Druckplattenmaterialien, Wärmebehandlung, Ermüdung

Was die Druckplatte trägt

Die Druckplatte sitzt zwischen Schienenfuß und Schwelle bzw. Grundplatte, verteilt die Klemmkraft des Befestigungssystems auf den Schienenfuß und hilft, die Schiene seitlich zu halten. Es ist ein schwankendes Lastspektrum zu beobachten: Bei jedem Raddurchlauf kommt es zu einem Kompressionsimpuls, beim Kurvenfahren kommt es zu einer seitlichen Biegung. Eine Platte, die an Festigkeit verliert oder einen Riss bekommt, verändert die Lastverteilung des gesamten Befestigungssatzes und die Schiene beginnt sich darunter zu bewegen. Die Ermüdungsbeständigkeit, die Fähigkeit, Millionen von Belastungszyklen ohne Rissbildung zu überstehen, ist daher die primäre Konstruktionseigenschaft des Plattenmaterials und wird im Wärmebehandlungsofen und nicht im Zeichenbüro erzeugt. Die beiden verwendeten Stahlfamilien, C45-Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und 60Si2Mn-Federstahl, wurden genau aus diesem Grund ausgewählt: Beide reagieren gut auf die Wärmebehandlung, und die Prozessroute entscheidet darüber, ob die Platte jahrelang hält oder erst nach Monaten ausfällt.

Abschrecken und Anlassen im Vergleich zum Normalisieren für C45

Durch das Abschrecken und Anlassen entsteht vergüteter Sorbit, eine Struktur, die hohe Festigkeit mit Zähigkeit verbindet, sodass die Platte sowohl der wechselnden Kompression von Zuglasten als auch dem Aufprall von Radabflachungen standhält. Die normalisierte Struktur, Perlit plus Ferrit, weist eine geringere Zähigkeit auf und Ermüdungsrisse beginnen früh an Spannungskonzentrationspunkten wie Lochkanten und Abschnittsecken. Der Unterschied in der Ermüdungsgrenze von 250 MPa gegenüber 180 MPa schlägt sich direkt in der Lebensdauer nieder: Unter dem gleichen Lastspektrum hält die normalisierte Platte nur etwa 60 Prozent so lange. Bei einer Komponente, die jahrelang im Einsatz ist, werden die zusätzlichen Kosten für den Abschreck- und Tempervorgang durch Inspektions- und Austauschkosten um ein Vielfaches ausgeglichen.

Oberflächenhärtung von 60Si2Mn-Platten

Wo die Platte auch dem Abrieb durch den Schienenfuß standhalten muss, wird der Federstahl der Sorte 60Si2Mn durch Induktionserwärmung und schnelles Abkühlen oberflächengehärtet. Die Oberfläche erreicht HRC 45 bis 50 mit einer dichten martensitischen Schicht, was die Verschleißfestigkeit um mehr als das Doppelte erhöht. Noch wichtiger für die Ermüdung ist, dass die gehärtete Oberflächenschicht eine Restdruckspannung trägt, die einen Teil der Zugbiegespannung aus Zugbelastungen aufhebt und die Ermüdungsgrenze um 25 bis 30 Prozent erhöht. Der Aufbau ist bewusst zwei{9}schichtig: eine harte, verschleißfeste-Außenschale und ein zäher, gehärteter Kern im Inneren, weshalb das Design auch als harte Außenseite und robuste Innenseite bezeichnet wird. Diese Kombination macht oberflächengehärtete 60Si2Mn-Platten zur bevorzugten Wahl für Schwertransportlinien, bei denen Abrieb und Ermüdung zusammenwirken. Sowohl die Einhärtetiefe als auch die Kernhärte müssen angegeben werden, da ein zu dünner Mantel durchverschleißt und ein zu harter Kern an Zähigkeit verliert.

Löschrisse und ihre Vorbeugung

Abschreckrisse sind der klassische Fehler bei der Wärmebehandlung und haben drei Ursachen. Erstens führt ein zu schnelles Erhitzen zu einem großen Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern und zu hoher thermischer Belastung. Zweitens führt eine zu schnelle Abkühlung beim Abschrecken dazu, dass die Umwandlungsspannung von Austenit zu Martensit die lokale Festigkeit des Stahls übersteigt. Drittens wirken scharfe Ecken und Lochkanten ohne Fasen als Spannungskonzentratoren, an denen sich die Transformationsspannung entlädt. Die Vorbeugungsmaßnahmen sind Standard: schrittweises Erhitzen, damit der Temperaturunterschied gering bleibt, Abschrecken in einem abgestuften Medium wie einem Nitratbad, um die Abkühlung zu verlangsamen, und Fasen aller scharfen Ecken und Lochkanten mit einem Radius von 0,5 mm oder mehr vor dem Härten. Eine Platte mit einem Abschreckriss ist Ausschuss, da sich der Riss unter Belastung öffnet und zu einem Ermüdungsbruch führt. Daher liegen die Kosten der Vorbeugung weit unter den Kosten des Defekts.

