Das Schienenschleifen ist ein Materialabtragsverfahren mittels rotierender Schleifscheiben. Da die Schleifvorgänge lange dauern, erhöht der Einsatz von Kühlschmierstoffen nicht nur die Wartungskosten, sondern verursacht auch erhebliche Umweltbelastungen. Ohne Kühlung und Schmierung kann die beim Schleifen entstehende Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden. Daher kommt es nach dem Schienenschleifen aufgrund der trockenen Bedingungen, der hohen Drehzahl der Schleifscheiben (ca. 3600 U/min) und der hohen Schleifbelastung (ca. 2000 N) häufig zu Schienenbrand [1-4], wie in Abb. 1 dargestellt. Um die Schleifleistung weiter zu verbessern und eine gute Oberflächengüte zu erzielen, ist das Einbringen von Poren in die Schleifscheiben eine wirtschaftliche und effektive Methode [5].
Abb. 1. Durch das Schleifen entstanden Verbrennungen und weiße Ätzschichten am Schienenkopf.
Chinesische Wissenschaftler haben poröse Schleifscheiben hergestellt und deren Schleifleistung an einer eigens entwickelten Prüfvorrichtung charakterisiert [5]. Dabei zeigte sich, dass die maximale Druckfestigkeit der Schleifscheiben nach dem Einbringen von Poren um 35 % von 83,74 MPa auf 54,53 MPa sank. Die Ergebnisse der Schleifversuche ergaben, dass mit zunehmender Porosität der Schleifscheiben das Schleifvolumen leicht anstieg, die Schleiftemperatur sank und die Belastung der Schleifscheibe abnahm. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schleifscheiben mit höherer Porosität ein besseres Selbstschärfungsvermögen besitzen, was einer Belastung der Schleifscheibe entgegenwirkt.
Abb. 2. Oberflächenmorphologie der Schleifscheiben vor und nach dem Test mit unterschiedlicher Porosität: 8,12 % (a) & (e), 15,81 % (b) & (f), 18,60 % (c) & (g) und 21,18 % (d) & (h).
Aufgrund der Schleifwärme bildete sich auf allen geschliffenen Schienenköpfen eine harte und spröde weiße Ätzschicht (WEL). Die dicksten WEL entstanden bei der geringsten Porosität der Schleifscheiben (siehe Abb. 3 und 4). Unterhalb der WEL befindet sich eine deformierte Perlitschicht, die durch die Scherspannung der Schleifkörner entstanden ist. Die Härte der WEL beträgt 5,77 GPa und ist damit etwa 2- bis 3-mal höher als die der Perlitmatrix. Zahlreiche Wissenschaftler haben einen engen Zusammenhang zwischen der WEL und Schienenbrüchen festgestellt [6–8]. Durch die kombinierte Zug- und Scherspannung der Räder während des Schienenbetriebs können Risse an der Oberfläche entstehen. Aufgrund ihrer Sprödigkeit breiten sich diese Risse schnell durch die WEL-Schicht aus, vertiefen sich an der Grenzfläche zwischen WEL und Perlit oder dringen sogar in die Perlitmatrix ein und verursachen so schwerwiegendere Schienenfehler [9]. Die Härte und Sprödigkeit der WEL führen somit zu vorzeitigem Schienenversagen und können durch die Porosität der Schleifscheiben effektiv beeinflusst werden.
Abb. 3. Härte der Schweißnaht und der verformten Schicht.
Abb. 4. OM der Querschnitte der Schiene, die mit Schleifscheiben unterschiedlicher Porosität geschliffen wurden: 8,12 % (a), 15,81 % (b), 18,60 % (c) und 21,18 % (d).
Der Schleifmechanismus einer Schleifscheibe mit Porenstruktur ist in Abb. 5 dargestellt. Aufgrund des hohen negativen Spanwinkels und der relativ hohen aktiven Korndichte schmelzen die Schleifspäne bei der hohen Temperatur zunächst und haften dann an der Scheibenoberfläche. Dies verschlechtert die Schleifleistung der Schleifscheibe und erhöht die Schleifwärme. Im Gegensatz dazu weist die poröse Schleifscheibe eine bessere Selbstschärfung auf und trägt zu einer geringeren Beschädigung der Schienenoberfläche bei [8]. Die Porenstruktur vergrößert den Raum zwischen den Schleifkörnern und bietet so ausreichend Platz für die Späneaufnahme und Wärmeabfuhr. Die Späne können sich in den Poren einrollen und durch die nachfolgende Wechselwirkung der Schleifmittel abgetragen werden. Zudem wird ein Teil der Wärme aus der Kontaktzone abgeführt. Darüber hinaus sind die Spannung und die Auskragungshöhe jedes aktiven Korns größer als bei herkömmlichen Schleifscheiben. Dies erhöht die Dicke der ungeschnittenen Späne und verringert die Reibung zwischen Schleifkorn und Schienenoberfläche, wodurch die durch das Schienenschleifen verursachte Vorermüdung reduziert wird. Aufgrund der hervorragenden Schleifleistung und der damit einhergehenden geringeren Schädigungswirkung auf die Schienenoberfläche besitzt die Schleifscheibe mit Porenstruktur daher ein großes Potenzial für den Einsatz in der Schienenschleiftechnologie unter den Bedingungen des Hochgeschwindigkeits- und Trockenschleifens.
Abb. 5. Schleifmechanismus einer Schleifscheibe mit Porenstrukturen.
Referenzen
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[3] Zhou K, Ding HH, Wang WJ, Wang RX, Guo J, Liu QY. Einfluss des Schleifdrucks auf das Abtragverhalten von Schienenmaterial. Tribol Int 2019;134:417–26.
[4] Tawakoli T, Westkaemper E, Rabiey M. Trockenmahlen durch spezielle Konditionierung. Int J Adv Manuf Technol 2007;33:419–24.
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