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Dokumentenidentifikation DE19721818A1 10.12.1998
Titel Verschleißfestes Weichenteil und Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Weichenteils
Anmelder Schreck-Mieves GmbH, 44225 Dortmund, DE
Erfinder Kohler, Max, 66386 St Ingbert, DE
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr, Weidener, Häckel, 45128 Essen
DE-Anmeldedatum 26.05.1997
DE-Aktenzeichen 19721818
Offenlegungstag 10.12.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.12.1998
IPC-Hauptklasse E01B 7/00
IPC-Nebenklasse C22C 19/05   C23C 4/06   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Weichenteil, insbesondere ein Herzstück (2), eine Backenschiene (3), eine Zungenschiene (4), eine Radlenkerschiene (5) und/oder einen Radlenker (6), einer Schienenweiche, wobei das Weichenteil wenigstens eine seitliche Radführungsfläche (9) und gegebenenfalls eine obere Radlauffläche (10) aufweist. Um einfach und kostengünstig ein verschleißfestes Weichenteil herstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zumindest bereichsweise auf der Radführungsfläche (9) und - soweit vorhanden - der Radlauffläche (10) eine verschleißfeste, insbesondere thermisch aufgebrachte Beschichtung (16) vorgesehen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein verschleißfestes Weichenteil, insbesondere ein Herzstück, eine Backenschiene, eine Zungenschiene, eine Radlenkerschiene und/oder einen Radlenker, einer Schienenweiche, wobei das Weichenteil wenigstens eine seitliche Radführungsfläche und gegebenenfalls eine obere Radlauffläche aufweist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten, wenigstens eine seitliche Radführungsfläche und gegebenenfalls eine obere Radlauffläche aufweisenden Weichenteils, insbesondere eines Herzstücks, einer Backenschiene, einer Zungenschiene, einer Radlenkerschiene und/oder eines Radlenkers, einer Schienenweiche.

Weichen sind beim Überfahren durch Räder eines Schienenfahrzeugs hohen Belastungen und einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für Herzstücke, wenn die Räder des Schienenfahrzeugs von einer Flügelschiene auf die Herzstückspitze bzw. von der Herzstückspitze auf eine andere Flügelschiene rollen. Die Beanspruchung der Herzstückspitze ist besonders hoch beim Radüberlauf von der Flügelschiene auf das vordere Ende der Herzstückspitze und nimmt mit größeren Achslasten und vor allem mit der Erhöhung der Fahrgeschwindigkeiten unverhältnismäßig zu, so daß an der Spitze größere Deformationen und Abnutzungen auftreten können, welche die Lebensdauer der Herzstücke beträchtlich herabsetzen. Aber nicht nur die Herzstücke unterliegen hohen Belastungen, sondern auch die Backen-, Zungen- und Radlenkerschienen sowie die Radlenker.

Um den Verschleiß der Weichenteile und insbesondere der Herzstücke zu verringern, ist es bekannt, Herzstücke mit besonderen Werkstoffeigenschaften einzusetzen. Bekannte Werkstoffe mit besonders guten Verschleißeigenschaften und hoher Beanspruchbarkeit im Radüberlaufbereich sind Manganhartstahl sowie hochvergütete niedriglegierte Stähle. Diese Stähle müssen aber mit den anschließenden Herzstückteilen bzw. mit den anschließenden Schienen verschweißt werden, um im lückenlos verschweißten Gleis eingesetzt werden zu können. Die Verschweißung des Manganhartstahls und auch des hochvergüteten niedriglegierten Stahls mit den "normalen" Schienenwerkstoffen erfordert jedoch wegen der eingeschränkten Verschweißeignung dieser Stähle besondere Maßnahmen, die sehr aufwendig sind.

