BUNDES-REPUBLIK Q2) Offenlegungsschrift
`DEUTSCHLAND
`® DE 31 11420 A1
`
`@ mom:
`5232030308/18
`
`B 60 B 17/00
`
`® Aktenzeichen:
`® Anmeldetag:
`@ Offenlegungstag
`
`:
`
`P 31 11 4202-24
`24. 3. 81
`14. 10. 2
`8
`
`DEUTSCHES
`
`PATENTAMT
`
`
`
`® Erfinder:
`Lorenz, Manfred, Dipl.-Phys. Dr., 8307 Effretikon, CH;
`Kummrow, Richard, Dipl.-lng., 9545 Wingi, CH
`
`@
`
`®
`
`Unionsprioritét: ® ® ®
`13.03.81 CH 1723/81
`
`Anmelder:
`
`Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik,
`Winterthur, CH
`
`Vertreter:
`
`Sparing, K., Dipl.-lng.; Rfihl, W., Dipl.—Phys. Dr.rer.nat.,
`Pat.—Anw., 4000 Dfisseldorf
`
`DE3111420A1
`
`Prflfungsantrag gem. § 44 PatG ist gestellt
`
`nGegenstfinde, insbesondere Lokomotivradbandagen und Schienen, mit erhtihter Besténdigkeit gegen
`Oberfléchenbaschfidigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgange. insbesondere Bildung von Riffeln oder
`kurzen Wellen beim Fahrbetrieba
`
`Gegensténde, hergestellt aus einer im wesentlichen perliti-
`schen Stahllegierung, welche 1m wesentlichen zwischen 0.60
`und 0.75% Kohlenstoff, zwischen 0.40 und 0.75% Silizium.
`zwischen 0.60 und 1.20% Chrom. bis 0.20% Molybdéin. bis
`0.10% Vanadium zwischen 0.50 und 0.80% Mangan enthéilt,
`deren Temperatur Ac 1 def beginnenden Austenitisation. bei
`einer Aufheizgeschwindigkeit bis ca. 4° C/Min., wenigstens
`743° betrégt.
`
`DE3111420A1
`
`'
`
`(31 11 420)
`
`Applmmr
`
`721:
`
`725
`
`rm
`
`715
`
`um
`m r-n
`
`7L5
`
`BUNDESDRUCKEREI BERLIN 08. 82 230 041/143
`
`5/70
`
`
`DEUTSCHLAND
`® DE 31 11420 A1
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`@ mom:
`5232030308/18
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`B 60 B 17/00
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`® Aktenzeichen:
`® Anmeldetag:
`@ Offenlegungstag
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`:
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`P 31 11 4202-24
`24. 3. 81
`14. 10. 2
`8
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`DEUTSCHES
`
`PATENTAMT
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`
`® Erfinder:
`Lorenz, Manfred, Dipl.-Phys. Dr., 8307 Effretikon, CH;
`Kummrow, Richard, Dipl.-lng., 9545 Wingi, CH
`
`@
`
`®
`
`Unionsprioritét: ® ® ®
`13.03.81 CH 1723/81
`
`Anmelder:
`
`Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik,
`Winterthur, CH
`
`Vertreter:
`
`Sparing, K., Dipl.-lng.; Rfihl, W., Dipl.—Phys. Dr.rer.nat.,
`Pat.—Anw., 4000 Dfisseldorf
`
`DE3111420A1
`
`Prflfungsantrag gem. § 44 PatG ist gestellt
`
`nGegenstfinde, insbesondere Lokomotivradbandagen und Schienen, mit erhtihter Besténdigkeit gegen
`Oberfléchenbaschfidigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgange. insbesondere Bildung von Riffeln oder
`kurzen Wellen beim Fahrbetrieba
`
`Gegensténde, hergestellt aus einer im wesentlichen perliti-
`schen Stahllegierung, welche 1m wesentlichen zwischen 0.60
`und 0.75% Kohlenstoff, zwischen 0.40 und 0.75% Silizium.
`zwischen 0.60 und 1.20% Chrom. bis 0.20% Molybdéin. bis
`0.10% Vanadium zwischen 0.50 und 0.80% Mangan enthéilt,
`deren Temperatur Ac 1 def beginnenden Austenitisation. bei
`einer Aufheizgeschwindigkeit bis ca. 4° C/Min., wenigstens
`743° betrégt.
