DE2730045B1 - Verfahren zum Herstellen verschleissbestaendiger Schienen und/oder Radwerkstoffen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen verschleissbestaendiger Schienen und/oder RadwerkstoffenInfo
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Description
EMe Lebensdauer von Schienen- und Radwerkstoffen aus Stahl ist vorwiegend durch die Abnutzung bestimmt
Radwerkstoffe kommen bekanntlich als Radreifen oder einteilige Räder (Vollräder) zum Einsatz.
Ein wesentliches Bedürfnis besteht daher seit langem darin, den Verschleiß der beiden Verschleißpartner Rad
und Schiene zu vermindern. Um dies zu erreichen, wurde bisher vor allem die Festigkeit der verwendeten
Stähle erhöht Als Maßnahmen zur Festigkeitserhöhung sind die Erhöhung des Gehaltes an Legierungselementen
und Wärmebehandlungen bekannt (siehe »Stahl und Eisen 90« [1970], Seiten 922-928, und »Stahl und Eisen
95« [19751 Seiten 1057 -1062).
Einzelheiten über den besonderen Zusammenhang zwischen Festigkeit und Verschleißverhalten, insbesondere
bei Kurvenschienen, können auch der Literatur- so stelle »Eisenbahntechnische Rundschau« 22 (1973),
Seiten 214-218, entnommen werden. Hieraus geht z. B.
hervor, daß bei einer Festigkeitssteigerung des Schienenstahles um 200 N/mm2 der Verschleiß um etwa die
Hälfte fällt Speziell für die Zusammensetzung von Radwerkstoffen kann der Literaturstelle »Glasers
Annalen« 98 (1974), Seiten 93-100, entnommen werden, daß mit steigender Festigkeit die Verschleißeigenschaften
der Radwerkstoffe verbessert werden.
Die Veränderung der Gefügeausbildung durch Wärmebehandlung stellt in gewissem Umfange ebenfalls
eine Möglichkeit zur günstigen Beeinflussung des Verschleißes dar (siehe »Glasers Annalen« 101, [1977J
Seiten 103-109).
Die Gehalte an Legierungselementen können nicht unbegrenzt erhöht werden, da sonst mit unerwünschten
Nebenwirkungen zu rechnen ist z.B. mangelnde Sprödbnichunempfindlichkeit und verstärkte Neigung
zu Aufhärtungsrissen (siehe »Glasers Annalen« 88 [19641 Seiten 98 -109, und 98 [1974} Seiten 93-100).
Es ist bekannt den Verschleiß durch die Verwendung von Schmiermitteln zu vermindern, die durch Schienen-Schmieranlagen
oder über Spurkranzschmierung bei Rädern auf die Berührungsfläche Rad/Schiene aufgetragen
werden. Eine solche Schmierung kann nur beschränkt erfolgen, da die Haftung zwischen Rad und
Schiene erhalten bleiben muß. Da die Schmierung ständig erneuert werden muß, erhöht sie die laufenden
Kosten des Bahnbetriebes. Außerdem ist es bekannt, den starken Verschleiß dadurch zu mindern, daß auf die
Schienen und Räder ein verschleißbeständiger Werkstoff aufgeschweißt wird. Hierbei können jedoch
Schweißfehler zu Schäden führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einfache Maßnahmen die Verschleißbeständigkeit von Schienen- und/oder Radwerkstoffen
deutlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den Stählen für Schienen und/oder Radreifen
bzw. Vollräder Blei in Mengen von 0,02 bis 0,35% zugfrt
Vorzugsweise werden mindestens 0,07% Blei zulegiert; die bevorzugte Obergrenze liegt bei 0,20% BIeL Eine
alternative Lösung sieht vor, anstelle von Blei eine entsprechende Menge Wismut zuzulegieren, vorzugsweise
Blei und Wismut in Kombination, wobei die Prozentanteile an Pb+Bi in den Prozentbereich fallen,
der eingangs für Pb allein genannt ist
Die Zulegierung von Blei zum Stahl gehört auf dem technischen Gebiet der Herstellung von Automatenstählen
mit verbesserter Zerspanbarkeit seit Jahrzehnten zum Stand der Technik (siehe z. B. »Archiv für das
Eisenhüttenwesen« [1943} Seiten 65-76, oder DE-PS 910309). Danach bewirkt ein Bleizusatz von
0,03-0,48% ohne Beeinträchtigung der übrigen mechanischen Eigenschaften eine erhebliche Verbesserung
der Schnittfähigkeit der Schneidwerkzeuge. Die verbesserte Zerspanbarkeit wird darauf zurückgeführt daß die
feinverteilten Bleieinlagerungen einerseits eine Trennung und das Abbrechen der Späne erleichtern und
andererseits aufgrund einer Schmierwirkung zwischen dem zu zerspanenden Werkstoff und dem Schneidwerkzeug
den Reibungswiderstand verringern. Aufgrund der verringerten Reibung wird auch der Temperaturanstieg
beim Zerspanen verringert
Das Wissen um die positive Wirkung eines Bleizusatzes auf die Zerspanbarkeit hat die langjährigen
Bemühungen der Schienenfachleute, den Verschleißwiderstand zu verbessern, offensichtlich nicht berührt,
denn wie bereits eingangs dargelegt wurde, haben die für Schienen und Radwerkstoffe zuständigen Fachleute
versucht den Verschleißwiderstand über die Festigkeitssteigerung zu verbessern.
