DD295594A5 - Werkstoff fuer gleitelemente von wintersportgeraeten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff fuer Gleitelemente von Wintersportgeraeten, wie z. B. Kufen fuer Bobs, Rennschlitten, Eissegler u. a. Der Werkstoff besteht aus einer harten, polierbaren, martensitumwandelnden Legierung, die im Temperaturbereich 20C bis 10C bei mechanischer Belastung thermoelastischen Martensit bildet, der sich bei Spannungsentlastung wieder zurueckbildet. Ein Werkstoff, der eine nach diesen Gesichtspunkten eingestellte Legierungszusammensetzung aufweist, ist beispielsweise eine Ni-Ti-Legierung mit vB55 bis 56,5 Ni, Rest Ti, ein Stahl mit vB25 bis 33 Mn, 0,03 bis 0,15 CN, Rest Fe. Ein solcher Werkstoff unterliegt waehrend des Gleitvorganges auf Eis oder Schnee im gesamten Temperaturbereich der Luft- und Eis- bzw. Schneetemperaturen keiner oder nur einer geringen lokalen irreversiblen Deformation, die Gleitfaehigkeit aendert sich dadurch waehrend des Gleitvorganges auch bei unterschiedlichen Bahnverhaeltnissen kaum.{Werkstoff; Gleitelemente; Wintersportgeraete; mechanische Belastung; thermoelastischer Martensit; Gleitvorgang; Ni-Ti-Legierung; Stahl}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallurgie und des Sportesund betrifft einen Werkstoff für Gleitelemente von Wintersportgeräten. Das Gleitverhalten der Wintersportgeräte aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff ist in einem erweiterten Bereich der Luft- und Eis-, Reif- und Schneetemperaturen und bei unterschiedlichen Bahnverhältnissen verbessert. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist zur Herstellung von Kufen für Bobs, Rennschlitten, Eissegler, Eisschnellaufkompletts und für Stahlkanten von Ski verwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Das Leistungsvermögen von Wintersportgeräten wird außer von der geometrischen Form der Kufen im beachtlichen Maße vom Gleitverhalten des Kufenwerkstoffes auf Eis, Reif und Schnee bestimmt. Das Gleitverhalten des Kufenwerkstoffes hängt in erster Linie von folgenden, den Werkstoff typischen Eigenschaften ab:

- den thermischen Eigenschaften, die durch die Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet sind und jeden Werkstoff für einen bestimmten, meist eng begrenzten Bereich und vorhandenen Gradienten zwischen Luft- und Eis- bzw. Reif- und Schnee-Temperatur geeignet machen;

- dem Adhäsionsverhalten, insbesondere bei tiefer Eistemperatur, das sich bei manchen Werkstoffen als sogenannte „Klebeneigung" bemerkbar macht.

Generelle Voraussetzungen zur Erreichung einer guten Gleitfähigkeit sind jedoch eine hohe Oberflächengüte der Gleitfläche, weshalb Kufenwerkstoffe eine gute Polierbarkeit aufweisen müssen. Außerdem ist eine große Verschleißfestigkeit erforderlich, damit die polierte Gleitfläche nicht durch Verunreinigungen auf der Bahn wie Schmutz, Sand, Gesteinsabrieb und dergleichen nach kurzer Fahrt wieder aufgerauht wird, was sich dann in verminderten Fahrzeiten bemerkbar macht.

Spezielle Probleme beim Gleiten von Wintersportgeräten entstehen infolge vorhandener intensiver Wechselwirkungen zwischen den sich oft schnell wechselnden meteorologischen Bedingungen wie Wind, Nebel, Regen, Sonneneinstrahlung usw.

mit der Eis- oder Schneeoberfläche. Dies ist in der Nähe des Schmelzpunktes von Eis besonders kritisch, weil hier durch kurzfristig ablaufende Schmelz- und Wiedererstarrungsprozesse die Struktur und damit das Gleitverhalten der oberflächennahen Eis- und Schneebereiche sich rasch ändern.

