Materiali della piastra di pressione, trattamento termico, fatica

Cosa trasporta la piastra di pressione

La piastra di pressione si trova tra la base della rotaia e la traversina o la piastra di base, distribuisce la forza di serraggio del sistema di fissaggio sul piede della rotaia e aiuta a trattenere la rotaia lateralmente. Vede uno spettro di carico fluttuante: ogni passaggio della ruota aggiunge un impulso di compressione e la curvatura aggiunge flessione laterale. Una piastra che perde resistenza o sviluppa una fessura modifica la distribuzione del carico dell'intero set di fissaggio e la guida inizia a muoversi sotto di essa. La resistenza alla fatica, la capacità di sopravvivere a milioni di cicli di carico senza fessurarsi, è quindi la proprietà di progettazione primaria del materiale della piastra e viene creata nel forno di trattamento termico, non nell'ufficio di disegno. Le due famiglie di acciai utilizzate, acciaio al carbonio medio C45 e acciaio per molle 60Si2Mn, sono scelte proprio per questo motivo: entrambe rispondono bene al trattamento termico e il percorso del processo decide se la piastra dura anni o si guasta in mesi.

Quench e Temper contro Normalizzazione per C45

L'estinzione e il rinvenimento formano la sorbite temperata, una struttura che combina elevata resistenza e tenacità, quindi la piastra resiste sia alla compressione alternata dei carichi del treno che all'impatto dei piatti delle ruote. La struttura normalizzata, perlite più ferrite, ha una tenacità inferiore e le cricche da fatica iniziano precocemente nei punti di concentrazione delle sollecitazioni come i bordi dei fori e gli angoli delle sezioni. La differenza nel limite di fatica, 250 MPa contro 180 MPa, si traduce direttamente in durata: sotto lo stesso spettro di carico la piastra normalizzata dura solo circa il 60% in più. Per un componente che rimane in funzione per anni, il costo aggiuntivo del percorso di tempra e rinvenimento viene recuperato molte volte nei costi di ispezione e sostituzione.

Indurimento superficiale di piastre 60Si2Mn

Laddove la piastra deve resistere anche all'abrasione del piede del binario, l'acciaio per molle di grado 60Si2Mn viene indurito in superficie mediante riscaldamento a induzione e raffreddamento rapido. La superficie raggiunge HRC da 45 a 50 con un denso strato martensitico, che aumenta di oltre due volte la resistenza all'usura. Ancora più importante per la fatica, lo strato superficiale indurito porta con sé uno stress di compressione residuo che annulla parte dello stress di flessione e trazione derivante dai carichi del treno, aumentando il limite di fatica del 25-30%. La struttura è volutamente a due-strati: un guscio resistente all'usura-all'esterno e un nucleo temperato e resistente all'interno, motivo per cui il design è chiamato duro all'esterno e resistente all'interno. Questa combinazione rende le piastre-60Si2Mn con tempra superficiale la scelta preferita per le linee di trasporto pesante-dove abrasione e fatica agiscono insieme. È necessario specificare sia la profondità di tempra che la durezza a cuore, perché una custodia troppo sottile si usura e un nucleo troppo duro perde tenacità.

Estinguere le crepe e la loro prevenzione

Le cricche da raffreddamento sono il classico difetto del trattamento termico e derivano da tre cause. Innanzitutto, il riscaldamento troppo veloce crea una grande differenza di temperatura tra superficie e nucleo e un elevato stress termico. In secondo luogo, un raffreddamento troppo rapido durante la tempra fa sì che lo stress di trasformazione dell’austenite in martensite superi la resistenza locale dell’acciaio. In terzo luogo, gli spigoli vivi e i bordi dei fori senza smussi agiscono come concentratori di stress dove si scarica lo stress di trasformazione. Le misure di prevenzione sono standard: riscaldare gradualmente in modo che la differenza di temperatura rimanga piccola, raffreddare in un mezzo graduato come un bagno di nitrato per rallentare il raffreddamento e smussare ogni angolo acuto e bordo del foro con un raggio di 0,5 mm o più prima dell'indurimento. Una piastra con una fessura da raffreddamento è un rottame, perché la fessura si apre sotto carico e si trasforma in rottura per fatica, quindi il costo della prevenzione è molto inferiore al costo del difetto.

