Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung des Radkranzes von Schienenfahrzeugrädern, insbesondere von Eisenbahnrädern.

Aus der EP 1 215 291 A1 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von erhitzten, rotationssymmetrischer Körpern, beispielsweise Schienenfahrzeugräder, aus metallischen Werkstoffen bekannt, bei dem der betreffende Körper zunächst entzundert und anschließend ein funktionsbereichsbezogenes, definiertes und reproduziertes Einstellen mechanischer Eigenschaften (z.B. Härte innerhalb eines erfolgenden Härtevorgangs) mittels komplexer Abkühlvorgänge erfolgt, die für verschiedene Volumen- bzw. Oberflächenbereiche des zu behandelnden Körpers unterschiedlich durchgeführt werden, derart, dass die vorgegebenen Bereiche des Körpers durch Aufsprühen oder Anblasen von mindestens einem Kühlmedium (Wasser und/oder Luft) online-gesteuert oder onlinegeregelt abgekühlt werden. Während des volumen- und oberflächenspezifischen Abkühlens wird der rotationssymmetrische Körper um seine Rotationssymmetrieachse drehangetrieben und die Kühlmedien auf mehrere der abzukühlenden Oberflächenbereiche des Körpers gleichzeitig aufgesprüht oder aufgeblasen. Dazu befindet sich der rotationssymmetrische Körper in einer waagerechten, Lage derart, dass seine Rotationssymmetrieachse vertikal verläuft, und das Abkühlmedium durch eine Mehrzahl von Abkühlstrahlen oder Abkühlströmen ring- oder zangenförmig auf die abzukühlenden Oberflächenbereiche aufgebracht wird. Dies erfolgt dadurch, dass der rotationssymmetrische Körper über seinen gesamten Umfang an den abzukühlenden Oberflächenbereichen gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig von den Abkühlströmen oder Abkühlstrahlen bestrichen bzw. umspült wird.

Dabei besteht außerdem die Möglichkeit, dass nacheinander verschiedene Kühlmedien mit unterschiedlicher Kühlwirkung, zum Beispiel Luft und/oder Wasser und/oder Wasser mit Härtezusätzen und/oder Luft-Wasser-Gemische, auf die abzukühlenden Oberflächenbereiche des rotationssymmetrischen Körpers aufgebracht werden und die Zufuhr des Kühlmediums zeitabhängig erfolgt.

Schwerpunktmäßig wird das Volumen der Kühlmedienzufuhr in Abhängigkeit der Temperatur des erhitzten rotationssymmetrischen Körpers, insbesondere von dessen kontinuierlich gemessenen Oberflächentemperatur mittels einer Temperaturmeßkamera, realisiert, und dabei die Zufuhr des Kühlmediums in Abhängigkeit empirisch ermittelter Gefügewerte des Körpers zeitabhängig vorgenommen.

Der rotationssymmetrische Körper wird während seines Drehantriebes auf seiner Ober- und Unterseite und an seiner Umfangsfläche durch die Volumenströme des Kühlmediums gleichzeitig, gegebenenfalls auf unterschiedliche Oberflächenbereiche und/oder zeitversetzt, abgekühlt, indem zeitgleich die Lauffläche und die Radunter- und die Radoberseite durch das Kühlmedium oder die Kühlmedien beaufschlagt werden. Mit dem Abkühlen von Randbereichen und/oder der Ober- und Unterseite des Körpers kann gleichzeitig auch die Nabe des rotationssymmetrischen Körpers durch einen oder mehrere Volumenströme gekühlt werden.