Härteakzeptanz und die Gefahr falscher Werte

Die Härte ist der entscheidende Faktor für die Qualität der Wärmebehandlung. Eine vergütete C45-Platte sollte einen HRC von 22 bis 28 und eine oberflächengehärtete 60Si2Mn-Platte einen HRC von 45 bis 50 auf der Oberfläche haben. Ist die Härte zu hoch, über HRC 55, wird das Blech spröde: Die Schlagzähigkeit sinkt um mehr als 40 Prozent und das Blech kann bei Stoßbelastung brechen, wobei die Gefahr bei niedrigen Wintertemperaturen am größten ist. Bei einer zu geringen Härte, unter HRC 35, reichen Festigkeit und Verschleißfestigkeit nicht aus, die Platte verformt sich unter seitlicher Schienenbelastung plastisch, es bildet sich eine Stufe auf der Kontaktfläche und die Schiene beginnt, seitwärts zu kriechen und die Spurweite zu erweitern. Beide Versagensarten verkürzen die Lebensdauer der Bleche und destabilisieren das Befestigungssystem, weshalb die Abnahmeprüfung eine Härtemessung an einer definierten Anzahl von Teilen pro Charge umfasst.

Feldprüfungen an installierten Platten

Vor Ort wird der Wärmebehandlungszustand ohne Laborgeräte überprüft. Ein tragbarer Rockwell-Härteprüfer misst die Oberflächenhärte und bestätigt das Band, HRC 22 bis 28 für vergütetes C45 und HRC 45 bis 50 für oberflächengehärtetes 60Si2Mn. Die Oberfläche wird auf Risse, Entkohlung und Verformung untersucht; Jeder von ihnen lehnt die Platte ab. Erfahrene Prüfer nutzen auch den Klangtest: Eine vergütete Platte klingt mit einem tiefen Ton, eine oberflächengehärtete Platte mit einem knackigen Ton und ein heiserer Ton deutet auf einen inneren Riss hin. Bei Verdacht auf eine Charge werden Proben zur Schlagzähigkeitsprüfung entnommen, um die Wärmebehandlung zu bestätigen, bevor die Platten zur Nachverfolgung freigegeben werden. Die gleichen Kontrollen gelten für eingehende Waren, und ein Käufer sollte das Härtefenster, die Probenahmerate und die Prüfmethode in der technischen Vereinbarung festlegen.

Warum ist Abschrecken und Anlassen bei Druckplatten besser als Normalisieren?

Denn es bildet gehärteten Sorbit, der Festigkeit mit Zähigkeit verbindet. Die Ermüdungsgrenze steigt von etwa 180 MPa auf 250 MPa und die Lebensdauer verdoppelt sich etwa im Vergleich zu einer normalisierten Platte aus dem gleichen Stahl.

Welche Härte sollte eine Druckplatte haben?

Eine vergütete C45-Platte sollte einen HRC-Wert von 22 bis 28 und eine oberflächengehärtete 60Si2Mn-Platte einen HRC-Wert von 45 bis 50 auf der Oberfläche haben. Bei Werten über HRC 55 besteht die Gefahr eines Sprödbruchs und bei Werten unter HRC 35 besteht die Gefahr einer plastischen Verformung.

Wie werden Abschreckrisse vermieden?

Durch schrittweises Erhitzen, abgestuftes Abschrecken in einem Nitratbad und Anfasen aller scharfen Ecken und Lochkanten mit einem Radius von 0,5 mm oder mehr. Die Fasen beseitigen die Spannungskonzentrationspunkte, an denen Transformationsspannungen den Stahl reißen lassen.

Was passiert, wenn die Platte zu hart ist?

Die Platte wird spröde und die Schlagzähigkeit verringert sich um mehr als 40 Prozent. Es kann unter Zugbelastung brechen, und das Risiko ist bei kalten Winterbedingungen am größten, daher wird eine Härte über HRC 55 bei der Abnahme abgelehnt.

Wie wird die Qualität der Wärmebehandlung vor Ort überprüft?

Mit einem tragbaren Rockwell-Härteprüfer gegen das vorgegebene Fenster, einer Sichtprüfung auf Risse und Entkohlung sowie der Schallprüfung mit einem Hammer. Ein heiserer Ton weist auf einen inneren Riss hin und verdächtige Chargen werden einer Schlagzähigkeitsprüfung unterzogen.

C45 oder 60Si2Mn, welches Material für Schwertransportbleche?

60Si2Mn mit Oberflächenhärtung ist die Wahl für Schwertransporte: Die Oberfläche mit HRC 45 bis 50 widersteht Schienenfußabrieb, und die Restdruckspannung erhöht die Ermüdungsgrenze um 25 bis 30 Prozent, während der robuste Kern Brüche verhindert.