STIER, Oliver (Zimmermannstraße 29, Berlin, 12163, DE)
LÜBBEN, Edzard (Fortunastr. 5, Erlangen, 91056, DE)
STIER, Oliver (Zimmermannstraße 29, Berlin, 12163, DE)
| Patentansprüche 1. Radsatzwelle (11) für ein schienengebundenes Fahrzeug, welche als Steinschlagschutz eine Ummantelung (13) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ummantelung (13) eine metallische Komponente (14) aufweist, die höchstens so edel ist, wie der die Grenzfläche (17) der Radsatzwelle bildende metallische Werkstoff. 2. Radsatzwelle (11) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die metallische Komponente (14) der Ummantelung (13) aus demselben metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl, besteht wie die Radsatzwelle (11) . 3. Radsatzwelle (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der metallischen Komponente (14) der Ummantelung (13) eine Gefügephase (15, 18) enthalten ist, die die Steinschlag- festigkeit der Ummantelung erhöht. 4. Radsatzwelle (11) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gefügephase durch Hartstoffpartikel (18) gebildet ist, wobei die Hartstoffpartikel (18) in die metallische Kom¬ ponente (14) der Ummantelung (13) eingebettet sind. 5. Radsatzwelle (11) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gefügephase durch pseudoplastische oder pseudoelas¬ tische metallische Partikel (15) oder Partikel eines Werk¬ stoffes, dessen Elastizitätsmodul höchstens 1/10 desjenigen der metallischen Komponente (14) der Ummantelung (13) be- trägt, gebildet ist, wobei die Partikel (15) in die metalli¬ sche Komponente (14) der Ummantelung eingebettet sind. 6. Radsatzwelle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die metallische Komponente (14) der Ummantelung (13) mit einer pseudoelastischen oder pseudoplastischen Legierung beschichtet ist. 7. Radsatzwelle (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der Grenzfläche (17) der Radsatzwelle (11) und der Ummantelung (13) eine Trennschicht aus einem elektroche¬ misch unedleren Material als dem die Grenzfläche der Radsatz- welle (11) bildenden metallischen Werkstoff oder einem elekt¬ rochemisch inerten Material vorgesehen ist. 8. Radsatzwelle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die metallische Komponente (14) der Ummantelung (13) elektrochemisch unedler als der die Grenzfläche der Radsatzwelle (11) bildende metallische Werkstoff ist und mit der Grenzfläche (17) der Radsatzwelle (11) in elektrochemischem Kontakt steht. 9. Radsatzwelle (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die metallische Komponente (14) der Ummantelung (13) ein Leichtmetall enthält. 10. Radsatzwelle (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die metallische Komponente (14) der Ummantelung (13) un¬ ter atmosphärischer Einwirkung spontan eine Passivierungs- schicht (23) ausbildet. 11. Radsatzwelle (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der Grenzfläche (17) der Radsatzwelle (11) und der Ummantelung (13) eine Indikatorschicht (22) aus farbigem Material vorgesehen ist, welches feuchtigkeitsdurchlässig ist. 12. Verfahren zum Erzeugen einer Ummantelung (13) als Steinschlagschutz auf einer Radsatzwelle (11) für ein schienenge¬ bundenes Fahrzeug, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ummantelung (13) durch Kaltgasspritzen hergestellt wird, indem Partikel einer ersten Art mit einer metallischen Komponente (14), die elektrochemisch höchstens so edel ist, wie der die Grenzfläche (17) der Radsatzwelle (11) bildende metallische Werkstoff, auf die Radsatzwelle (11) aufgebracht werden . 13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zusammen mit den Partikeln der ersten Art Partikel mindestens einer zweiten Art auf die Radsatzwelle aufgebracht werden, welche in einer sich aus den Partikeln der ersten Art ausbildenden Gefügematrix eine verteilte Gefügephase ausbil¬ den . 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vor dem Aufbringen der Partikel der ersten Art Partikel einer weiteren Art auf die Radsatzwelle aufgebracht werden. 15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dieses angewendet wird, um eine durch Steinschlag her¬ vorgerufene Verletzung (30) in der Ummantelung (13) wieder mit dem Material der Ummantelung (13) aufzufüllen. 16. Verfahren zum Erzeugen einer Ummantelung (13) als Steinschlagschutz auf einer Radsatzwelle (11) für ein schienenge¬ bundenes Fahrzeug, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ummantelung (13) als Umhüllung hergestellt wird, mit der die Radsatzwelle (11) umwickelt wird. 17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Stoßkante (27) der Umhüllung durch Kaltgasspritzen verschlossen wird. |
Radsatzwelle für ein schienengebundenes Fahrzeug mit Stein ¬ schlagschutz und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Radsatzwelle für ein schienenge ¬ bundenes Fahrzeug, welche als Steinschlagschutz eine Ummante- lung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung verschiedene Verfahren zum Erzeugen einer Ummantelung als Steinschlag- schütz auf einer solchen Radsatzwelle für schienengebundene Fahrzeuge .
