Untersuchungen zum Einfluß der Gefügeausbildung auf das Wälzreibungs- und Verschleißverhalten vergüteter Stähle PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2830/Fachgruppe Hilttenwesen/Werkstoffkunde Herausgegeben vom Minister ftir Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -lng. Hans Krause Dr. -lng. Jurgen Scholten Lehrgebiet: Abnutzung der Werkstoffe der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Untersuchungen zum Einflu!3 der Gefugeausbildung auf das Walzreibungs- und Verschlei!3verhalten verguteter Stahle Westdeutscher Verlag J 979 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek t\rause. Hans: Untersuchungen zum Einfluss der GefUgeausbil dune auf das Walzreibungs- und Verschleissver halten vergUteter St~hle / Hans Krauss ; JUrgen Scholten. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1979. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 28JO : Fachgruppe HUtten wesen, Werkstoffkunde) ISBN-13: 978-3-531-02830-9 e-ISBN-13: 978-3-322-88436-7 DOl: 10.1007/978-3-322-88436-7 NE: Scholten, JUrgen: (J 1979 by WeGtdeutscher \'erlag GmbH, Opladen Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1979 Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt Seite 1 • Einleitung 5 2. Ziele, Bedeutung und Aufgabenstellung 7 3. Zusammenhang von Werkstoffharte und 9 VerschleiB 4. Systematische Analyse von Reibungs 15 und VerschleiBvorgangen 4.1. Das Instrument "Systemanalyse" 16 4.2. Anwendung der Systemanalyse auf Ver 18 schleiBvorgange 4.3. Reibung 20 4.4. VerschleiB 20 4.4.1. Realer Aufbau technischer Korper 21 4.4.2. Kontaktverhaltnisse bei technischen 23 OberfUichen 4.4.3. Hauptsachliche VerschleiBmechanismen 24 4.4.3.1. Adhasiver VerschleiB 24 4.4.3.2. Abrasiver VerschleiB 25 4.4.3.3. SchichtverschleiB 26 4.4.3.4. KorrosionsverschleiB 27 4.4.3.5. ZerrlittungsverschleiB 28 5. Bisherige Ergebnisse zum Reibungs und VerschleiBverhalten von Metallen 29 bei Beanspruchung durch technisch trockene Walzreibung 5.1. Grundsatzlicher Ablauf eines Walz 30 reibungsversuches - 2 - Seite 5.2. Variation der Beanspruchungs 31 parameter 5.3. Variation der Elemente des W~lz 33 reibungssystems 5.4. Beanspruchungsbedingte Ver~nderung 34 der Grenzschichteigenschaften 5.5. Diskussion und Folgerungen 37 6. Untersuchungen zum EinfluB von Le gierungselementen, Festigkeitseigen 39 schaften und Gefligeausbildung auf das Reibungs- und VerschleiBverhalten vergliteter St~hle bei Beanspruchung durch technisch trockene W~lzreibung 6.1 . Die Prlifmaschinen 39 6.2. MeBgerate, Durchflihrung der Messung 40 6.3. Vorversuchsreihen 42 6.3.1. Werkstoffe der Vorversuchsreihen 42 6.3.2. Rauheit der Prlifkorperlaufflachen 43 6.3.2.1. RauheitsmaBe und Anzahl der Messungen 43 6.3.2.2. Rauheit als Funktion der Beanspruchungs 45 parameter 6.3.3. VerschleiBmessung 47 b. 3.4. Variation der EinfluBgroBen 48 - 3 - Seite 6.4. Durchfuhrung der Hauptversuche 5('1 6.5. Grenzschichtvorgange bei der gewahlten 50 Versuchsdurchfuhrung 6.6. Versuchswerkstoffe 51 6.6.1. Metallkundliche Grundlagen 51 0.6.2. Stahle fur antreibende WalzKorper 54 6.6.3. stahle fur bremsende Walzkorper 56 6.7. Ergebnisse der Hauptversuchsreihen 57 0.7.1. Ergebnisse bei allgemeiner Variation 58 des Werkstoffes der treibenden Pruf korper 6.7.1.1. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 59 allgemeinen Werkstoffkennwerten 6.7.1.1.1. Zusammenhanq von VerschleiBbetrag und 59 Legierungselementen 6.7.1.1.2. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 62 mechanischen Werkstoffkennwerten 6.7.1.1.3. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 66 Gefugeausbildunq 6.7.1.2. EinfluB der Prufkorperdrehzahl auf das 68 VerschleiBverhalten 6.7.1.3. Zusammenhanq von Reibungszahl und 68 VerschleiBverhalten 6.7.1.4. Zusammenhang von VerschleiBerscheinungs 70 form und VerschleiBbetrag - 4 - Seite 6.7.1.4.1. zusammenhang von VerschleiBbetrag und 70 angefallenen VerschleiBpartikeln 6.7.1.4.2. