A sínacélok megfelelő tulajdonságai az emelt karbontartalom mellett ötvözéssel, illetve hőkezeléssel vagy a kettő kombinációjával érhetők el. Igen komoly előrelépést jelentett a vegyi analízisnél bevezetett analitikai módszer, mely lehetőséget teremtett az acélok gáztartalmának gyors meghatározására, ugyanis ezzel lehetővé vált, hogy az acélok gáztartalmát tudatosan befolyásoljuk, szabályozzuk.

A nagyvasúti sínek anyaga

A nagyvasúti sínek anyagára hazánkban az 1900-as évek elejétől közel 100 éven át a lejárt, MSZ 2570:1988 szabványban található, az 1. táblázatban feltüntetett összetételű, MA minőségcsalád volt a jellemző. Az MA 1, MA 2 és a kevesek által ismert MASzuper acélminőségek a hazai síngyártás fénykorához köthetők. Nemzetközi kitekintésül bemutatjuk a 2. táblázatot, mely a MÁV MI UIC 860:2008 döntvény előírásait tartalmazza. Össze­hasonlításként kijelenthető, hogy az MA minőségek és az UIC döntvényben szereplő 700, 900A, 900B és 1100-as minőségek nem esnek távol egymástól, hasonlóak a paramétereik.

Ezekhez képest szinte forradalmi változást jelentettek a 3. és 4. táblázatban szereplő, az MSZ EN 13674-1:2011 szabványban közölt értékek. Az MSZ EN 13674 szabványban lényeges eltérés, hogy az acélminőségek jelében található számértékek nem a szakítószilárdságra, hanem a keménységre utalnak, emellett rendkívül szigorú előírásokat találunk benne a sínacélok gáz- (N2, O2 és H2) és zárványtartalmára. További előírás, hogy az egyes nyomelemekre, illetve ezek bizonyos kombinációban előforduló maximális mennyiségeire is találhatók utalások a szabványban.
Az eddigiek összefoglalásaként az 1. ábrán közölt, a vas-karbon diagram acé­lokra vonatkozó részében megadtuk a sínacélok szabványos karbontartalmát, mely 0,38–1,07% között változik. A karbontartalmak alapján a sínacélok hipo-, hipereutektoidos acélok attól függően, hogy karbontartalmuk 0,8%-nál kisebb vagy nagyobb. Kis lehűlési sebességek mellett a hipoeutektoidos acélok szövetszerkezete ferrithálós perlit, a hi­per­eu­tektoidosoké perlit és cementit.

A vas-karbon diagram elemzéséhez igen fontos, hogy a rajta lévő fázisátalakulásokat leíró mezők, vonalak és pontok csak nagyon kicsi lehűlési sebességeknél igazak. A valóságban nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a mindennapi élet körülményei között a lehűlési sebesség lényegesen nagyobb annál, hogy az egyensúlyi körülményeket elérni kívánó diffúzió szobahőmérséklet közelében is hatni tudjon.

Sínacélok ötvözése

A sínacélok ötvözésével az a célunk, hogy a vas-karbon diagramban előforduló szövetelemekhez képest nagyobb keménységű, új szövetelem megjelenésével, vagy egy hagyományos szövetelem keménységének emelésével növeljük a sínacél szakítószilárdságát, keménységét. A legjellegzetesebb szövetelemek keménységét az 5. táblázat tartalmazza. Tipikus példa a sínacélok krómmal történő ötvözése, melynek során a nagyobb keménységű króm-karbid megjelenése, valamint a króm ferritrácsba való beépülése növeli a sínanyag keménységét, kopásállóságát.

Az ötvözés másik drasztikusabb lehetősége, hogy az ausztenit átalakulásának nagymértékű befolyásolásával, speciális hőkezelés alkalmazásával az ausztenitstabilitás területét szobahőmérsékletre hozzuk vissza, 10%-nál több, ausztenitképző mangán ötvözésével. Erre tipikus vasutas példa a vasúti kitérők kétségkívül legnagyobb dinamikus igénybevételnek kitett alkatrésze, a csúcsbetét, melynek anyaga a kb. 12-14% Mn-tartalmú Hadfield-acél, szövetszerkezete szobahőmérsékleten is homogén ausztenit.

Sínacélok hőkezelése

A sínacélok hőkezelésekor célunk a szilárdság, keménység növelése, a megfelelő szövetelemek tudatos átalakításával. Az MSZ EN 13674:2011 szabványban talál­ható acélok keménysége 200 és 400 HB közötti érték. Az R200, R220, R260, R260Mn és R320Cr minőségeknél hőkezelés nélkül, R350HT, R350LHT, R370CrHT és R400HT minőségeknél hőkezeléssel érik el az előírt keménységet.

