DE20306253U1 - Solid wheel for rail vehicles comprising isothermally treated bainitic cast iron with spheroidal graphite and microstructure containing austenite - Google Patents
Solid wheel for rail vehicles comprising isothermally treated bainitic cast iron with spheroidal graphite and microstructure containing austeniteInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Vollräder für Radsätze von Schienenfahrzeugen aus isothermisch behandeltem bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit, dessen Mikrogefüge 30 bis 50 % Austenit aufweist.The invention relates to solid wheels for wheel sets of rail vehicles made of isothermally treated bainitic cast iron with spheroidal graphite, the microstructure of which has 30 to 50% austenite.
Die Räder von Schienenfahrzeugen sind im täglichen Betrieb extrem hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Systempaarung Eisenbahrad / Schiene stellt mit einer realen Kontaktfläche von circa 1 cm2 eine der am höchsten belasteten, in Stahl ausgeführten Wälzkontakte dar. Bedingt durch die kleine Aufstandsfläche zwischen Schiene und Radlauffläche treten dort extreme Kräfte auf. Aus diesem Grund müssen Eisenbahnräder vor allem einen hohen Widerstand gegen Verschleiss und Rollkontakt-Ermüdung aufweisen. Eisenbahnräder werden deshalb üblicherweise aus unlegiertem Stahl mit perlitischem Gefüge hergestellt, da diese Gefüge einen hohen Verschleisswiderstand und eine gewisse Umwandlungsträgheit unter thermischer Beanspruchung aufweisen. Die zur Herstellung dieser Räder notwendigen Bearbeitungsvorgänge umfassen das Schmieden, Walzen, Wärmebehandeln und Nachbearbeiten, ggf. Wärmebehandlung. Ebenso bleibt die Gefahr von Rissbildungen bedingt durch Verfestigungsvorgänge oder thermische Belastung bestehen.The wheels of rail vehicles are exposed to extremely high stresses in daily operation. With a real contact area of around 1 cm2 , the rail wheel/rail system pairing represents one of the most heavily loaded rolling contacts made of steel. Extreme forces occur there due to the small contact area between the rail and the wheel tread. For this reason, railway wheels must above all have a high resistance to wear and rolling contact fatigue. Railway wheels are therefore usually made of unalloyed steel with a pearlitic structure, as this structure has a high wear resistance and a certain transformation inertia under thermal stress. The processing processes required to manufacture these wheels include forging, rolling, heat treatment and reworking, and if necessary heat treatment. There is also a risk of cracks forming due to hardening processes or thermal stress.
Erste Ansätze zur Substitution der aufwändigen Herstellungstechnologie führten in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts in den USA zur Entwicklung gegossener Räder für den Güterverkehr, der sogenannten „Griffin-Räder". Dabei wird Stahlguss mit einem vergleichsweise hohen Kohlenstoffgehalt verwendet, der hohe Giesstemperaturen erforderlich macht. Dies führt jedoch bei grossen bzw. dickwandigen Gussteilen wie z.B. Eisenbahnrädern zu schwindungsbedingten Inhomogenitäten und den daraus resultierenden mechanischen Schwachstellen. Deshalb können Eisenbahnräder aus Stahlguss bislang die in Europa geltenden Sicherheitsanforderungen für Eisenbahnräder nicht erfüllen, da hier im Gegensatz zu den USA ein hoher Anteil von Personenverkehr zu berücksichtigen ist.The first attempts to replace the complex manufacturing technology led to the development of cast wheels for freight transport in the USA in the first half of the twentieth century, the so-called "Griffin wheels". Cast steel with a comparatively high carbon content is used, which requires high casting temperatures. However, in large or thick-walled cast parts such as railway wheels, this leads to shrinkage-related inhomogeneities and the resulting mechanical weak points. For this reason, railway wheels made of cast steel have not yet been able to meet the safety requirements for railway wheels that apply in Europe, since, in contrast to the USA, a high proportion of passenger traffic has to be taken into account here.
