The slip-rolling resistances of hard and stiff thin films under high Hertzian contact pressures can be improved by optimizing the 'coating/substrate systems'. It is known from former investigations that the so-called 'egg-shell' effect is no general hindrance for high slip-rolling resistance of thin hard coatings. The coating stability depends more on specific deposition process and coating/substrate interface design. In this article it is experimentally shown, that pure amorphous carbon thin films with hardness between 15 and 63 GPa can be slip-rolling resistant several million load cycles under a maximum Hertzian contact pressures of up to 3.0 GPa. Whereas all coatings were stable up to 10 million load cycles in paraffin oil at room temperature, reduced coating lifetime was found in SAE 0W-30 engine oil at 120°C. It was shown how the coating hardness and the initial coating surface roughness influence the running-in process and coating lifetime. No clear correlation between coating hardness and coating lifetime could be observed, but friction coefficients seem to be reduced with higher coating hardness. Very low friction down to ~0.03 in unmodified engine oils was found for the hardest ta-C film.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Die Wälzbeständigkeit von harten und steifen Dünnschichten unter hohen Hertzschen Kontaktpressungen kann durch die Optimierung des 'Beschichtung/Substrat Systems' deutlich verbessert werden. Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt, dass der so genannte 'Eierschaleneffekt' kein generelles Hindernis für eine hohe Wälzbeständigkeit für harte Dünnschichten darstellen muss. Die Stabilität der Beschichtungen hängt vielmehr von dem spezifischen Prozessparametern und dem Schicht/Substrat Grenzflächendesign ab. In diesem Artikel wird experimentell nachgewiesen, dass reine amorphe Kohlenstoffdünnschichten mit Härtewerten zwischen 15 und 63 GPa für mehrere Millionen Lastzyklen unter maximalen Hertzschen Kontaktpressungen bis 3.0 GPa überrollbeständig sein können. Während alle Beschichtungen bis 10 Millionen Lastzyklen in Paraffinöl bei Raumtemperatur keine Defekte aufweisen wurde unter Verwendung eines SAE 0W-30 Motorenöls bei 120°C eine Verringerung der Überrollbeständigkeit nachgewiesen. Es wurde nachgewiesen, wie die Schichthärte und ursprüngliche Oberflächenrauheit der Beschichtung den Einlaufprozess und die Lebensdauer beeinflussen. Es konnte keine offensichtliche Korrelation zwischen Schichthärte und Lebensdauer festgestellt werden, allerdings wurde eine scheinbare Reduktion des Reibwertes mit steigender Schichthärte beobachtet werden. Dabei zeigte die härteste ta-C Schicht unter Verwendung des Motorenöls sehr geringe Reibwerte mit ~0.03.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Die Rissbildung durch Rollkontaktermüdung, der Materialverschleiß oder die Bildung von Einzelfehlern – aufgrund solcher Schädigungsarten wird die Lebensdauer der Schiene signifikant verkürzt. Mit entsprechenden Methoden der ZfP können diese Schäden an Schienen erkannt und bewertet werden. Ein sehr geeignetes Verfahren zur Feststellung von Schädigungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche ist die Wirbelstromprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung der Schienenoberfläche durch das Wirbelstromverfahren wurde ursprünglich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsrissen entwickelt. Anhand von Ergebnissen aus zahlreichen Prüfeinsätzen in den letzten Jahren wurde außerdem festgestellt, dass unter anderen auch Fehler wie Squats, Belgrospis, Eindrückungen oder Riffel in den Wirbelstromsignalen erkannt werden können. Aufgrund dieser Erfahrungen ist es möglich geworden, den Oberflächenfehlern in der Schiene ein charakteristisches Wirbelstromsignal zuzuordnen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit die Wirbelstromprüfung an Schienen nicht ausschließlich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsris-sen zu verwenden, sondern auch zur Feststellung von Einzelfehlern oder Materialveränderungen in der Oberfläche. Zusätzlich besteht das Potential durch Ultraschall erfasste Anzeigen, wie z.B. Schweißnähte, Squats etc. mit der Wirbelstromprüfung zu bestätigen und die Aussagesicherheit und Qualität dieser Prüfmethoden noch zu erhöhen.
