Az utóbbi évtizedekben az európai vasúthálózat tömegközlekedési és áruszállítási forgalma folyamatosan javult. Ez leginkább a vonatok számának és sebességének növekedésében és erősebb, nagyobb teljesítményű vontatójárművek megjelenésében nyilvánult meg. A megvalósult és a további folyamatos fejlesztések a vasutat mint közlekedési és áruszállítási alternatívát a rövidebb utazási és áruszállítási idővel, valamint az utazási komfort szélesebb kínálatával teszik vonzóbbá.
A vasúti forgalom növekedésével sokkal intenzívebb karbantartási tevékenység válik szükségessé. Legfőképpen a sínek gördülési érintkezési kifáradása elleni küzdelem okozza a megnövekedett karbantartási igényt, ezért mindenekelőtt ez a károsodási jelenség a fő ösztönzője a voestalpine Schienen GmbH mint innovatív síngyártó fejlesztési tevékenységének.
A folyamatosan növekvő igények miatt vállalatunk a 350HT HSH® minőségű vasúti sínanyag kifejlesztésével már az 1990-es években jelentős technoló­giai fejlesztést ért el. Ez az írás a gördülési érintkezési kifáradással kapcsolatos stratégiák előnyeinek és hátrányainak említése mellett a hőkezelt, hipereutektoidos 400UHC® HSH® anyagminőségű vasúti sín bemutatásával egy további technoló­giai újdonságot is bemutat.

A perlites sínacélok és azok gördülési érintkezési kifáradással szembeni ellenálló képessége

Mindkét korábban említett vasúti sín anyagminősége ferrit- és ce­ment­itla­mel­lák­ból álló, kétfázisú, ún. perlites szövet­szerkezetet jelent, amely a hengerlési fo­lyamatot követő lehűlése során a korábban ausztenites szövetszerkezetű acél perlitessé alakulásával jön létre. A szövetszerkezetben a szén diffúziójával szénben gazdagabb és szegényebb területek keletkeznek, amelyekből a későbbiekben ferrit- és cementitlamellák képződnek (1. ábra). A kopással szembeni ellenálló képességét a perlit a cementitlamellákból nyeri, mivel

• a cementitlamellák mintegy 7-10-szer keményebbek a ferritlamelláknál, és az anyag kopással szembeni ellenálló képességének meghatározói;
• a perlit az anyagkifáradással szembeni ellenálló képességét a lamelláris szerkezetéből nyeri. A szövetszerkezetben egy kemény (cementitlamellák) és egy lágyabb fázis (ferritlamellák) egészíti ki egymást és gondoskodnak az anyag duktilitásáról (képlékenységéről), valamint tartós szilárdságáról.

A metastabil vas-szén kettős anyagrendszerben (állapotábrában) tiszta perlit kb. 0,8% széntartalomnál alakul ki. E határ fölött – ide soroljuk a 400UHC® HSH®-t is, a minimum 0,9% széntartalmával – ún. hipereutektoidos (HE) acélminőségek helyezkednek el. Ezt az anyagminőséget az EN-13674-1:2011 szabványban R400HT jelöléssel az 1. táblázat szerinti specifikációval határozza meg. Mivel a keménység mint anyagjellemző viszonylag egyszerűen meghatározható, ál­talában ezt használják a sínacélok besorolásához [1].

Minél kisebb a megfelelő hőkezelés-technológiával befolyásolható la­mellatávolság, a perlites sínacélok keménysége annál nagyobb. A sínacélok három fő károsodási jellemzőjével,

• a gördülési érintkezési kifáradással,
• a kopással,
• a hullámos kopással

szembeni ellenálló képessége és e mechanikai jellemző között egyértelmű korreláció állapítható meg.
Amíg a 400 UHC® HSH® 100%-ban perlites sínacél minőség keménysége 400 Brinellnél nagyobb, tartósszilárdsága más perlites anyagminőségekkel (R260 és R350HT) hasonló értékeket mutat. Jellemzője a célirányosan megerősített, különösen kicsi lamellatávolságú cementitrétegek által eredményezett kiváló üzemi viselkedés.

Head Check károsodás kialakulása és növekedése

Tekintsük át pontosan, mit is értünk a vasúti sín Head Check (HC) meghibásodásán. E károsodást a futóélen kialakuló periodikus repedések jellemzik, amelyek a sínacél anyagának folyamatos, ciklikusan ismétlődő túlterhelése miatt a sín belseje felé növekednek. Miként a győri Széchenyi István Egyetem vizsgálatai is megmutatták, e repedések a sín felületének a forgalom által hidegalakított rétegéből erednek. A 3. és 4. ábrán [2] látható a szövetszerkezet részecskéinek hosszirányban történő erős megnyúlása. Ez azt is okozza, hogy a perlitlamellák többnyire hosszirányban rendeződnek el. A felületről kiinduló repedés e hidegalakított mikroszerkezet mentén növekszik.

Amint azt Albert Jörg és Richard Stock vizsgálatai bemutatták [3], a sínacél növekvő szilárdságával csökken a plasztikus alakváltozás mélysége. A 400 UHC® HSH® acélminőség alakváltozásának mélysége lényegesen kisebb, mintegy 30%-a az R260-as minőségűnél. Az anyag nagyobb ellenálló képessége mellett a vékonyabb hidegalakított réteg is hozzájárul a vágányban bizonyítottan kedvezőbb üze­mi viselkedéshez.