Ferner ist es im Maschinenbau inzwischen allgemein bekannter Stand der Technik, wärmebehandeltes Gusseisen mit Kugelgraphit (Bainitisches Gusseisen, im englischen Sprachraum: austempered ductile iron (ADI)) als Werkstoff für durch Verschleiss und Ermüdung hochbelastete Komponenten einzusetzen. Dieser Werkstoff, der eine hohe Festigkeit mit hinreichender Zähigkeit kombiniert, ist in vielen Fällen Schweisskonstruktionen aus vergütetem Stahl überlegen. Sein Gefüge besteht aus einer ferritischaustenitischen Matrix (Ausferrit) mit den darin eingelagerten Graphitkugeln. CarbideFurthermore, it is now generally known in mechanical engineering to use heat-treated cast iron with spheroidal graphite (bainitic cast iron, in English-speaking countries: austempered ductile iron (ADI)) as a material for components subject to high levels of wear and fatigue. This material, which combines high strength with sufficient toughness, is in many cases superior to welded structures made of tempered steel. Its structure consists of a ferritic-austenitic matrix (ausferrite) with graphite spheres embedded in it. Carbide
und Martensit sind als versprödende Gefügebestandteile zu vermeiden. Die Spanne der mechanischen Eigenschaften von ADI reicht von Zugfestigkeits-Werten von 1400 N/mm2 bis zu 900 N/mm2 (bei 1 % bis 2 % Bruchdehnung) bis zu Werten von 800 N/mm2 (bei circa 8 % bis 10 % Bruchdehnung). Durch Hinzulegieren von Kupfer, Molybdän oder Nickel wird auch bei Werkstücken mit grossen Bauteilquerschnitten die Ausbildung eines homogenen ausferritischen Gefüges bewirkt.and martensite are to be avoided as embrittling structural components. The range of mechanical properties of ADI extends from tensile strength values of 1400 N/mm 2 to 900 N/mm 2 (at 1% to 2% elongation at break) to values of 800 N/mm 2 (at approximately 8% to 10% elongation at break). By adding copper, molybdenum or nickel to the alloy, a homogeneous ausferritic structure is formed even in workpieces with large component cross-sections.
Neben vielen anderen Anwendungsgebieten im allgemeinen Maschinenbau haben sich in der Fahrzeugindustrie Kurbelwelle, Getriebekomponenten sowie Pleuelstangen als typische Anwendungsgebiete von ADI herausgebildet.In addition to many other areas of application in general mechanical engineering, crankshafts, transmission components and connecting rods have emerged as typical areas of application for ADI in the automotive industry.
Eine erste konkrete Anwendung von ADI für die Herstellung von Eisenbahnrädern ist aus Finnland bekannt. Dort wurden beginnend in 1976 Räder aus einem ADI-Werkstoff gefertigt und zu Versuchszwecken in Fahrzeuge der Finnischen Staatsbahn (VR) sowie der Metro Helsinki eingebaut. Entsprechende Hinweise sind einem Vortrag eines Vertreters der Firma Kymmene (Kalevi Jokipii) anlässlich eines ADI-Seminars am 8. November 1991 an der Technischen Universität Helsinki zu entnehmen. Der hierfür verwendete Werkstoff ist unter dem Handelsnamen „Kymmenite" bekannt und entspricht einem aus DE 23 34 992 bekannten isothermisch behandelten Gusseisen mit Kugelgraphit, das nach dem Giessen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und austenitisiert wird und danach durch Abkühlen auf die für die Bainitreaktion erforderliche Temperatur in einem entsprechenden Bad bis zum Erreichen der gewünschten Bainitmenge gehalten worden ist. Das Mikrogefüge weist 20 bis 50 Volumenprozent Restaustenit auf.The first concrete application of ADI for the manufacture of railway wheels is known from Finland. Starting in 1976, wheels were manufactured from an ADI material and installed for test purposes in vehicles of the Finnish State Railways (VR) and the Helsinki Metro. Information on this can be found in a presentation by a representative of the Kymmene company (Kalevi Jokipii) at an ADI seminar on November 8, 1991 at the Technical University of Helsinki. The material used for this is known under the trade name "Kymmenite" and corresponds to an isothermally treated cast iron with spheroidal graphite known from DE 23 34 992, which is heated to austenitizing temperature and austenitized after casting and then kept in a corresponding bath by cooling to the temperature required for the bainite reaction until the desired amount of bainite is reached. The microstructure has 20 to 50 percent by volume of residual austenite.
Als Legierungsbestandteile sind gemäss DE 23 34 992 vorgesehen:
0,1 bis 0,26 % Molybdän,
0,3 bis 1,4% Mangan,According to DE 23 34 992, the following alloy components are intended:
0.1 to 0.26% molybdenum,
0.3 to 1.4% manganese,
0,03 bis 0,2 % Zinn und / oder 0,3 bis 1,0 % Kupfer und / oder 0,5 bis 2,5 % Nickel.
Ein derartiges Gefüge hat sich jedoch hinsichtlich des aus dem Rollkontakt zwischen Rad und Schiene resultierenden Belastungsprofils als zu spröde herausgestellt.0.03 to 0.2% tin and/or 0.3 to 1.0% copper and/or 0.5 to 2.5% nickel.
