Vergleich der Materialzusammensetzung und Verschleißfestigkeit zwischen nationalen Standard- und ausländischen Standardschienen
Warum wirkt sich der Unterschied im Kohlenstoffgehalt zwischen der GB-60-kg/m-Schiene und der UIC60-Schiene auf die Verschleißfestigkeit aus?
Der Kohlenstoffgehalt der GB-60-kg/m-Schiene beträgt etwa 0,70 %-0,80 %, während der der UIC60-Schiene 0,85 %-0,95 % beträgt. Ein höherer Kohlenstoffgehalt führt zu einer höheren Härte der Schienenmatrix und einer besseren Verschleißfestigkeit. UIC-Schienen haben einen höheren Kohlenstoffgehalt und einen größeren Martensitanteil im Schienenkopf, wodurch abrasivem Verschleiß durch Rad-Schiene-Reibung wirksam standgehalten werden kann. GB-Schienen haben einen geringeren Kohlenstoffgehalt und eine etwas geringere Härte; Bei starker Belastung und hochfrequenter Reibung ist der Schienenkopf anfällig für Verschleiß und Abplatzungen. Darüber hinaus erhöht ein erhöhter Kohlenstoffgehalt die Sprödigkeit der Schiene. UIC-Schienen müssen die Zähigkeit durch eine Vergütungsbehandlung ausgleichen, was der Hauptgrund für ihre längere Lebensdauer ist. Daher ist der Unterschied im Kohlenstoffgehalt der Hauptfaktor für die Verschleißfestigkeit der beiden Schienentypen.
Äußere Standardschienen enthalten häufig Elemente aus Chrom- und Vanadiumlegierungen. Welche Vorteile haben sie gegenüber GB-Schienen?
Der Zusatz von Chrom und Vanadium zu äußeren Standardschienen kann die Körnung erheblich verfeinern und die Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verbessern. Chrom kann die Härtbarkeit der Schiene verbessern, wodurch die Härteverteilung am Schienenkopf gleichmäßiger wird und lokale Schwachstellen vermieden werden; Vanadium kann Karbide bilden und so die Verschleiß- und Schlagfestigkeit der Schiene erhöhen. GB-Schienen bestehen meist aus niedrig-legierten oder nicht-legierten Materialien, denen eine solche Legierungsverstärkung fehlt. Unter Bedingungen hoher-Geschwindigkeit und schwerer-Last neigen sie zu einer plastischen Verformung des Schienenkopfes. Äußere Standardschienen mit zusätzlichen Legierungen können die Lebensdauer im Vergleich zu GB-Schienen um 20 % bis 30 % verbessern und eignen sich daher besser für die hochwertige Leitungsverlegung.
Warum müssen Strecken in kalten und hochgelegenen Gebieten statt GB-Schienen äußere Standardschienen mit niedrigem Phosphor- und Schwefelgehalt wählen?
Die Obergrenze des Phosphor- und Schwefelgehalts in GB-Schienen liegt bei 0,04 %, während die Obergrenze für kältebeständige Standardschienen unter 0,025 % liegt. Ein geringer Gehalt an Verunreinigungen kann die Übergangstemperatur zur Kaltsprödigkeit senken. In kalten und hochgelegenen Gebieten sind die Temperaturen im Winter niedrig und die Schiene neigt zu Sprödbrüchen. Phosphor und Schwefel erhöhen als schädliche Elemente die Sprödigkeit der Schiene und beschleunigen die Rissausbreitung. Äußere Standardschienen reduzieren Verunreinigungen durch Verfeinerungstechnologie, was die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen verbessern und eine gute Plastizität auch in Umgebungen unter -40 Grad gewährleisten kann. GB-Schienen haben einen hohen Gehalt an Verunreinigungen und ein hohes Risiko eines Sprödbruchs bei niedrigen Temperaturen, was sie für die Verlegung in kalten und hochgelegenen Gebieten ungeeignet macht. Dies ist eine wichtige Verkörperung der Materialanpassungsfähigkeit.
Wie wirkt sich der Unterschied in der Härtbarkeit der Schienenmaterialien auf den Härtegradienten des Schienenkopfes aus?
Schienen mit guter Härtbarkeit weisen einen sanfteren Härtegradienten von der Oberfläche zum Kern des Schienenkopfes auf und die Spannungsverteilung ist unter Krafteinwirkung gleichmäßiger. Die Härtbarkeit äußerer Standardschienen ist besser als die von GB-Schienen. Die Oberflächenhärte des Schienenkopfes kann HB360-400 erreichen, und die Kernhärte kann immer noch über HB300 bleiben, wodurch die Rad-Schienenkontaktspannung effektiv verteilt werden kann. GB-Schienen weisen eine schlechte Härtbarkeit auf, mit einer übermäßig hohen Oberflächenhärte des Schienenkopfes und einer geringen Kernhärte, wodurch eine Struktur aus „harter Schale und weichem Kern“ entsteht. Unter Krafteinwirkung können an der Grenzfläche leicht Mikrorisse entstehen. Unter langfristigen Wechselbelastungen breiten sich Mikrorisse schnell aus, was zu Abplatzungen am Schienenkopf führt und die Fahrsicherheit beeinträchtigt.
Wie lässt sich die Verschleißfestigkeit von GB- und äußeren Standardschienen durch Materialtests schnell unterscheiden?
Mit Spektrometern lässt sich der Kohlenstoff-, Mangan- und Chromgehalt von Schienenmaterialien ermitteln. Schienen mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,85 % und einem Mangangehalt von 1,0 %-1,5 % weisen eine bessere Verschleißfestigkeit auf. Anschließend wird mit einem Brinell-Härteprüfer die Oberflächenhärte des Schienenkopfes ermittelt. Schienen mit einer Härte größer oder gleich HB360 erfüllen die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit. Gleichzeitig kann ein Fallgewichtsschlagversuch durchgeführt werden, um die Kälteschlagzähigkeit zu ermitteln. Die Schlagzähigkeit äußerer Standardschienen ist in der Regel 15–20 % höher als die von GB-Schienen. Durch die Kombination dieser drei Testergebnisse kann die Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Schiene schnell beurteilt werden, was eine Grundlage für die Leitungsauswahl darstellt.