Aus der EP 0 105 864 A1 ist bereits ein Herzstück einer Schienenweiche sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei die Radlauffläche des Herzstückes aus einem aushärtbaren Stahl mit einer besonderen Zusammensetzung besteht. Die Herstellung des Herzstückes erfolgt in der Weise, daß die Radlauffläche durch eine Auftragsschweißung mit einer Stärke von etwa 15 mm auf einen Grundkörper aus Regelschienenstahl aufgebracht wird. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, daß die Auftragsschweißung bekanntermaßen stark porös ist, was Korrosion und Kerbwirkung hervorruft und damit zu einem Abplatzen und Brüchen Veranlassung geben kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Weichenteil der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Diese Aufgabe ist bei einem verschleißfesten Weichenteil der eingangs genannten Art bzw. einem Verfahren zu dessen Herstellung der zuvor genannten Art erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß zumindest bereichsweise auf der Radführungsfläche und - soweit vorhanden - der Radlauffläche eine verschleißfeste, insbesondere thermisch aufgebrachte Beschichtung vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung setzt sich an sich aus zwei Teilaspekten zusammen, nämlich einerseits aus der Verwendung einer Beschichtung und andererseits aus dem Aufbringen der Beschichtung auf die Radführungsfläche und auf die Radlauffläche. Die Verwendung der Beschichtung für sich bietet zunächst einmal den Vorteil, daß diese relativ leicht thermisch aufgebracht werden kann. Im Gegensatz zur Auftragsschweißung ist die Beschichtung geschlossen, also nicht porös, so daß die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik nicht auftreten. Außerdem bedarf es bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Beschichtung nicht einer solchen Schichtdicke wie bei einer Auftragsschweißung.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht aber im Zusammenhang mit der Beschichtung darin, daß diese nicht nur auf die Hauptverschleißfläche, nämlich der Radlauffläche, aufgebracht wird, sondern auch auf der Radführungsfläche. Es ist nämlich festgestellt worden, daß nicht nur die auf der Radlauffläche rollenden Räder der Schienenfahrzeuge Verschleiß verursachen, sondern auch die an der Fahrkante, das heißt an der Radführungsfläche des Weichenteils laufenden Radkränze. Da die Beschichtung ebenso leicht auf der Radlauf- wie auf der Radführungsfläche aufgebracht werden kann, sind durch die erfindungsgemäße Maßnahme Weichenteile einfach und kostengünstig herstellbar, wobei sämtliche dem Verschleiß ausgesetzte Flächen über die verschleißfeste Beschichtung geschützt sind.

Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Hartlegierung auf Nickelbasis auf, wobei insbesondere zusätzlich die Legierungszusätze Chrom, Bor und Silizium vorgesehen sind. Mit dem Chrom und mit den Metalloiden Bor, Silizium und auch Kohlenstoff bildet das Matrixmetall Nickel Hartphasen bzw. Hartstoffe, die sich im Gefüge als primär oder sekundär erstarrte Verbindungen oder in Form binärer oder ternärer Eutektika ausscheiden. Diese arteigenen Hartphasen bzw. -stoffe weisen einen spröden Charakter und eine hohe Härte auf und bestimmen im Verbund mit der zähen Nickelmatrix die Eigenschaften der Hartlegierung hinsichtlich Verschleißfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Vorzugsweise weist die Hartlegierung die folgende Zusammensetzung auf:

Gew.-% Chrom 5 bis 30 Bor 1 bis 4 Silizium 1 bis 5 Kohlenstoff 0 bis 2 Eisen 0 bis 20 Phosphor 0 bis 10 Nickel Rest

Es ist festgestellt worden, daß sich bei der vorgenannten Zusammensetzung eine sehr verschleißfeste, temperaturwechselbeständige, korrosions- und oxidationsbeständige Beschichtung ergibt, die sich im übrigen durch eine sehr wirtschaftliche Bearbeitbarkeit und hohe Haftfestigkeit auf dem Weichenteil auszeichnet. Die Härte der Beschichtung liegt dabei je nach den gewählten Legierungszusätzen zwischen 30 und 60 RC. Zu beachten ist, daß mit steigenden Metalloidgehalten auch die Härte durch Bildung vermehrter Hartphasenanteile im Gefüge und damit der Widerstand gegen abrasive Beanspruchung steigt. Außerdem kann durch die Hartlegierung in der vorerwähnten Zusammensetzung eine Druckfestigkeit von größer 2.000 N/mn2 erzielt werden.

Treten besonders hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit auf, so kann die Beschichtung 0 bis 60 Vol.-% artfremde Hartstoffe in Form von Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadium-Carbiden, -Nitriden, -Siliziden einzeln oder zu mehreren aufweisen. Zweckmäßigerweise sollte die Beschichtung bis zu 70 Vol.-% arteigene Hartstoffe und als Rest artfremde Hartstoffe aufweisen.

Es ist festgestellt worden, daß zur Erzielung einer hohen Lebensdauer der Weichenteile die Schichtdicke der Beschichtung nicht größer als 3 mm sein muß. Grundsätzlich ist zwar eine größere Schichtdicke möglich, jedoch aus Verschleißgründen nicht erforderlich. Üblicherweise reicht eine Schichtdicke von 1,5 mm aus.

Da die Radlauffläche üblicherweise stärker beansprucht wird als die Radführungsfläche, kann die Schichtdicke der Beschichtung auf der Radführungsfläche geringer sein als die auf der Radlauffläche. Aus herstellungstechnischen Gründen kann es sich aber auch anbieten, überall die gleiche Schichtdicke zu wählen.

