Verwendung eines vollaustenitischen stickstoffhaltigen Stahls für Teile an Schienenfahrzeugen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung eines vollaustenitischen stickstoffhaltigen Stahls als Werkstoff zur Herstellung von Teilen an Schienenfahrzeugen, die bei der Fahrbewegung hohen Be­anspruchungen ausgesetzt sind.

[0002] Bei den heutigen Bestrebungen, das System Rad / Schiene unter dem Zwang der Verkehrssituation bis an die Grenzen der tech­nischen Möglichkeiten zu entwickeln und auszubauen, können die Aufgaben eines Radsatzes, das Fahrzeug im Gleis zu tragen und zu führen, Antriebs- und Bremskräfte auf das Gleis zu übertragen sowie gegebenenfalls die Radlauffläche als Bremsfläche für Brems­klötze zu nutzen, von den gebräuchlichen Rad- bzw. Radreifenwerk­stoffen (perlitische bzw. ferritisch-perlitische Kohlenstoffstähle mit 0,4 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1,0 Gew.-% Mangan als Grundanalyse, gegebenfalls bis 1 Gew.-% Chrom, bis 0,3 Gew.-% Molybdän, bis 0,15 Gew.-% Vanadium, Streckgrenzenwerte von 400 bis 550 N/mm², Zugfestigkeitswerte von 800 bis 1100 N/mm²) nur noch bedingt erfüllt werden. Noch weit mehr als im normalen Fahrbetrieb unterliegen Räder aus diesen Werkstoffen bei gesteigerten Fahrgeschwindigkeiten und da­mit verbundenen gesteigerten Beschleunigungs- und Bremsmomenten neben dem allgemeinen Verschleiß Zusatzbeanspruchungen, die ein­zeln oder zusammen zu vorzeitigen Ausfällen der Räder führen können.

[0003] Bei Klotzbremsung erzeugt der Klotz durch Bremswärme im Reifen und besonders im Vollrad Formänderungen, die zum Lösen des Rei­fens auf der Felge oder aber zu Spannungszuständen im Reifen oder Vollrad führen. Diese Spannungen können ein Zersprengen des Reifens oder des Rades auslösen. Sie können zu bleibenden Form­änderungen und damit zu Änderungen des Spurmaßes führen. Die Formänderungen verursachen auch Eigenspannungszuztände, die bei statischer und dynamischer Beanspruchung des Rades der Grund­spannung - bedingt durch die Radlast - zugeschlagen werden müs­sen.
Beim Lauf der Räder auf der Schiene wird durch Kaltverformung ein Druckspannungszustand und durch die Bremswärme ein Zugspan­nungszustand aufgebaut. Der zyklische Wechsel zwischen beiden Zu­ständen bedeutet eine quasi Dauerschwingbeanspruchung in Wärme und Kälte. Sie kann auf der Lauffläche der Räder zu Wärmewechsel­rissen führen. Da die gebräuchlichen Radwerkstoffe eine geringe Zähigkeit haben, können diese Risse unter ungünstigen Bedingun­gen zu Ausgangspunkten von Radreifen- oder Radbrüchen werden. Nutztman die Radlaufflächen nicht mehr als Bremsflächen für Bremsklötze, wendet man z. B. die Scheibenbremse an, so ent­fallen diese Erscheinungen. Es bleiben aber die Beanspruchungen durch Übertragung der Brems- und der Antriebskraft auf die Schiene. Dabei kommt es zum Schlupf und zum Gleiten in der Rad­aufstandfläche. Unter solchen Einflüssen wandelt sich der Stahl­werkstoff in Teilbereichen der Radlauffläche vom zähen perliti­schen Zustand in einen harten Martensit, den sogenannten Reib­martensit um. Durch den Martensit kommt es zur Ausbildung von Rissen und schließlich zu großflächigen lokalen Ausbrüchen aus der Radlauffläche, welche schließlich die Überarbeitung oder den Ersatz des Rades nötig machen. Besonders markant tritt dieser Einfluß bei den Antriebsrädern von schweren Lokomotiven in Er­scheinung.
Zusätzlich kann es durch das Zusammenwirken der Radreibung gegen die Schiene, der Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente sowie der relativen Beweglichkeit der Fahrgestelle zu einer sogenannten Polygon-Bildung kommen. Dabei wird die ursprünglich als Kreis ausgebildete Lauffläche der Räder durch selektive Abtragung bzw. Verschleiß zu einem Vieleck umgewandelt, wodurch sich die weite­re Verschleißwirkung noch verstärkt. Auch diese Erscheinung führt neben der Erzeugung eines unangenehmen Geräuschspegels zu Rissen und schließlich zum Ausfall des Rades.

