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Herstellung von Eisenbahnschienen, Radreifen, Spundbohlen und anderen
stark auf Verschleiß beanspruchten Gegenständen An Eisenbahnschienen sind grundsätzlich
folgende Anforderungen zu stellen: r. Die Schiene soll eine so hohe Festigkeit haben,
daß sie den Beanspruchungen des Betriebes durch den Raddruck, durch Stöße u. dgl.
genügend Widerstand leistet. Dazu ist erforderlich eine genügend hohe Streckgrenze,
um ein Verquetschen unter dem Raddruck zu vermeiden, ferner aber auch eine genügend
hohe Festigkeit gegen wiederholte Stoßbeanspruchungen, also ein hoher Widerstand
gegen schlagartige und gegen Dauerbeanspruchung. Dieser Forderung wird erfahrungsgemäß
am ehesten entsprochen durch Stähle mit hoher Streckgrenze und guter Zähigkeit bei
mittlerer Zugfestigkeit.
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a. Der- Verschleißwiderstand soll so groß sein, daß unter der Wirkung
der rollenden und gleitenden Reibung der Barüberfahrenden Räder eine möglichst geringe
Abnutzung eintritt.
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Neben den technischen Anforderungen ist weiter die Frage der Wirtschaftlichkeit
von Bedeutung. Die Herstellung der Schienen als Massenbaustoff ist an Verfahren
gebunden, die einen billigen Stahl herzustellen gestatten:. Diese Bedingung wird
in erster Linie durch das Thomasverfahren und in zweiter Linie durch ein entsprechend
geführtes Siemens-Martin-Verfahren erfüllt. Der Nachweis der für das praktische
Verhalten wichtigen Eigenschaften wird durch die in den Abnahmebedingungen festgelegten
Prüfungen erbracht. Diese Prüfungen erstrecken sich auf den Nachweis genügender
Schlagfestigkeit durch die Schienenschlagprobe und den Nachweis genügend hoher Härte
und Festigkeit durch die Feststellung der Brinellhärte oder den Zugversuch.
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Diese mannigfachen Anforderungen sind nun schwer ohne eine gewisse
Schädigung anderer Eigenschaften zu erhalten. Die Forderungen nach hoher Zähigkeit
bei gleichzeitig hoher Festigkeit stehen z. B. in einem gewissen Widerspruch zueinander.
Die Forderung des hohen Verschleißwiderstandes läßt sich des weiteren durch diese
beiden Kriterien nicht erfassen, da der Verschleißwiderstand keineswegs mit Härte,
Streckgrenze oder Zugfestigkeit parallel geht: Es gilt also, unter Berücksichtigung
der jeweiligen praktischen Anforderungen ein Optimum an Härte, Streckgrenze, Zähigkeit
und Verschleißwiderstand bei höchster Wirtschaftlichkeit zu entwickeln. Die Mittel
dazu sind verschieden. Bekannt ist; daß die Zugfestigkeit und Streckgrenze gesteigert
werden kann durch Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes, des Mangangehaltes, des Siliciumgehaltes
sowie durch den Zusatz noch weiterer Begleitelemente,
wie Chrom,
Nickel u. dgl., wobei aber die letzteren aus wirtschaftlichen Gründen hier nicht
in- Frage kommen. Es ist weiter bekannt, .daß ein erhöhter Gehalt an Mangan, ferner
aber auch an Phosphor den Verschleißwiderstand erhöht. Allerdings scheint eine praktisch
bedeutsame Erhöhung des Verschleißwiderstandes durch Mangan erst einzutreten bei
Mangangehalten, bei denen die Zähigkeit (dargestellt durch die Dehnung beim Zerreißversuch,
das Verhalten beim Schlagversuch und die Kerbzähigkeit) bereits zu stark abnimmt.
Von .der verschleißerhöhenden Wirkung des Phosphorgehaltes konnte bisher überhaupt
kein Gebrauch gemacht werden, da bei .der üblichen sonstigen Zusammensetzung der
Schienen bei Phosphorgehalten unterhalb etwa o,8 °/a praktisch merkbare Einflüsse
nicht auftreten und eine Erhöhung des Phosphorgehaltes auf und über etwa o,i °/o
hinaus die Schienen zu spröde, d. h. zu empfindlich gegen Stöße macht. Aus diesem
Grunde wird bisher seitens der Stahlwerke der Phosphorgehalt mit etwa o,o8 nach
oben begrenzt.