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`DE3111420A1
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`(31 11 420)
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`Applmmr
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`721:
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`725
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`715
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`BUNDESDRUCKEREI BERLIN 08. 82 230 041/143
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`5/70
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`Patentansgruch
`
`Gegenstande,
`
`insbesondere Lokomotivradbandagen und Schie—
`
`nen, mit erh6hter Bestandigkeit gegen Oberflachenbe-
`
`schédigung durch Abroll- und/oder Reibungsvorgénge,
`
`ins—
`
`besondere Bildung von Riffeln oder kurzen Wellen beim
`
`Fahrbetrieb, hergestellt aus einer im wesentlichen
`
`perlitischen Stahllegierung, welche im wesentlichen zwi—
`
`schen 0.60 und 0.75 % Kohlenstoff, zwischen 0.40 und 0.75%
`
`Silizium, zwischen 0.60 und 1.20 % Chrom, bis 0.20 %
`
`Molybdén, bis 0.10 % Vanadium sowie zwischen 0.50 und
`
`10
`
`0.80 % Mangan enthfilt, deren Temperatur Ac 1 der be—
`
`ginnenden Austenitisation, bei einer Aufheizgeschwindig-
`kei’c his ca. 4°C/Min., wenigstens 743°C betréigt.
`
`
`
`3111420
`
`P.5590/N1/Ma
`
`Schweizerische Lokomotiv— und Maschinenfabrikz Winterthur
`
`insbesondere Lokomotivradhandagen und
`Gegensténde,
`Schienen, mit erhahter Besténdigkeit gegen Oberflfichen—
`beschédigung durch Abroll— und/oder Reibungsvorgénge,
`insbesondere Bildung von Riffeln oder kurzen Wellen beim
`Fahrbetrieb
`
`Die Erfindung betrifft Gegenstande,
`
`insbesondere Loko-
`
`motivradbandagen und Schienen, mit erhbhter Bestandigkeit
`
`gegen Oberfléchenbeschédigung durch Abroll— und/oder
`
`insbesondere Bildung von Riffeln oder
`Reibungsvorgénge,
`kurzen Wellen beim Fahrbetrieb.
`
`Riffeln und Wellen sind als periodische Verschleisser-
`
`scheinungen an Eisenbahnschienen
`
`bekannt. Ins-
`
`besondere werden sogenannte kurze Wellen bei Gebirgs—
`
`Adhésionsbahnen-—vor allem in Uebergangsbégen auf der
`
`kurveninneren Schiene auftretend — darauf zurfickgeffihrt,
`
`dass beim Fahren im Grenzbereich der Adhesion periodischen
`
`ruckartiger Schlupf zwischen den Ridern und der Schiene
`
`auftritt. Dieser scheint auf der Schiene ein Abnfitzungs-
`
`muster einzuprégen, welches bei erneutem Ueberrollen ver-
`stfirkt wird.
`
`15
`
`Mit den Schienenriffeln ode: -Wellen kann die Verriffelung
`
`
`
`III!
`
`3111420
`
`von Lokomotivrédern bzw. Lokomotivradbandagen einhergehen.
`
`Dabei bilden sich Bandagenriffeln von derselben Art wie
`
`die obengenannten Schienenriffeln, wobei es jedoch durch-
`
`aus méglich ist, dass Rider unbeschadigt fiber eine ver—
`
`riffelte Strecke rollen. Das riffelbedingte Ueberdrehen
`
`der Bandagen bedeutet eine empfindliche Einschrénkung der
`
`Betriebsverfflgharkeit der Lokomotiven.
`
`Bin Verfahren zur Verminderung oder Vermeidung einer
`
`Riffelbildung bei Schienen ist z. B.
`
`in der DE-PS 966 656
`
`offenbart. Hierbei wird davon ausgegangen, dass zwischen
`
`den in der Schiene durch die darfiber rollenden Fahrzeuge
`
`entstehenden EigenschwingungenInxiderBiEMng dz'Riffeln
`
`auf der Schienenlaufflache ein inniger Zusammenhang in
`
`der Art besteht, dass, bei sonst gleichbleibenden Be-
`
`triebsverhaltnissen, mit einem geringeren Ausmass an
`
`Eigenschwingungen auch die Neigung der Schiene zur Riffel-
`
`bildung abnimmt. Dabei soll ein rasches Abklingen der in
`
`den Schienen hervorgerufenen Schwingungen erreicht wer—
`
`den,
`
`indem durch Querschnittverénderungen, die unregel—
`
`massig fiber die Schienenlénge verteilt sind, die Aus-
`
`bildung einer Resonanzschwingung behindert oder eine ent-
`
`stehende Resonmmschwingung gedampft wird.