Stratégiák a Head Check hibákkal szemben

A vasúti sínek HC meghibásodása ellen két sikeresen bevethető stratégia létezik. Az egyik út a sínacél minőségek folyamatos fejlesztésén keresztül vezet. A 350HT HSH® minőséget már szinte minden európai országban sikeresen alkalmazzák a HC hibák ellen. Ha annak jobb ellenálló képességét az R260-as anyagminőséggel összevetjük, a gördülési érintkezési kifáradással szembeni javulás mértéke bizonyítottan legalább 2-es faktorral jellemezhető [4, 5, 6]. A nagy tengelyterhelésű vágányokban kipróbált 400 UHC® HSH® minőség vegyes forgalmú pályákon való bevezetésével a voestalpine Schienen egy lépéssel továbbment, és egy ún. hipereutektoidos, hőkezelt sínt fejlesztett ki, amelynek jellemzője a gördülési érintkezési kifáradással, kopással és hullámos kopásképződéssel szemben rendkívül megnövelt ellenálló képesség.

A megfelelő sínacél minőség kiválasztása mellett a vasúti sín profiljának optimalizálása is célravezető stratégia. E célból a voestalpine Schienen a 100-nál több profilból álló, továbbá egyedi, a megrendelő specifikált profil kifejlesztésének lehetőségével áll rendelkezésre.
A két stratégia kombináció választékával vezet a legjobb eredményhez. A 400 UHC® magas kopással szembeni ellenálló képessége alapján a többi sínacéllal összevetve kiváló profilhűséggel rendelkezik, s a jól kiválasztott hipoeutektoidos szövetszerkezetű sínprofillal lényegesen hosszabb pályában töltött idő érhető el.

Vágánytesztekből származó ismeretek, tapasztalatok

A 400UHC® HSH® minőségű sínek kifejlesztése igazi sikertörténet, hiszen azok értékesítési volumene immár meghaladja a 250 000 t-t. Elsősorban más kontinensek olyan nagy tengelyterhelésű vasútjai járnak élen a hipoeutektoidos sínacélok előnyeinek kihasználásában, ahol extrém, 35 t tengelyterhelés mellett is akár 3500 millió elegytonna áthaladását biztosító élettartamot értek el. Az utóbbi időben egyre több vegyes forgalmú vasút is felismeri ezeknek a síneknek az előnyeit, üzemi tapasztalataik a gördülési érintkezési kifáradást illetően egyértelmű képet mutatnak.
Az alábbiakban két olyan vágányteszt eredményét ismertetjük – R = 550 m és R = 1500 m sugarú íves vágányok –, melyeknél a 400UHC® HSH® minőség üzemi viselkedését vegyes forgalmi viszonyok között más acélminőségekkel vetették össze.

Tapasztalható, hogy a károsodás mélysége az R350HT-vel összevetve legalább 2-es faktorral jellemezhetően csökken. Gondoljunk arra, hogy a HC hibák eltávolítása céljából csiszoláskor így csak feleakkora anyagleválasztás szükséges, ez számottevően csökkenti a karbantartási ráfordítást, emellett jelentősen meghosszabbodott élettartamhoz is vezet. Ezáltal a szükséges karbantartások közötti időintervallumok meghosszabbodnak, továbbá beavatkozáskor a síncsiszolás munkálatai rövidebb idő alatt elvégezhetők.

A 400UHC® HSH® további előnye a nagy kopással szembeni ellenálló képességből adódóan jelentkező profilhűség. A pályatesztek alapján a normál minőségnél kedvezőbb kopásállóságú R350HT-vel összevetve (8. ábra) e tulajdonság további 2-es faktorral jellemezhető javulása figyelhető meg. Mindezzel együtt a hullámos kopásképződéssel szembeni jóval kedvezőbb ellenálló képesség is megmutatkozik, amit nagyon jól igazolnak egy osztrák hegyi vasúti pálya ívében végzett mérési eredmények (9. ábra).

Következtetés

Mint a vasút minden területére, a sínacélokéra is folyamatos fejlődés jellemző, és ez bizonyos időszakonként technológiai ugrást is magába foglal.

A legújabbat a 400 UHC® HSH® sínacél kifejlesztésével értük el, az eredmény egy olyan innovatív gyártási koncepció, amely lényegesen kedvezőbb üzemi viselkedésű, új tulajdonságokkal rendelkező szövetszerkezet megvalósítását teszi lehetővé. Vágánytesztek és üzemeltetési tapasztalatok alapján ezt a hőkezelt sínacélt az ugyancsak hőkezelt 350HT HSH®1 vasúti sín anyagminőséggel összevetve a következőket állapíthatjuk meg:
• gördülési érintkezési kifáradás: a javulás mértéke 2-es, 3-as faktorral jellemezhető;
• kopási viselkedés és profilhűség: a javulás mértéke 2-es faktorral jellemezhető;
• hullámos kopás képződés: a javulás mértéke 3-as faktorral jellemezhető.
Az üzemi viselkedés ilyen mértékű javulása képezi az alapját a sínek hosszú élettartamának, ami egyben jelentősen csökkenti a vasúti sínek miatt szükségessé váló karbantartást, és hozzájárul a középtávon egyébként szükségessé váló karbantartások miatti lassújelek és vágányzárak elkerüléséhez.
A vasúti infrastruktúra megfelelő gazdaságosságának egyik meghatározó összetevője a kevesebb karbantartást igénylő, hosszabb élettartamú vasúti sín. A 400UHC® HSH® acélminőség alacsony élettartamköltségével és a többletbefektetés gyors megtérülésével e gazdaságossághoz egyértelműen hozzájárul.
Összes ismert előnye alapján a nagy tengelyterhelésű vasútvonalak sínjeinek szokványos acélminőségét egyre gyakrabban alkalmazzák Európa vegyes forgalmú hálózatán is, ahol az a jobb üzemi viselkedést már többszörösen bebizonyította.

Fordította: Tömő Róbert voestalpine Hun­gária Kft.