Ein Nachteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass zur gezielten Beeinflussung der gewünschten Materialeigenschaften, die Regelung und Steuerung der Abkühlungsvorgänge durch ein entsprechendes Volumen für die Kühlmedienzufuhr, auf der Messung der Oberflächentemperatur des rotationssymmetrischen Körpers basiert. Diese Oberflächentemperatur kann unter Produktionsbedingungen aber nur außerhalb der Auftreffbereiche des Kühlmediums am rotationssymmetrischen Körper gemessen werden und erfolgt an der laufflächenseitigen Laufkranzstirnfäche des Schienenfahrzeugrades. Die ermittelte Oberflächentemperatur ist damit nicht signifikant für den sich im Körperquerschnitt vollziehenden Wärmefluss und den sich damit einstellenden qualitativen und quantitativen Materialeigenschaftsbildern homogenes Gefüge bzw. Brinellhärte (HB). Eine innerhalb eines online-Betriebs auf der Messung der Oberflächentemperatur gestützte Regelung des Volumens der erforderlichen Kühlmedienzufuhr ist grundsätzlich nicht zur Erzielung der gewünschten Materialeigenschaften des rotationssymmetrischen Körpers geeignet, weil sie keinerlei Bezug zur Wärmeführung im Querschnitt des Körper aufweist und außerdem zu träge ist, für die in einem engen Zeitfenster liegende homogene perlitische Gefügebildung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem ein homogenes, im Wesentlichen perlitisches Gefüge über den gesamten Querschnitt des Radkranzes des als Schienenfahrzeugrad ausgebildeten rotationssymmetrischen Körpers realisiert und gleichzeitig die geforderten Festigkeits- und Härtewerte im Radkranz des Schienenfahrzeugrades durch Optimierung der Wärmeabführung hinsichtlich der Zeit und der Wärmemenge auf den Funktionsquerschnitt des Radkranzes präzise eingestellt werden können. Dabei sollen insbesondere zum Inneren des Radkranzes hin ansteigende Festigkeits- und Härtewerte erreicht werden.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass gezielt in der ersten Zone des primären Bereichs (Lauffläche und Spurkranz) ein Kühlmediumübertragungsband aufgebaut wird, durch das der eigentliche Härtevorgang erfolgt, und die sanfte Abkühlung des geometrisch sekundären Bereichs (beide Laufkranzstirnflächen und der Laufkranzboden) eine unterstützende Funktion bei der optimalen Härte- und Gefügebildung im primären Bereich zukommt. Dadurch sind die komplexen Vorgänge bei der Gefügebildung prozesssicher beeinflussbar, so dass zum Inneren des Radkranzes hin ansteigende Festigkeits- und Härtewerte erzielbar sind.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1

eine Schnittdarstellung eines rotationssymmetrischen Körpers in Form eines Schienenfahrzeugrades

Fig. 2

ein Blockschaubild des Verfahrensablaufes für die Wärmeführung

Fig. 3

eine vereinfachte Darstellung des Radkranzquerschnittes mit der Zoneneinteilung, angedeuteten Kühlmedienströmen und den Härteprüfstellen

Fig. 4

ein Diagramm zu den Volumenströmen für die Wärmeabführung innerhalb eines Härtezyklus

Fig. 5

Tabelle für ein beispielhaftes Basisprogramm für ein Schienenfahrzeugrad in Form eines Eisenbahnrades

In der Fig. 1 ist der wärmezubehandelnde, rotationssymmetrischen Körper in Form eines Schienenfahrzeugrades 1 dargestellt. Dabei umfasst das aus einem metallischen Werkstoff (z.B. Stahl oder Stahllegierung) bestehende Schienenfahrzeugrad 1 eine Nabe 2, deren zugeordnetes Blatt 3 die Verbindung zu einem einen Spurkranz 4, eine Lauffläche 5 und einen Laufkranzboden 6 beinhaltenden Laufkranz 7 herstellt, welcher beidseitig von Laufkranzstirnflächen 8, 9 begrenzt wird. Für die erforderliche Wärmebehandlung (Härteprozess) wird das Schienenfahrzeugrades 1 um seine vertikal stehende Achse 10 drehangetrieben und dessen Oberflächenbereiche zur Einstellung reproduzierbarer mechanischer Eigenschaften Abkühlvorgängen unterzogen, bei denen die Oberflächenbereiche mit mindestens einem Kühlmedium (Wasser und/oder Luft) beaufschlagt werden.

Die allgemeinen Anforderungsmerkmale an ein Schienenfahrzeugrad sind in der Eisenbahnnorm UCI 812-3 festgelegt.

