Che tipo di acciaio viene utilizzato per le rotaie?

L'acciaio per rotaie è un materiale speciale, non l'acciaio dolce

Una rotaia è una sezione di acciaio-laminato a caldo che trasporta il carico delle ruote, guida il treno e fornisce la superficie di scorrimento, e lo fa essendo soggetto a pressioni di contatto superiori a un gigapascal sotto ciascuna ruota e a milioni di cicli di carico all'anno. L’acciaio strutturale ordinario non può sopravvivere a questo compito: è troppo morbido per l’usura e troppo debole a fatica per lo stress da contatto volvente. L'acciaio per rotaie è quindi un acciaio ad alto-carbonio, generalmente compreso tra 0,60 e 0,82% di carbonio, con una microstruttura perlitica di lamelle fini di ferrite e cementite alternate. La perlite offre la combinazione che conta: elevata durezza per la resistenza all'usura e adeguata tenacità per impedire la propagazione delle crepe. Il contenuto di carbonio colloca l’acciaio ferroviario chiaramente al di sopra degli acciai da costruzione e la composizione è strettamente controllata perché ogni 0,1% di carbonio, manganese o silicio modifica il tasso di usura, la resistenza alla fatica e la saldabilità della rotaia.

Chimica dei gradi nei principali sistemi standard

Le qualità delle rotaie sono definite dal sistema standard del paese acquirente e la stessa rotaia nominale può esistere in diverse versioni nazionali. La tabella seguente riassume i gradi ampiamente commercializzati con le loro gamme tipiche di carbonio e manganese.

Si distinguono due famiglie. I gradi della serie U-sono gli acciai ferroviari cinesi: U71Mn è il cavallo di battaglia, U75V aggiunge vanadio per una maggiore resistenza sulle linee veloci e i gradi di cromo e vanadio soddisfano esigenze di trasporto pesante-e durezza molto elevata. La famiglia EN 13674-1 utilizza la designazione R con la durezza o la resistenza nel nome: R260 è il grado standard, mentre i gradi con testa temprata come R350HT e R370CrHT spingono la durezza superficiale nell'intervallo compreso tra 350 e 390 HBW per condizioni di usura severe.

Rotaie-trattate termicamente e legate

Quando la richiesta di usura supera ciò che può offrire una qualità perlitica semplice, la risposta è l'indurimento della testa o la legatura, o entrambi. L'indurimento della testa è un-trattamento termico in linea della testa della rotaia dopo la laminazione: la testa viene raffreddata rapidamente in modo da formare una perlite fine con una durezza superficiale compresa tra 350 e 390 HBW per qualità come R350HT, mentre l'anima e la base mantengono una struttura più resistente e più saldabile. Ciò concentra la durezza esattamente dove avviene l'usura e mantiene il resto della rotaia formabile e saldabile, motivo per cui le rotaie-indurite a testa dominano le linee di trasporto pesante-e le curve severe. La lega funziona insieme: il vanadio e il cromo affinano la perlite e ne aumentano la resistenza, mentre la microlega del niobio- migliora la tenacità. I gradi di resistenza molto elevati utilizzati sulle linee più pesanti, come le rotaie al cromo-molibdeno e bainitiche che stanno emergendo, spingono la durezza e la tenacità oltre il limite perlitico, ma sono ancora specificati dallo stesso quadro normativo e verificati dagli stessi test: resistenza alla trazione, durezza superficiale e a cuore, energia d'impatto e comportamento a fatica.