Radsatzwellen, die mit einem Steinschlagschutz versehen werden, sind bekannt und werden beispielsweise durch die Bochu- mer Verein Verkehrstechnik GmbH angeboten, wie diese auf ihrer Internetseite www.bochumer-verein.de/s542.html am
28.04.2010 angegeben hatte. Für die Aufbringung eines solchen Steinschlagschutzes können allgemein Beschichtungsverfahren zur Anwendung kommen. Hierdurch wird verhindert, dass
Radsatzwellen von schienengebundenen Fahrzeugen durch einen Steinschlag aus dem Schotterbett beschädigt werden bzw. eine Beschädigung kann hinsichtlich ihrer Auswirkungen begrenzt werden. Die aufgewirbelten Schottersteine schlagen nämlich mit Relativgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s in die rotie- rende Mantelfläche der Welle ein und bewirken dabei Ein ¬ schlagkrater im Stahl mit einer Tiefe im einstelligen Millimeterbereich. Daher besteht der Wunsch, die freiliegenden Flächenteile der Mantelfläche der Welle mit einer Abschirmung vor dem Steinschlag zu schützen.
Allerdings sprechen andere Argumente gegen eine solche Ab ¬ schirmung. Diese erschwert beispielsweise die visuelle Kon ¬ trolle der Wellen zu Inspektionszwecken. Außerdem führt diese zu einem Mehrgewicht des Radsatzes. Zuletzt kann in der Grenzfläche zwischen der Abschirmung und der Welle eine Korrosion begünstigt werden. Daher wird vielfach auf eine Abschirmung der Radsatzwelle aus Gründen der Betriebssicherheit verzichtet und anstelle dessen hingenommen, dass die Radsatz- wellen häufiger aufgrund einer Beschädigung wegen Steinschlages ausgewechselt werden müssen. Als Steinschlagschutz haben sich Dicklackschichten durchgesetzt, allerdings ist deren Schutzwirkung gegen Steinschlag recht begrenzt, da die Lack ¬ schichten keinen genügenden mechanischen Widerstand gegen die beim Steinschlag wirkenden Kräfte bewirken.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Steinschlag ¬ schutz als Ummantelung einer Radsatzwelle dahingehend zu verbessern, dass ein wirkungsvoller Schutz gegen Steinschlag erreicht wird und gleichzeitig ein Korrosionsangriff der
Radsatzwelle verhindert werden kann. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Verfahren zum Erzeugen einer Ummantelung als Steinschlagschutz auf der eingangs angegebenen Radsatzwelle anzugeben, mit der sich eine Ummantelung mit dem erwähnten Eigenschaftsprofil eines genügenden Steinschlag ¬ schutzes und eines wirkungsvollen Korrosionsschutzes herstel ¬ len lässt.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Radsatzwelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Umman ¬ telung eine metallische Komponente aufweist, die höchstens so edel ist, wie der die Grenzfläche der Radsatzwelle bildende metallische Werkstoff. Als metallische Werkstoffe und metal ¬ lische Komponenten im Sinne dieser Erfindung sind Metalle oder Metalllegierungen zu verstehen. Dass die metallische Komponente höchstens so edel ist wie der metallische Werk ¬ stoff der Radsatzwelle bzw. unedler ist als dieser, bedeutet mit anderen Worten, dass die metallische Komponente ein ge ¬ ringeres Standardwasserstoffelektrodenpotential aufweisen soll, als der metallische Werkstoff der Radsatzwelle. Die Um ¬ mantelung kann zu 100 % aus dieser metallischen Komponente ausgeführt sein. Allerdings ist es auch möglich, dass die me ¬ tallische Komponente nur einen Teil der Ummantelung ausmacht, so z. B. nur denjenigen Bereich der Ummantelung, der an die Grenzfläche der Radsatzwelle anschließt. Allerdings ist es auch denkbar, dass die metallische Komponente eine metalli ¬ sche Matrix bildet, in der eine weitere Gefügephase verteilt ist. Als Ummantelung soll im weitesten Sinne jede die Ober- fläche der Radsatzwelle abdeckende Baueinheit verstanden wer ¬ den. Dies kann insbesondere eine auf der Radsatzwelle befind ¬ liche Schicht sein. Allerdings kann es sich auch um eine Ver ¬ schalung handeln, die eigenständig tragfähig ist.
Dadurch, dass die Ummantelung aus einer metallischen Komponente besteht, lässt sich im Vergleich beispielsweise zu ei ¬ ner Schutzlackschicht eine höhere mechanische Stabilität er ¬ reichen. Die Ummantelung kann daher einen wirksamen Schutz gegen Steinschlag gewährleisten. Hierbei gewährleistet das duktile Verhalten der metallischen Komponente außerdem, dass es im Falle eines Steinschlags nicht zu einem Versagen der Ummantelung aufgrund eines Sprödbruches kommt. Der Stein ¬ schlag kann lediglich zu einer lokalen plastischen Verformung der Ummantelung führen, wobei der Schutz der Ummantelung so lange erhalten bleibt, bis die plastische Deformation zu ei ¬ nem Durchschlag derselben bis hin zur Oberfläche der Radsatzwelle führt.