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 71 VerschleiBbild der Oberflachen 6.7.1.4.3. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 72 Oberflachenrauheit 6.7.1.4.4. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 73 Oberflachenverfestigung 6.7.1.4.5. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 75 Vorformungen der Grenzschichten 6.7.2. Ergebnisse bei gleichzeitiger Variation 78 der Werkstoffe beider PrUfkorper 6.7.2.1. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 79 allgemeinen Werkstoffkennwerten 6.7.2.2. Zusammenhang von VerschleiBbetrag und 81 VerschleiBerscheinungsformen 7. Zusammenfassung 82 8. Literaturverzeichnis 86 9. Bezeichnungen 98 10. Tabellen 103 11. Bildanhang 125 - 5 - 1. Einleitung 1m Rahmen umfangreicher experimenteller Untersuchungen zur Entwicklung neuer Rad- und Schienenwerkstoffe, die den ge steigerten Betriebsbeanspruchungen der Eisenbahnen infolge neuerlicher Anhebung der Fahrgeschwindigkeiten bis liber 200 kID/h, groBerer Antriebsleistungen, erhohter Achslasten, kleinerer Raddurchmesser usw. gewachsen sein sollen, war neben der Werkstoffestigkeit ein in diesel Form bisher nicht bekannter, deutlicher EinfluB der Sekundargefligeausbildunq der untersuchten, teilweise vergliteten Kohlenstoffstahle auf deren Reibungs- und besonders auf deren VerschleiBverhalten bei technisch trockener Walzreibung festzustellen /1, 2/. Die genannten Untersuchungen wurden mit einer Walzreibungs prlifmaschine (Bauart Bugarcic /3/) durchgeflihrt. Zwei zylin drische Stahlscheiben mit einem Durchmesser von ca. 50 mm und einer Breite von 8 mm laufen dabei mit konstanten, aber unterschiedlichen Drehzahlen, also mit Schlupf aufeinander ab, urn in diesem FaIle das Rad/Schiene-System nachzubilden. Der schneller laufende (treibende) Prlifkorper solI unter diesen Bedingungen ein Antriebsrad darstellen, der lang samere (bremsende) Prlifkorper entsprechend die Schiene. Die Reibungszahl ~ wird liber eine Drehmomentenmessung qewonnen, der VerschleiB 6R (Verringerung des Prlifkorperradius) aus dem Gewichtsverlust der Prlifkorper errechnet (s. auch Punkte 6.1., 6.2.). Die hinsichtlich des Gefligeeinflusses wichtigsten, immer unter gleichen Bedingungen gewonnenen Ergebnisse der ge nannten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammen fassen /1/: 1. EinfluB der Zugfestigkeit - bei gleicher Gefligeausbil dung und gleicher chemischer Zusammensetzung, Bild 1: Wird allgemein einem Stahl mit hoher Zugfestigkeit auch ein hoherer Widerstand gegen VerschleiB zugeordnet als einem Stahl geringerer Festigkeit, so war in diesen Prlif standsuntersuchungen bei technisch trockener Walzreibung das Gegenteil festzustellen. Der vergtitete Stahl T1 ist nach dem Harten zur Erzielung unters~hiedlicher Festig- 2 keiten (Sollwerte 0BIT1 I = 900 N/mm ; 0B(T1bt = 1000 N/mm ) bei verschiedenen Tempe~Aturen angelassen worden. In Bild 1 ist zu erkennen, daB die hoherfeste Ausflihrung T1b bei dem Stahl VA (verschleiBfester Schienenstahl, Glite A nach UIC 860 V) als Gegenwerkstoff sowohl hoheren RadverschleiB als auch bedeutend mehr SchienenverschleiB verursacht als die Ausflihrung T1a mit geringerer Zugfestigkeit. Die Un terschiede im Reibungsverhalten sind dagegen nur unwesent lich. - 6 - 2. EinfluB der Sekund~rgefUgeausbildung - bei gleicher Zug festigkeit, Bild 2: St~hle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung mit gleicher Zugfestigkeit haben bei W~lzbeanspruchung nicht den gleichen VerschleiBwiderstand, wie in Bild 2 zu er kennen ist. Bei dem perlitischen Schienenstahl VA als Gegenwerkstoff bestimmt das Sekund~rgefUge den VerschleiB widerstand. Rad- und SchienenverschleiB nehmen bei Rad