Chemické složení a struktura kolejnicové oceli používané při výrobě tramvajových a železničních kolejnic

Nejběžnějším typem oceli používané k výrobě tramvajových a železničních kolejnic je uhlíková a středně manganová ocel. Používají se však i jiné druhy ocelí, například legovaná ocel.

Tramvajové a železniční kolejnice se vyráběly z martinské nebo bessemerovské oceli. V zahraničí se používá i Thomasova ocel, která se dříve používala k výrobě kolejnic i u nás. Kolejnice z legované oceli, ale i dvouvrstvé kolejnice, se u nás používaly pouze experimentálně, což přineslo pozitivní výsledky z hlediska zvýšení odolnosti kolejnic proti opotřebení.

Chemické složení kolejnicové oceli a technické podmínky pro výrobu a přejímku tramvajových kolejnic jsou upraveny státními normami.

Chemické složení kolejnicové oceli je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1 – Chemické složení kolejnicové oceli

Druh oceli	ocel	Obsah prvků v %
		Uhlík	Mangan	Silikon	Fosfor, už ne	Síra, už ne
Tramvajové kolejnice
Uhlík, otevřený ohniště	M-75	0,67-0,80	0,70-1,00	0,13-0,28	0,04	0,04
Střední mangan, otevřené ohniště	–	0,40-0,55	1,2-1,6	0,15-0,35	0,04	0,04
Vysoký obsah manganu (litý)	–	0,8-1,50	10,0-15,5	0,30-0,75	0,05	0,05
Železniční kolejnice
Pro kolejnice o hmotnosti do 45 kg/m:
– s otevřeným ohništěm	M-71	0,64-0,77	0,60-0,90	0,13-0,28	0,04	0,04
– Bessemer	NB-62	0,50-0,73	0,60-1,10	0,15-0,30	0,08	0,075
Pro kolejnice o hmotnosti 50 kg/m, s otevřeným ohništěm	M-75	0,67-0,80	0,70-1,00	0,13-0,28	0,04	0,05

Tramvajové a železniční kolejnice se nazývají uhlíkové, protože jejich kvalitativní charakteristiky jsou určeny především obsahem uhlíku v oceli.

Čím více uhlíku ocel obsahuje, tím je tvrdší a méně náchylná k oděru, ale je také křehčí.

Mezi prospěšné nečistoty v kolejnicové oceli patří také křemík, který deoxiduje a zhutňuje kov, a mangan, který dodává oceli větší viskozitu a zvyšuje její odolnost proti opotřebení. Tyto prospěšné nečistoty jsou však užitečné pouze v určitých mezích.

S rostoucím obsahem manganu ve válcovaných tramvajových a železničních kolejnicích je nutné snižovat obsah uhlíku v kolejnicové oceli.

Kromě toho lze základní kolejnicovou ocel vylepšit rafinací feroslitinami – příměsí chromu, niklu, vanadu atd.

Nečistoty fosforu a síry jsou v kolejnicové oceli škodlivé, protože ji činí křehkou. Síra způsobuje křehkost kovu za červena, tj. křehkost při zahřátí, a fosfor způsobuje křehkost oceli za studena, tj. křehkost za studena i za tepla. Proto je velmi žádoucí omezit tyto nečistoty na možnou hranici.

Ocelová konstrukce kolejnice

Výzkum ukázal, že tramvajové kolejnice jsou heterogennější než železniční kolejnice, a to kvůli složitější konfiguraci profilu tramvajové kolejnice, což způsobuje nerovnoměrné stlačování a zpracování jednotlivých úseků profilu při různých teplotách, dosahujících 980 °C. Zároveň se nejlépe homogenní jemnozrnná ocel získává při tlakovém zpracování při teplotě 700–860 °C. Homogenita struktury kolejnicové oceli se ověřuje pomocí makrostrukturních a mikrostrukturních zkoušek.

Makrostruktura se odhalí hlubokým leptáním vzorku kolejnice po celém průřezu. Leptání se obvykle provádí kyselinou sírovou (H₂SO₄), a někdy i jiným způsobem. Poté se leptaný vzorek vyfotografuje v plné velikosti. Jednotná jemnozrnná struktura odpovídá kvalitní kolejnici. Špatná kvalita spočívá především ve zjevných známkách oddělení tavitelných látek od těžko tavitelných (likvace). Na vzorku budou pak viditelné podélné žilky, které se někdy mění ve vnitřní trhliny.

Pro získání mikrostruktury se z kolejnice odebere malý vzorek, vyleští se a po leptání jednoprocentním roztokem kyseliny dusičné v alkoholu se vyfotografuje pod mikroskopem se 100–150násobným zvětšením. Obr. 1 ukazuje mikrofotografii struktury kolejnicové oceli se 100násobným zvětšením. Ferit (volné železo) je na mikrofotografii zobrazen bíle a perlit (železo s uhlíkem) černě. Struktura by měla být smíšená a zrnitá, což naznačuje homogenitu kovu kolejnice.

Obr. 1. Mikrofotografie kolejnicové oceli.

Související příspěvky:

1. Standardní délka tramvajových a železničních kolejnic a tolerance při jejich výrobě
2. Normy pro pokládku kolejnic v obloucích a normy pro přípustné opotřebení tramvajových a železničních kolejnic
3. Konstrukce tramvajových a železničních kolejnic, jejich vlastnosti a požadavky na kolejnice, příčný profil kolejnice
4. Životnost tramvajových kolejnic. Faktory ovlivňující opotřebení kolejnic