Es war bislang nicht erkannt worden, daß durch einen
Bleizusatz zu Schienenstählen und Radwerkstoffen eine Steigerung der Lebensdauer erreicht werden kann, die
bei den an sich bekannten Schienenstählen über 50%, ja sogar über 100%, hinausgehen kann. Von wesentlichem
Vorteil ist dabei, daß die Haftung zwischen Rad und Schiene durch den Bleizusatz nicht beeinträchtigt wird.
Dadurch ist es möglich, die verschleißmindernde Wirkung des Zulegierens von Blei ohne
Haftwerterniedrigung voll zu nutzen. Es hat sich außerdem gezeigt daß der Bleizusatz zu Schiene
und/oder Rad dazu führt, daß in engen Kurven das sogenannte Kurvenkreischen verringert wird.
ORIGINAL INSPECTED
daß sich außer der verbesserten Abnutzungsbeständigkeit auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit
ergibt, da die weniger rauhe Oberfläche weniger Angriffspunkte für Korrosionserscheinungen bietet
Dies ist in Industriegegenden, wo man mit besonders starkem Korrosionsangriff rechnen muß, von besonderem
Vorteil.
Beim beanspruchten Verfahren muß nur einer der beiden Partner, Schiene oder Radwerkstoff, mit Blei
legiert sein, um eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer zu erzielen. Betrachtet man zunächst die
Schienenstähle, so zeigt sich die vorteilhafte Wirkung des Bleis bei allen heute üblichen Schienenstählen, deren
chemische Zusammensetzungen aus der eingangs gewürdigten Literatur oder z. B. aus dem UIC-Merkblatt
860 V, 6. Ausgabe vom 1.1.1970, oder aus »Technische Lieferbedingungen der Deutschen Bundesbahn«
TL 918 254, Ausgabe Januar 1972, bekannt sind.
Als Beispiel gibt die nachfolgende Tabelle für diese bekannten naturharten Stähle eine Übersicht über die
chemische Zusammensetzung (Gehalte in Gew.-%).
Regelgüte nach
UIC 860 V:
UIC 860 V:
Verschleißfeste
Güten nach UIC
860 V und DB :TL
918 254:
Güten nach UIC
860 V und DB :TL
918 254:
Si max. Mn
0,40-0,60 035 0,80-UO
0,60-030
0,50-0,70
0,45-0,65
0,50-0,70
0,45-0,65
0,50
0,50
0,40
0,50
0,40
0,80-
130-1,70
1,70-2,10
25
30
35
0,40-030 1,50 0,70-2,00 mit weiteren Zusätzen von bis zu 2% Cr; bis zu je 0,25% Mo, V, Ti
und bis zu 0,5% Nb
Entsprechend gute Ergebnisse zeigen sich bei den anderen naturharten Normschienen, z.B. nach der
amerikanischen Norm ASTM-Standard A 1-68 oder der russischen Norm GOST 6944-63 und GOST 8160-63.
