Стали для железнодорожных колес в Европе

Нагрузки в контакте колеса и рельса

К материалам, которые работают в зоне контакта между колесом и рельсом, предъявляются серьезные требования. В зоне контакта колеса и рельса происходят следующие процессы:

  • чистое качение при постоянно действующих нормальной и боковой нагрузках вызывает высокие сдвиговые напряжения как в колесе, так и в рельсе
  • относительные движения между колесом и рельсом создают в зоне контакта проскальзывание, что приводит к механическому и термическому нагружению материалов.

В результате на поверхности катания колес и рабочих поверхностях рельсов возникают различные явления, которые приводят к образованию различных дефектов колеса и рельса:

  • адгезивный износ
  • пластическая деформация
  • контактная усталость качения и
  • термическая усталость.

Европейские колесные стали

Перлитные стали

Чтобы противодействовать приведенным выше механизмам повреждения колес и рельсов, в Европе применялись и применяются стали, которые имеют преимущественно перлитную структуру. Эта структура содержит твердые цементитные пластины, которые гарантируют высокое сопротивление износу. В то же время перлитная микроструктура, которая образуется около точки равновесия, обеспечивает более высокое сопротивление металлургическим превращениям при нагреве в эксплуатации, чем, например, бейнитная или мартенситная структуры.

Стандарты на колесные стали

Стандарт UIC 812-3 для цельных колес включает семь марок сталей, которые отличаются в основном содержанием углерода, термической обработкой и, поэтому, уровнем прочности, а Европейский стандарт EN 13262 включает только четыре марки (таблица 1).

Таблица 1 – Требования к колесным сталям согласно стандартам UIC 812-3 и EN 13262

Поскольку марку R1 для колес грузовых вагонов все чаще заменяют маркой R7, а марки R2/R3 редко применялись в практике эксплуатации, то это значит, что EN 13262 отражает текущее состояние технологии производства железнодорожных колес с Европе.

Марка R7 является наиболее часто применяемой маркой стали. Она применяется для всех колес грузовых вагонов и большинства пассажирских вагонов. Поскольку колеса из марки стали R7 предназначены для применения в вагонах с колодочным торможением, наряду с требованиями к обычным механическим свойствам должны выполняться требования по вязкости разрушения (KIC).

Вязкость разрушения

Опыт показал, что, если содержание углерода превышает 0,5 %, вязкость разрушения KIC величной 80 МПа · м1/2 может достигаться только тогда, когда сталь имеет малый размер зерна (мелкое зерно), высокую чистоту и высокую однородность микроструктуры по всему периметру колеса. Это налагает тяжелые требования к качеству изготовления колес.

Свбодный феррит

По этой причине эти колеса обычно поставляются с пониженным содержанием углерода (< 0,5 %). Это ставит их на нижний предел допустимой прочности, так кроме перлита в рабочем слое ободе присутствует большое количество доэвтектоидного феррита.

Хотя это приводит к более высокой вязкости разрушения, сопротивление износу соответственно снижается. По опыту Немецких железных дорог 10 % свободного (доэвтектоидного) феррита является благоприятным для минимизации износа колес по поверхности катания.

Для тяговых колес локомотивов и моторных вагонов все чаще применяется марка стали R8. Применение марки R9 ограничено нишей специальных вагонов для строительства и смешанных транспортных систем.

Заключение

Таким образом, материалы, которые применяются для цельных колес в Европе, в основном ограничены нелегированными сталями с максимальным содержание углерода 0,56 % после соответствующей термической обработки поверхности катания (обработка на дисперсный перлит) на прочность от 820 до 980 МПа.

Источник:

  1. Materials used for Wheels on Rolling Stock / K. Mädler, M. Bannasch – Deutsche Bahn AG, Technical Centre, Brandenburg-Kirchmöser, GERMANY