However, such a structure has proven to be too brittle with regard to the load profile resulting from the rolling contact between wheel and rail.
In Abweichung zu o.g. Schutzrecht werden in dem genannten Vortrag der Firma Kymmene als zusätzliche bzw. abweichende Legierungsbestandteile genannt:
3,73 % Kohlenstoff,
2,17% Silizium,In deviation from the above-mentioned property rights, the following additional or different alloy components are mentioned in the above-mentioned presentation by Kymmene:
3.73% carbon,
2.17% silicon,
0,27 % Molybdän,
0,65 % Mangan,0.27% molybdenum,
0.65% manganese,
< 0,01 % Zinn,< 0.01 % tin,
0,82 % Kupfer,0.82% copper,
0,06 % Nickel (abweichend zu DE 23 34 992),0.06 % nickel (deviating from DE 23 34 992),
0,021 % Phosphor,0.021% phosphorus,
0,007% Schwefel,
0,06 % Chrom.0.007% sulphur,
0.06% chromium.
Die hierbei offenbarte Lehre einer relativ schwachen Legierung verfolgt das Ziel, die Legierungsverhältnisse nicht an die jeweiligen Wandstärken bzw. Grössenabmessungen der Gussteile anpassen zu müssen. Zusätzlich wirkt sich der relativ hohe Mangangehalt in Verbindung mit dem sehr geringen Nickelgehalt zu einer starken Versprödung des Werkstoffes. Im Praxis-Einsatz führte dies jedoch dazu, dass die Räder den statischen und dynamischen Belastungen eines konventionellen Eisenbahnbetriebes nicht ausreichend gewachsen waren. Besonders negativ haben sich innere Kerbwirkungen aufgrund einer unzureichend kugeligen Ausprägung des Graphites sowie eine starke Lunker-Bildung ausgewirkt. Die von diesen Inhomogenitäten ausgehenden Ermüdungsrisse wurden bei den im Eisenbahnbetrieb üblicherweise fällig werdenden Reprofilierungen (insbesondere zur Behebung bremsbedingter Flachstellen) entdeckt. Binnen weniger Jahren wurden deshalb bei der VR alle ADI-Fahrzeugräder wieder aus dem Verkehr gezogen und stillgelegt.The teaching of a relatively weak alloy revealed here aims to avoid having to adapt the alloy ratios to the respective wall thicknesses or dimensions of the cast parts. In addition, the relatively high manganese content in combination with the very low nickel content leads to a strong embrittlement of the material. In practical use, however, this meant that the wheels were not sufficiently able to cope with the static and dynamic loads of conventional railway operations. Internal notch effects due to an insufficiently spherical shape of the graphite and the formation of strong cavities had a particularly negative impact. The fatigue cracks resulting from these inhomogeneities were discovered during the reprofiling that is usually required in railway operations (in particular to eliminate flat spots caused by braking). Within a few years, all ADI vehicle wheels were therefore withdrawn from service and decommissioned at VR.
Ebenso ist aus DE 28 53 870 ein Gusseisen mit Kugelgraphit und austenitischbainitischem Mischgefüge bekannt, das als Legierungsbestandteile 2,5 bis 3,7 % Kohlenstoff (C), weniger als 0,3 % Mangan (Mn), 2,0 bis 3,0 % Silizium sowie wahlweise einzeln oder zu mehreren maximal 3,0 % Nickel, 0,2 bis 0,8 % Molybdän 0,1 bis 1,5 % Kupfer, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen und Kugelgraphitbildner enthält.Likewise, from DE 28 53 870 a cast iron with spheroidal graphite and austenitic-bainitic mixed structure is known, which contains as alloying constituents 2.5 to 3.7% carbon (C), less than 0.3% manganese (Mn), 2.0 to 3.0% silicon and optionally individually or in groups a maximum of 3.0% nickel, 0.2 to 0.8% molybdenum, 0.1 to 1.5% copper, the remainder iron as well as manufacturing-related impurities and spheroidal graphite formers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vollrad für Radsätze von Schienenfahrzeugen zur Verfügung zu stellen, das - trotz der grossen Wanddickenunterschiede innerhalb des Bauteils - die günstigen Werkstoffkennwerte des bainitischen Gusseisens mit Kugelgraphit für diesen Anwendungsfall nutzbar machen und die hohen Lebensdauer-Erwartungen an Eisenbahnräder erfüllen kann. Insbesondere soll das Vollrad neben einer hohen Gesamt-Lebensdauer auch - im Vergleich zu den bisher bekannten Stahlrädern - höhere Laufleistungen zwischen den notwendigen Reprofilierungen aufweisen. Die Möglichkeit zur endkonturennahen Fertigung soll die AnschaffungskostenThe invention is based on the task of providing a solid wheel for wheel sets of rail vehicles which - despite the large differences in wall thickness within the component - can make use of the favorable material properties of bainitic cast iron with spheroidal graphite for this application and can meet the high service life expectations of railway wheels. In particular, the solid wheel should not only have a long overall service life but also - compared to the steel wheels known to date - have higher mileage between the necessary reprofiling. The possibility of manufacturing close to the final contour should reduce the acquisition costs.