[0004] Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten haben auch die Bremsflächen se­parater, am Rad oder auf der Achse eines Radsatzes befestigter Bremsscheiben einen überdurchschnittlich hohen Verschleiß.

[0005] Um den genannten hohen Zusatzbeanspruchungen an Rädern zu be­gegnen, ist bereits die Verwendung eines an sich bekannten aus­härtenden austenitischen Mnganstahls mit über 500 N/mm² Streck­grenze zumindest für die Scheibe von bereiften Rädern oder von Rädern an Schienenfahrzeugen vorgeschlagen worden, bei denen die Radscheibe als Bremsscheibe ausgebildet ist und unmittelbar durch Reibung gebremst wird (DE-A 24 57 719). Ein solcher Stahl ist weniger gegen Spannungsrisse empfindlich, wodurch die Stand­zeit der Räder sich entsprechend erhöht. Eine bevorzugte Zusammen­setzung eines solchen Manganstahls ist z. B.: 0,45 bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff, 0,30 bis 0,80 Gew.-% Silizium, 18 bis 19 Gew.-% Man­gan, 3,5 bis 5,0 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 0,65 Gew.-% Vanadium, 0,08 bis 0,12 Gew.-% Stickstoff, gegebenenfalls bis 0,5 Gew.-% Nickel und bis 0,3 Gew.-% Molybdän.
Stähle dieser Art werden bei 1000°C einer Lösungsglühung mit nachfolgender schneller Abkühlung unterworfen, anschließend wird mit einer weiteren Glühung im Temperaturbereich zwischen 500 und 700°C die Festigkeit und Zähigkeit eingestellt.
Ein Nachteil dieses aushärtenden austenitischen Manganstahls, welcher letztendlich seine Durchsetzung in der Bahntechnik ver­hindert hat, liegt in der Tatsache begründet, das es auch bei diesem Stahl auf der Lauffläche der Räder zur Bildung von Reib­ martensit kommt, der insbesondere bei Einsatz der Räder als An­triebsräder für schwere Zugmaschinen zu Ausbrüchen auf der Rad­lauffläche und zum Unbrauchbarwerden des Rades führt, unbescha­det der Tatsache, daß ein Rad aus einem solchen Werkstoff beim Bremsen die in der Radscheibe auftretende Spannungsbeanspruchung aufnehmen kann.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Stahls, der bei der Verwendung für Vollräder, Radreifen oder Radsatzbremsscheiben von Schienenfahrzeugen nicht zu der unerwünschten Bildung von Reibmartensit neigt.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen vollaustenitischen Stahl mit (in Masse %)
bis 0,20 % C
16 bis 24 % Cr
17 bis 20 % Mn
0,5 bis 1,3 % N

[0008] Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, der nach einem Lösungsglühen bei 1000 bis 1150 ^oC und Abkühlung auf Raumtemperatur eine Mindeststreckgrenze Rp_o,2 von 550 N/mm² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 150 Joule (Iso-V-Probe) aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Vollrädern, Radreifen oder Radsatzbremsscheiben von Schienenfahrzeugen zu verwenden.