Andererseits ist durch die Tatsache, dass die Ummantelung zu- mindest an der Grenzfläche der Radsatzwelle höchstens so edel ist, wie der metallische Werkstoff der Radsatzwelle, gewähr ¬ leistet, dass sich an der Grenzfläche zwischen der Ummante ¬ lung und der Radsatzwelle keine elektrochemischen Lokalele ¬ mente ausbilden, die zu einer Auflösung und damit Korrosion der Radsatzwelle führen könnten. Bei einem Standardwasserstoffelektrodenpotential der metallischen Komponente, welches ungefähr demjenigen des metallischen Werkstoffes der Radsatzwelle entspricht, werden sich keine wirksamen Lokalelemente ausbilden. Ist die Ummantelung mit ihrer metallischen Komponente sogar deutlich unedler als der metallische Werkstoff der Radsatzwelle, so wirkt die Ummantelung als Opferanode, und wird dementsprechend bei Auftreten von Korrosion aufge ¬ löst, während die Radsatzwelle von einem korrosiven Angriff verschont bleibt. Dies gilt auch dann, wenn die Ummantelung aufgrund eines Steinschlages durchschlagen wird, so dass die darunter liegende Radsatzwelle der Umgebung ungeschützt aus ¬ gesetzt ist. Insofern führt dies zu einer doppelten Schutzwirkung der Ummantelung einerseits vor Steinschlag anderer- seits vor einem korrosiven Angriff an der Radsatzwelle.
Die oben als zweites aufgeführte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Ummantelung auf der Radsatzwelle gelöst, bei dem die Ummantelung durch Kaltgasspritzen hergestellt wird, indem Partikel einer ersten Art mit einer metallischen Komponente, die höchstens so edel ist, wie der die Grenzfläche der Radsatzwelle bildende metallische Werk ¬ stoff, auf die Radsatzwelle aufgebracht werden. Alternativ kann die Aufgabe auch durch ein Verfahren gelöst werden, bei dem die Ummantelung als Umhüllung hergestellt wird, mit der die Radsatzwelle umwickelt wird. Im ersten Fall ist erfin ¬ dungsgemäß ein Beschichtungsverfahren vorgesehen, d. h. die Ummantelung bildet eine Schicht auf der Radsatzwelle. Im an ¬ deren Fall ist die Ummantelung ein selbsttragendes Bauteil, das als Umhüllung ausgebildet ist. Dieses wird dann um die
Radsatzwelle herumgebogen, wobei eine Stoßkante zwischen den beiden Enden der Umhüllung entsteht, welche verschlossen werden muss, damit keine Feuchtigkeit in das Innere der Umhül- lung dringen kann. Dieser Verschluss kann vorzugsweise ebenfalls durch ein Kaltgasspritzen durchgeführt werden.
Das Kaltgasspritzen ist ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem für die Beschichtung vorgesehene Partikel mittels einer konvergent-divergenten Düse beschleunigt werden, damit diese aufgrund ihrer eingeprägten kinetischen Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben. Hierbei wird die kinetische Energie der Teilchen genutzt, welche zu einer plastischen Verformung derselben führt, wobei die Beschich- tungspartikel beim Auftreffen lediglich an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen werden. Deshalb wird dieses Verfahren im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren als Kaltgasspritzen bezeichnet, weil es bei vergleichsweise tiefen Tem- peraturen durchgeführt wird, bei denen die Beschichtungspar- tikel im Wesentlichen festbleiben. Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgasspritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit der konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent ¬ divergente Düsen weisen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Dü ¬ se erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit . Das Kaltgasspritzen ist beispielsweise aus der DE
10 2005 007 588 AI bekannt. Danach ist es möglich, sogenannte Formgedächtnislegierungen wie NiTi auf einer Oberfläche abzuscheiden. Über die Möglichkeit der Abscheidung von Formgedächtnislegierungen auf Oberflächen mittels Kaltgasspritzen informierte auch die Firma INOVATI auf ihrer Internetseite www.inovati.com/coatings/shapememoryalloy.html am 28.04.2010. Wie beispielsweise D.Y. Li, „A new type of wear-resistant ma- terial: pseudo-elastic TiNi alloy", WEAR 221 (1998), Seiten 116 - 123 zu entnehmen ist, eignen sich Formgedächtnislegie ¬ rungen wie TiNi insbesondere auch als Verschleißschutzschichten, da diese aufgrund ihres pseudoelastischen Verhaltens ei ¬ nem geringen Abrasionsabtrag unterliegen. Dies gilt auch bei der erfindungsgemäßen Verwendung als Steinschlagschutz, da pseudoelastisches TiNi bei einem Aufschlag eines Steins aus dem Geröllbett der Schiene mit einer zu Metallen ungefähr 10- fachen Elastizität ausweicht und die Verformung der Ummante- lung reversibel ist (hierzu im Folgenden mehr) . Eine Alternative zum Kaltgasspritzen der Ummantelung ist, wie bereits erwähnt, die Herstellung einer Ummantelung als Umhül ¬ lung. Gemäß der US 5,531,369 ist ein Verfahren bekannt, wel ¬ ches sich dazu eignet, eine solche Umhüllung zuverlässig mit der Radsatzwelle zu verbinden. Dies wird durch Sprengplattie- ren erreicht, wobei eine feste Haftung der Umhüllung auf der Radsatzwelle den Vorteil hat, damit ein korrosiver Angriff in dem Spalt verringert werden kann. Weiterführend im Sinne der Erfindung zu bemerken ist hierzu noch, dass, um eine Korrosi ¬ on in diesem Spalt zuverlässig zu verhindern, es erforderlich ist, zwischen der Ummantelung und der Radsatzwelle ein Metall vorzusehen, welches unedler ist als das Material der Radsatzwelle, wobei im Sinne der Erfindung dieses unedlere Material als Teil der erfindungsgemäßen Ummantelung aufgefasst wird und die metallische Komponente bildet, die höchstens so edel ist wie der die Grenzfläche der Radsatzwelle bildende metal ¬ lische Werkstoff.
Selbstverständlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Materialien als Formgedächtnislegierungen auf den Radsatzwellen abgeschieden bzw. diese verschalt werden. Dabei kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kaltgasspritzen vorteilhaft beispielsweise neben den Partikeln der ersten Art, die die Komponente bilden, die höchstens so edel ist, wie der die Grenzfläche der Radsatzwelle bildende metallische Werkstoff, auch Partikel einer zweiten Art abgeschieden werden, welche in einer Gefügematrix (aus den Partikeln der ersten Art) eine verteilte Gefügephase ausbilden. Hierdurch kann vorteilhaft eine Ummantelung auf der Radsatzwelle hergestellt werden, die aus einem Verbundwerkstoff besteht. Beispielswei ¬ se kann eine Radsatzwelle hergestellt werden, bei der die me ¬ tallische Komponente bei der Ummantelung beispielsweise aus demselben metallischen Werkstoff, insbesondere also Stahl, besteht, wie die Radsatzwelle selbst. Hierdurch ist es mög- lieh, dass die metallische Komponente der Ummantelung genauso edel ist, wie der die Grenzfläche der Radsatzwelle bildende metallische Werkstoff. In dieser metallischen Komponente kann vorteilhaft eine Gefügephase enthalten sein, die die Stein ¬ schlagfestigkeit der Ummantelung erhöht, und die vorteilhaft durch Kaltgasspritzen der Partikel einer zweiten Art zusammen mit den Partikeln der ersten Art hergestellt werden kann.
Eine Gefügephase, die die Steinschlagfestigkeit der Ummante ¬ lung erhöht, kann z. B. durch Hartstoffpartikel gebildet sein, wobei die Partikel in die metallische Komponente der
Ummantelung eingebettet sind. Diese Hartstoffpartikel weisen ein sprödes Verhalten auf, welches bei Auftreten eines Steinschlags dazu führt, dass eine in dieses Partikel eingeleitete Stoßkraft des Steins über die Grenzfläche dieses Partikels vergleichsweise großflächig an die Matrix der metallischen Komponente weitergegeben wird. Belastungsspitzen in der metallischen Matrix werden daher klein gehalten, so dass es nicht oder zumindest weniger zu einer plastischen Verformung der metallischen Matrix kommt. Dies hat den Vorteil, dass die metallische Matrix und damit die gesamte Ummantelung über ei ¬ nen vergleichsweise längeren Zeitraum Steinschlägen standhalten kann. Bei einer größeren kinetischen Energie der Steine aus dem
Schotterbett der Gleisschüttung kann auch ein anderer Schutzmechanismus der Hartstoffpartikel aktiviert werden. In diesem Fall werden diese nämlich zerstört, wobei die dabei zur Zer ¬ störung aufgebrachte Energie verloren geht, wodurch die me- tallische Matrix entlastet wird. Das Hartstoffpartikel ver ¬ sagt in diesem Falle, jedoch bleibt dafür die metallische Matrix erhalten und kann weiter ihre Schutzfunktion ausüben. Zumindest wird durch die Zerstörung des HartstoffPartikels oder auch mehrerer Hartstoffpartikel die plastische Deforma- tion der metallischen Komponente der Ummantelung, die die metallische Matrix bildet, verringert.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass vorteilhaft die Gefügephase durch pseudo-plastische oder pseudo-elastische metallische Partikel oder Partikel eines Werkstoffes, dessen Elastizitätsmodul höchstens ein Zehntel desjenigen der metal ¬ lischen Komponente der Ummantelung beträgt, gebildet ist. Hierbei sind diese Partikel in der bereits angegebenen Weise in die metallische Komponente, die die metallische Matrix bildet, eingebettet. Als Werkstoff mit geringeren Elastizi ¬ tätsmodulen kommen neben pseudo-elastischen metallischen Partikeln, die vorzugsweise aus Formgedächtnislegierungen, wie TiNi, gebildet sind, auch Kunststoffe in Betracht. Die höhere Elastizität dieser Partikel führt dazu, dass Stöße im Rahmen eines Steinschlags elastisch abgefangen werden können, und die Steine von der erfindungsgemäßen Ummantelung abprallen, wobei hierbei ein vergleichsweise geringerer bleibender Scha ¬ den an der Ummantelung entsteht. Dies bedeutet, dass eine plastische Verformung der metallischen Matrix der Ummantelung geringer ausfällt oder sogar vollständig vermieden werden kann .