Für eine lange Lebensdauer des Schienenfahrzeugrades 1 ist es erforderlich, dass die Lauffläche 5 trotz des an der Oberfläche stattfindenden Verschleißes eine gleiche bzw. zunehmende Härte zum Radinneren aufweist. Der diesbezügliche Idealzustand ist beispielhaft am Querschnittsbereich des Laufkranzes 7 mit den Härteprüflinien und der Zuordnung der Härtewerte in Fig. 3 dargestellt, und für das Härteverfahren von vordergründiger Bedeutung.

Für das Härten wird der auf eine werkstoffspezifische Härtetemperatur (z.B. ca. 840 °C) erwärmte Rohling des Schienenfahrzeugrades 1 in unterschiedliche Bereiche (geometrische Zonen) für die Wärmebehandlung unterteilt.

Mit Bezug auf Fig. 3 betrifft dies einerseits die am Laufkranz 7 des Schienenfahrzeugrades 1 befindlichen, den primärer Bereich darstellende Laufflächenzone 19 und Spurkranzzone 17 mit den unter der Laufflächenzone 19 und der Spurkranzzone 17 liegenden Härtezonen 21 sowie die den sekundärer Bereich darstellenden beiden, sich an die Lauffläche 5 bzw. den Spurkranz 4 anschließenden Laufkranzstirnflächenzonen 22, 23 als auch die Laufkranzbodenzone 20, sowie andererseits den Bereich des Blattes 3, der Nabe 2 mit relativ niedrigen HB-Werten, wobei diese Zonen in Abhängigkeit der am Laufkranz 7 zu erzielenden Gefügestrukturen volumen- und zeitgesteuert mit mindestens einem Kühlmedium beaufschlagt werden, welches bezüglich der Laufflächenzone 19 und der Spurkranzzone 17 als ein mittlerer Wasservolumenstrom 11, mit Bezug auf die Laufkranzstirnflächenzonen 22, 23 als oberer bzw. unterer Wasservolumenstrom 12, 13 und zusätzlich im seitlichen Bereich des Spurkranzes 4 als ein Luftvolumenstrom 14 ausgestaltet ist. Die Kontrolllinien 16 umfassen die Kontrollzone 18, auf denen entlang in Abständen die Härteprüfpunkte liegen.

Dabei wird zur Realisierung eines homogenen perlitischen Gefüges über den gesamten Radquerschnitt, ausgenommen die Bereiche der Nabe 2, des Blattes 3 und des Kühlmediumübertragungsbandes 15, bei einer präzise einstellbaren Härte im Bereich der Lauffläche 5 eine thermische Phasensteuerung durchgeführt. In den Bereichen der Nabe 2 und des Blattes 3 erfolgt keine aktive Abkühlung, sondern nur freie Konvektion.

Beginnend mit einem Basisprogramm (Fig. 5), dessen Parameter sich auf einschlägige Erfahrungen bei der bisherigen Wärmebehandlung auf der Grundlage von Versuchen an verschiedenen Radquerschnitten und Werkstoffen (z.B. niedrig legierter Stahl ER6, ER7, ER8 nach DIN EN 13262) Schienenfahrzeugrädern stützen, und somit allgemeingültige Grundwerte darstellen, wird die Ersthärtung eines neuen Schienenfahrzeugrades unter Nutzung einer Härtemaschine, wie sie beispielsweise aus der der EP 1 215 291 B1 bekannt ist, durchgeführt. Dazu erfolgt durch einen als Wasservolumenstrom 11 (Temperatur z.B. 34 bis 36°C) ausgeführten Kühlmedium zunächst eine Abkühlung der Laufflächenzone 19 und der sich anschließenden Spurkranzzone 17 beginnend am Außenprofil des Laufkranzes 7 bis zu einer Tiefe von beispielsweise ca. 7 mm (0,5% des Durchmessers des Schienenfahrzeugrades 1 ==> 0,5% x 1.460 mm = 7,3 mm), die bei geringer Abkühlgeschwindigkeit unter stabilisierender, bei Temperaturen <620°C abgeschlossener Ausbildung eines homogenen Gefüges, zur Bildung eines Kühlmediumübertragungsbandes 15 vorgenommen wird, durch welches nachfolgend eine Dämpfung der Abkühlwirkung des weiterhin einwirkenden Kühlmediums für die Wärmeabführung im eigentlichen Härteprozess der darunterliegenden Härtezonen 21 erfolgt. Dieses Kühlmediumübertragungsband wirkt praktisch als ein Schutzring und hat typischerweise eine wesentlich geringere Härte als die darunterliegenden Bereiche der Härtezonen 21. Die Dicke dieses Kühlmediumübertragungsbandes 15 beträgt ca. 2 bis 7 mm.

