Stal węglowa jest stopem żelaza z węglem, a jej zachowanie zależy głównie od zawartości węgla. Cztery konwencjonalne typy, w kolejności zwiększającej zawartość węgla, to stal niskowęglowa, średniowęglowa, wysokowęglowa i ultra-wysokowęglowa. Zawartość węgla zwiększa wytrzymałość i twardość, ale obniża ciągliwość, wytrzymałość i spawalność, dlatego też dobór materiału zawsze opiera się na równowadze, a nie wyścigu o jak najwyższą liczbę.
Cztery rodzaje stali węglowej
| Typ | Zawartość węgla | Typowe właściwości | Typowe zastosowania |
| Niskowęglowa (stal miękka) | Poniżej 0,3% | Miękkie, plastyczne, łatwe do spawania i formowania | Profile konstrukcyjne, rury, karoserie samochodowe, ogólna obróbka |
| Średni węgiel | 0.3-0.6% | Równowaga siły i plastyczności | Przekładnie, osie, wały, części maszyn |
| Wysoka zawartość węgla | 0.6-1.0% | Twardy, odporny na zużycie, mniej plastyczny | Sprężyny, druty, narzędzia tnące, szyny |
| Ultra-wysokoemisyjna | 1.0-2.0% | Niezwykle twardy i kruchy | Matryce, stemple, specjalistyczne krawędzie skrawające |
Jak klasyfikuje się stal szynową
Stal szynowa produkowana jest w trzech rodzinach. Szyny węglowe są wytapiane i walcowane z wytopu rudy żelaza-, a ich wytrzymałość opiera się głównie na węglu i manganie; typowa zwykła stal szynowa zawiera około 0,40-0,80% węgla i około 1,0–1,4% manganu. Szyny aluminiowe dodają niewielkie ilości pierwiastków stopowych, takich jak wanad, tytan, chrom lub niob, aby zwiększyć wytrzymałość i wytrzymałość wykraczającą poza gatunki węgla. Szyny poddane obróbce cieplnej to szyny z włókna węglowego lub stopu, które są podgrzewane, a następnie chłodzone w kontrolowanych warunkach w celu udoskonalenia struktury perlitu; główka szyny tworzy utwardzoną warstwę, która znacznie poprawia odporność na zużycie i wydłuża żywotność.
Gatunki chińskich kolei i właściwości mechaniczne
Szyny-walcowane na gorąco (GB/T 2585)
| Stopień | Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | Twardość (HB) |
| U75V | przynajmniej 980 | 280-320 |
| U78CrV | przynajmniej 1080 | 310-360 |
| U76CrRE | przynajmniej 1080 | 310-360 |
| U77MnCr | przynajmniej 980 | 290-330 |
Szyny-poddawane obróbce cieplnej
| Stopień | Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | Twardość (HB) |
| U75V (poddany obróbce cieplnej) | przynajmniej 1180 | 320-380 |
| U78CrV (poddany obróbce cieplnej) | przynajmniej 1280 | 370-420 |
Rodziny europejskie i UIC używają własnych oznaczeń: R260 i R350HT zgodnie z EN 13674-1 oraz gatunki 700, 900A i 1100 zgodnie z UIC 860, gdzie liczba oznacza minimalną wytrzymałość na rozciąganie w MPa.
Wybór właściwej stali szynowej
Wybierz klasę spośród ruchu ulicznego: duże naciski na osie i ostre zakręty wymagają twardszych,-wytrzymalszych głów, a to właśnie w tym przypadku szyny poddane-obróbce cieplnej zyskują na popularności. Proste, lekko obciążone linie mogą obsługiwać standardowe gatunki węgla przy niższych kosztach. Spawalność również ma znaczenie: szyny wysoko-węglowe i stopowe wymagają kontrolowanych procedur spawania, a skład chemiczny szyny musi być zgodny z procesem spawania stosowanym w projekcie. W przypadku elementów złącznych stale sprężynowe, takie jak 60Si2MnA, należą do-wysokiej zawartości węgla, a twardość zacisku po obróbce cieplnej wynosi zazwyczaj 42–50 HRC.
Powszechne nieporozumienia
Wyższa zawartość węgla nie jest automatycznie lepsza: stal ultra-wysokowęglowa jest zbyt krucha na części konstrukcyjne i dynamiczne. Szyny nie są wykonane ze stali niskowęglowej, która zużywałaby się miesiącami. A określenie „stal stopowa” nie oznacza stali nierdzewnej: pierwiastki stopowe dodawane są w niewielkich ilościach w celu poprawy wytrzymałości i wytrzymałości, a nie w celu zwiększenia odporności na korozję.
Często zadawane pytania
Dlaczego stal szynowa jest zawsze wysokowęglowa?
Ponieważ główka szyny musi być odporna na zużycie, a szyna jako całość musi być odporna na zginanie i zmęczenie. Wysoka zawartość węgla zapewnia wymaganą twardość i wytrzymałość, podczas gdy określone poziomy węgla i manganu są dostosowane do spawalności i wytrzymałości.
Jaka jest różnica między szyną karbonową a szyną aluminiową?
Szyna węglowa opiera się na wytrzymałości węgla i manganu; szyna ze stopu dodaje niewielkie ilości wanadu, tytanu, chromu lub niobu, aby zwiększyć wytrzymałość i wytrzymałość.
Co obróbka cieplna robi z szyną?
Kontrolowane ogrzewanie i chłodzenie udoskonalają strukturę perlitu i tworzą utwardzoną warstwę na główce szyny, zwykle zwiększając wytrzymałość na rozciąganie o 150–200 MPa i znacznie poprawiając trwałość na zakrzywionym torze.
Czy U75V jest lepszy od U71Mn?
U75V ma większą wytrzymałość i lepszą odporność na zużycie i jest częstym wyborem w przypadku linii-do transportu ciężkiego i-o dużych prędkościach. U71Mn jest nadal szeroko stosowany w liniach konwencjonalnych, gdzie jego spawalność i koszty są dobrze zrównoważone.
Czy stal wysokowęglową można łatwo spawać?
Nie. Stale wysokowęglowe wymagają kontrolowanego podgrzewania wstępnego, kwalifikowanych procedur i kontroli-po spawaniu, dlatego też spawanie szyn (doczołowe, termitowe lub aluminiotermiczne) jest operacją specjalistyczną o zatwierdzonych parametrach.
Jaką twardość powinny mieć zaciski sprężynowe?
Zaciski sprężyn kolejowych są zwykle hartowane i odpuszczane do 42-50 HRC. Niższa twardość stwarza ryzyko odkształcenia plastycznego i utraty obciążenia palców; wyższa twardość stwarza ryzyko kruchego pęknięcia pod wpływem uderzenia.