Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