A gyakorlatban a felhasználók részéről felvetődött az igény a keménység további növelésére, ezért kísérleti jelleggel sor került nagyobb keménységű sínek gyártására. A keménység 400 HB feletti növelésénél a perlites átalakulás egyensúlyitól eltérő változata, a bénites átalakulás kerül előtérbe. A bénites átalakulás legfontosabb feltétele a nagyobb lehűlési sebesség, melynek során a diffúzió nem képes a karbonatomok megfelelő mozgatására, így ezek „befagynak” a vas kristályrácsba, ezzel növelik az alapszövet keménységét. Emellett a bénites átalakulásnál, a perlites átalakulástól eltérően, a kristályosodás nem cementitcsírával, hanem ferritcsírával indul, így az átalakulás a normál körülményekhez képest eltérő jellegű. A bénites sínek állapota az egyensúlyihoz képest jelentősen eltér, ezért különös figyelmet kell fordítani e sínminőségek hegesztésére, egyéb hőhatások minimális szintre csökkentésére. A bénites sínek alkalmazását hátráltatja, hogy a felhasználás során sokkal nagyobb odafigyelést igényelnek az előbbiekben említett instabil szerkezet miatt, viszont az alkalmazást segíti, hogy megvan az igény a 400 HB-nél nagyobb keménységű sínek előállítására is.

A továbbiakban néhány kiemelésre érdemes, a korszerű síngyártást és diagnosztikai megoldást jelentősen befolyásoló módszert ismertetek:

• csökkentett zárványtartalmú sínacélok gyártása kalciumhuzalos kezeléssel,
• csökkentett gáz- és zárványtartalmú sínacélok gyártása gáz-halmazállapotú dezoxidációs termék alkalmazásával,
• nemesített fejű sínek gyártása,
• kész sínek komplex, teljes körű vizsgálata.

Csökkentett zárványtartalmú sínacélok gyártása kalciumhuzalos kezeléssel

A sínacélok kis zárványtartalmának kedvező hatása régóta ismert. A kis zárványtartalom eléréséhez viszont több út is vezethet. Az egyik út az 1970-es évek végén, az MASzuper sínacélok gyártásánál, Diósgyőrben (a Lenin Kohászati Művekben) alkalmazott kísérleti technológia. A gyártástechnológia elvét a 2. ábra szemlélteti.

A zárványok nagy része az acél hagyományos, ún. kicsapásos dezoxidációjának eredménye. A sínacéloknál fontos előírás a rendkívül kicsi oxigéntartalom, ezért egyik lehetőség, hogy a sínacélt az oxigénhez rendkívül nagy affinitást mutató alumíniummal dezoxidálják. Az alumíniumos dezoxidációs termék az Al2O3 viszont rendkívül apró, salakba való felúszásának esélye kicsi, ezért a salakba jutás feltételeit segíteni kell. A zárványok emellett a salakból, falazatból és a gázfázisból kerülnek be az acélba. Az acélban előforduló, jellemző zárványtípusokat a 3. ábra bal oldali részén mutatjuk be. A legtipikusabb zárványok: MnO, MnS, SiO2 és Al2O3. A zárványok mennyiségének csökkentésére dolgozták ki az ún. kalciumhuzalos kezelést. A kalciumhuzalos kezelés során a kalciumbevitel hatására jelentős zárványmorfológiai változások következnek be. A kalcium bevitele az acélba nem egyszerű feladat, ugyanis a folyékony acél hőmérsékletén a kalcium már gáz-halmazállapotú, így a gazdaságos bevitelhez szükséges, hogy a kalciumot mélyen az acélfelszín alá juttassuk be. A kalciumos kezelés hatására kialakuló zárványokat a 3. ábra jobb oldalán láthatjuk. A kezelés hatására kialakuló zárványok közel gömb alakúak, emellett a keletkező kalcium-aluminát akár folyékony halmazállapotú is lehet. Ezzel a módszerrel jelentős zárványcsökkenés érhető el, azonban ennek ellenére a jelenlegi rendkívül szigorú előírások feltételeinek már nem felelnek meg.