st~hlen mit martensitischen und bainitischen Sekund~r gefUgen gegenUber einem perlitischen Radreifenstahl be deutend abo Auch das Reibungsverhalten verbessert sich im Vergleich zu der Paarung der perlitischen St~hle. 3. EinfluB von Festigkeit und GefUgeausbildung des Schienen stahls bei gleichem Radreifenstahl, Bild 3: Die bisherigen Rad- und Schienenst~hle weisen im allge meinen ein Uberwiegend perlitisches Sekund~rgefUge auf. Zur Beurteilung des Einflusses von Festigkeit und GefUge der Schiene bei gleichem Radwerkstoff sind daher beson- ders Werkstoffpaarungen perlitischer St~hle ausgew~hlt worden. Die Verwendung des h6herfesten perlitischen Schie nenstahles B2 verringert den SchienenverschleiB auf weniger als ein Drittel der Paarung gleichfester \'lerkstoffe (T4a/VA), der RadverschleiB steigt dagegen an. Verwendet man den bainitischen Stahl B3, der in der gleichen Festigkeits- stufe wie der perlitische Stahl B2 liegt, tritt geringerer RadreifenverschleiB, aber etwas hoherer SchienenverschleiB auf als bei der Paarung T4a/B2. 4. EinfluB eines Radstahles hoher Festigkeit, Bild 4: Die hohere Festigkeit des Stahles T4b ist ebenfalls durch eine geringere AnlaBtemperatur beim VergUten gegenUber dem Stahl T4a erzielt worden. Zunachst best~tigen die Werk stoffpaarungen I und II nochmals die Aussage, daB der hoherfeste Radstahl bei gleichem Schienenstahl den Ver schleiB von Rad und Schiene deutlich erhoht. Benutzt man dagegen einen Schienenstahl in der gleichen hohen Festig keitsstufe (oB = 1100 N/rnm2), nimmt der SchienenverschleiB wieder deutlich abo Setzt man auBerdem noch einen Stahl mit bainitischem GefUge in Kombination mit dem perlitischen Radstahl ein, l~Bt sich das Ergebnis noch verbessern. 1m Reibungsverhalten sind nur geringfUgige Abweichungen fest zustellen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse lieBen sich wie folgt zusammen fassen: 1. Die Zugfestigkeit eines Werkstoffes ist kein hinreichendes MaB fUr VerschleiBfestigkeit. 2. St~hle gleicher Zugfestigkeit mit unterschiedlicher chemi scher Zusammensetzung und GefUgeausbildung weichen bei gleichem Gegenwerkstoff in ihrem VerschleiBverhalten deut lich voneinander abo - 7 - 3. Ein gunstiges Reibungs- und VerschleiBverhalten scheint immer dann vorzuliegen, wenn Werkstoffe mit unterschied licher Festigkeit und verschiedener Sekundargefugeaus bildung in einem Walzreibungssystem kombiniert werden. Die Paarung von Stahlen gleicher Festigkeitsstufe und gleicher Gefugeausbildung scheint sich immer ungunstig auszuwirken, unabhangig von der Hohe der Festigkeit. 4. Bei den Reibungszahlen sind in Abhangigkeit der Werk stoffpaarungen Unterschiede in einer GroBenordnung von 20 ~ 30 % festzustellen. 5. Die Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe durften dem nach in einem tribologisch beanspruchten System bei tech nisch trockener Reibung (ohne Zwischenstoff) mehr zur Aufnahme der Lastspannungen als zur Erzielung eines be stimmten Reibungs- und VerschleiBverhaltens dienen. Dieses wird bei gleichen Ausgangseigenschaften der Tribokontaktflachen entscheidend von der Paarung der Sekundargefuge von Grund- und Gegenkorper bestimmt. 2. Ziele, Bedeutung und Aufgabenstellung Vorrangiges Ziel der im Rahmen dieses Vorhabens durchqeflihr ten Untersuchungen ist das Auffinden einer gesicherten physi kalischen Erklarung, warum sich die Sekundargefugeausbildung solcher Stahle beigleicher Zugfestigkeit so deutlich auf das Reibungs- und VerschleiBverhalten der betreffenden Werk stoffpaarungen bei Beanspruchung durch technisch trockene Walzreibung auswirkt. Dazu mlissen die physikalischen und chemischen Vorgange an der Oberflache und in der Grenz schicht der beanspruchten Werkstoffbereiche in ihrer Ge-. samtheit moglichst umfassend untersucht werden. Nach den heutigen Erkenntnissen bestimmen