Zweckmäßigerweise ist die Beschichtung auf einem abgearbeiteten Bereich des Weichenteils vorgesehen, so daß die Oberfläche des beschichteten Bereichs mit der Oberfläche des unbeschichteten Bereichs zumindest im wesentlichen ausgefluchtet ist. Die Beschichtung steht also nicht über die betreffende Radlauf- oder Radführungsfläche über.

Gerade an den Übergängen vom beschichteten zum unbeschichteten Bereich kann es bei hohen und Dauerbelastungen zu einem Lösen der Beschichtung vom Weichenteil kommen. Um dies weitestgehend zu verhindern, nimmt bei einer vorteilhaften Ausführungsform die Schichtdicke des beschichteten Bereichs in Schienenlängsrichtung über einen abgearbeiteten Auslaufbereich, der größer als 3 cm sein sollte, zu einem unbeschichteten Bereich hin ab und zwar vorzugsweise kontinuierlich. Auf diese Weise kann ein guter haftfester Übergang von dem beschichteten zum unbeschichteten Bereich gewährleistet werden.

Die Beschichtung wird in Pulverform gegebenenfalls unter Zusatz von artfremden Hartstoffen auf den abgearbeiteten Bereich des Weichenteils aufgetragen und bei Temperaturen zwischen 800 und 1400°C aufgesintert. Dabei ist es möglich, das Hartlegierungspulver durch thermisches Spritzen aufzutragen und gleichzeitig einzuschmelzen. Eine andere Variante besteht darin, das Pulver durch thermisches Spritzen aufzutragen und nachfolgend unter Vakuum aufzusintern. Herstellungstechnisch ist der Aufwand am niedrigsten, wenn das Pulver aufgestreut und nachfolgend unter Vakuum und/oder in inerter Atmosphäre aufgesintert wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Draufsicht auf eine Herzstückspitze,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Herzstückspitze aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Endbereichs der Herzstückspitze aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht einer Backenschiene mit angelegter Zungenschiene,

Fig. 5 eine Ansicht einer Radlenkerschiene, die von einem Rad überrollt wird, mit einem benachbarten Radlenker und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Herzstückes, das von einem Rad überrollt wird.

In den einzelnen Figuren sind jeweils verschiedene Weichenteile dargestellt. So ist in den Fig. I bis 3 eine Herzstückspitze 1 eines im Querschnitt in Fig. 6 teilweise dargestellten Herzstückes 2 dargestellt. In Fig. 4 ist eine Backenschiene 3 mit einer daran angelegten Zungenschiene 4 dargestellt, während in Fig. 5 eine Radlenkerschiene 5 mit einem Radlenker 6 dargestellt ist. Schließlich ist in Fig. 6 erkennbar, daß zu dem Herzstück 2 neben der Herzstückspitze 1 noch zwei Flügelschienen 7, 8 gehören.

Jedes der zuvor genannten Weichenteile weist zumindest eine seitliche Radführungsfläche 9 auf. Bei der Herzstückspitze 1 sind zwei Radführungsflächen 9 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um die beiden seitlichen Flanken des Herzstückspitzenkopfes 11. Bei der Backenschiene 3, der Zungenschiene 4, der Radlenkschiene 5 und den beiden Flügelschienen 7, 8 ist jeweils nur eine Radführungsfläche 9 vorgesehen.

Neben den Radführungsflächen 9 weisen die einzelnen Weichenteile mit Ausnahme des Radlenkers 6 jeweils auch eine Radlauffläche 10 auf. Diese befindet sich bei der Herzstückspitze 1 oben auf dem Herzstückspitzenkopf 11, im übrigen jeweils oben auf dem Backenschienenkopf 12, dem Zungenschienenkopf 13, dem Radlenkschienenkopf 14 und dem Flügelschienenkopf 15.

Wesentlich ist nun, daß zumindest bereichsweise auf der Radführungsfläche 9 und - soweit vorhanden - der Radlauffläche 10 eine verschleißfeste Beschichtung 16 aufgebracht ist. Diese Beschichtung 16 weist eine Legierung auf Nickelbasis auf und hat bei einer bevorzugten Ausführungsform die folgende Zusammensetzung:

Gew.-% Kohlenstoff 0,45 Bor 2,0 Silizium 2,25 Eisen 2,5 Chrom 10,0 Nickel Rest

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schichtdicke der Beschichtung 16 auf der Radlauffläche 10 genauso groß wie auf der Radführungsfläche 9, nämlich etwa 1,5 mm. Damit der beschichtete Bereich des jeweiligen Weichenteils mit dem unbeschichteten Bereich ausgefluchtet ist, ist der beschichtete Bereich abgearbeitet, nämlich um die Schichtdicke. Wie sich insbesondere aus Fig. 1 ergibt, ist am Übergang vom beschichteten Bereich zum unbeschichteten Bereich ein Auslaufbereich 17 vorgesehen, in dem die Abarbeitung und damit die Schichtdicke allmählich abnimmt. Der Auslaufbereich 17 ist nur in Schienenlängsrichtung realisiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Auslaufbereich 17 eine Länge von etwa 20 cm.