[0009] Gleich bzw. ähnlich zusammengesetzte Stähle gehören zwar zum Stand der Technik (AT-PS 266900, US-PS 3820980, US-PS 3912503), jedoch ist nichts darüber bekannt, mit welcher speziellen Zusammensetzung innerhalb der bekannten Bereiche man bei Beanspruchung auf Reibverschleiß die Bildung von Reibmartensit vermeidet. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl ist vollaustenitisch und behält diesen Gefügezustand bei allen Belastungszuständen bei. Auch örtliche Umwandlungen des austenitischen Gefügezustandes in ein martensitisches oder martensitisch/ferritisches Gefüge sind bei diesem Stahl ausgeschlossen. Für das Nichtauftreten dieser Umwandlungsvorgänge ist der niedrige Kohlenstoffgehalt des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls in Verbindung mit den vorgesehenen hohen Stickstoffgehalten maßgebend.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß er trotz relativ geringer Ausgangsfestigkeit beim Einsatz an der Oberfläche stark verfestigt. Trotzdem bleibt die Zähigkeit, die ja letztendlich auch die Lebensdauer der Bauteile mit entscheidet, im gewünschten Maß erhalten. Anders als bei herkömmlichen Stählen fallen die Zähigkeitswerte bei einer Verfestigung des Stahls nicht in starkem Maße ab.

[0010] Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines vollaustenitischen Stahls mit in Masse %
bis 0,10 % C
17 bis 19 % Cr
17 bis 19 % Mn
0,5 bis 0,65 % N
Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Ein Rad aus einem solchen Stahl wurde im Dauereinsatz bei einer schweren Zugmaschine auf extremen Bergstrecken über längere Zeit getestet und hat ein den bisher verwendeten Stählen weit überlegenes Standverhalten gezeigt. Dabei war überraschend, daß auch das Traktionsverhalten, welches normalerweise gegen den Einsatz herkömmlicher austenitischer Stähle sprach, voll ausreichend war.

[0011] Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl kann wahlweise noch bis zu 0,5 % V, bis 0,5 % Nb, bis 3 % Mo, bis weniger als 3 % Ni und bis 3 % Si enthalten. Vanadium und Niob erhöhen die Feinkörnigkeit und beeinflussen so die mechanischen Eigenschaften positiv. Silizium in Mengen bis 3 % gelangt bei der üblichen schmelzmetall­urgischen Herstellung zwangsläufig in den Stahl und beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften nicht wesentlich. Molybdän in einer Menge bis 3 % steigert die Festigkeit, und Nickel als üblicher Stahlbegleiter kann ebenfalls in Mengen bis weniger als 3 % anwesend sein, ohne die Eigenschaften des Stahls nachteilig zu beeinflussen.

[0012] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verwendung eines vollaustenitischen Stahls als Werkstoff zur Herstellung von Radreifen verschiedener Fahrzeugräder vorgesehen, wobei die Radreifen nach dem Warmumformen durch eine Kaltaufweitung verfestigt worden sind. Durch dieses Kaltaufweiten des Radreifens kann seine Ausgangsfestigkeit erhöht und die Neigung zu seitlichem Fließen im nur warmumgeformten Zustand verhindert werden.

[0013] Anstatt die Bauteile voll aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff herzustellen, kann es auch sinnvoll sein, nur die unmittelbar der Verschleißwirkung ausgesetzten Teile aus dem vorgeschlagenen Werkstoff herzustellen.

[0014] Eine erfindungsgemäße Variante der Verwendung des vorgeschlagenen Stahls besteht deshalb darin, den Stahl zur Herstellung von auf die Laufflächen von Vollrädern und Radreifen oder die Bremsflächen von Bremsscheiben aufzubringenden Verschleißschichten zu verwenden. Eine solche Maßnahme eignet sich insbesondere zur Reparatur von schadhaften Radreifen. Zu diesem Zweck kann ein schadhaftes Rad in üblicher Weise durch spanabhebende Bearbeitung wieder zu einer runden Lauffläche abgetragen werden, wobei in einem weiteren Arbeitsschritt der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl als Verschleißschicht aufgetragen wird. Dies kann in bevorzugter Weise durch den Vorgang des bekannten Plasmaspritzens geschehen, bei dem eine Schicht von wenigen Millimetern Dicke aufgespritzt wird. Dabei kann ein Pulver der in den Ansprüchen genannten Grundzusammen­setzung verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, daß der Spritzvorgang mit einem Gemisch eines ionisierenden Inertgases mit Stickstoff durchgeführt wird, wodurch einerseits Stickstoffverluste beim Spritzvorgang verhindert, andererseits sogar ein Stickstoff­zubrand möglich wird, welcher die gewünschte Zusammensetzung der Verschleißlegierung herbeiführt.