Csökkentett gáz- és zárványtartalmú sínacélok gyártása gáz-halmazállapotú de­zo­xidációs termék alkalmazásával

A kalciumhuzalos kezeléses technológiánál az alapkoncepció szerint a keletkező, szilárd halmazállapotú dezoxidációs terméket a salakfázisba juttatjuk. Sajnálatos módon ennek hatékonysága közel sem 100%-os, relatíve nagy mennyiségű, apró szemnagyságú, elsősorban Al₂O₃ zárványok maradhatnak az acélfürdőben, és ezek kiindulási pontjai lehetnek a későbbi repedéseknek. Ezek után nem véletlen, hogy az alumíniumos dezoxidáció tiltottá vált, előtérbe került a 4. ábrán látható, ún. vákuumkarbonos dezoxidáció, melynek legnagyobb előnye, hogy a keletkezett dezoxidációs termék gáz-halmazállapotú szén-monoxid. A lejátszódó reakció a következő:
[C] + [O] → {CO}
ahol: [C] = acél karbontartalma, [O] = acél oxigéntartalma, {CO} = CO nyomása a gázfázisban
A reakcióban a bal oldalon az acélban oldott karbon lép reakcióba az acélban oldott oxigénnel, a jobb oldalon gáz-halmazállapotú szén-monoxid keletkezik. Mi­vel a reakcióegyenlet bal és jobb oldalán a gáz-halmazállapotú molok száma nem egyezik meg, ezért a reakció nyomásfüggő. Célunk az, hogy a reakció balról jobbra játszódjon le, ehhez az szükséges, hogy a CO gáz nyomása, pco (pco = xco ×  pössz, ahol xco = CO moltörtje, pössz = az üst feletti gázfázis nyomása) minél kisebb legyen. A CO nyomását a moltört értékének, vagy/és a gázfázis nyomásának csökkentésével érhetjük el. A CO moltörtjét csak korlátozott mértékben tudjuk befolyásolni, az üst feletti gázfázis nyomásának csökkentése vákuumozással érhető el. A vákuumozásra a sorozat második részében ismertetett RH-eljárás ajánlott.

A reakcióegyenletben szereplő [O] az acél oxigéntartalma, pontosabban fogalmazva az acélban oldott oxigén, amit aktív oxigéntartalomnak is neveznek. Az aktív oxigéntartalom megnevezés felettébb találó, mivel a vashoz kötött oxigén igen laza kapcsolatban van a vassal, könnyen elválhat a vastól, rendkívül reakcióképes, tehát nem eléggé stabil, ezért számos probléma forrása lehet, csökkentése nagyon fontos. Az aktív oxigén kiemelt fontosságát mi sem bizonyítja jobban, mint hogy jelenleg az összes oxigéntartalmon belül külön is megkülönböztetjük az aktív oxigéntartalmat.

A sínacélok gyártástechnológiájának fej­lődéséhez nagyban hozzájárult, hogy lehetőség nyílt olyan összes és aktív oxigéntartalom meghatározására alkalmas analitikai módszer alkalmazására, mely az acélgyártási technológia által biztosított 5 perc időintervallumon belül eredményt szolgáltat, ezzel pedig lehetővé válik a sín­acélok oxigéntartalmának hatékony szabályozása. A szabályozás lehetősége külön is kiemelendő, azaz az oxigénelemzésre elküldött próba eredményeinek ismeretében lehetőség adódik a hatékony beavatkozásra. A sínacélok összes oxigéntartalmára vonatkozó szabványos előírás egységesen 20 g/t-nál kisebb.
Itt kívánom megjegyezni, hogy a sínacélok hidrogéntartalmának meghatározására is rendelkezésre áll a megfelelő gyorsaságú analitikai módszer. A sínacélok hidrogéntartalmára vonatkozó előírás R200, R220 minőségeknél max. 3,0 g/t, R260, R260Mn, R320Cr, R350HT, R350LHT minőségnél max. 2,5 g/t, R370CrHT, R400HT minőségeknél max. 1,5 g/t. Az acélban oldódó gázok közül még a nitrogén jelenlétére kell számítanunk. A nitrogén beépül a diszlokációkba, azok egymáshoz képesti mozgását akadályozza, azaz szilárdságnövelő hatású, ezért előfordulása a sínacélokban kb. 100 g/t-ig megengedett, és ez nem jelent problémát.

Nemesített fejű sínek gyártása

Az acélok csodálatos tulajdonsága, hogy hőkezeléssel, ötvözéssel a lágy karaktertől a rendkívül kemény karakterig számos szilárdság- és keménységérték érhető el. A hőkezelés egyik fontos fajtája az ún. nemesítés. Nemesítéskor első lépésben az acélt homogén ausztenites állapotra hevítjük, majd rendkívül gyorsan lehűtjük, és így nagy keménységű, rideg martenzitet kapunk. Ez a művelet az edzés. A nemesítés második lépéseként, a megeresztés során a gyorsan hűtött darabot néhány száz fokra melegítjük és hőntartjuk, a hőntartás idejének és hőmérsékletének függvényében kapjuk meg a kívánt mechanikai jellemzőkkel rendelkező szövetszerkezetet.