Wie sich aus den Fig. 1 bis 3 und 6 ergibt, erstreckt sich die Beschichtung 16 über die gesamte Höhe des Herzstückspitzenkopfes 11 und läuft auf der Oberfläche 18 des Herzstückfußes 19 aus, wodurch sich ein haftfester Übergang ergibt. In ähnlicher Weise kann die Beschichtung 16 auch an den Köpfen 12, 14 und 15 sowie am Radlenker 6 ausgebildet bzw. aufgebracht sein.

Die Herstellung von erfindungsgemäßen Weichenteilen erfolgt nun derart, daß zunächst vor dem Aufbringen der Beschichtung 16 das Weichenteil in dem Bereich abgearbeitet wird, wo die Beschichtung 16 aufgebracht werden soll. Sodann wird das Pulver aufgestreut und nachfolgend unter Vakuum aufgesintert. Statt des Aufstreuens ist es auch möglich, die Hartlegierung durch thermisches Spritzen aufzutragen.


Anspruch[de]
  1. 1. Weichenteil, insbesondere Herzstück (2), Backenschiene (3), Zungenschiene (4), Radlenkerschiene (5) und/oder Radlenker (6), einer Schienenweiche, wobei das Weichenteil wenigstens eine seitliche Radführungsfläche (9) und gegebenenfalls eine obere Radlauffläche (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bereichsweise auf der Radführungsfläche (9) und - soweit vorhanden - der Radlauffläche (10) eine verschleißfeste, insbesondere thermisch aufgebrachte Beschichtung (16) vorgesehen ist.
  2. 2. Weichenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (16) eine Hartlegierung auf Nickelbasis aufweist und daß, vorzugsweise, die Hartlegierung zumindest Nickel, Chrom, Bor und Silizium aufweist.
  3. 3. Weichenteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartlegierung die folgende Zusammensetzung aufweist:

    Gew.-% Chrom 5 - 30 Bor 1 - 4 Silizium 1 - 5 Kohlenstoff 0 - 2 Eisen 0 - 20 Phosphor 0 - 10 Nickel Rest
  4. 4. Weichenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (16) 0 bis 60 Vol.-% artfremde Hartstoffe in Form von Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadium-Carbiden, -Nitriden, -Siliziden einzeln oder zu mehreren aufweist.
  5. 5. Weichenteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (16) bis zu 70 Vol.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Vol.-% arteigene Hartstoffe und Rest artfremde Hartstoffe enthält.
  6. 6. Weichenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (16) eine Schichtdicke von 0,1 bis 3 mm, vorzugsweise etwa 1,5 mm aufweist.
  7. 7. Weichenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Beschichtung (16) auf der Radlauffläche (10) größer oder gleich der Schichtdicke auf der Radführungsfläche (9) ist.
  8. 8. Weichenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (12) auf einem abgearbeiteten Bereich des Weichenteils vorgesehen ist und daß, vorzugsweise, die Oberfläche des beschichteten Bereichs mit der Oberfläche des unbeschichteten Bereichs des Weichenteils im wesentlichen ausgefluchtet ist.
  9. 9. Weichenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Beschichtung (16) im abgearbeiteten Bereich über einen abgearbeiteten Auslaufbereich (17) von größer 3 cm, vorzugsweise etwa 20 cm, zu einem unbeschichteten Bereich hin in Schienenlängsrichtung vorzugsweise kontinuierlich abnimmt.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten, wenigstens eine seitliche Radführungsfläche (9) und gegebenenfalls eine obere Radlauffläche (10) aufweisenden Weichenteils, insbesondere eines Herzstücks (2), einer Backenschiene (3), einer Zungenschiene (4), einer Radlenkerschiene (5) und/oder eines Radlenkers (6), einer Weichenschiene, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bereichsweise auf die Radführungsfläche (9) und - soweit vorhanden - die Radlauffläche (10) eine verschleißfeste Beschichtung (16) thermisch aufgebracht wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine pulverförmige Legierung durch thermisches Spritzen oder Aufstreuen aufgetragen und gleichzeitig oder anschließend gegebenenfalls unter Vakuum und/oder inerter Atmosphäre aufgeschmolzen wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichenteil vor Aufbringen der Beschichtung (16) in dem Bereich abgearbeitet wird, wo die Beschichtung (16) aufgebracht wird.






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