[0015] Härtemessungen an den Rädern, die aus dem Stahl mit den Legierungs­bestandteilen gemäß Anspruch 2 hergestellt und im Einsatz auf Bergstrecken getestet wurden, führten aufgrund von Hochrechnungen zu Verfestigungswerten der Radlauffläche bis 2000 N/mm² Zugfestig­keit. Dies ist überraschend und beweist die hervorragende Eignung des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls insbesondere für schwere Lokomotiv-Antriebsräder.

[0016] In der folgenden Tabelle sind die chemischen Analysen und zugehörigen Eigenschaften von drei Vollrädern A, B und C im lösungsgeglühten Zustand und zweier kalt geweiteter Radreifen D und E mitgeteilt. Wie sich durch Vergleich der mechanischen Werte ergibt, liegen die Festigkeitswerte nach dem Kaltaufweiten um ein beträchtliches Maß höher als die der nur lösungsgeglühten Gegenstände.

Charge	Ausgangszustand	Chemische Analyse in Gew. %									Mechanische Werte
		C	Cr	Mn	N	V	Nb	Mo	Ni	Si	Rp 0,2	Rm	A₅	Z	Av
											N/mm²		%	%	J
A	Lösungsgeglühte (1050°C / 2 h, wassergekühlt)	0,08	17,8	19,0	0,58	0,12	0,04	0,13	1,18	0,38	560	921	67	66	305
B	Vollräder	0,04	20,2	19,8	0,88	0,12	0,02	0,01	0,58	0,36	602	946	59	68	298
C		0,06	17,5	19,4	1,02	0,14	0,11	2,10	0,13	0,52	658	1046	62	66	205
D	Lösungsgeglühte (1050°C / 2h, wassergekühlt)	0,02	18,8	18,8	0,79	0,09	0,03	0,03	0,05	0,25	1110	1340	39	64	145
E	kaltgeweitete (Reckgrad 48%) Radreifen	0,04	17,2	18,9	0,93	0,14	0,03	2,00	0,22	0,44	1278	1510	30	54	78

Ansprüche

1. Verwendung eines vollaustenitischen Stahls, bestehend aus den Legierungselementen (in Masse-%)
bis 0,20 % C
16 bis 24 % Cr
17 bis 20 % Mn
0,5 bis 1,3 % N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, der nach einem Lösungsglühen bei 1000 bis 1150 ^oC und Abkühlung auf Raumtemperatur eine Mindeststreckgrenze Rp_0,2 von 550 N/mm² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 150 Joule (Iso-V-Probe) aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Vollrädern, Radreifen oder Radsatzbremsscheiben von Schienenfahrzeugen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 mit den Legierungs­elementen (in Masse-%)
bis 0,10 % C
17 bis 19 % Cr
17 bis 19 % Mn
0,5 bis 0,65 % N
Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, der zusätzlich noch (in Masse-%)
bis 0,5 % V
bis 0,5 % Nb
bis 3 % Mo
weniger als 3 % Ni
bis 3 % Si
enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff zur Herstellung von Radreifen für Schienenfahrzeug­räder, die nach dem Warmumformen durch eine Kaltaufweitung verfestigt worden sind.

5. Verwendung eines Stahls mit der in einem der Ansprüche 1 bis 3 angegebenen Zusammensetzung als Werkstoff zur Herstellung von auf die Laufflächen von Vollrädern, Radreifen oder die Brems­flächen von Bremsscheiben aufzubringenden Verschleißschichten.

6. Verwendung eines Stahls in Form von Pulver der Zusammen­setzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Maßgabe, daß mittels des bekannten Plasmaspritzverfahrens Verschleißschichten gemäß Anspruch 5 von wenigen Millimetern Dicke auf die Laufflächen der Räder oder die Bremsflächen von Bremsscheiben aufgespritzt werden.