ja nicht die eigentlichen Grundwerkstoffe, sondern deren elastisch und plastisch ver formte Grenzschichten sowie die sich bildenden tribochemi schen Reaktionsprodukte das Reibungs- und VerschleiBver halten eines tribologischen Systems. Hier wird vermutet, daB den submikroskopischen Verformungs- und Bruchvorgangen in den beanspruchten Grenzschichten der beteiligten Korper eine entscheidende Bedeutung zukommt. Gelingt es nun, durch Untersuchung dieser submikroskopischen Grenzschichtvorgange mit Hilfe der Elektronenmikroskopie eine Erklarung fur den deutlichen, bisher nur rein phanomeno logisch festgestellten EinfluB des Sekundargefliges der Metalle auf deren Reibungs- und VerschleiBverhalten inner halb eines tribologischen Systems zu finden, konnten vor allem die bisher festgestellten, mehr als einen Faktor 10 betragenden Unterschiede in der Hohe des VerschleiBbetrages prinzipiell gleichartiger Stahle /1/ fur die verschleiBge fahrdeten Teile des Maschinen- und Anlagenbaues nutzbar ge macht werden. - 8 - Hort man heute oft noch die Faustformel, daB ein Harteun terschied der Werkstoffe von Grund- und Gegenkorper eines Reibungssystems von 100 HB eine verschleiBglinstige Paarung ergibt, sollen an deren Stelle wissenschaftlich fundierte, flir den praktischen Gebrauch aufbereitete Ergebnisse ge setzt werden. MuB man heute bei ~nderungen der Betriebs bedingungen liber die zu erwartende ~nderung des Reibungs und VerschleiBverhaltens spekulieren oder sich davon liber raschen lassen, soll dies klinftig durch die hier zu erwar tend en Ergebnisse hinreichend genau abgeschatzt werden konnen. Inspektions~ und Wartungsintervalle konnen so kostenoptimal abgestimmt und damit zu bedeutend geringeren Unterhaltskosten an allen kraftlibertragenden, technisch trockenen Reibungssystemen wie Rad/Schiene, Bremsen, Kupp lungen usw. flihren. Darliber hinaus sind Verbesserungen der Notlaufeigenschaften geschmierter Systeme zu erwarten. SinngemaB kann die gezielte Beeinflussung der Reibungs zahl eines tribologischen Systems durch geeignete Werk stoffkombinationen zu nennenswerten Energie- und damit Kosteneinsparungen flihren. Da die vorgestellten, hier als Ausgangsbasis dienenden Untersuchungsergebnisse, insbesondere der Anstieg des Ver schleiBes bei Erhohung der Werkstoffestigkeit, in Wider spruch zu der haufig anzutreffenden Meinung steht, nach der mit steigender Festigkeit bzw. Harte eines Werkstoffes gleichzeitig eine Abnahme des VerschleiBes verbunden sei, war vor der Durchflihrung weiterer experimenteller Unter suchungen eine Auswertung der Fachliteratur zur Frage des Zusammenhanges von Werkstoffharte und VerschleiB bzw. Ver schleiBwiderstand erforderlich (Kapitel 3). Damit sollte auch gleichzeitig vermieden werden, daB bei den weiterflih renden Versuchen lediglich das "Eigenleben" oder die "Charakteristik" der benutzten Versuchseinrichtung erfaBt oder bestatigt wlirde, nicht aber allgemeingliltige physika lische Aussagen zum EinfluB der Gefligeausbildung auf das Reibungs- und VerschleiBverhalten der eingesetzten Stahle. An diese Literaturauswertung schlieBen sich einige Ausflih rungen zur systematischen Analyse von Reibungs- und Ver schleiBvorgangen an, da diese, wie bereits erwahnt, nur bei Betrachtung des -jeweiligen tribologischen Systems in seiner Gesamtheit, niemals jedoch als spezifische Werk stoffeigenschaften zu verstehen sind (KapiteI4). Eine Erfassllng der bisherigen Ergebnisse zum Reibungs- und VerschleiBverhalten von Metallen bei Beanspruchung durch technisch trockene Walzreibung (Kapitel 5) dient eben so wie die sich anschlieBenden Vorversuchsreihen 'im wesent lichen zur Einschrankung der Versuchsparameter, die bei der Untersuchung des Gefligeeinflusses noch variabel ge staltet werden mlissen.
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