Die vorgenannten Schienenstähle können auch im wärmebehandelten Zustand vorliegen, z. B. nach einem
beschleunigten Abkühlen aus der Walzhitze. So ist es bekannt, daß ein feinperlitisches Gefüge bei Schienenstählen
eine Verbesserung der Eigenschaften, insbesondere der Verschleißfestigkeit, mit sich bringt. Ein
spezielles Verfahren zur Herstellung eines derartigen feinstperlitischen Gefüges ist in der DE-AS 24 39 338
beschrieben. Die Kombination einer derartigen feinstperlitischen Schiene mit dem hier beanspruchten
Bleizusatz ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit und die Lebensdauer. Derartig
hergestellte Schienen oder Radwerkstoffe haben vorzugsweise eine Mindestzugfestigkeit von
700 N/mm2 und zeichnen sich durch eine hohe Dauerfestigkeit aus. Sie sind insbesondere für hohe
Achslasten von mehr als 221 geeignet
Besonders hervorzuheben ist im Rahmen des beanspruchten Verfahrens die Anwendung auf naturharte,
niedriglegierte Stähle mit Mindestzugfestigkeiten von weniger als 650 N/mm2 und mehr als 350 N/mm2.
Schienen mit diesen Festigkeiten können unter Beachtung des Bleizusatzes dort eingesetzt werden, wo
niedrige Achslasten von weniger als 101 auftreten. Dies
gilt für den Nahverkehr, z. B. für Straßenbahnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet in dieser Kombination die Möglichkeit, Stähle mit C-Gehalten
unter 0,4% (z. B. den St 52-3 oder den C-35), die bisher wegen mangelnder Verschleißfestigkeit nicht als Schienenstähle
verwendet wurden, als Schienenstähle einzusetzen.
Der Bleizusatz erhöht sprunghaft die Verschleißbeständigkeit,
so daß diese niedriggekohlten Stähle für die Verwendung in Schienen erschlossen werden, wobei
man gleichzeitig den Vorteil der höheren Zähigkeit dieser Stähle nutzen kann. Beispiele für die Bereiche der
niedriggekohlten Stähle mit den niedrigen Mindest-Zugfestigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Tabelle.
Si
Mn
Zugfestigkeit
N/mm*·)
0,32-0,39 0,15-0,35 0,50-0,80 500
0,14-0,20 0,20-0,60 1,20-1,50 500
0,14-0,20 0,20-0,60 1,20-1,50 500
*) Im Walzzustand oder normalisierten Zustand.
Eine andere vorteilhafte Anwendung bietet sich bei hochfesten Schienenstählen, die im naturharten Zustand
ein bainitisches Gefüge und eine Mindestzugfestigkeit von 1100 N/mm2 aufweisen. Derartige hochfeste Schienen
sind dem Fachmann durch die DE-PS 23 02 865 bekannt Eine typische Zusammensetzung ergibt sich
aus der nachfolgenden Tabelle:
Si
Mn
Cr
Mn+ Cr
Mo
03-035 0,20-1,50 0,50-3^0 1,25-4,00 2,75-4,50 0-0,40
0-0,40
0-0,010
Die vorteilhafte Wirkung des Bleis bei den Radwerkstoffen (Radreifen oder Vollräder) zeigt sich ebenfalls
bei allen üblichen Zusammensetzungen. Entsprechende Analysen können dem UIC-Merkblatt 812-3 V/74 oder
der »Stahl-Eisen-Liste« entnommen werden. Als Beispiel sollen die folgenden Zusammensetzungen gelten:
C | Si | Mn | Cr | Mo | |
Nach UIC 812-3 V/74 | |||||
(Räder im normalgeglühten Zustand) | |||||
Rl | 0,40 | 030 | 0,60 | — | |
R2 | 035 | 030 | 0,65 | — | |
R3 | 0,65 | 030 | 0,65 | — | |
Sondergüten | 0,40-0,80 | 0-0,40 | 030-0,90 | 0,20-030 | |
Werkstoff-Nr.: | |||||
1.7215 | 0,25 | 0,90 | 1,0 | 1,1 | 0,25 |
1.7228 | 0^0 | 0,25' | 0,65 | 1,1 | 0,20 |
1.9976 | 0,68 | 035 | 0,65 | 0,40 | — |
1.9978 | 0,70 | 035 | 0,75 | 030 | — |
1.0627 | 0,72 | 0,40 | 0,75 |
Die vorgenannten Schienenradwerkstoffe liegen im naturharten oder normalgeglühten Zustand vor.