Bei der Verwendung von pseudo-plastischen metallischen Parti- kein verhalten diese sich ähnlich wie die metallische Kompo ¬ nente, in die sie eingebettet sind. Beide Gefügeanteile haben in der Größenordnung ähnliche Elastizitätsmodule. Allerdings ist es aufgrund des pseudo-plastischen Verhaltens der metal ¬ lischen Partikel möglich, dass diese durch eine Wärmebehand- lung nach erfolgter Verformung durch einen Steinschlag unter Ausnutzung des sogenannten Einwegeffektes von Formgedächtnis ¬ legierungen ihre ursprüngliche Form vor der Verformung durch den Steinschlag wieder annehmen (Formgedächtniseffekt) , wo ¬ durch Verletzungen in der Umhüllung mittels einer Wärmebe- handlung vorteilhaft wieder ausgeheilt werden können. Dabei wirken sich die Kräfte, die bei der Rückverformung der pseudo-plastischen Partikel entstehen, auch positiv auf die metallische Matrix der metallischen Komponente aus, die dadurch teilweise auch wieder rückverformt wird. Wichtig hierbei ist, dass das pseudo-plastische bzw. pseudo-elastische Verhalten der metallischen Partikel, welches in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung der betroffenen Formgedächtnislegierung temperaturabhängig eingestellt werden muss, bei der Betriebstemperatur der Radsatzwellen vorliegt. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass Radsatzwellen aufgrund der atmo ¬ sphärischen Witterungsverhältnisse in einem großen Tempera ¬ turbereich betrieben werden. So ist es beispielsweise sinnvoll, dass das pseudo-plastische und/oder pseudo-elastische Verhalten in einem Temperaturbereich der Radsatzwellen von -20 bis +40° C gewährleistet ist (mitteleuropäische Klimabe ¬ dingungen) . Dabei ist es möglich, dass die Phasenumwandlung der Formgedächtnislegierung innerhalb dieses Temperaturbe ¬ reichs liegt, wobei unterhalb der Umwandlungstemperatur ein pseudo-plastisches Verhalten und oberhalb dieser Temperatur ein pseudo-elastisches Verhalten vorliegt.
Alternativ ist es vorteilhaft auch möglich, dass die metalli- sehe Komponente der Ummantelung mit einer pseudo-elastischen oder pseudo-plastischen Legierung beschichtet ist. So ist einerseits gewährleistet, dass, wie erfindungsgemäß gefordert, die metallische Komponente die Grenzfläche zur Radsatzwelle bildet und dabei höchstens so edel ausgebildet ist, wie der metallische Werkstoff der Radsatzwelle, und andererseits eine Formgedächtnislegierung verwendet werden kann, die oberhalb dieser metallischen Komponente liegt und daher nicht in di ¬ rekte Berührung mit dem Werkstoff der Radsatzwelle kommt. Dies ist deswegen wichtig, weil Formgedächtnislegierungen wie NiTi im Allgemeinen edler als der Werkstoff der Radsatzwelle sind, und nur auf diesem Wege eine Gefährdung der Radsatzwel ¬ le durch Korrosion ausgeschlossen werden kann. Die pseudoelastische oder pseudo-plastische Legierung, die damit die Oberfläche der Ummantelung zur Umgebung bildet, kann nach den bereits beschriebenen Mechanismen positiv auf die Steinschlagfestigkeit der Ummantelung wirken und führt vorteilhaft zu einer längeren Standzeit derselben.