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Versuche der Erfinderin mit basisch erschmolzenen Stählen haben gezeigt,
.daß eine Ausnutzung der die Verschleißfestigkeit erhöhenden Wirkung des Phosphors
durch einen Zusatz dieses Elementes in Mengen von o,o8 % und, mehr bei Schienen
aus basisch erschmolzenem, insbesondere Thomasstahl ermöglicht wird. durch eine
starke Herabsetzung des Kohlenstoffgehaltes bei gleichzeitiger besonderer Abgrenzung
der übrigen Bestandteile des Stahles, insbesondere des: Mangangehaltes. Durch. die
Verwendung dieses Stahles als Schienenstahl werden alle eingangs gekennzeichneten
Forderungen in vollem Maße erfüllt. Die für die praktische Bewährung maßgebende
sehr scharfe Schlagprobe der Deutschen Reichsbahn-Gesellschaft wird zur vollsten
Zufriedenheit ertragen, die Schienen gehen bei Verschärfung der Probe meist erst
bei mehr als 140 mm Durchbiegung nach sechs oder mehr Schlägen zu Bruch. Die Streckgrenze
liegt mit mehr als 36 km/mm' genügend hoch, um ein Verquetschen selbst bei erhöhten
Raddrücken zu vermeiden, und Dehnung sowie Kerbzähigkeit liegen so hoch, daß eine
Gefährdung durch Schläge und Stöße nicht eintritt. Der Verschleißwiderstand ist
durch das Zusammenwirken von Mangan und Phosphor so stark erhöht, daß der Stahl
ohne weiteres den als verschleißfest bekannten Schienenstählen mit mehr als 5 kg/mm2
Zugfestigkeit an die Seite gestellt werden kann, wobei Dehnung und besonders die
Kerbzähigkeit aber höher liegen als bei dem gewöhnlichen Schienenstahl dieserFestiä
keit. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es nötig, den Kohlenstoffgehalt niedrig,
unter 0,2o'/0, den Mangangehalt innerhalb der Grenzen von rund o,6 bis i,6 °1o und
den Phosphorgehalt über o,o8 zu halten; der Siliciumgehalt beträgt dabei
0,15 bis o,60/0.
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Weiter gelingt es, die Gleichmäßigkeit des Aufbaues und der Festigkeitseigenschaften
dieses Stahles noch zu erhöhen, wenn geringe Mengen, bis i °/o, Kupfer zugesetzt
werden. Bekanntlich wird durch den Kupferzusatz auch die Korrosions- und Rostbeständigkeit
des Stahles erhöht, was für die praktische Bewährung bei Anwesenheit aggressiver
Medien, z. B. bei im Tunnel verlegten Schienen, von erheblicher Bedeutung ist.
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Weiter hat sich die Anwesenheit geringer Mengen Chrom als besonders
vorteilhaft im Hinblick auf den Verschleißwiderstand und die Schlagfestigkeit dickerer
Abmessungen erwiesen. Der Chromzusatz beträgt höchstens 45 %.
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Die Festigkeitseigenschaften und der Verschleißwiderstand solcher
Schienen aus einer großen Anzahl von Schmelzen wurden eingehend bestimmt, wobei
zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit die Maschinen von Spindel und Mohr &
Federhaff benutzt werden.
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In der nebenstehenden Zahlentafel sind als Beispiel die Ergebnisse
einiger Schienenschmelzen aus basisch erschmolzenen, insbesondere Thomasstahl wiedergegeben.
Trotz des verhältnismäßig niedrigen C-Gehaltes liegt die Streckgrenze der Stähle
oberhalb q.o kg/mm2, weist also Werte auf, die ein normaler Kohlenstoffstahl erst
bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,5 % erreicht. Dia Zugfestigkeit
beträgt dabei etwa 6o kg/mm2, die Dehnung mehr als 16, im Mittel ao °/o, sie ist
also ganz erheblich höher als die eines Kohlenstoffstahles gleicher oder sogar höherer
Festigkeit. Die von der Deutschen Reichsbahn für die Abnahme vorgeschriebene Schlagprobe
hielten diese Schienen sämtlich ausgezeichnet aus, auch bei einer Verschärfung dieser
Probe trat ein Bruch erst ein, nachdem normale Kohlenstoffstahlschienen mit 7o bis
8o kg/mm2 Zugfestigkeit bereits vorher gebrochen waren. Wie aus der Zahlentafel
sich weiterhin ergibt, ist der Verschleißwiderstand dabei erheblich höher als der
von Schienen gleicher Festigkeit, er weist Werte auf, die in Kohlenstoffstahlschienen
erst mit einer Zugfestigkeit von etwa 85 kg/mm2 erreichbar sind.
