Betriebsfestigkeit

Inspektionsfrei – Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus Stahl durch induktive Randschichthärtung

Ausgangslage:

  • Schäden in der Praxis an geschmiedeten Radsatzwellen aus Stahl können auf zyklische Ermüdung zurückgeführt werden
  • Obwohl Radsatzwellen auf einen ausfallfreien Betrieb über die gesamte Lebensdauer ausgelegt sind, kann es zu Schäden im Betrieb kommen, die beispielsweise durch eine mechanisch-korrosive Komplexbeanspruchung verursacht werden
  • Deshalb werden die Wellen durch Inspektionen überprüft und gegebenenfalls instandgesetzt
  • 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.

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