Überdies kann vorteilhaft auch vorgesehen werden, dass zwi- sehen der Grenzfläche der Radsatzwelle und der Ummantelung eine Trennschicht aus einem unedleren Material als dem die Grenzfläche der Radsatzwelle bildenden metallischen Werkstoff oder einem elektrochemisch inerten Material vorgesehen ist. Die Trennschicht kann dabei auf der Welle oder im Inneren der Ummantelung aufgebracht werden, oder Trennschicht sowie Um ¬ mantelung werden als mehrlagige Schicht auf der Radsatzwelle aufgebracht. In jedem Fall ist die Trennschicht allerdings als Teil der Ummantelung zu verstehen. Die Trennschicht be ¬ wirkt eine Verbesserung des Korrosionsverhaltens zwischen der Ummantelung und der Radsatzwelle, wobei hierbei unterschied ¬ liche Mechanismen zum Einsatz kommen können. Wenn die Trennschicht aus einem im Vergleich zur restlichen Ummantelung und zur Radsatzwelle unedleren Metall besteht, so ist diese sozu- sagen als Opferanode zu verstehen. Sollte es zu einer Korro ¬ sion kommen, so entsteht zwar im Bereich der Trennschicht ein Spalt zwischen der Radsatzwelle und der Ummantelung, jedoch werden zumindest zunächst die Radsatzwelle und die Ummante ¬ lung durch die Korrosion nicht angegriffen. Dies hat den Vor- teil, dass die Funktion sowohl der Radsatzwelle als auch der Ummantelung vollständig erhalten bleibt. Erst bei fortschrei ¬ tender Korrosion kann auch ein korrosiver Angriff der Ummantelung erfolgen, wobei diese dann immer noch, wenn diese unedler als das Material der Radsatzwelle ist, einen Korrosi- onsschutz für die Radsatzwelle darstellt.
Ist die Grenzfläche als elektrochemisch inertes Material vor ¬ gesehen, so wird hierdurch gleichzeitig eine Isolierung zwischen der Radsatzwelle und der Ummantelung erzeugt. Hierdurch kann eine Korrosion vermieden werden, wenn die Trennschicht elektrochemisch dicht ist. Erst eine Verletzung der Trennschicht bewirkt, dass der Rest der Ummantelung, nämlich der unedle metallische Werkstoff der Ummantelung, wegen seiner Eigenschaft, unedler als das Material der Radsatzwelle zu sein, einen Korrosionsschutz derselben bewirkt. Korrosiv aufgelöst wird dann nämlich das Material der Ummantelung und nicht das Material der Radsatzwelle. Ein elektrochemisch inertes Material ist beispielsweise Kunststoff oder eine elektrisch nicht leitende Keramik.
Vorteilhaft ist es auch, wenn zwischen der Grenzfläche der Radsatzwelle und der Ummantelung eine Indikatorschicht aus farbigem Material vorgesehen ist, welches feuchtigkeitsdurchlässig ist. Durch die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit bewirkt die Indikatorschicht keine galvanische Trennung der Radsatz ¬ welle von dem Rest der Ummantelung, die durch das unedlere Material gebildet ist. Damit kann das unedlere Material in der bereits beschriebenen Weise als Opfermaterial bei einem korrosiven Angriff im Spalt dienen, sofern die Indikatorschicht selbst nicht unedler als das unedle Material der me ¬ tallischen Komponente ist. Die Indikatorschicht hat vielmehr eine andere Funktion, nämlich durch eine einfache optische Inspektion der Ummantelung die Möglichkeit zu eröffnen, einen Durchschlag der Ummantelung durch Steinschlag dadurch anzu ¬ zeigen, dass die Farbe der Indikatorschicht von außen sicht ¬ bar wird. Deswegen sollte die Indikatorschicht an eventuellen Korrosionsprozessen im Spalt zwischen Ummantelung und
Radsatzwelle nicht beteiligt sein, damit diese nach einem Verbrauch der Ummantelung noch erhalten ist, und den Farbumschlag anzeigen kann. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, die bereits erwähnte Trennschicht zum Zweck einer Indikation eines Durchschlags der Ummantelung zu verwenden, wenn diese eine charakteristische Farbe aufweist (Vorteil der Funktionsintegration) .
Trennschichten bzw. Indikatorschichten auf der Radsatzwelle lassen sich mit dem bereits genannten Kaltgasspritzverfahren erfindungsgemäß dadurch erzeugen, dass vor dem Aufbringen der Partikel der ersten Art, die die metallische Komponente der Ummantelung bilden, Partikel einer weiteren Art auf die
Radsatzwelle aufgebracht werden. Weitere Partikel können na ¬ türlich auch nach dem Aufbringen der Partikel der ersten Art, also nach Erzeugung der metallischen Komponente der Ummante- lung aufgebracht werden. In dieser Art lässt sich beispiels ¬ weise eine Versiegelung der Ummantelung aufbringen, welche zumindest für den Zeitraum, bis ein erster Steinschlag erfolgt, die Ummantelung beispielsweise vor Korrosion von außen schützt . Vorteilhaft kann im Übrigen das Verfahren des Kaltgassprit- zens auch verwendet werden, um durch Steinschlag hervorgeru ¬ fene Verletzungen in der Ummantelung wieder mit dem Material der Ummantelung aufzufüllen. Hierzu eignet sich das Kaltgasspritzen in besonderer Weise, da dieses auch mit portablen Geräten durchgeführt werden kann, die mit sogenannten Kaltgas-Spritzpistolen ausgestattet sind. Diese können in einem händischen Betrieb angewendet werden, d. h. dass die Kaltgas- Spritzpistole auf die in der Ummantelung vorhandenen Krater gerichtet wird, um diese wieder aufzufüllen. Insbesondere kann auf diese Weise eine Reparatur der Ummantelung an Stellen erfolgen, wo die bereits erwähnte Indikatorschicht zu se ¬ hen ist, um hier die Schutzfunktion der Ummantelung wieder herzustellen.
