Рельсовая сталь

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. Предложена рельсовая сталь, содержащая в мас.%: углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,05 кремний 0,30-0,60, алюминий не более 0,005, азот 0,005-0,015, ванадий 0,05-0,15, хром 0,40-0,80, никель 0,03-0,30, кальций 0,0001-0,005, барий 0,0001-0,005, железо - остальное, при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов.

Известна рельсовая сталь марки Э76Ф [1], содержащая (в мас.%):

углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,05
кремний	0,25-0,45
ванадий	0,03-0,15
хром	не более 0,15
никель	не более 0,15
медь	не более 0,15
железо	- остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая стойкость железнодорожных рельсов без термической обработки и необходимость термообработки стали для повышения эксплуатационных свойств.

Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):

углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,05
кремний	0,45-0,80
алюминий	0,005-0,015
азот	0,0005-0,015
ванадий	0,03-0,09
хром	0,35-0,70
никель	0,03-0,20
железо	- остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости.

Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, кальций, барий, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, дополнительно содержит хром и никель при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,05
кремний	0,30-0,60
алюминий	не более 0,005
азот	0,005-0,015
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,80
никель	0,03-0,30
кальций	0,0001-0,005
барий	0,0001-0,005
железо	- остальное

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь не более 0,20%.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок:

Увеличение кремния до 0,60% повышает пределы текучести и прочности, при снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров.

Концентрация хрома выбрана исходя из обеспечения высокого сопротивления износу и высоких прочностных свойств, при этом снижение концентрации хрома менее 0,40% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути, а при повышении концентрации более 0,80% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.

Содержание алюминия выбрано исходя, с одной стороны, из получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.

Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и обеспечивает образование дисперсного тонкопластинчатого перлита, имеющего хорошее сочетание прочности, пластичности и вязкости. Поскольку марганец смещает точку фазовых превращений к более низким температурам, с дальнейшим увеличением его концентрации более 1,05% в стали с высоким содержанием углерода возрастает вероятность образования недопустимой структуры верхнего бейнита.

Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,005% невозможно измельчение зерна и соответственно не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,015% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.

Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением уровня ударной вязкости при отрицательных температурах, при дальнейшем повышении концентрации никеля возможно получение недопустимых бейнитных структур.

Введение кальция и бария позволяет модифицировать источники концентраторов напряжений - неметаллические включения, исключить образование «опасных» включений глинозема, повысить чистоту стали по оксидным и сульфидным включениям, обеспечить образование глобулярных включений и исключить образование строчечных включений алюминатов. При введении более 0,005% кальция (или бария) в сталь возможно получение грубых барий- кальцийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, вследствие чего снижаются физико-механические свойства стали.

Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.

Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку железнодорожных рельсов типа Р65. После прокатки рельсов термообработка не проводилась. Результаты испытаний механических свойств в горячекатанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали по всему спектру контролируемых физико-механических параметров.

Источники информации

1. А.С.Зубченко. Марочник сталей и сплавов - М.: Машиностроение, 2003. - 713 с.

2. Патент РФ №2131946, С 22 С 38/46.

Таблица 1. Химический состав стали
Состав	С	Si	Mn	Cr	V	Al	N	Са	Ва	Ni	S	P	Cu	Fe
1	0,71	0,30	0,75	0,40	0,05	0,002	0,005	0,0001	0,003	0,03	0,005	0,015	0,05	ост
2	0,76	0,48	0,82	0,40	0,09	0,005	0,012	0,003	0,0001	0,14	0,008	0,009	0,06	ост
3	0,71	0,40	0,76	0,42	0,13	0,005	0,010	0,004	0,003	0,30	0,006	0,019	0,07	ост
4	0,88	0,53	0,89	0,75	0,10	0,001	0,012	0,002	0,004	0,28	0,005	0,025	0,12	ост
5	0,75	0,34	1,03	0,79	0,11	0,003	0,015	0,005	0,003	0,15	0,014	0,018	0,15	ост
6	0,82	0,60	1,05	0,80	0,15	0,004	0,016	0,005	0,005	0,20	0,020	0,023	0,20	ост
прототип
Э76Ф по ГОСТ Р 516852000	0,71-0,82	0,25-0,45	0,75-1,05	≤0,15	0,03-0,15	≤0,020	-	-		≤0,15	≤0,030	≤0,025	≤0,15	ост

Таблица 2 Механические свойства стали
Состав	Предел текучести, Н/мм2	Предел прочности, Н/мм2	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	KCU ударная вязкость, Дж/см2
+2°С	-60°С
1	1200	1330	10	32	0,38	0,28
2	1110	1480	11	31	0,45	0,34
3	1100	1390	15	38	0,48	0,45
4	1210	1550	12	37	0,38	0,38
5	1220	1450	17	32	0,46	0,40
6	900	1350	19	31	0,47	0,36
прототип Э76Ф	880-1200	1350-1550	10-17	30-34	0,33-0,44	0,18-0,35

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, кальций, барий, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хром и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,71-0,82
Марганец	0,75-1,05
Кремний	0,30-0,60
Алюминий	Не более 0,005
Азот	0,005-0,015
Ванадий	0,05-0,15
Хром	0,40-0,80
Никель	0,03-0,30
Кальций	0,0001-0,005
Барий	0,0001-0,005
Железо	Остальное

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера не более 0,020, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20.