`
`Der genannten PS ist auch zu entnehmen, dass die Geffige—
`
`ausbildung als solche, wie beispielsweise darfbnfit— umider
`
`Karbidanteil
`
`, die Korngrasse des Geffiges und anderes
`
`mehr die Eigendémpfung des Werkstoffes wesentlich beein-
`
`flussen. Diese Erhfihung der Eigendfimpfung des Werkstoffes,
`
`welche in besonderem Masse bei einem Zwischenstufenge—
`
`ffige zur Geltung gelangt, soll zur Beschleunigung des
`
`Abbaues von Eigenschwingungen der Schienen ausgenutzt
`werden, wodurch einer Riffelbildung entgegengewirkt werden 7
`
`soil. Eine praktisch brauchbare Verminderung der Riffel—
`
`bildung konnte hierdurch jedoch nicht erreicht werden.
`
`10
`
`15
`
`20
`
`25
`
`30
`
`
`
`.
`
`_ .2
`
`311142fl**f":
`
`7/
`
`5 e,
`
`Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs erwfihnten
`
`Gegenstfinde durch Legierungsmassnahmen so zu verbessern,
`
`dass die Riffelbildung weitgehend vermieden wird.
`
`Erfindungsgemass wird diese Aufgabe gelast,
`
`indem die
`
`Gegenstande aus einer im wesentlichen perlitischen Stahl-
`
`legierung, welche im wesentlichen zwischen 0.60 und 0.75 %
`
`Kohlenstoff, zwischen 0.40 und 0.75 % Silizium, zwischen
`
`0.60 und 1.20 % Chrom, bis 0.20 % Molybdfin, bis 0.10 %
`
`Vanadium Sowie zwischen 0.50 und 0.80 % Mangan enthalt,
`
`Temperatur Ac 1 der beginnenden Austenitisation,
`deren
`bei einér Aufheizgeschwindigkeit bis ca. 4°C/Min.,
`wenigstens 743°C betrfigt, hergestellt 51nd.
`
`Es hat sich dabei fiberraschenderweise gezeigt, dass bei
`
`einer Erhahung der Temperatur Ac 1 bei den herkammlichen
`
`Stfihlen fflr Lokamfiivradbandagen die Riffelbildung
`
`wesentlich verringert wird. Die Erhéhung der Temperatur
`
`Ac 1 kann dabei in bekannter Art und Weise durch Erhahung
`
`der Anteile an ferritbildenden Legierungselementen und/
`
`oder Reduktion der Anteile an austenitbildenden Legierungs-
`
`elementen erfolgen, wie aus nachstehender Tabelle 1 her— -
`
`vorgeht.
`
`10
`
`15
`
`20
`
`Wie aus der Literatur, z. B. aus dem Artikel "Schienen-
`
`riffeln,
`
`ihre Erforschung und Verhfitung", von Dr.—Ing.
`
`Fritz Biermann, VDI-Z. 100 (1958) Nr. 26, Seite 1259,
`
`25
`
`Spalte 2, Abs. 2 bekanntrist, sind die Riffelberge von
`
`einem dfinnen Martensithautchen fiberzogen. Erfindungsge-
`
`mass wird nun angenommeh, dass die Martensithildung nicht
`
`als Begleiterscheinung, sondern als eigentliche Ursache
`
`der Riffelbildung zu betrachten ist und dass die genannte
`
`30
`
`Heraufsetzung der Temperatur Ac 1 bereits eine derartige
`
`Reduktion der Martensitbildung bewirkt, dass auch die
`
`Riffelbildung unterdrflckt bzw. verhindert wird. Es ver—
`
`
`
`.‘
`
`'1'!
`
`3111420
`
`steht sich jedoch, dass diese Annahme nicht auf sémtliche
`
`Formen der Riffeln und Wellen zutreffen muss, und dass
`
`bei ihrer Bildung auch andere UrSachen vorliegen kénnen.
`
`Die néhere Erlauterung der Erfindung erfolgt anhand von
`
`Ausffihrungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender
`
`Zeichnung.
`
`Beisgiel 1
`
`10
`
`15
`
`20
`
`25
`
`30
`
`Es wurde ein Langzeit~Betriebsversuch mit bis zu 10
`
`Grenzleistungs—Lokomotiven durchgeffihrt, welche mit 6
`
`verschiedenen Radbandagen—Stahlen A bis F ausgerfistet
`
`waren, deren Zusammensetzung aus nachstehender Tabelle 2
`hervorgeht
`(A15 Grenzleistungs—Lokomotive wifd eine
`
`Lokomotive bezeichnet, deren Leistung so bemessen ist,
`dass das zwischen Schiene und Rad bestehende Adhfisions-
`
`angebot vollsténdig genutzt werden kann).