Rotaie leggere e rotaie per gru

Non tutte le rotaie sono rotaie della linea principale. Le rotaie leggere da 8 a 30 kg/m, utilizzate per il trasporto di miniere, binari industriali leggeri e linee temporanee, vengono laminate secondo GB/T 11264 con qualità più morbide come 55Q e Q235, perché il loro lavoro è a bassa velocità e basso carico per asse, dove la resistenza all'usura conta meno dell'economia e della lavorabilità. Le rotaie per gru, la serie QU da QU70 a QU120, vengono utilizzate su binari di gru a portale e a ponte; sono laminati secondo le specifiche delle rotaie per gru con una testa larga e piatta progettata per le ruote piatte delle gru, e le rotaie cinesi QU sono comunemente fornite in U71Mn, con i requisiti di durezza e rettilineità stabiliti dallo standard delle rotaie per gru piuttosto che dalla pratica principale. Nell'approvvigionamento la distinzione è importante: una rotaia della linea principale R260 non può essere semplicemente sostituita in un binario per gru o in un tram da miniera, perché il profilo, la durezza e il sistema di fissaggio sono diversi.

Selezione del voto per un progetto

La selezione del grado parte dallo standard di progetto, non da una tabella di nomi. Gli input determinanti sono il carico per asse, il tonnellaggio annuale, la velocità massima, la gravità della curva e il clima. Le linee di trasporto pesante-con un elevato tonnellaggio annuo e curve strette scelgono i gradi di durezza più elevati, testa-temprata o lega di cromo-, perché è l'usura, non la fatica, a determinare la durata della rotaia. Le linee passeggeri ad alta-velocità scelgono qualità con elevata resistenza alla fatica e durezza costante, come U75V in Cina o R260 in Europa, con requisiti di qualità della superficie più severi. Le linee di traffico misto-convenzionali sono ben servite dai gradi standard, R260 o U71Mn. Le linee delle regioni-fredde aggiungono un requisito di energia-di impatto alla temperatura minima di servizio e gli ambienti corrosivi possono aggiungere requisiti di lega o rivestimento. In ogni caso l'acquirente deve indicare il profilo, il grado e lo standard in vigore, ad esempio 60 kg/m U75V secondo GB/T 2585 o 60E1 R260 secondo EN 13674-1, e richiedere il certificato di prova del mulino in modo che i valori chimici e meccanici forniti possano essere verificati rispetto ai limiti del grado.

Domande frequenti

D1: L'acciaio ferroviario è solo acciaio-ad alto contenuto di carbonio?

È un acciaio ad alto-carbonio, dallo 0,60 allo 0,82%, ma è anche controllato in manganese, silicio e residui, laminato secondo un profilo preciso e testato per durezza, resistenza alla trazione e fatica. Il grado e lo standard insieme definiscono il materiale.

Q2: Qual è la differenza tra R260 e R350HT?

R260 è il grado perlitico standard con una resistenza alla trazione minima di 880 MPa. R350HT è della stessa famiglia, ma la testa-temprata con una durezza superficiale compresa tra 350 e 390 HBW per servizi di trasporto-pesante e-elevata usura.

Q3: Cosa significa la U in U71Mn?

Il prefisso U è la designazione cinese dell'acciaio ferroviario. U71Mn è un acciaio per rotaie al manganese con dallo 0,65 allo 0,76% di carbonio e dall'1,10 all'1,40% di manganese, per GB/T 2585.

D4: Perché le guide-temprate vengono utilizzate sulle curve?

Perché le curve generano i tassi di usura più elevati. L'indurimento della testa conferisce una durezza compresa tra 350 e 390 HBW esattamente sulla superficie di scorrimento, prolungando la durata della rotaia diverse volte rispetto a una qualità standard sulla stessa curva.

Q5: È possibile utilizzare le rotaie delle gru sulle linee ferroviarie?

No. Le rotaie della gru hanno un profilo della testa, una durezza e un sistema di fissaggio diversi, progettati per ruote piane della gru e basse velocità. Le linee ferroviarie richiedono il profilo ferroviario e il grado della norma in vigore.

Q6: Come viene verificato il voto consegnato?

Tramite il certificato di prova del mulino con il numero di calore, l'analisi della siviera e i test meccanici e controllando la chimica rispetto ai limiti di qualità dello standard. La durezza può essere verificata sulla testa della rotaia con un tester portatile alla consegna.