DE2425187C3

DE2425187C3 - Verwendung eines Stahles mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt als Werkstoff für Schienenräder

Info

Publication number: DE2425187C3
Application number: DE2425187A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. 4140 Rheinhausen Heller; Walter Dipl.-Ing. Knorr
Original assignee: Fried Krupp Huettenwerke AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1980-04-03
Also published as: AT344241B; CA1041799A; SE407696B; DE2425187B2; AU8143975A; ATA393375A; JPS516812A; DE2425187A1; GB1452450A; IT1038237B; BR7503290A; SE7505904L; FR2271944B1; FR2271944A1; JPS556700B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Stahls mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt als V/erkstoff für Schienenräder.

Vollräder bzw. Radreifen werden vorwiegend aus unlegierten Kohlenstoffstählen hergestellt. Ein derartiger Stahl ist z. B. in der GB-PS 4 91 922 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0.55 bis 0.65% und geringen Gehalten an Silizium, Mangan. Chrom und Molybdän beschrieben. Dieses vorbekannte Schienenrad muß einer Wärmebehandlung unterworfen werden.

Die dem Stand der Technik entsprechenden üblichen Schienenräder aus unlegierten Kohlensloffstählen wer den im naturharten, normalisierten vergüteten und laufkranzvergüteten Zustand eingesetzt. Das Gefüge besteht aus mehr oder weniger feinslreifigem Perlit. Gefüge und chemische Zusammensetzung bedingen eine nur geringe Zähigkeit.

Ein Problem bei den vorbekannten Schienenrädern ain Stählen mit hohen Kohlenstoffgehalten ist das Auftreten von Schleifmartensit durch Klotzbremsen oder Schleudern und Rutschen. Aufgrund der hohen Kohlenstoffgehalte ergeben sich hohe Martensithärten. die eine akute Rißgefahr bedeuten. Über dieses Problem wird z. B. in der Zeitschrifi »Glasers Annalen«, April 1974. S. 93 bis 100 berichtet. In dieser Literaturstelle (S. 96) ist auch darauf hingewiesen, daß die Verwendung eines Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehall für Schienenfädcf ein günstiges Verhalten bezüglich der Bildung von Hartstellen ifi Aussicht stellt. Ferner sind in dieser Literaturstelle die Stähle BVI und BV2 erwähnt, die bekanntlich einen Kohlenstoffgehalt von 0,5-»0,65% und geringe Mengen an Silizium und Mangan enthalten. Es wird angeregt, der Laufkranzvergülung besondere Aufmerksamkeit zu widmen.

Außerdem ist es bekannt, die Zähigkeit der Schienenräder durch Einsatz legierter Stähle zu erhöhen, wobei diese Stähle durch eine Wärmebehandlung, bestehend aus Härten und Anlassen, ein Vergütungsgefüge entwickeln und dadurch die hohe Zähigkeit erbringen.

Selbst wenn man unter Abstimmung der Analyse zum vorliegenden Querschnitt Zwischenstufengefüge erzeugt und anläßt und dabei die Zähigkeiten verbessert, ίο ist die Anfälligkeit für Oberflächenschäden durch Schleifmartensit noch nicht beseitigt

Aus der US-PS 1149 267 ist es bekannt, für Schienenräder einen Verbundwerkstoff zu verwenden, wobei der innere Teil des Schienenrades — also Radnabe und Radscheibe — aus einem weichen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bestehen, während der äußere Teil (Radreifen oder Radkranz) λ·,χ einem hoch kohlenstoffhaltigen Stahl oder einer harten Stahllegierung, vorzugsweise einem Manganstahl mit über 6% Mangan besteht, der sich im Kohlenstoffgehalt oder in der metallischen Zusammensetzung wesentlich von niedriggezahltem weichen Stahl unterscheidet Da bei diesem vorbekannten Verbundwerkstoff zumindest der Radreifen aus einem verschleißfesten stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt besteht, ergeben sich die eingangs beschriebenen Nachteile.