Diese genannten Umstände sind der Grund dafür, daß die Gleitelemente, die z.Z. üblicherweise aus Kohlenstoffstählen, austenitischen CrNi-Stählen, martensitischen Cr-Stählen, Hartmanganstahl, Schnellarbeitsstahl usw. bestehen, nur in einem bestimmten Bereich von Luft- und Eis- bzw. Schneetemperatur optimale Gleiteigenschaften aufweisen.

Auch durch herkömmliche Oberflächenvergütungen wie Oberflächenhärten, Vernickeln, Verchromen, Aufbringen von Schichten und dergleichen konnte außer einer Verbesserung des Verschleißverhaltens kein wesentlicher Effekt hinsichtlich der Verbesserung der Gleitfähigkeit erreicht werden.

Es wurde bereits ein Kufenwerkstoff vorgeschlagen, der eine Nickellegierung mit mindestens 40 Masseanteilen in% Ni, 5 bis Masseanteilen in % Cr und weiteren Legierungselementen ist und der ein Werkstoffgefüge aus einer kubisch-flächenzentierten Matrix mit 5 bis 80 Volumenanteilen in % Ausscheidungen, vorwiegend vom γ-Typ, aufweist.

Dieser Werkstoff erfüllt die an ihn gestellten Anforderungen hinsichtlich Polierbarkeit und Verschleißfestigkeit. Die aus diesem Werkstoff gefertigten Kufen haben auch ein deutlich verbessertes Gleitverhalten in einem weiteren Bereich der Luft- und Eis- und Schneetemperatur.

Der Nachteil der aus diesem Werkstoff hergestellten Kufen besteht darin, daß sie im kritischen Temperaturbereich um 0°C nicht wesentlich besser sind als andere aus konventionellen Werkstoffen, bei tiefen Temperaturen ist die „Klebeneigung" ebenfalls noch vorhanden. Außerdem ist die geometrische Form dieser Kufen auf einfache Formen beschränkt, die kompliziert geformten Bobkufen können aus diesem Werkstoff nicht hergestellt wertden, da der Werkstoff schlecht spanbar ist.

Durch die GB-PS 2168077 ist ein verschleißfester und auch gut verformbarer Werkstoff bekannt, dessen Zusammensetzung ω_Β = 9 bis 15 Cr, 7 bis 13 Mn, 0,05 bis 0,35 C oder N, Rest Ni ist. Dieser Werkstoff weist die Eigenschaft auf, daß bei stoßartiger mechanischer Belastung, wie sie infolge Unregelmäßigkeiten, z. B. durch Sand-, Schmutz-, Gesteinsabriebablagerungen auf der Eis- oder Schneefläche beim Gleitvorgang im Kufenwerkstoff auftritt, eine spannungsinduzierte, irreversible Martensitbildung und damit eine Verfestigung der Oberfläche des Gleitelementes auftritt.

Tatsächlich kann auf diesem Weg das abrasive Verschleißverhalten verbessert werden. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Wintersportgeräten ist dieser Effekt jedoch nicht nutzbar. Die irreversible Martensitbildung ist im Verbrauch an Energie verbunden, wodurch der Reibungskoeffizient erhöht und die Fahrgeschwindigkeit nachteilig beeinflußt wird. Gleichzeitig ist die spannungsinduzierte irreversible Martensitbildung mit einer bleibenden Deformation verbunden.

Ein aus einem solchen Werkstoff gefertigtes Gleitelement weist über eine längere Gleitstrecke bzw. nach mehreren Fahrten absinkende Gleiteigenschaften auf.

Unter den harten Wettkampfbedingungen macht sich absinkende Gleiteigenschaft in zwar geringen, aber oft entscheidenden Zeitdifferenzen bemerkbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung liegt in der Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Wintersportgeräten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für Gleitelemente von Wintersportgeräten anzugeben, der ein verbessertes und auch nach längerem Einsatz gleichbleibendes Gleitverhalten in einem weiten Bereich von Luft- und Eis-, Reif- und Schneetemperaturen und bei unterschiedlichen Bahnverhältnissen aufweist. Die Aufgabe der Erfindung ist dadurch gelöst, daß der Werkstoff eine martensitumwandelnde Legierung ist, die im Temperaturbereich -20°C bis +10⁰C bei mechanischer Belastung thermoelastischen Martensit bildet, der sich bei Spannungsentlastung zurückbildet.