Ständige Betriebsbeanspruchungen der Eisenbahnschienen führen an den Rad-Schiene-Kontaktflächen zu Ermüdungserscheinungen des Materials. Infolgedessen entstehen unter anderem an bogenäußeren Schienenfahrkanten Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks. Zur frühzeitigen zerstörungsfreien Prüfung der Ermüdungsrisse wird das Wirbelstromverfahren eingesetzt. Neben der Detektion von Rissen, reagiert die Wirbelstromprüfung außerdem sehr empfindlich auf Veränderungen von Materialeigenschaften, wodurch sich Verfestigungen auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen nachweisen lassen. Längerfristige Beobachtungen haben gezeigt, dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Betriebsbedingte Oberflächenschäden an Schienen, insbesondere rissartige
Ungänzen wie Head Checks, Squats und Belgrospis spielen bei der Gewährleistung
der Sicherheit des Fahrbetriebes eine zunehmend wichtige Rolle. Bei ungehindertem
Wachstum können diese Schäden bis zum Schienenbruch führen. Um dies zu verhindern,
werden diese Oberflächenschädigungen im Anfangsstadium durch Abarbeiten
der Schienen beseitigt. Häufig werden hierfür Schienenschleifzüge eingesetzt. Für die
effektive Planung dieser Instandhaltungsmaßnahmen wurde ein Wirbelstromprüfsystem
entwickelt, welches in der Lage ist, speziell für den Fehlertyp Head Checks, eine
Risstiefenbestimmung durchzuführen. Dieses wird seit einiger Zeit bei der manuellen
Prüfung (WPG Wirbelstromprüfgerät) und bei der Prüfung mit Schienenprüfzügen
erfolgreich eingesetzt. Das Wirbelstromprüfsystem wurde so modifiziert, dass es in einem
Schleifzug der Firma SPENO INTERNATIONAL SA integriert werden konnte.
Hierüber wurde bereits berichtet (u.a. DACH-Tagung 2004 in Salzburg; ECNDT 2006
Berlin). Der Betrieb im Schleifzug ist für die Weiterentwicklung des Prüfsystems von
herausgehobener Bedeutung, da anhand des tatsächlich erzeugten Materialabtrages eine
laufende Verifikation der Prüfaussagen erfolgen kann. Für die Instandhaltungsmaßnahme
ergibt sich durch das integrierte Prüfsystem der Vorteil, während bzw. unmittelbar
nach Abschluss der Arbeiten eine objektive Dokumentation über das erzielte
Schleifergebnis erstellen zu können. Inzwischen sind einige Schleifzüge mit dem System
ausgerüstet worden. Anhand von Ergebnissen ausgewählter Schleifeinsätze werden
die Aspekte für die Optimierung der Schieneninstandhaltungsmaßnahmen, sowie auch
für die Weiterentwicklung des Prüfsystems selbst vorgestellt.
Infolge der Betriebsbeanspruchung unterliegen Eisenbahnschienen an
ihrer Fahrkante sog. Rollkontakt-Ermüdung. Diese entsteht bevorzugt in Bögen
durch eine Kaltverformung des Schienenstahls und zeigt sich anfänglich in einer erhöhten
Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs. Im weiteren
Verlauf entstehen zahlreiche, flach in das Schieneninnere verlaufende Risse sog.
Head Checks. Diese Risse neigen ab einem gewissen Stadium dazu, in das Innere
der Schiene abzukippen, was im Endstadium zu einem Schienenbruch führen kann.
