Betriebsfestigkeit

• Eingebrachte Druckeigenspannungen im Bereich der Oberfläche der Welle tragen zur Steigerung der Schwingfestigkeit und insbesondere der Korrosionsschwingfestigkeit bei
• Thermische Verfahren, wie beispielsweise das Induktionshärten, wurden hierfür in ihrer Wirkung jedoch noch nicht ausreichend bewertet

FOSTA Forschungsvorhaben (P 1189):

• Untersuchung der Korrosionsschwingfestigkeit gehärteter und ungehärteter Proben aus dem Werkstoff EA4T (25CrMo4) mit und ohne Vorschädigung unter konstanten und variablen Amplituden
• Anpassung der Härteparameter in Abhängigkeit der Ergebnisse auf Korrosionsverhalten und Betriebsfestigkeit
• Untersuchung der feldrelevanten Schädigungen durch Korrosion
• Entwicklung eines Modells zur numerischen Simulation des Korrosionsverhaltens

Beschreibung:

Neben einer rein mechanischen Beanspruchung unterliegen Radsatzwellen häufig witterungsbedingt einer gleichzeitigen zyklischen, mechanisch-elektrochemischen Komplexbeanspruchung (Schwingungsrisskorrosion). Insbesondere die Schwingungsrisskorrosion geht bei metallischen Werkstoffen, auch bei nichtrostenden Stahlqualitäten, mit einem Schwingfestigkeitsabfall von teilweise mehr als 50% einher. Für die Verbesserung der Schwingfestigkeitseigenschaften sind technologische Verfahren zur Randschichtverfestigung besonders wirksam, aber in den Fertigungsprozess von Radsatzwellen derzeit nicht integriert. Die Wirksamkeit mechanisch eingebrachter Druckeigenspannungen durch Festwalzen oder Strahlen, auch zur Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit, sind bereits bekannt. Hingegen sind die thermo-chemischen (z.B. Nitrieren) oder thermischen Verfahren (z.B. Induktionshärten) bezüglich ihrer Möglichkeit zur Steigerung der Schwingfestigkeit von Stählen in korrosiven Umgebungsmedien noch nicht ausreichend qualifiziert.

Im Rahmen des Projektes soll das Randschichtnachbehandlungsverfahren 'Induktionshärten' zur Steigerung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus dem Werkstoff EA4T (25CrMo4), der sich im Personen- und Hochgeschwindigkeitszugverkehr sowie bei S-Bahnen, U-Bahnen und Straßenbahnen bewährt hat, untersucht und verifiziert werden, da es gegenüber anderen Verfahren deutliche Vorteile aufweist (Einwirktiefe, Härte, Duktilität). Dadurch sollen künftig die zwar seltenen, aber teilweise hohe Kosten und fatale Folgen nach sich ziehenden Brüche von Radsatzwellen vollständig vermieden werden. Perspektivisch kann der Verzicht auf Korrosionsschutz, die Erhöhung der Schwingfestigkeit bei Reibkorrosion (Presssitz der Radscheibe auf der Radsatzwelle), Verwendung eines günstigeren Werkstoffes mit ausreichender Schwingfestigkeit und ein verringerter Inspektionsaufwand in Aussicht gestellt werden.

Kontakt:

Dr.-Ing. Steffen Schönborn

Im Rahmen des Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass durch eine mit optimierten Verfahrensparametern durchgeführte induktive Randschichthärtung sowohl die Schwingfestigkeit als auch die Korrosionsschwingfestigkeit (korrosives Medium 5 %-NaCl Lösung) des Werkstoffes 25CrMo4 (EA4T) signifikant gesteigert werden konnte.

Anhand der optimierten Härtungsparameter konnte für die vorgegebene Probengeometrie eine Einhärtetiefe von ca. 3 mm unter 45° zum Schaft in der Kerbe eingestellt werden. Weiterhin stellten sich durch die Randschichtnachbehandlung Druckeigenspannungen in Höhe von ES ≈ -600 MPa ein und die Härte im Randbereich wurde mit Werten von >500 HV1 deutlich erhöht.

Alle diese Faktoren führten dazu, dass die Randschicht eine gewisse „Robustheit“ gegenüber Beschädigungen, die aufgrund verschiedener Bedingungen im Gleisbett, wie z.B. durch Steinschläge oder Korrosion entstehen, entwickelte.

Anhand von weiterführenden Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass weder künstlich eingefräste Kerben mit einer Tiefe von 0,3 mm noch eine Vorkorrosion zu einer negativen Beeinträchtigung der Schwingfestigkeit der induktiv gehärteten Proben führte.

Weiterhin wurden Untersuchungen zur Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes im Ausgangszustand und mit induktiv gehärtetem Randschichtzustand in Form von elektrochemischen Untersuchungen und Auslagerungsversuchen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Induktionshärtung das Korrosionsverhalten des Werkstoffs nicht negativ beeinflusst. Die Induktivhärtung hat bewirkt, dass Korrosion keinen negativen Einfluss auf die Langzeitfestigkeit hat.

Es wurde eine Strategie entwickelt, um die Wirksamkeit von oberflächengehärteten Radsatzwellen unter Schwingrisskorrosionsermüdungsbedingungen unter Verwendung der feldrelevanten Schadensparameter zu qualifizieren.

Auf Basis dieser Strategie wurden die Proben für die Ermüdungsversuche gezielt vorkorrodiert. Zusätzlich wurde die derzeit verwendete Korrosionsschutzbeschichtung auf ihre Schutzfähigkeit hin untersucht.

Es wurde ein Übertragbarkeitskonzept zur Übertragung der auf Probenbasis ermittelten Schwingfestigkeitskennwerte auf Bauteile erarbeitet. Dieses Konzept ermöglicht die Abschätzung der Schwingfestigkeit für den Langzeitfestigkeitsbereich in Abhängigkeit bauteilspezifischer hochbeanspruchter Werkstoffvolumen.

Der Abschlussbericht für dieses IGF-Vorhaben „Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus Stahl durch induktive Randschichthärtung“, IGF-Projekt Nr. 19030 N; P 1189/14/2017, kann über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf, bezogen werden.

Dieser Beitrag zeigt Ergebnisse des abgeschlossenen Forschungsvorhabens “Inspektionsfrei – Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus Stahl durch induktive Randschichthärtung” (P 1189/14/2017 / IGF-Nr. 19030 N). Es wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi, Berlin) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. AiF aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Der Abschlussbericht ist über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) erhältlich. Dem projektbegleitenden Arbeitskreis danken wir für die Unterstützung und die sehr gute Zusammenarbeit.