Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus Stahl durch induktive Randschichthärtung

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, auch zur Erhöhung der Korrosionsschwingfestigkeit, ist bereits bekannt. Hingegen sind die thermo-chemischen bezüglich ihrer Möglichkeit zur Steigerung der Schwingfestigkeit von Stählen in korrosiven Umgebungsmedien noch nicht ausreichend qualifiziert.

In diesem Projekt soll das Randschichtnachbehandlungsverfahren 'Induktionshärten' zur Steigerung der Korrosionsschwingfestigkeit von Radsatzwellen aus dem Werkstoff EA4T (25CrMo4), der sich im Personenzug- als auch im Güterverkehr bewährt hat, untersucht und verifiziert werden. 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 sowie verringerte Wartungs-, Inspektions- und Instandhaltungsaufwendungen in Aussicht gestellt werden. Von den hieraus resultierenden Kosteneinsparungen profitieren Verkehrsbetriebe im Bereich des ÖPNV, Anbieter von Güterverkehrsleistungen sowie weitere KMU’s, die im Bereich des Randschichthärtens, Herstellung von Härtungsanlagen oder Konstruktion/Festigkeitsberechnung tätig sind.

Ergebniszusammenfassung:

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 etwa -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. Die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes wurde mit weiterführenden elektrochemischen Untersuchungen tiefergehend untersucht.

Zur Übertragbarkeit der Ergebnisse auf praxisrelevante Bauteile, wie z.B. Radsatzwellen von Güterwaggons oder Straßenbahnen, müssten weiterführende Bauteiluntersuchungen durchgeführt werden. Hiermit könnte aufgezeigt werden, ob an den Bauteilen vergleichbar hohe Schwingfestigkeitszuwächse erreichbar sind. Basierend auf diesen Untersuchungsergebnissen könnte dann entschieden werden, ob induktivgehärtete Radsatzwellen zur Einsparung von Korrosionsbeschichtungen eingesetzt, bzw. Inspektionsintervalle verlängert werden könnten.