Seit einigen Jahren wird in Deutschland bei der DB AG das Wirbelstromverfahren
erfolgreich zur zerstörungsfreien Prüfung der Schädigungstiefe von Head Checks
eingesetzt. Hiermit wurde u. A. angestrebt, zuverlässige Planungsgrößen für den
Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz
ein weiteres Risswachstum wirkungsvoll unterbunden werden kann. Bereits bei einem
der ersten systematischen Einsätze der Wirbelstromprüfung an einer Bogenstrecke
mit hohem Betriebsaufkommen wurde auffällig, dass die Ermüdungsrisse
nicht gleichmäßig entlang des Bogens verteilt auftraten, sondern sich auf kurze Distanzen
Anhäufungen von Rissbefall mit intakten, unbefallenen Abschnitten abwechselten.
Solch wellenförmiges Auftreten von Head Checks wurde auch in den nachfolgenden
Prüfergebnissen der Wirbelstromprüfung vielerorts beobachtet. Aus der
Literatur war bekannt, dass sich die Ermüdungsrisse bevorzugt in verfestigten Materialzonen
bilden. Mit Hilfe von Härtemessungen konnte an verlegten und befahrenen
Schienen gezeigt werden, dass die unbefallenen Zonen etwa die Grundhärte des
Schienenwerkstoffes aufwiesen, während die mit Ermüdungsrissen befallenen Zonen
um ca. 10 25% erhöhte Härtewerte aufwiesen. Die Wirbelstromprüfung reagiert
sehr empfindlich auf Veränderungen der Materialeigenschaften. Somit lassen
sich Verfestigungen der o. g. Art leicht auch ohne jedes Vorhandensein von Ermüdungsrissen
bereits nachweisen. Im Zuge einer längerfristigen Beobachtung einer
neu gebauten Strecke konnte herausgefunden werden, dass sich nach einer gewissen
Betriebszeit wellenförmig verteilte Zonen mit Prüfsignalen, die auf Verfestigungen
schließen lassen auftraten. Im weiteren zeitlichen Ablauf bildeten sich Ermüdungsrisse
tatsächlich in den vorher bestimmten Stellen mit Verfestigung, während die
Zonen ohne diese Prüfsignale weitgehend rissfrei blieben. Diese Ergebnisse zeigen,
dass die Wirbelstromprüfung das Potential besitzt, mögliche Orte der Entstehung
von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen.
Die steigenden Anforderungen im Schienenverkehr haben u. a. wachsende Betriebsbeanspruchungen für das Führungselement Schiene zur Folge. Auf Strecken mit hohen Belastungen wird dadurch die Entstehung von Rollkontaktermüdungsrissen, den sog. Head Checks, begünstigt. Für die Quantifizierung von Schäden im Hinblick auf eine optimierte Instandhaltung, setzt die DB AG daher seit einigen Jahren die Wirbelstromprüfung an Schienen ein. Es wurde ein Wirbelstromprüfsystem speziell für die Detektion und Bewertung von Head Checks auf der Schienenstahlsorte R260 entwickelt. Um den Instandhaltungsaufwand möglichst gering zu halten, unterliegen Eisenbahnschienen einer ständigen technologischen Weiterentwicklung durch die Hersteller. Durch Verbesserung der Schienenstahlsorten soll ein größerer Widerstand gegen die Bildung von Rollkontaktermüdungsrissen erreicht werden. Anhand von Streckenversuchen der DB AG in den letzten Jahren konnte festgestellt werden, dass tatsächlich eine Verminderung der Risswachstumsgeschwindigkeit erzielt wurde. Dafür zeigten sich im Vergleich zur Stahlsorte R260 abweichende Rissgeometrien, geringere Abstände zwischen den Ermüdungsrissen und somit eine größere Dichte des Rissfeldes. Die daraus resultierenden Folgen für die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung werden hier erläutert. Praktische Prüferfahrungen an Schienenstahlsorten mit höherer Festigkeit werden vorgestellt.