A Voest Alpine donawitzi gyárában világszabadalommal védett sín hőkezelési technológiát alkalmaznak, melynek során speciális módon nemesítik a sínfejet. A nemesítési technológia sémája az 5. ábrán látható. Az alkalmazott módszer egyszerűségében van a nagyszerűsége, erre szokták mondani: kár, hogy nem én találtam fel. Közvetlenül a hengerlés után a még meleg, kb. 1000 ^oC hőmérsékletű sínt – az 5. ábrának megfelelően – talpánál megfogva, sínfejjel lefelé egy speciális hűtőközegbe merítik. Nagyon fontos, hogy csak a sínfej kerül bele a hűtőközegbe. A gyors hűlés hatására a sínfej külső része beedződik, nagy keménységű, rideg martenzit keletkezik. A hőkezelési folyamat lényeges eleme, hogy a sínfej csak relatíve rövid ideig van a hűtőközegben, a fej belső része megtartja hőtartalmát, így a sínfej hűtőközegből történő kiemelése után a belső még meleg mag hőtartalma a martenzites részt lágyabbá teszi, megereszti, azaz lejátszódik a nemesítés folyamata.

Gyakran lehet hallani az ilyen sínek megnevezésére, hogy edzett fejű sínek. Szerintem ez módosításra szorul, a helyes kifejezés, ami a ténylegesen lejátszódó hőkezelési folyamatoknak, az előbbiekben leírtak alapján megfelel: nemesített fejű sín.

Kész sínek komplex vizsgálata

A gyártástechnológia végső fázisaként a korszerű síngyártó üzemekben vizsgálati központokat működtetnek, ahol a kész sínek minden egyes cm2-ét átvizsgálják, a kész sín a gyártóművet csak a vizsgálati központon keresztül hagyhatja el. Az alkalmazott vizsgálati módszereket a 6. ábra mutatja.
A profil- és hosszúságmérés jelentősen megváltozott, a geometriai vizsgálatok lézeres elven működnek, pontosságuk meghaladja a gyártástechnológiából adódó elvárásokat.
A sínek felületi vizsgálatának egyik módja, hogy a sín felületét egyszerre két színnel világítják meg, így a felületi kidudorodások olyan kontúros árnyékot képeznek, melyek nagy pontossággal megmutatják az adott hiba jellemző paramétereit. A sínek felületvizsgálatának másik módja az örvényáramos vizsgálat, ezzel a sín felületéhez közeli repedések kimutatására nyílik lehetőség.
A vizsgálati központokban egyenességvizsgáló állomás is van. A sínek egyenességével kapcsolatos lényeges előírás, amit az MSZ EN 13674-1:2011 szabvány is előír, hogy a modern síngyártó üzemekben csak külön vízszintes és külön függőleges irányban egyengető gépeket szabad alkalmazni. Az esetleges belső repedések, anyagfolytonossági hibák kimutatására szolgáló módszert is alkalmaznak a vizsgálati központokban. A módszer a vasúti körökben is igen jól ismert ultrahangos technológia.
A sínek egyenességével kapcsolatban szeretnék felvetni egy első közelítésben ide nem illő kérdést: Miért szűnt meg a diósgyőri síngyártás? A Lenin Kohászati Művekben az 1970-es években kísérleti jelleggel gyártottak 60 rendszerű síneket. A sínek egyenességével komoly problémák voltak, a rendelkezésre álló egyengető géppel nem sikerült a kívánt egyenességet elérni, és ez első figyelmeztető jelként is értelmezhető volt. A diósgyőri síngyártás esetében az acélmetallurgiai oldalról adottak voltak a feltételek, a hengerműben komoly pénzeszközöket igénylő beruházásokat kellett volna megvalósítani, illetve a helyi adottságok miatt szinte megoldhatatlan feladatnak látszott, hogy hogyan lehetne beindítani a hegesztés nélkül 24 m-esnél hosszabb sínek gyártását. A diósgyőri technológia lényegéhez tartozott, hogy a legvégén két 24 m-es sínt összehegesztettek, így a szállítási hossz max. 48 m volt, de ez még messze elmaradt a jelenleg világelsőnek mondható 120 m-es szállítási hossztól.