`
`Es wurde eine periodische Ueberwachung des Radumhng—
`
`Profils mittels visueller Beobachtung und analoger
`
`Registrierung wéhrend vier Jahren sowie eine periodische
`
`Reprofilierung der Rader durchgeffihrt. Als Beweflnngs—
`
`kriterium ffir die Anfélligkeit gegenfiber Bildung von
`
`mittleren Wellen diente der Durchschnitt App der vier
`
`gréssten "Berg—Tal"—Héhendifferenzcn pro Radumfang app
`(mm)
`im Wellenlangen—Bereich von etwa 15 cm nach einer
`
`Laufleistung von 30 000 km unter sommerlich trockenen
`
`Witterungsverhaltnissen, wie aus Fig. l hervorgeht, welche
`
`einen typischen Ausschnitt eines Radumfangprofils zeigt.
`
`Die Ergebnisse sind aus dem in Fig. 2 dargestellten Dia—
`
`gramm ersichtlich, wobei der Wert App (mm) als Ordinate
`und die Temperatur Ac 1 (0C) als Abszisse dargestellt sind.
`
`Die Temperatur Ac 1 ist dabei nach Pormel l gemass obiger
`
`Tabelle 1. anhand von 5011— und Istanalysen gemass Tabelle
`
`
`
`3111420
`
`2 (Durchschnittswerte) berechnet worden. Die Zahl unter
`
`dem jeweiligen Buchstaben A - F bezieht sich auf die
`
`Anzahl Versuche, wobei die Gesamtzahl der Versuche 104
`
`betrégt
`
`.
`
`Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Werkstoff A mit dem
`hachsten Bereich der Temperatur Ac 1 die geringéten Wellen—
`
`bildungs— Werte aufweist. Die Abhangigkeit der Wellen-
`
`bildungs— Werte von der Temperatur Ac 1 ist aus dem Dia—
`
`gramm klar ersichtlich.
`
`10
`
`Beisgiel 2
`
`Mit den gleichen Werkstoffen A - F wie in Beispiel l sowie
`
`mit zusétzlich zwei typischen Schienenstéhlen Sl und 82
`
`wurden Reibimpulsversuche zwecks Bildung von Reibmartensit
`
`durchgeffihrt, wie beschrieben im Artikel "Die hochener—
`
`15
`
`getische Kurzzeithberfléchenhértung von Stahl mittels
`
`E1ektronenstrahl—, Hochfrequenz- und Reib— Impulsen", von
`
`Dr.—Ing. G. Stéhli, Harterei- technische Mitteilungen,
`
`29 (1974) Heft 2/Juni, Seite 55/67 beschrieben. Die Ver-
`
`suchsdaten waren dabei folgende:
`
`20
`
`Probenzustand: normalgeglfiht (perlitisch)
`
`Reibscheibe:
`
`X 220 CR 13, gehartet, feingeschliffen,
`badnitriert
`
`Anpresskraft:
`
`5,
`
`5 Kp
`
`Kdntaktzeit
`
`:
`
`100 ms
`
`25
`
`Gleitgeschwindigkeit: 25 m/s
`
`Das Aussehen und die Abmessungen (mm) der Versuchskfirper,
`
`der Reibkontaktflache (R) und der Reibimpulseinhértungs-
`
`tiefe(Rht, mm) sind aus Fig.
`
`3 ersichtlich.
`
`Das Ergebnis der Versuche ist im Diagramm gemass Fig. 4
`
`30
`
`dargestellt, wobei die erzielten Reibimpuls-Einhértungs-
`
`tiefen (mm)
`
`(Ordinate) als Funktion des dilatometrisch
`
`
`
`3111420
`
`bestimmten Umwandlungspunktes Ac 1 (0C)
`
`(Abszisse) dar—
`
`gestellt ist.
`
`Aus dem Diagramm wird deutlich, dass eine Reduktion der
`
`Reibimpulseinhértungstiefe, d. h. eine Verringerung der
`
`Reibmartensitbildung, bei steigender Temperatur Ac 1 ein-
`
`tritt.
`
`Es versteht sich, dass die Erfindung auch in Bezug auf
`
`andere Gegensténde verwendbar ist, welche Abroll- und/
`
`oder Reibungsvorgangen ausgesetzt sind, wie z. B. Walzen,
`
`10
`
`walzkfirper und Rollbahnen.
`
`
`
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`3111420
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`Int. Cl.3:
`Anmeldetag:
`Offenlagungstag:
`
`NACHGERmoHTw‘
`3111420
`022038/18
`24. Mérz 1981
`14. Oktober 1982
`
`- 47-
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`_]Ei§71
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`[nun]
`
`3 2 1 0
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`ES
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`App[mm]
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`720
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`725
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`7L0
`
`7L5
`
`Ac1[°C]
`
`
`
`.. -:2. 3.111420
`
`- 10'
`
`
`
`710
`
`720
`
`730
`
`7L0
`
`750
`
`AC1 [ °C ]
`
`
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