Hinsichtlich der Materialwahl für die metallische Komponente müssen die unterschiedlichen Bauformen für die Ummantelung beachtet werden. Wird beispielsweise gemäß einer vorteilhaf- ten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die metallische Komponente der Ummantelung unedler als der die Grenzflä ¬ che der Radsatzwelle bildende metallische Werkstoff ist und direkt mit der Grenzfläche der Radsatzwelle in elektrochemi ¬ schem Kontakt steht, so eignen sich beispielsweise als metal- lische Komponente Metalle wie AI, Mg, Ti, Zn, Mn, V, Nb und deren Legierungen, soweit diese ebenfalls unedler als das Ma ¬ terial der Radsatzwelle sind.
Vorteilhaft ist es, wenn die metallische Komponente der Um- mantelung ein Leichtmetall enthält. Hierbei kann es sich um den Hauptlegierungsanteil einer Legierung handeln bzw. dieses Material kann als metallische Komponente auch rein Verwendung finden. Die Verwendung eines Leichtmetalls hat den Vorteil, dass durch die Ummantelung das Gesamtgewicht der Radsatzwelle vergleichsweise wenig steigt. Als Leichtmetalle kommen insbe ¬ sondere AI, Ti und deren Legierungen in Frage.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die metallische Komponente der Ummantelung unter atmosphärischer Einwirkung spontan eine
Passivierungsschicht ausbildet. Hierdurch kann der korrosive Angriff auf die der Atmosphäre ausgesetzte Grenzfläche der Ummantelung vorteilhaft gering gehalten werden. Wird die Ummantelung durch einen Steinschlag verletzt, so wird die ver- letzte Stelle sofort spontan wieder passivieren, so dass hierdurch ein korrosiver Angriff der bereits geschädigten Ummantelung nach wie vor verhindert werden kann. Als sozusagen wetterfeste Leichtmetalle kommen AI, Ti und Zn bzw. deren Le ¬ gierungen in Frage.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei ¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Radsatzwelle mit einem Teilausschnitt,
Figur 2 bis 4 Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße
Ummantelung als Teilausschnitte und
Figur 5 bis 7 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Kaltgasspritzverfahrens .
In Figur 1 ist eine Radsatzwelle 11 dargestellt, die mit ei nem Rad 12 verbunden ist. Um die Radsatzwelle 11 vor einem Steinschlag zu schützen, ist diese, wie in einem Ausschnitt dargestellt ist, mit einer Ummantelung 13 versehen, welche unterschiedlich aufgebaut sein kann, wie in den folgenden Figuren beschrieben werden soll. Gemäß Figur 2 ist die Ummantelung 13 aus einer metallischen Komponente 14 gebildet, in die pseudo-elastische Partikel 15 aus NiTi verteilt sind. Trifft ein Stein 16 auf einen Bereich der Ummantelung 13, welcher durch ein solches superelastisches Partikel 15 geschützt ist, so prallt dieser in der durch einen Pfeil angedeuteten Weise von der Ummantelung 13 ab, ohne einen bleibenden Schaden zu verursachen.
Die metallische Komponente 14 der Ummantelung 13 ist aus dem ¬ selben Stahl gebildet wie die Radsatzwelle 11. Daher ist zwi- sehen der Radsatzwelle 11 und der Ummantelung 13 ein direkter Kontakt möglich, da eine Korrosion an der durch die Radsatzwelle definierten Grenzfläche 17 zur Ummantelung zumindest aufgrund der Ausbildung von elektrochemischen Lokalelementen ausgeschlossen werden kann.
Gemäß Figur 3 besteht die Ummantelung 13 aus der metallischen Komponente 14, in die Hartstoffpartikel 18 eingebunden sind. Diese Hartstoffpartikel sind in der Lage, bei dem Einschlag eines Steins 16 zwei Schutzmechanismen auszulösen. Der eine (nicht dargestellte) Schutzmechanismus besteht darin, dass die wenig elastischen Hartstoffpartikel sich durch den Steinschlag nicht verformen und somit die durch den Stein einge ¬ prägte Belastung auf eine Phasengrenze 19 zwischen dem Hart ¬ stoffpartikel 18 und der metallischen Komponente 14, die eine metallische Matrix um das Hartstoffpartikel 18 bildet, ver ¬ teilt. Der zweite Mechanismus ist auch in Figur 3 darge ¬ stellt. Sofern der Stein 16 eine genügende kinetische Energie aufweist, reicht die Verteilung des Stoßes über die Hart ¬ stoffpartikel 18 nicht aus. Die metallische Komponente 14 wird angegriffen, wobei in dem entstehenden Krater 20 Hartstoffpartikel 18 zerstört werden. Die Zerstörung der Hart ¬ stoffpartikel in kleinere Splitter 21, die durch einen Bruch der Partikel zustande kommen, absorbiert jedoch Energie, so dass durch die Zerstörung der Hartstoffpartikel 18 die Belas ¬ tung der metallischen Komponente 14 verringert wird.