verringern. Schliesslich soll das Vollrad auch eine im Vergleich zu den bislang bekannten Rädern aus Stahl verringerte Schallabstrahlung aufweisen.Finally, the solid wheel should also have a reduced sound radiation compared to the previously known steel wheels.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Komponenten der Metallschmelze in folgendem Verhältnis zueinander stehen:This object is achieved in conjunction with the preamble of claim 1 according to the invention in that the components of the molten metal are in the following relationship to one another:
3,4 bis 3,6 Masseprozent Kohlenstoff (C),3.4 to 3.6 mass percent carbon (C),
2,2 bis 2,4 Masseprozent Silizium (Si),2.2 to 2.4 mass percent silicon (Si),
0,6 bis 0,8 Masseprozent Kupfer (Cu),
0,6 bis 0,8 Masseprozent Nickel (Ni),0.6 to 0.8 mass percent copper (Cu),
0.6 to 0.8 mass percent nickel (Ni),
0,2 bis 0,3 Masseprozent Molybdän (Mo),0.2 to 0.3 mass percent molybdenum (Mo),
0,035 bis 0,05 Masseprozent Magnesium (Mg),0.035 to 0.05 mass percent magnesium (Mg),
maximal 0,3 Masseprozent Mangan (Mn),maximum 0.3 mass percent manganese (Mn),
maximal 0,03 Masseprozent Phosphor (P),
maximal 0,01 Masseprozent Schwefel (S)maximum 0.03 mass percent phosphorus (P),
maximum 0.01 mass percent sulphur (S)
sowie maximal 0,05 Masseprozent Chrom,and a maximum of 0.05 percent by weight of chromium,
wobei die summarischen Prozentgehalte von Kupfer und Nickel insgesamt 1,2 bis 1,6 Masseprozent sowie von Kupfer, Nickel, Molybdän und Mangan insgesamt 1,4 bis 2,2 Masseprozent betragen,
und die Gussteile ein Wärmebehandlungsverfahren durchlaufen haben, welches ein 3-bis 4-stündiges Austenitisierungsglühen bei 860 bis 9000C, ein daran anschliessendes isothermes Halten im Salzbad bei 350 bis 4000C über 3 bis 4 Stunden sowie ein abschliessendes Abkühlen an Luft auf Raumtemperatur umfasst.the total percentage contents of copper and nickel are 1.2 to 1.6 percent by mass and the total percentage contents of copper, nickel, molybdenum and manganese are 1.4 to 2.2 percent by mass,
and the castings have undergone a heat treatment process which includes austenitizing annealing for 3 to 4 hours at 860 to 900 0 C, subsequent isothermal holding in a salt bath at 350 to 400 0 C for 3 to 4 hours and final cooling in air to room temperature.
Ein Beispiel für die werkstoffliche Charakteristik eines erfindungsgemässen Eisenbahnrades wird wie folgt angegeben:An example of the material characteristics of a railway wheel according to the invention is given as follows:
Aus einer Metallschmelze, deren Komponenten in Verhältnis von 3,5 Masseprozent Kohlenstoff (C), 2,3 Masseprozent Silizium (Si), 0,7 Masseprozent Kupfer (Cu), 0,7 Masseprozent Nickel (Ni), 0,25 Masseprozent Molybdän (Mo), 0,04 Masseprozent Magnesium (Mg) sowie 0,2 Masseprozent Mangan (Mn) zueinander stehen, wobei die summarischen Prozentgehalte von Kupfer und Nickel insgesamt 1,2 bis 1,6 Masseprozent sowie von Kupfer, Nickel, Molybdän und Mangan insgesamt 1,4 bis 2,2 Masseprozent betragen, und deren Anteil an Verunreinigungen auf maximal 0,03 Masseprozent Phosphor (P), maximal 0,01 Masseprozent Schwefel (S) sowie maximal 0,05 Masseprozent Chrom begrenzt ist, werden Radrohlinge (Durchmesser circa 1 m; Wandstärken zwischen 20 und 250 mm) abgegossen und mechanisch vorbearbeitet. AnschliessendWheel blanks (diameter approximately 1 m; wall thickness between 20 and 250 mm) are cast and mechanically pre-machined from a metal melt whose components are in a ratio of 3.5 mass percent carbon (C), 2.3 mass percent silicon (Si), 0.7 mass percent copper (Cu), 0.7 mass percent nickel (Ni), 0.25 mass percent molybdenum (Mo), 0.04 mass percent magnesium (Mg) and 0.2 mass percent manganese (Mn), whereby the total percentage contents of copper and nickel are 1.2 to 1.6 mass percent and of copper, nickel, molybdenum and manganese are 1.4 to 2.2 mass percent, and whose proportion of impurities is limited to a maximum of 0.03 mass percent phosphorus (P), a maximum of 0.01 mass percent sulfur (S) and a maximum of 0.05 mass percent chromium.