Dabei ist die erzielte Härte und Gefügestruktur in 2 bis 7 mm Tiefe von untergeordneter Bedeutung, da diese Bereiche bei der mechanischen Nachbearbeitung entfernt werden. Durch diese stabilisierte Zone (Kühlmedienübertragungsband), welche später keine weitere Gefügeumwandlung mehr erfährt, erfolgt der eigentliche Härteprozess, bei dem der Wärmeaustausch zwischen der abgeführten Wärmemenge und dem inneren Wärmeinhalt nur noch über dieses Kühlmediumübertragungsband 15 an der Laufflächenzone 19 und der Spurkranzzone 17 erfolgt.

Durch die Ausgestaltung dieses Kühlmedienübertragungsbandes 15 von 2 bis 7 mm Dicke und abgekühlt auf eine Temperatur von 70 bis 200°C, können Wärmeführungen für das Härten unter Einsatz von Wasser erzielt werden, die sonst nur mittels eines Salz- oder Bleibades erreichbar sind.

Gleichzeitig werden die beiden Laufkranzstirnflächen 8, 9 bzw. deren Laufkranzstirnflächenzonen 22, 23 (sekundärer Bereich) mit einem Kühlmedium (oberer bzw. unterer Wasservolumenstrom 12, 13) beaufschlagt, um in Verbindung mit der Wärmeableitungszone das Rückströmen von Wärme aus dem Inneren nicht aktiv abgekühlter Bereiche in die Härtezonen 21 und deren negativen Einfluss auf die bereits entstandene Gefügestruktur bzw. das Härteergebnis in den Härtezonen 21 zu unterbinden. Der primäre Härtebereich wird somit verfahrenstechnisch von rückfließender Wärme insbesondere aus den Laufkranzstirnflächen 8, 9 nicht beeinflusst.

Mit der größtmöglichen Bereitstellung des Wasservolumenstromes 11 wird in diesem Bereich die Abkühlung des Rades 1 abgeschlossen und kurze Zykluszeiten sind erreicht. Ohne diese unterstützende Wärmeabführung ist es nicht prozesssicher möglich in den relevanten Bereichen die maximal mögliche Härte in den Zonen 21 bei einem homogenen Gefüge herzustellen bzw. würden wesentlich höhere Kühlmedienmengen im Laufflächenbereich notwendig, welche dazu führen, dass eine exakte Steuerung Härte-/ Gefügeverhältnisses unmöglich wird. Zusätzlich erfolgt im seitlichen Bereich des Spurkranzes 4 die Abkühlung durch einen Luftvolumenstrom 14.

In der Fig. 2 ist der grundsätzliche Verfahrenablauf für die Wärmeführung ausgehend von der Härtemaschine, wie sie beispielsweise aus der der EP 1 215 291 B1 bekannt ist, mit ihren Stellgliedern, der Kühlmedienmengensteuerung und Düseneinstellungen, der zugehörigen Steuerung mit den modularen Möglichkeiten hinsichtlich der Wirkung auf die thermischen Phasen und geometrischen Bereichen, zugeordnet dem Schienenfahrzeugrad und zugehöriger Datenbank für das Ablegen und Aufrufen von radspezifischen Programmteilen.

Bei einem neuen Schienenfahrzeugrad wird die erste Schienenfahrzeugradhärtung mit einem Basisprogramm durchgeführt.