Alternativ hierzu hat die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besondere Vorteile bei Radwerkstoffen
gezeigt, die im vergüteten Zustand (Abschrekken und Anlassen) ein aus angelassenem Martensit
bestehendes Gefüge aufweisen und eine Mindestzugfestigkeit von 600 N/mm2 haben. Das gilt auch für die in
dem UIC-Merkblatt 812-3 V/74 aufgeführten Stähle R6 bis R9, die für Räder mit oberflächengehärteten
Laufflächen (Laufkranzvergütung) verwendet werden,
Bei den Radwerkstoffen bietet sich ebenfalls die Möglichkeit, aufgrund des verbesserten Verschleißver-
haltens durch die Anwesenheit von Blei neue Stähle einzusetzen, insbesondere Stahle mit C-Gehalten unter
0,25%, die als unlegierte und legierte Baustähle bekannt sind. Diese Stähle konnten bisher aufgrund ihrer
mangelnden Verschleißbeständigkeit nicht als Radwerkstoffe verwendet werden.
Nachfolgend wird der technische Fortschritt anhand der in den Figuren gezeigten Diagramme näher
erläutert
Es wurde das Verschleißverhalten von Schienenstah-
Es wurde das Verschleißverhalten von Schienenstah-
jo len und Radstählen ohne und mit Blei-Zusatz untersucht
Ausgangspunkt waren folgende Werkstoffanalysen:
Bezeichnung | C | bis | 0,8 | Si | bis | 1,0 | Mn | bis | 1,70 | Cr | Pb | Wärmebeh.- | Zugfestigkeit |
bis | 0,8 | bis | 030 | bis | I30 | N/mm* | |||||||
Schienenstahl Radstahl R2 |
0,42 035 |
0,20 O3O |
0,70 0,65 |
0,01 bis 130 | — | Walzzustand normalgeglüht |
680 bis 1280 760 |
||||||
Erfindungsgemäß: Schienenstahl 037 Radstahl R2 0,5 |
0,20 0,25 |
0,70 0,70 |
— | 0,12 bis 0,18 0,15 |
Walzzustand normalgeglüht |
640 bis 980 730 |
|||||||
Alle Stähle zeigten ein Gefüge aus Perlit und Ferrit. Bei den erfindungsgemäßen Stählen war das Blei aus
dem Grundwerkstoff ausgeschieden. Die ausgeschiede- so nen Teilchen waren in Walzrichtung gestreckt mit
Längen bis zu 400 μΐη und Dicken bis zu etwa 10 μΐη. Die
Teilchen waren gleichmäßig und fein über den Werkstoff verteilt
Zur Oberprüfung der Verschleißbeständigkeit wurden aus den Stählen hergestellte Rollen mit 40 mm
Durchmesser im Roll-Gleit-Verschleiß-Versuch geprüft
Dabei rollen zwei zylindrische Scheiben in gleichsinniger, aber geringfügig unterschiedlicher Oberflächengeschwindigkeit
aufeinander ab. Der Schlupf betrug etwa 0,70% und der Anpreßdruck 520 N/mm2.
Die in den Figuren gezeigten Diagramme zeigen auf der Abszisse die Zugfestigkeit der geprüften Schienen-Stähle,
die bekanntlich mit steigendem C- und Mn-Gehalt gegebenenfalls Cr, ansteigt Die niedrigen
Zugfestigkeiten entsprechen daher aus den in der Tabelle angegebenen Analysenbereichen den niedrigen
C- und Mn-Gehalten, während die hohen Zugfestigkeiten den höheren C- und Mn-Gehalten entsprechen.
Auf der Ordinate ist in logarithmischem Maßstab der Abrieb in g für 1 km Gleitweg aufgetragen. In der
unteren Bildhälfte ist jeweils der Abrieb einzeln für die Schiene und einzeln für das Rad aufgetragen, während
in der oberen Bildhälfte der Gesamtabrieb (Rad + Schiene) aufaddiert ist
F i g. 1 zeigt den bekannten Zusammenhang, daß mit steigender Zugfestigkeit des Schienenstahls der Abrieb
im Bereich der Schiene linear abnimmt, während der Abrieb im Bereich des Rades zunimmt Der aufaddierte
Abrieb (Rad + Schiene) in der oberen Bildhärte zeigt mit steigender Zugfestigkeit eine leicht ansteigende
Tendenz. Die Kurve nach dem Stand der Technik (Fig. 1) wurde ebenfalls in den Fig.2 und 3
eingetragen. Außerdem wurde in diese Figuren der Abrieb für die erfindungsgemäß hergestellten, bleilegierten
Schienen und bleilegierten Schienenräder dargestellt
Abrieb im Mittel um die Hälfte sinkt, wobei mit steigender Zugfestigkeit die lineare Abhängigkeit
gewahrt bleibt Das unterste Kurvenband zeigt den Abrieb des Rades (ohne Blei), das gegen die bleilegierte
Schiene läuft. Gegenüber dem Stand der Technik hat sich der Radabrieb auf Vs des ursprünglichen Wertes
gesenkt (oberes Kurvenband). Der aufaddierte Abrieb von Rad + bleilegierter Schiene ergibt sich aus der
oberen Bildhälfte. Greift man z. B. 700 N/mm2 Zugfestigkeit heraus, so ergibt sich beim Stand der Technik
ein Abrieb von etwa im Mittel 2,5 g/km Gleitweg, während beim Erfindungsgegenstand lediglich ein
Abrieb von etwa 0,75 g vorliegt, d. h., der Abrieb liegt um weniger als '/3 gegenüber dem Stand der Technik.