In der DE-PS 6 73 465 ist ein Stahl für Schienen und Radreifen vorgeschlagen worden, der ohne Abschreck behandlung hohe Festigkeitseigenschaften mit Ver-

jo schleißwiderstand und Zähigkeit kombiniert, indem der Kohlenstoffgehalt innerhalb eines Bereiches von 0,1 bis 0.70%, vorzugsweise 0.15 bis 0,50%, vermindert und in Kombination hiermit Mangan. Kupfer. Chrom und über das übliche Maß .rhöhte Siliziumgehalte zugesetzt

η werden. Bei Zugfestigkeiten von mindestens 90 kp/mm·' wird eine t.egierungskombinalion von 0.15 bis 0,50% C. 0,7 bis 1.6% Si. 0,8 bis 1.4% Mn, 0,55 bis 2.5% Cr und 0.75 bis 1.0% Cu als notwendig angesehen.

Diese Stahlqualität ist jedoch wegen ihres Kupferge-

4π halies anfällig gegen Oberflächenschädigungen bei jedhcher Warmverformung, die bis zu tiefgehenden interkristallinen Rissen führen. Die schädlichen Auswirkungen von Kiipfergehalten oberhalb 0.2% sind ausführlich in det »Handbuch der .Sonderstahlkunde«.

4-, Fduard Houdrcmont. Springer Verlag. 1956. auf den Seiten 1246. 1251.127 3/74 beschrieben.

Insbesondere beim Walzen von Radreifen, wo sich sehr hohe Zugspannungen an der Oberfläche ergeben, treten diese Schädigungen in verstärktem MaBc auf. Fs

-,ο ist nicht auszuschließen, daß trot/ reichlicher Schnitt/u eabc ι beim Abdrehen des Reifens tiefergehende inter Kristallite Schädigungen unter der abgedrehten Oberfläche verbleiben. Insbesondere an der Schrumpf fläche des Radreifens können diese Schädigungen schon

-,', beim Aufschrumpfen oder bei der späteren Beanspru chung zum Bruch des Radreifens führen.

Die Frfindunp geht von der Überlegung aus, daß bei sehr hoher Beanspruchung. /. B. im Hochgeschwmdig keiisvcrkehr. erhebliche Risiken bestehcnbleiben, die

bo Werkstuffe fur Yullräder b/.w. Radreifen mit wesentlich verbesserter Bruchsicherheit und geringer bzw. fehlen· def Anfälligkeit gegen Rcibmarterisii erfordern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für defl Verwendungszweck Radreifen bzw, Vollfäder einen

bi Werkstoff vorzuschlagen, Welcher die obengenannten Forderungen erfüllt. Der Werkstoff soll eine hohe" Bruchsicherheit, eine hohe Streckgrenze (bei hohem Sireckgrenzcnverhälmis) sowie eine gute Verschleißfe-

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stigkeit aufweisen und keine Anfälligkeit von Reibmartens'tt zeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest der Radreifen aus einem Stahl mit folgender Zusammensetzung besteht:

0,07 bis 0,12% Kohlenstoff

0,20 bis 0,50% Silizium
4,0 bis 5,0% Mangan

0,007 bis 0,012% Stickstoff
0,04 bis 0,12% Niob

0,005 bis 0,025% Aluminium
Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen, wobei der Stahl nach Luftabkühlung oder nach schroffem Abkühlen bei hoher Bruchsicherheit und fehlender Neigung zu Reibmartensit eine Festigkeit von mindestens 90kp/mm² bis über lOOkp/mm² und eine Streckgrenze zwischen 65 kp/mm²und 100 kp/mm² aufweist.

Vorzugsweise besteht das gesamte Schienenrad als Vollrad aus dem angegebenen Werkstoff. Weiterhin wird es bevorzugt, wenn der Stahl ein Zwischenstufengefüge oder ein Gefüge von zähem Martensit aufweist. Ein derartiges Gefüge ergibt sich bei Luftabkühlung.

Unter Beachtung der vorgenannten Lehre liegen die Gebrauchseigenschaften innerhalb der aufgabengemäß erwünschten Bereiche. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl zeigt keine Neigung zur Bildung von Reibmartensit-Schichten.