Nach der durch Härten abgeschlossenen Wärmebehandlung des ersten Schienenfahrzeugrades wird das Rad einer werkstofftechnischen Probenauswertung unterzogen, metallographische und mechanische Prüfwerte, hinsichtlich Gefügestruktur, Härteprüfwerten, Zugversuchswerten sowie Kerbschlagprüfungs-Ergebnissen. Der Soll-Ist-Wert Vergleich wird geführt und daraus die Korrekturwerte für die Stellgrößen für die geometrischen und thermischen Bereiche festgelegt. Detailliert sind es die Kühlmediendosierungen bezüglich der thermischen Phasen und geometrischen Bereiche, die Medienart, die Gestaltung der Wärmeabführung aus dem sekundären Radbereichen, sowie die Geschwindigkeit des Drehantriebes des Schienenfahrzeugrades 1. Abgespeichert werden diese Parameter und Einstellwerte in das spezifische Radprogramm und bereitgestellt für die 2. Wärmeführung am nächsten Schienenfahrzeugrad.

Bei positiver Auswertung sind die Daten aus der Datenbank für eine Serienfertigung verfügbar.

Es ist die Eigenschaft der Schienenfahrzeugrad-Werkstoffe, dass die Qualität der Gefügebildung und damit verbunden die mechanischen Eigenschaften bei konstanter Wärmeführung gemäß des Ablaufes nach Fig. 4 für den Härteprozess qualitätsgerecht und eindeutig reproduzierbar ist.

Die Bestimmung der für die Wärmeabführung erforderlichen Sollgrößen definiert sich individuell nach Radtyp, -größe, Werkstoff, Geometrie des Querschnitt-Profils und hinsichtlich der gegebenen Eigenschaften sowie zu den durch die Wärmebehandlung zu erreichenden Eigenschaften, Gefügestruktur und daran gebundenen in den Radbereichen erforderlichen Härtewerten.

Die so gefundenen Werte werden in einer Datenbank abgelegt und stehen für eine Serienfertigung von Schienenfahrzeugrädern dieses speziellen Typs bereit.

Die Darstellung der Wasser- und Luftvolumenströme 11, 12, 13, 14 und deren Zuordnung zum Schienenfahrzeugrad sind über der Wärmebehandlungszeit in der Fig. 4 dargestellt. Darin ist die Gestaltung der Wärmeabführung durch die Kühlmedien in einer Kennliniendarstellung als Funktion der Kühlmedienmengen und -art über der Zeit mit der Einteilung in thermische Phasen (Phase 1 bis 3) wiedergegeben.

Bestimmend für die Härtebildung ist die Wärmeabführung pro Zeiteinheit, d.h. der Volumenstrom des einwirkenden Kühlmediums.

Die nach der Probenauswertung erforderlichen Korrekturwerte zur Einstellung der gewünschten Gefügestruktur und Härtewerte des Radkranzes 7 sind aus dem Diagramm (Fig. 4) im Bereich der Zone 2 beidseitig in Richtung der strichpunktierten Linie verlaufenden, durchgezogenen Geraden zu entnehmen. Ein sehr steiler Anstieg der Geraden bewirkt eine hohe Härte, ein flacher Anstieg garantiert ein homogenes Gefüge.

Dieses Diagramm gliedert sich in thermische Phasen

• Phase 1 = Bildung des Kühlmediumübertragungsbandes,
• Phase 2 = Härtevorgang,
• Phase 3 = Wärmeableitung aus dem bereits gehärteten Bereich,

1

Schienenfahrzeugrad

2

Nabe

3

Blatt

4

Spurkranz

5

Lauffläche

6

Laufkranzboden

7

Laufkranz

8

Laufkranzstirnfläche

9

Laufkranzstirnfläche

10

Achse

11

mittlerer Wasservolumenstrom

12

oberer Wasservolumenstrom

13

unterer Wasservolumenstrom

14

Luftvolumenstrom

15

Kühlmediumübertragungsband

16

Kontrolllinie für die Härteprüfpunkte

17

Spurkranzzone

18

Kontrollzone mit Linien auf denen entlang in Abständen die Härteprüfpunkte liegen

19

Laufflächenzone

20

Laufkranzbodenzone

21

Härtezonen

22

Laufkranzstirnflächenzone

23

Laufkranzstirnflächenzone