Im Temperaturbereich -20⁰C bis +10⁰C, der für den Einsatz von Wintersportgeräten in Frage kommt, tritt die Bildung von thermoelastischem Martensit unter mechanischer Belastung, der sich bei Spannungsentlastung wieder völlig zurückbildet, in vielen Legierungen auf. Unter der Voraussetzung, daß diese Legierungen eine gewisse Mindesthärte zur Gewährleistung einer bestimmten, bereits vorhandenen Verschleißfestigkeit haben, polierbar sind und sich gut verarbeiten lassen, sind sie für Gleitelemente von Wintersportgeräten sehr gut geeignet

Solche Werkstoffe sind beispielsweise:

1. Ni-Ti-Legierungen mitüi_B = 55 bis 56,5 Ni, Rest Ti mit üblichen Gehalten an Legierungsverunreinigungen;

2. Ni-Ti-Legierungen nach 1., bei denen bis zu 25 Masseanteile des Ni durch eines oder mehrere Elemente Cu, Fe, Cr, Co, Mn, V, Nb, Ta, Zr oder Ti ersetzt sind;

3. Stähle mit ω_Β = 25 bis 33 Mn, 0,03 bis 0,15C + N, Rest Fe mit üblichen Gehalten an Stahlbegleitern;

4. Stählemitcüe = 10bis25Mn,0,2bis0,8C + N, Rest Fe mit üblichen Gehalten an Stahlbegleitern;

5. Stähle nach 3. oder 4., bei denen Mn teilweise oder völlig durch Cr oder Ni substituiert ist;

6. Stähle nach 3., 4. oder 5., bei denen vom Gehalt an Fe 1 bis 5 Masseanteile durch Si substituiert sind.

Gleitelemente aus einem Werkstoff, der eine nach o.g. Gesichtspunkten eingestellte Legierungszusammensetzung aufweist und beispielsweise eine der vorgenannten Legierungen ist, unterliegen überraschenderweise während des Gleitvorganges auf Eis oder Schnee im gesamten Temperaturbereich der Luft-und Eis-, Reif-und Schneetemperaturen von -20⁰C bis +1O⁰C keiner oder nur einer geringen lokalen irreversiblen Deformation. Die Gleitfähigkeit ändert sich während des Gleitvorganges auch bei unterschiedlichen Bahnverhältnissen, so auch bei Vorhandensein von Fremdkörpern wie Sandkörner, Schmutzteilchen, Gesteinsabrieb und dergleichen, kaum.

Zurückzuführen ist dieses günstige Verhalten darauf, daß durch die Bildung von thermoelastischem Martensit eine um das 10-bis 20fache höhere quasielastische Deformation möglich ist, als es der normalen Gitterelastizität eines Werkstoffes entspricht. Durch die geringe gitterinvariante Scherung des thermoelastischen Martensittyps finden in der Umgebung der Martensitplatten nur geringe Versetzungsbildungsprozesse statt, die sonst die Bewegung der Martensitbildung und damit die Reversibilität verhindern.

Nachstehend soll der Erfindung durch 2 Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

Der Werkstoff, eingesetzt zur Herstellung von Kufen für Rennschlitten, besteht aus einer Ni-Ti-Legierung mitü)_B = 56Ni und ω_Β = 44Ti. Die Legierung wurde aus den Ausgangskomponenten in einem Elektronenstrahlofen erschmolzen und zur Erzielung einer hohen Festigkeit einer thermomechanischen Behandlung unterzogen. Die durch Schmieden und Walzen bei 950⁰C bis 800°C hergestellten Bänder wurden 1 h geglüht und dadurch ein weitgehend einphasiges feinkörniges Werkstoffgefüge erreicht. Aus diesem Werkstoff werden Kufen für Rennschlitten gefertigt und die Lauffläche geschliffen und poliert. Der erfindungsgemäße Werkstoff weist im Temperaturbereich —20⁰C bis +1O⁰C unter Zugbeanspruchung bei einer Spannung von 400 bis 600 MPa die Bildung von thermoelastischem Martensit auf. Bei Spannungsentlastung geht die Martensitbildung fast vollständig wieder zurück. Diesen Kräften sind die Rennschlittenkufen stoßartig ausgesetzt, wenn sich auf der Gleitbahn Fremdkörper wie Sand und dergleichen befinden und die Schlitten mit hoher Geschwindigkeit über diese Unebenheiten gleiten. Bei konventionellen, in der Härte und Polierbarkeit vergleichbaren Werkstoffen, z. B. NiCr-Legierungen, wirken sich die durch Unebenheiten hervorgerufenen stoßartigen Belastungen in Form von bleibenden Deformationen, z.B. in Aufrauhungen der polierten Gleitfläche, aus.