Bei der Herstellung der Stähle ist es zweckmäßig, darauf zu achtu.i. daß niedrige Wasserstoffgehalte im Stahl vorliegen. Hierzu stehen eine Reihe an sich bekannter Behandlungsmöclichkeiten zur Verfügung. Der Stahl kann wasserstoffarrn er -;hmolzen und/oder durch eine Slahlentgasungsbehandlung im Wasserstoff auf niedrige Werte gebraucht werden. Die Entgasungs-Tafel 1
Chemische Zusammensetzung der Radreifenstähle

behandlung kann dabei gleichzeitig für die Erzielung besonders niedrige- Kohlenstoffgehalte benutzt werden. Diese Einzelmaßnahme gehört zum Stand der Technik.

Eine andere Maßnahme zur Erzielung niedriger Wasserstoffgehalte besteht darin, die warmgeformten Räder oder Radreifen zwecks Wasserstoffentfernung auszulagern, und zwar bei Raumtemperatu- oder erhöhter Temperatur, insbesondere im Bereich von 300

ίο bis 450°C.

Die Räder oder Radreifen können bevorzugt in einer Hitze vom Rohblock bis zum Fertigprofil warmgeformt werden. Das Abkühlen der fertigen Räder kann normal an Luft, oder — insbesondere zur Wasserstoffeffusion

Ii — verzögert erfolgen. Die Räder können auch in Wasser oder einem anderen Abschreckmittel beschleunigt abgekühlt werden.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Tafeln 1 und 2 näher erläutert Die Tafeln geben an:

Tafel 1 die chemische Zusammensetzung der Radreifenstähle,

Tafel 2 die mechanischen Eigenschaften der Radreifenstähle.
Die Stahlnummern 1 und 2 beziehen sich auf vorbekannte Radreifenstähle mit höheren Kohlenstoffgehalten, die Stahlnummern 3 umj 4 auf den Erfindungsgegenstand. Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften zeigt, daß bei den Werten der Zugfestigkeit und der Streckgrenze keine erheblichen Unter-

jo schiede gegeben sind. Dagegen liegen die Werte für die Bruchdehnung beim Erfindungsgegenstand deutlich höher, die Werte für die Brucheinschnürung sind mehrfach besser als beim Stand der Technik gemäß Stahlnummern 1 und 2. Die im Kerbschlag-Biegever-

ji such ermittelten Schlagarbeiten liegen sogar um eine Größenordnung höher.

Stahl- Nr.	Behandlungs- zustand	C %	Si %	Mn %	Cr %	N %	Nb %	Bemerkungen
1 2 3 4	warmgewalzt warmgewalzt warmgewalzt warmgewalzt	0.75 0.73 0.07 0.08	0.25 0.60 0.30 0.42	U 1.0 45 4.6	1.1	0.005 0.007 0.011 0.011	0.10 0,11	Stand der Technik Stand der Technik Stähle entspr. d. Erfindung Stähle entspr. d. Erfindung

Sämtliche Schmelzen enthalten 0,005 bis 0.025% Al.

Tafel 2

Mechanische Eigenschaften der Radreifenstählc

Stahl Nr	"OJ	"B	th	Ψ Ψ	(DVMP Probe) flk 10 C
	(kp/mm^;)	(kp/mm')	(%)	(Ο/ο)	(kp m/cm')
1 2 3 4	56 68 79 104	98 116 110 109	13.5 11.4 16,4 165	23 22 67 57	2 2 29 25

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Stahles mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt als Werkstoff für Schienenräder, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Radreifen aus einem Stahl folgender Zusammensetzung besteht:

0,07 bis 0,12% Kohlenstoff,

0,20 bis 0,50% Silizium,

4,0 bis 5,0% Mangan,

0,007 bis 0,012% Stickstoff,
0,04 bis 0,12% Niob,

0,005 bis 0,025% Aluminium,
Rest Eisen mit den üblichen niedrigen Verunreinigungen, wobei der Stahl nach Luftabkühlung oder nach schroffem Abkühlen bei hoher Bruchsicherheit und fehlender Neigung zu Reibmartensit eine Festigkeit von mindestens 90 kp/mm² bis über lOOkp/mm² und eine Streckgrenze zwischen 65 kp/mm² und 100 kp/mm² aufweist.

2. Verwendung von Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Schienenrad als Vollrad aus dem genannten Werkstoff besteht.

3. Verwendung von Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein Zwischenstufengefüge oder ein Gefüge von zähem Martensit aufweist.