Bei fortschreitender Zerstörung der metallischen Komponente 14 wird diese allmählich vollständig aufgebraucht. Sobald ein Krater 20 hinsichtlich seiner Tiefe die ganze Dicke der metallischen Komponente 14 durchdringt, wird die unter der me ¬ tallischen Komponente 14 liegende Indikatorschicht 22 freige ¬ legt, die eine Farbe aufweist, welche bei einer visuellen In ¬ spektion der Ummantelung 13 sofort auffällt. Daher kann dann für eine Reparatur der Ummantelung 13 gesorgt werden, um deren Funktion wieder vollständig herzustellen.
Die metallische Komponente 14 ist aus einer Aluminiumlegie ¬ rung gebildet. Dies hat den Vorteil, dass diese verhältnismä- ßig leicht ist. Außerdem bildet Aluminium eine Passivierungs- schicht 23 aus, die die Oberfläche 24 der Ummantelung 13 vor einem witterungsbedingten korrosiven Angriff schützt. Da die Passivierung von Aluminium spontan erfolgt, ist auch die Ausbildung der Passivierungsschicht 23 nach einem Steinschlag gewährleistet, so dass auch ein korrosiver Angriff in dem ausgebildeten Krater vermieden werden kann. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, da die metallische Komponente im Be ¬ reich des Kraters ohnehin bereits geschwächt ist. Gemäß Figur 4 ist die metallische Komponente 14, die höchs ¬ tens so edel ist, wie das Material der Radsatzwelle 11, als verhältnismäßig dünne Trennlage ausgeführt, die eine weitere Lage 25 aus NiTi trägt. Die Ummantelung 13 ist daher als Mul- tilayerschicht ausgeführt. Die Lage 25 kann, wie links einer Bruchlinie 26 dargestellt, pseudo-elastisch ausgeführt sein. Dies führt im Falle eines Steinschlags entsprechend des ange ¬ deuteten Pfeils zu einem Abprallen des Steins 16. Ist die La ¬ ge 25 pseudo-plastisch ausgeführt, so bewirkt der Stein 16 die Bildung eines Kraters 20. Allerdings lässt sich diese Verletzung der Lage 25 durch eine nachfolgende Wärmebehand ¬ lung ausheilen, da sich die Formgedächtnislegierung an die ursprüngliche Gestalt der Lage „erinnert" und so die alte Struktur aufgrund einer Phasenumwandlung wieder hergestellt wird.
Bei den in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Kaltgasspritz- verfahren handelt es sich um verschiedene Anwendungen, wie dieses Verfahren zur Erzeugung bzw. Reparatur der Ummantelungen 13 auf den Radsatzwellen 11 angewendet werden kann. Gemäß Figur 5 besteht die Ummantelung 13 aus einer Umhüllung, die um die Radsatzwelle 11 herumgebogen wird (vgl. strichpunktierte Kontur der Ummantelung 13, die eine Gestalt andeutet, wie sie während des Biegeverfahrens vorliegt) . Dabei entsteht eine Stoßkante 27 der Umhüllung, an der gegenüberliegende Kanten der Umhüllung aneinander zu liegen kommen. Um diese Stoßkante bzw. den hierdurch entstehenden Spalt abzudichten, wird das Kaltgasspritzen verwendet. Eine konvergent ¬ divergente Düse 28 beschleunigt die Beschichtungspartikel (nicht dargestellt) in einem Kaltgasstrahl 29, wobei die Par ¬ tikel aufgrund ihrer kinetischen Energie oberhalb der Stoß ¬ kante 27 abgeschieden werden und den darunter liegenden Spalt auf diese Weise abdichten. In Figur 6 ist dargestellt, wie mittels des Kaltgasspritzens die Ummantelung 13 selbst auf der Radsatzwelle 11 erzeugt wird. Zu diesem Zweck wird die Radsatzwelle 11 langsam ge ¬ dreht, so dass eine Relativbewegung zwischen den Kaltgasstrahl 29 und der Grenzfläche 17 der Radsatzwelle 11 ent- steht, gleichzeitig kann eine Axialbewegung der Radsatzwelle erfolgen (nicht dargestellt) , die derart bemessen ist, dass die Beschichtung einer Schraubenlinie gleichend auf der
Grenzfläche 17 erzeugt wird. Hierdurch bildet sich eine ge- schlossene Ummantelung 13 aus, wobei in Figur 6 ein Zwischenstadium des Beschichtungsvorganges dargestellt ist.
Gemäß Figur 7 wird das Kaltgasspritzen verwendet, um durch Steinschlag erfolgte Verletzungen 30 (in den Figuren 3 und 4 als Krater 20 bezeichnet) auszuheilen. Hierzu werden ledig ¬ lich lokal die Verletzungen durch die Partikel der metalli ¬ schen Komponente und eventuell weitere Partikel unter Ausbil ¬ dung von Reparaturstellen 31 ausgefüllt.