Ein entsprechender Zusammenhang ergibt sich aus der F i g. 3, die das Gleitverschleißverhalten von Rad
und Schiene bei der Verwendung von bleilegierten Radstählen zeigt. Greift man z. B. den Verschleiß bei
einer Zugfestigkeit des Schienenstahles von 900 N/mm2 heraus, so vermindert sich der Abrieb des bleilegierten
Rades von etwa 2,3 g (obere Kurve Stand der Technik) auf 1,0 g (bleilegiertes Rad untere Kurve). Der Abrieb
der Schiene vermindert sich von 0,8 g (obere Kurve Stand der Technik) auf 0,14 g (unterste Kurve). Die
obere Bildhälfte zeigt den aufaddierten Abrieb von Rad und Schiene. Für die angeführte Zugfestigkeit von
900 N/mm2 ergibt sich im Mittel beim Stand der Technik ein Abrieb von 3,0, während beim Erfindungsgegenstand
der Abrieb lediglich 1,2 g beträgt.
Aufgrund des verbesserten Abriebverhaltens verbessert sich die Standzeit um mehr als 100%. Dies eröffnet die Möglichkeit, daß man von der bisherigen Entwicklung abgeht, die hohe Verschleißfestigkeit über die starke Steigerung der Zugfestigkeit zu bewirken. Man kann auch Stähle mit geringeren Festigkeitseigenschaften, die bedeutend zäher sind, als Schienenstähle verwenden, so daß niedriggekohlte Stähle mit C-Gehalten unter 0,40% als Schienenstähle eingesetzt werden können.
Aufgrund des verbesserten Abriebverhaltens verbessert sich die Standzeit um mehr als 100%. Dies eröffnet die Möglichkeit, daß man von der bisherigen Entwicklung abgeht, die hohe Verschleißfestigkeit über die starke Steigerung der Zugfestigkeit zu bewirken. Man kann auch Stähle mit geringeren Festigkeitseigenschaften, die bedeutend zäher sind, als Schienenstähle verwenden, so daß niedriggekohlte Stähle mit C-Gehalten unter 0,40% als Schienenstähle eingesetzt werden können.
Besonders geeignet sind die erfindungsgemäß hergestellten Schienen für Kurven, Bergstrecken, Weichen
u. dgl., da dort der stärkste Verschleiß auftritt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
809 546/449
Claims (7)
1. Verfahren zum Verbessern der Verschleißbeständigkeit von Schienen- und Radwerkstoffen,
dadurch gekennzeichnet, daß man Stählen für Schienen, Radreifen oder Vollräder 0,02 bis
035% Blei und/oder Wismut zulegiert
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man mindestens 0,07% Blei und/oder Wismut zulegiert
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß man maximal 0,20% Blei
und/oder Wismut zulegiert
4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf naturharte, niedriglegierte
Stähle mit einer Mindestzugfestigkeit von mehr als 350 N/mm2 und weniger als 650 N/mm2.
5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Stähle, die im wärmebehandelten
Zustand ein feinstperlitisches Gefüge und eine Mindestfestigkeit von 700 N/nun2 aufweisen.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienenstähle, die im
Walzzustand ein bainitisches Gefüge und eine Mindestzugfestigkeit von 1100 N/mm2 aufweisen.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Radwerkstoffe, die im
vergüteten Zustand eine Mindestfestigkeit von 600 N/mm2 aufweisen. jo
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DE2730045C2 DE2730045C2 (de) | 1984-11-08 |
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