1 J J » « · ^ ti 1 JJ » « · ^ ti mm
werden die abgegossenen Rohlinge einem 4-stündigen Austenitisierungsglühen bei 880°C zugeführt, wodurch ein austenitisches Mikrogefüge im Rohling erzielt wird. Danach folgt eine Zwischenabkühlung in einem bei 2200C betriebenen Salzbad mit anschliessendem Halten bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von bis zu 4 Minuten. Anschliessend werden die Radscheiben in ein bei 3600C betriebenes Salzbad umgesetzt, über 3,5 Stunden isotherm gehalten und anschliessend an Luft frei abgekühlt. Dadurch weisen die Eisenbahnräder ein Mikrogefüge aus Ferrit und maximal 50 % Austenit auf.The cast blanks are subjected to a 4-hour austenitizing annealing at 880°C, which creates an austenitic microstructure in the blank. This is followed by intermediate cooling in a salt bath operated at 220° C and then held at this temperature for a period of up to 4 minutes. The wheel discs are then transferred to a salt bath operated at 360 ° C, held isothermally for 3.5 hours and then cooled in air. This gives the railway wheels a microstructure of ferrite and a maximum of 50% austenite.
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Claims (1)
dass die Komponenten der Metallschmelze in folgendem Verhältnis zueinander stehen:
3,4 bis 3,6 Masseprozent Kohlenstoff (C),
2,2 bis 2,4 Masseprozent Silizium (Si),
0,6 bis 0,8 Masseprozent Kupfer (Cu),
0,6 bis 0,8 Masseprozent Nickel (Ni),
0,2 bis 0,3 Masseprozent Molybdän (Mo),
0,035 bis 0,05 Masseprozent Magnesium (Mg),
maximal 0,3 Masseprozent Mangan (Mn),
maximal 0,03 Masseprozent Phosphor (P),
maximal 0,01 Masseprozent Schwefel (S)
sowie maximal 0,05 Masseprozent Chrom,
wobei die summarischen Prozentgehalte von Kupfer und Nickel insgesamt 1,2 bis 1,6 Masseprozent sowie von Kupfer, Nickel, Molybdän und Mangan insgesamt 1,4 bis 2,2 Masseprozent betragen,
und die Gussteile ein Wärmebehandlungsverfahren durchlaufen haben, welches ein 3- bis 4-stündiges Austenitisierungsglühen bei 860 bis 900°C, ein daran anschliessendes isothermes Halten im Salzbad bei 350 bis 400°C über 3 bis 4 Stunden sowie ein abschliessendes Abkühlen an Luft auf Raumtemperatur umfasst. 1. Solid wheel for wheel sets of rail vehicles made of isothermally treated bainitic cast iron with spheroidal graphite, the microstructure of which has 30 to 50% austenite, characterized in that
that the components of the molten metal are in the following relationship to each other:
3.4 to 3.6 mass percent carbon (C),
2.2 to 2.4 mass percent silicon (Si),
0.6 to 0.8 mass percent copper (Cu),
0.6 to 0.8 mass percent nickel (Ni),
0.2 to 0.3 mass percent molybdenum (Mo),
0.035 to 0.05 mass percent magnesium (Mg),
maximum 0.3 mass percent manganese (Mn),
maximum 0.03 mass percent phosphorus (P),
maximum 0.01 mass percent sulphur (S)
and a maximum of 0.05 percent by weight of chromium,
the total percentage contents of copper and nickel are 1.2 to 1.6 percent by mass and the total percentage contents of copper, nickel, molybdenum and manganese are 1.4 to 2.2 percent by mass,
and the castings have undergone a heat treatment process which includes austenitizing annealing at 860 to 900°C for 3 to 4 hours, subsequent isothermal holding in a salt bath at 350 to 400°C for 3 to 4 hours and final cooling in air to room temperature.
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
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| R071 | Expiry of right | ||
| R071 | Expiry of right |