Wie funktioniert eigentlich Wärmebehandlung von Eisenbahnrädern?

Eisenbahnräder gehören zu den am stärksten belasteten Komponenten eines Schienenfahrzeugs. Sie tragen hohe Lasten, führen das Fahrzeug durch Weichen und Kurven und übertragen Brems- sowie Beschleunigungskräfte. Dabei können die Temperaturen auf der Radoberfläche mehrere hundert Grad Celsius erreichen.

Die verschiedenen Funktionsbereiche eines Rades (Bild 1) – etwa Radkranz (1) mit Verschleißreserve (2), Spurkranz (3), Blatt (4) und Nabe (5) – erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Entsprechend benötigen sie auch unterschiedliche Werkstoffeigenschaften, die maßgeblich durch die Wärmebehandlung der Räder bestimmt werden.

Austenitisieren: Vorbereitung der Gefügeumwandlung

Die Wärmebehandlung beginnt mit der Erwärmung auf die sogenannte Austenitisierungstemperatur. Eisenbahnräder bestehen in der Regel aus unlegierten oder niedriglegierten Kohlenstoffstählen, die bei etwa 800 bis 900 °C austenitisiert werden.

Bei diesen Temperaturen wandelt sich das Atomgitter des Eisens von einer kubisch-raumzentrierten Struktur (Ferrit) in eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (Austenit) um. Gleichzeitig lösen sich Karbide auf, und der Kohlenstoff verteilt sich gleichmäßig im Werkstoff.

Anschließend wird das rotglühende Rad aus dem Ofen entnommen und in eine Abkühlmaschine gelegt, um es gezielt zu kühlen. Bild 2 zeigt ein solches Rad in der Kühlvorrichtung kurz vor Beginn des eigentlichen Abkühlprozesses.

Kontrollierte Abkühlung des Radkranzes

In der Abkühlmaschine beginnt das Rad zu rotieren. Gleichzeitig wird der Radkranz gezielt mit Wasser und/oder Luft gekühlt (Bild 3). Kühlmengen, Kühlzeiten und Kühlmedien werden dabei durch den Computer der Anlage präzise gesteuert.

Durch diese kontrollierte Abkühlung werden im Radkranz gezielt die gewünschten mechanischen Eigenschaften – etwa Festigkeit und Zähigkeit – sowie ein optimales Gefüge eingestellt. Als besonders geeignet für die Radlaufflächen hat sich ein perlitisch-ferritisches Gefüge erwiesen, also ein Phasengemisch aus Eisen und Eisenkarbiden.

Eigenspannungen während des Abkühlprozesses

Sobald der Radkranz ausreichend abgekühlt ist (Bild 4), wird das Rad aus der Abkühlmaschine entnommen und an ruhender Luft abgekühlt. In diesem Stadium steht der Radkranz unter Zugspannungen: Er möchte sich infolge der Abkühlung zusammenziehen, wird jedoch durch das noch heiße Blatt und die heiße Nabe daran gehindert. Diese Bereiche stehen zu diesem Zeitpunkt ihrerseits unter Druckspannungen.

Die gezielte Kühlung – insbesondere des Radkranzes – ist der entscheidende Prozessschritt der Wärmebehandlung, bei dem innerhalb weniger Minuten Gefüge und mechanische Eigenschaften erzeugt werden. Die Herausforderung besteht darin, so schnell abzukühlen, dass die geforderten Festigkeiten erreicht werden und gleichzeitig so kontrolliert abzukühlen, dass unerwünschte Gefügebestandteile wie Martensit vermieden werden.

Gewünschte Spannungszustände im fertigen Rad

Durch die weitere Abkühlung an ruhender Luft kühlen schließlich auch Blatt und Nabe vollständig ab (Bild 5). Aufgrund ihrer langsameren Abkühlung entstehen in diesen Bereichen die mechanischen Eigenschaften, die dort benötigt werden.

Gleichzeitig stellt sich ein charakteristischer Eigenspannungszustand ein: Teile des Blattes stehen unter Zugspannungen, während der Radkranz unter Druckspannungen steht. Dieser Zustand ist ausdrücklich erwünscht, denn Druckeigenspannungen im Radkranz wirken der Bildung von Rissen entgegen, die durch den Rad-Schiene-Kontakt oder durch das Klotzbremsen entstehen können.

Anlassen zur Spannungsreduzierung

Zum Abschluss werden die Räder noch einmal bei etwa 450 bis 550 °C angelassen. Anders als beim klassischen Vergüten führt dieser Wärmebehandlungsschritt jedoch nicht mehr zu Gefügeänderungen. Sein Zweck besteht ausschließlich darin, innere Spannungen zu reduzieren.

Gefüge und mechanische Eigenschaften des Eisenbahnrades entstehen somit vollständig während der kontrollierten Abkühlung – insbesondere im Bereich des Radkranzes.

Werkstoffkennwerte von Eisenbahnrädern

Zu den Werkstoffkennwerten eines Eisenbahnrades, die durch die Wärmebehandlung beeinflusst werden und im Rahmen vorgeschriebener Werkstoffprüfungen nachgewiesen werden müssen, gehören unter anderem Festigkeit, Zähigkeit, Bruchzähigkeit sowie Ermüdungsfestigkeit, Mikrostruktur (Gefügebestandteile und Korngröße) und Eigenspannungszustand.

Forschung und Entwicklung moderner Wärmebehandlung

Die Leistungsfähigkeit eines Eisenbahnrades beruht nicht auf einem besonders exotischen Werkstoff. Im Gegenteil: Üblicherweise werden vergleichsweise „einfache“ unlegierte Kohlenstoffstähle eingesetzt – allerdings von sehr hoher Reinheit. Die entscheidende Rolle spielt vielmehr die Wärmebehandlung, durch die optimale Werkstoffeigenschaften und ein zuverlässiges Betriebsverhalten erreicht werden.

Gemeinsam mit seinen Partnern MSA Chemnitz und ITW Chemnitz entwickelt Werkstoff Service im Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsprojekts neue Wärmebehandlungstechnologien für den Eisenbahnsektor (Bild 6).

Moderne Abkühlmaschinen sind heute hochautomatisierte CNC-Anlagen für Produktionskapazitäten von mehreren hunderttausend Rädern pro Jahr, in denen Eisenbahnräder vollautomatisch und mit konstant hoher Qualität gefertigt werden.

W.S. Werkstoff Service – Kompetenz im Eisenbahnwesen

Ob Schadensanalyse an einer Eisenbahnkomponente oder zerstörungsfreie Prüfungen an einem Schienenfahrzeug: Die Experten des RailwaysCenters der W.S. Werkstoff Service GmbH unterstützen Betreiber, Hersteller und Instandhalter bei Fragen der Qualitätssicherung, Werkstoff- und Bauteilprüfung sowie bei Zulassungen im Eisenbahnsektor.

Eine Übersicht über unsere Dienstleistungen finden Sie unter https://www.werkstoff-service.de/railwaycenter/.