DE2730045C2

DE2730045C2 - Verfahren zum Herstellen verschleißbeständiger Schienen und/oder Radwerkstoffen

Info

Publication number: DE2730045C2
Application number: DE2730045A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 4630 Bochum Knorr
Original assignee: Krupp Stahl AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1977-07-02
Filing date: 1977-07-02
Publication date: 1984-11-08
Also published as: JPS5417316A; FR2396091B1; IT1096854B; BE868654A; FR2396091A1; US4230488A; LU79904A1; GB2001343A; IT7825123A0; DE2730045B1; CH636906A5; ZA783212B; SE7807361L; GB2001343B; ATA476378A; ES470692A1; BR7804209A; SE425802B; NL7806900A

Description

Die Lebensdauer von Schienen- und Radwerkstoffen ι·> 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« [1975], Seiten 1057-1062).

Einzelheiten über den besonderen Zusammenhang zwischen Festigkeit und Verschleißverhalten, insbesondere bei Kurvenschienen, können auch der Literaturstelle »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, [1977], Seiten 103-109).

Die Gehalte an Legierungselementen können nicht b5 unbegrenzt erhöht werden, da sonst mit unerwünschten Nebenwirkungen zu rechnen ist, z. B. mangelnde Sprödbruchunempfindlichkeit und verstärkte Neigung zu Aufhärtungsrissen (siehe »Glasers Annalen« 88 [1964], 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 Schaden 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% zugibt. Vorzugsweise werden mindestens 0,07% Blei zulegiert; die bevorzugte Obergrenze liegt bei 0,20% Blei. 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 910 309). 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.

Die bisherigen Versuche rechtfertigen die Annahme.

daß sich außer der verbesserten Abnutzungsbestindigkeit auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit ergibt, da die weniger rauhe Oberfläche weniger Angriffspunkte für KorrosionserscheLiungen bietet. Dies ist in Industriegegenden, wo man mit besonders starkem Korrosionsangriff rechnen muß, von besonderem Vorteil.

Beim beanspruchten Verfahren muß gut 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 Obersicht über die chemische Zusammensetzung (Gehalte in Gew.-%).

Tabelle I

25

Si max. Mn

Regelgüte nach UlC 860 V:

Verschleißfeste Güten nach UIC 860 V und DB : TL 918 254:

Sondergüten:

0,40-0,60 035 OiO-UO

0,60-0,80 0,50-0,70 0,45-0,65

0.50 0,50 0,40

0.80-UO 1,30-1,70 1,70-2,10

35

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 Stahle 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.

Tabelle II

0,40-0,80 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

Si

Mn

Zugfestigkeit

N/mm²*)

0,32-0^9
0,14-0,20

0,15-035 0,20-0,60

0,50-0,80

500 500

*) 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:

Tabelle III Chemische Zusammensetzung in Gew.-%

Si

Mn

Cr

Mn+ Cr

Mo

0,28-0,35 0,20-1,50 0,50-3.50

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:

Tabelle IV

Chemische Zusammensetzung in Gew.-%

	C	Si	Mn	Cr	Mo
Nach UIC 812-3 V/74
(Räder im normalgeglühttη Zustand)
Rl	0,40	0,30	0,60	—
R2	0,55	0,30	0,65	—
R3	0,65	0,30	0,65	-
Sondergüten	0,40-0,80	0-0,40	0,50-0,90	0,20-0,50
Werkstoff-Nr.:
1.7215	0,25	0,90	1,0	1,1	0,25
1.7228	0,50	0,25	0,65	1,1	0,20
1.9976	0,68	0,35	0,65	0,40	—
1.9978	0,70	0,35	0,75	0,50	—
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 Mindestzugfesiigkeit 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-

Tabelle V

Chemische Zusammensetzung in Gew.-%

haltens durch die Anwesenheit von Blei neue Stähle einzusetzen, insbesondere Stähle 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 Schienenstählen 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

0,50

bis

1,30

N/mm²

Schienenstahl
Radstahl R2

0,42
0,55

0,20
0,30

0,70
0,65

0,01 bis 1,50

: .

Walzzustand
normalgeglüht

680 bis 1280
760

Erfindungsgemäß:
Schienenstahl 0,37
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 ausgeschiedenen Teilchen waren in Walzrichtung gestreckt mit Längen bis zu 4ÖÖ μπι und Dicken bis zu etwa 10 μπι. Die Teilchen waren gleichmäßig und fein über den Werkstoff verteilt

Zur Überprüfung der Verschleißbeständigkeit wurden aus den Stählen hergestellte Rollen mit 40 mm Durchmesser im Roil-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.

Das Prüfungsergebnis geht aus den F i g. 1 —3 hervor.

Die in den Figuren gezeigten Diagramme zeigen auf der Abszisse die Zugfestigkeit der geprüften Schienenstähle, 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.

so 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 Bildhälfte 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, bleile gierten Schienen und bleilegierten Schienenräder dargestellt
Fig.2 zeigt, daß bei der bleilegierten Schiene der

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 ¹A 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 Gleitverschieißverhaiten 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 Stahle 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

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbessern der Verschleißbeständigkeit von Schienen- und Radwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man Stählen für Schienen, Radreifen oder Vollräder 0,02 bis 0^5% 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 reit einer Mindestzugfestigkeit von mehr als 350 N/mm² und weniger als 650 N/mm².

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche ! bis 3 auf Stähle, die im wärmebehandelten Zustand ein feinstperlitisches Gefüge und eine Mindestzugfestigkeit von 700 N/mm² aufweisen.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Schienenstähle, die im Walzzustand ein bainitisches Gefüge und eine 2> Mindestzugfestigkeit von 1100 N/mm² aufweisen.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Radwerkstoffe, die im vergüteten Zustand eine Mindestzugfesiigkeit von 600 N/mm² aufweisen. jo