Der Vergleich von Rennschlitten mit Kufen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff mit Kufen aus unterschiedlichen konventionellen Werkstoffen, die für den jeweils untersuchten Temperaturbereich als günstige Gleiteigenschaft aufweisend bekannt sind, ergab, daß Kufen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff über den gesamten Temperaturbereich —20⁰C bis + 10⁰C (Lufttemperatur) und —30⁰C bis 0⁰C Eistemperatur über mehrere Fahrten mit unterschiedlichen Bahnverhältnissen gleichbleibende Fahrzeiten aufweisen

Die Laufflächen der Kufen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff zeigten nach diesen Einsätzen kaum Veränderung der Politur.

Ausführungsbeispiel 2

Der Werkstoff für Bobkufen besteht aus der Legierung FeMnSiC mit ω_Β 31 Mn, 3Si und 0,3C, Rest ist Fe mit üblichen Gehalten an Stahlbegleitern.

Die Ausgangskomponenten wurden im Vakuuminduktionsofen erschmolzen und die Legierung durch Schmieden und Walzen bei 1100°C bis 1 000°C in Bandform gebracht. Nachdem das Band zur Beseitigung von Seigerungen bei 1 200"C 4 h homogenisiert wurde, wurden daraus Kufen für Bobs gearbeitet.

Bei einer mechanischen Belastung oberhalb 500MPa wird im Temperaturbereich -20⁰C bis +10°Chexagonaler ε-Martensit gebildet, der thermoelastisch ist und sich bei Entlastung wieder fast vollständig zurückbildet.

Ein Vergleich von Kufen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff mit Kufen aus konventionellen und für Bobkufen bekannten Stählen wie X2NiCoMo 18.9.5 zeigten die gleichen Ergebnisse wie im Ausführungsbeispiel 1 genannt.

Claims (7)

1. Werkstoff für Gleitelemente von Wintersportgeräten, bestehend aus einer harten, polierten martensitumwandelnden Legierung, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung im Temperaturbereich —20⁰C bis +10⁰C bei mechanischer Belastung thermoelastischen Martensit bildet, der sich bei Spannungsentlastung wieder zurückbildet.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff eine Ni-Ti-Legierung mit ω_Β = 55 bis 56,5 Ni, Rest Ti mit üblichen Gehalten an Legierungsverunreinigungen ist.

3. Werkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff eine Ni-Ti-Legierung ist, bei der bis zu 25 Masseanteile des Ni durch eines oder mehrere Elemente Cu, Fe, Cr, Co, Mn, V, Nb, Ta, Zr oderTi ersetzt sind.

4. Werkstoff nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff ein Stahl mitü)_B = 25 bis 33Mn, 0,03 bis 0,15 C + N, Rest Fe mit üblichen Gehalten an Stahlbegleitern ist.

5. Werkstoff nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff ein Stahl mitü)_B = 10 bis 25Mn, 0,2bis0,8C + N, Rest Fe mit üblichen Gehalten an Stahlbegleitern ist.

6. Werkstoff nach Anspruch 1 und 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff ein Stahl ist, bei dem Mn teilweise oder völlig durch Cr oder Ni substituiert ist.

7. Werkstoff nach Anspruch 1 und4,5oder6,gekennzeichnetdadurch,daßderWerkstoffeinStahl ist, bei dem vom Gehaltan Fe 1 bis 5Masseanteile durch Si substituiert sind.