt wird.

In Tabelle 1 sind die an den erfindungsgemäß hergestellten Proben festgestellten Eigenschaften den Eigenschaften von den aus den bekannten Stählen R7 und R8 konventionell erzeugten Proben gegenübergestellt. Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäß hergestellten Proben hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften den konventionell erzeugten mindestens ebenbürtig bzw. überlegen sind. Weitergehende Untersuchungen haben nachgewiesen, dass gleiches für das Rissfortschrittsverhalten gilt. Dabei weisen die erfindungsgemäß erzeugten Proben jedoch ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten und eine ebenso deutlich verbesserte Warmfestigkeit auf.

BEZUGSZEICHEN

1: Schienenradrohling
2: Lauffläche
2a: Kehle
3: Radkranz
4: dem Spurkranz 5 zugeordnete Stirnseite
5: Spurkranz
5a: Umfangsfläche des Spurkranzes 5
6: Scheibe
7: Nabe
8: zur Stirnseite 4 gegenüberliegende Stirnseite
L1-L5: Luftströme

Claims

Stahl für die Herstellung von im Einsatz rollend belasteten Bauelementen für Schienenfahrzeuge, wie Vollräder, Radreifen oder Wellen, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): C 0,33 - 0,49 %, Si 0,85 - 1,00 %, Mn 0,25 - 0,40 %, Cr 0,85 - 1,00 %, Mo 0,10 - 0,20 %, Cu ≤ 0,10 %, Ni ≤ 0,10 %, P ≤ 0,009 %, S ≤ 0,005 %

sowie wahlweise eines oder mehrere Legierungselemente aus der folgenden Gruppe: V 0,06 - 0,10 %, Nb 0,010 - 0,015 %, B 0,0015 - 0,0030 %, Ti ≤ 0,01 %, Al 0,010 - 0,015 %, N 0, 005 - 0,010 %,

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an C 0,37 bis 0,41 Gew.-% beträgt.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Si 0,90 bis 1,00 Gew.-% beträgt.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Mn 0,30 bis 0,40 Gew.-% beträgt.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Cr 0,90 bis 1,00 Gew.-% beträgt.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Mo 0,15 bis 0,20 Gew.-% beträgt.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an P auf maximal 0,007 Gew.-% beschränkt ist.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an S auf maximal 0,003 Gew.-% beschränkt ist.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,08 bis 0,10 Gew.-% V enthält.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,01 bis 0,015 Gew.-% Nb enthält.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,0020 bis 0,0030 Gew.-% B enthält.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein H-Gehalt auf höchstens 2,0 ppm, insbesondere höchstens 1,6 ppm beschränkt ist.
Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein O-Gehalt auf höchstens 40 ppm beschränkt ist.
Vollrad für Schienenfahrzeuge hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zusammengesetzten Stahl.
Radreifen für Schienenfahrzeuge hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zusammengesetzten Stahl.
Verfahren zur Herstellung von im Einsatz rollend belasteten Bauelementen für Schienenfahrzeuge, wie Vollräder, Radreifen oder Wellen, bei dem aus einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zusammengesetzten Stahl ein Rohling erzeugt wird, bei dem der Rohling (1) einer gesteuerten Erwärmung auf eine über der Austenitumwandlungstemperatur liegenden Erwärmungstemperaturunterzogen wird und bei dem der Rohling nach der Erwärmung kontrolliert abgekühlt wird, indem die Oberfläche des Rohlings mindestens in einem Abschnitt mit einem Kühlfluid, insbesondere einem Luftstrom (L1-L5), derart beaufschlagt wird, dass sich eine Abkühlgeschwindigkeit ergibt, die niedriger ist als beim Abschrecken mit einer Abschreckflüssigkeit und höher als an ruhender Luft.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom ein Luftstrom (L1-L5) ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die kontrollierte Abkühlung ausgehend von der Erwärmungstemperatur bis zu einer unterhalb von 450 °C liegenden Temperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit, innerhalb der die Abkühlung durchgeführt wird, mindestens 5 min und höchstens 25 min dauert.