Accettazione della durezza e pericolo di valori errati

La durezza è il fattore determinante-per la qualità del trattamento termico. Una piastra C45 bonificata dovrebbe misurare da 22 a 28 HRC e una piastra 60Si2Mn-indurita in superficie dovrebbe misurare da 45 a 50 HRC in superficie. Se la durezza è troppo elevata, superiore a HRC 55, la lamiera diventa fragile: la resilienza diminuisce di oltre il 40% e la lamiera può fratturarsi sotto carico d'urto, con il rischio massimo alle basse temperature invernali. Se la durezza è troppo bassa, inferiore a HRC 35, la robustezza e la resistenza all'usura sono insufficienti, la piastra si deforma plasticamente sotto il carico laterale della rotaia, si forma un gradino sulla faccia di contatto e la rotaia inizia a strisciare lateralmente e ad allargare lo scartamento. Entrambe le modalità di guasto riducono la durata della piastra e destabilizzano il sistema di fissaggio, motivo per cui il test di accettazione comprende la misurazione della durezza su un numero definito di parti per lotto.

Verifiche sul campo sulle piastre installate

In cantiere lo stato del trattamento termico viene controllato senza apparecchiature di laboratorio. Un durometro Rockwell portatile misura la durezza superficiale e conferma la banda, da 22 a 28 HRC per C45 bonificato e da 45 a 50 HRC per 60Si2Mn temprato in superficie-. La superficie viene esaminata per individuare crepe, decarburazione e deformazione; uno qualsiasi di questi rifiuta la piastra. Gli ispettori esperti utilizzano anche il test del suono: una piastra raffreddata e rinvenuta suona con un tono profondo, una piastra indurita con superficie-ha un tono nitido e un tono rauco suggerisce una crepa interna. Quando si sospetta un lotto, vengono prelevati campioni per i test di resistenza all'urto per confermare il trattamento termico prima che le piastre vengano rilasciate in pista. Gli stessi controlli si applicano alle merci in entrata e l'acquirente deve specificare nell'accordo tecnico la finestra di durezza, la frequenza di campionamento e il metodo di prova.

Perché la tempra e il rinvenimento sono migliori della normalizzazione per le piastre di pressione?

Perché forma sorbite temperata, che unisce forza e tenacità. Il limite di fatica aumenta da circa 180 MPa a 250 MPa e la durata di servizio quasi raddoppia rispetto ad una lamiera normalizzata dello stesso acciaio.

Che durezza dovrebbe avere una piastra di pressione?

Una piastra C45 bonificata dovrebbe avere un valore HRC compreso tra 22 e 28, mentre una piastra 60Si2Mn-indurita in superficie dovrebbe essere compreso tra 45 e 50 HRC in superficie. Valori superiori a HRC 55 rischiano fratture fragili e valori inferiori a HRC 35 rischiano deformazione plastica.

Come si evitano le crepe da raffreddamento?

Mediante riscaldamento graduale, tempra graduale in un bagno di nitrato e smussatura di ogni angolo acuto e bordo del foro con un raggio di 0,5 mm o più. Gli smussi rimuovono i punti di concentrazione delle sollecitazioni in cui le sollecitazioni di trasformazione provocano la rottura dell'acciaio.

Cosa succede se la piastra è troppo dura?

La lamiera diventa fragile e la resistenza agli urti si riduce di oltre il 40%. Può fratturarsi sotto il carico d'urto del treno e il rischio è maggiore in condizioni invernali fredde, quindi una durezza superiore a 55 HRC viene rifiutata al momento dell'accettazione.

Come viene controllata la qualità del trattamento termico in cantiere?

Con un durometro portatile Rockwell rispetto alla finestra specificata, un controllo visivo per crepe e decarburazione e un test del suono con un martello. Un tono rauco indica una crepa interna e i lotti sospetti vengono sottoposti a test di resistenza agli urti.

C45 o 60Si2Mn, quale materiale per le lamiere per trasporti pesanti-?

60Si2Mn con indurimento superficiale è la scelta-per il trasporto pesante: la superficie HRC da 45 a 50 resiste all'abrasione del piede della rotaia e lo stress di compressione residuo aumenta il limite di fatica del 25-30% mentre il nucleo resistente previene la frattura.