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Zur Beurteilung der Verschleißergebnisse auf der Maschine von Mohr
& Federhaff sei gesagt, daß nach praktischen Erfahrungen Schienen mit einer
Gewichtsabnahme von weniger als i,i g als verschleißfest bezeichnet werden. Die
gemäß der Erfindung hergestellten Schienen liegen durchweg unter der Grenze von
i,i g.
Die für die praktische Bewährung ebenfalls wichtige Dauerbiegefestigkeit
wurde in zahlreichen Versuchen auf der Schenckschen Dauerbiegemaschine mit mindestens
30 kg/mm2, im Mittel mit 34 kgImm@ ermittelt. Auch bei Prüfung durch Gewinde
beschädigter Proben wurden immer höhere Werte als 27 kg/mm= festgestellt. Der erfindungsgemäß
zu verwendende Stahl besitzt also eine recht hohe Dauerfestigkeit bei gleichzeitig
geringer Kerbempfindlichkeit bei Schwingungsbeanspruchungen.
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Bereits im Jahre 1884 wird über ähnliche Versuche zur Entwicklung
eines Schienenstahls aus der Bessemerbirne berichtet (T e t -majer, Stahl und Eisen
4 [z884] S. 6o8113). Der Kohlenstoffgehalt dieser Schienen wurde auf etwa
o,2 0% herabgesetzt, der Phosphorgehalt bei gleichzeitig erhöhtem Siliciumgehalt
auf über o,i % erhöht. Die Versuche waren jedoch erfolglos, denn es wird
ausdrücklich betont, daß.diese Schienen brüchig waren und- zum Spalten neigten.
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In Schweden bis zum Jahre igi2 verlegte sauere Bessemerstahlschienen
(Stahl und Eisen i925 S. 39/40) wiesen bei Phosphorgehalten über o,i % sehr
geringen Verschleiß auf; jedoch wurden die Schienen infolge des höheren Kohlenstoffgehaltes
von 0,4 bis 0,5 % in den nördlichen Eisenbahnstrecken brüchig. Für die in
späteren Jahren zur Verwendung gelangenden Thomasstahlschienen wurde regelmäßig
ein Phosphorgehalt von höchstens 0.o75 % vorgeschrieben. Auf Schienen ähnlicher
Zusammensetzung aus Bessemerstahl wurde auch später in der Literatur noch wiederholt
hingewiesen. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem Stahl, der nach der Erfindung
verwendet werden soll, liegt darin, daß früher Bessemerstahl verwandt wurde, nach
der Erfindung jedoch basisch erschmolzener, insbesondere Thomasstahl. Die grundsätzlichen
Unterschiede zwischen diesen beiden Stahlarten erklären es, daß die Bessemerstahlschienen
bei annähernd gleicher Zusammensetzung (in den meisten Fällen war allerdings der
Kohlenstoffgehalt höher) querbrüchig .und daher unbrauchbar. waren, während die
Thomasstahlschienen nach ,der Erfindung hervorragende Eigenschaften zeigen. Weiterhin
wurde im Schrifttum mehrfach allgemein auf den Zusammenhang zwischen Phosphor- und
Kohlenstoffgehalt in Stählen hingewiesen und angedeutet, daß die Nachteile eines
höheren Phosphorgehalts zum Teil durch Verminderung des Kohlenstoffgehalts ausgeglichen
werden können. Es wurde jedoch dabei fast immer noch an einen erheblich höheren
Kohlenstoffgehalt gedacht, als in der Erfindung vorgeschlagen, und der Zusammenhang
mit dem Manganzusatz wurde meistens überhaupt nicht erwähnt. Jedenfalls ist in keiner
derartigen Schrifttumsstelle ein basisch erschmolzener, insbesondere Thomasstahl,
wie in der Erfindung vorgeschlagen, vollständig oder annähernd ähnlich erwähnt,
welcher also einen Kohlenstoffgehalt von o,o7 bis o,2 0/0, einen Phosphorgehalt
von o,o8 bis 0,25 0/0, einen Mangaizgehalt von 0,6 bis 1,6 0@o und einen
Siliciumgehalt von o, 15 bis o,6 % enthält, von denen jeder einzelne
Legierungsbestandteil für die Erreichung der angestrebten Wirkung wesentlich ist.
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Ganz entsprechende Überlegungen wie vorstehend für Schienen lassen
sich dufchführen für Radreifen, Spundbohlen, insbesondere für Hafenwände, und andere
Stahlteile, die auf Verschleiß beansprucht werden.