Рельсовая сталь
Владельцы патента RU 2397271:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС (ИрИИТ)) (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для движения в кривых участках малого радиуса в условиях Сибири и Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, цирконий, церий, железо и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,75-0,90, марганец 0,70-1,25, кремний 0,25-0,55, алюминий не более 0,005, кальций 0,0001-0,005, азот 0,006-0,015, ванадий 0,05-0,15, стронций 0,0001-0,001, медь 0,03-0,30, никель 0,03-0,30, хром 0,03-0,30, барий 0,0001-0,001, цирконий 0,0001-0,001, церий 0,0001-0,001, железо и примеси - остальное. В качестве примесей сталь содержит не более 0,020 мас.% серы и не более 0,025 мас.% фосфора. Повышается износостойкость рельсов при отрицательных температурах и повышается чистота стали по неметаллическим включениям. 3 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для движения в кривых участках малого радиуса в условиях Сибири и Крайнего Севера.
Известна рельсовая сталь [1], содержащая (в мас.%):
| углерод | 0,65-0,85 |
| марганец | 0,6-1,2 |
| кремний | 0,25-0,45 |
| алюминий | 0,005-0,012 |
| кальций | 0,002-0,020 |
| азот | 0,006-0,015 |
| ванадий | 0,01-0,07 |
| стронций | 0,002-0,030 |
| медь | 0,05-0,80 |
| барий | 0,001-0,030 |
| цирконий | 0,005-0,020 |
| железо | остальное |
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов, обусловленная недостаточной износостойкостью и чистотой стали по неметаллическим включениям.
Известная также рельсовая сталь[2], содержащая (мас.%):
| углерод | 0,83-0,95 |
| марганец | 0,60-1,1 |
| кремний | 0,30-0,70 |
| ванадий | 0,008-0,15 |
| алюминий | не более 0,005 |
| азот | 0,012-0,020 |
| кальций | 0,0005-0,005 |
| хром | 0,05-0,50 |
| хром | не более 0,15 |
| молибден | 0,11-0,3 |
| никель | 0,05-0,30 |
один из элементов, выбранных из группы, включающей цирконий и РЗМ:
| цирконий | 0,0005-0,005 |
| РЗМ | 0,0005-0,005 |
| железо и примеси | остальное |
Основным недостатком данной стали является повышенная хрупкость рельсов в зоне болтовых отверстий из-за образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.
В качестве наиболее близкого аналога авторами принята за прототип рельсовая сталь [3], содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: содержащая углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,1, кремний 0,4-0,6, алюминий не более 0,005, кальций 0,0001-0,005, азот 0,005-0,02, ванадий 0,05-0,15, стронций 0,0001-0,005, медь не более 0,15, никель 0,03-0,2, хром 0,7-1,2, барий 0,0001-0,005, железо и примеси - остальное.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям и износостойкости рельсов при отрицательных температурах применительно к условиям Сибири и Крайнего Севера.
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и церий при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
| углерод | 0,75-0,90 |
| марганец | 0,70-1,25 |
| кремний | 0,25-0,55 |
| алюминий | не более 0,005 |
| кальций | 0,0001-0,005 |
| азот | 0,006-0,015 |
| ванадий | 0,05-0,15 |
| стронций | 0,0001-0,001 |
| медь | 0,03-0,30 |
| никель | 0,03-0,30 |
| хром | 0,03-0,30 |
| барий | 0,0001-0,001 |
| цирконий | 0,0001-0,001 |
| церий | 0,0001-0,001 |
| железо | остальное |
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок:
Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение твердости и износостойкости рельсов исключая вероятность образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.
Увеличение марганца до 1,25% повышает сопротивление износу и прочностные свойства рельсовой стали. При снижении марганца менее 0,70% снижаются указанные параметры.
Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в термоупрочненном состоянии. При снижении кремния менее 0,25% наблюдается резкое снижение данных параметров. Повышение концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность образования игольчатой микроструктуры с поверхности объемно-закаленных рельсов.
Содержание алюминия выбрано исходя из, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.
Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости стали хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,006% невозможно измельчения 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.
Ограничение концентрации меди, хрома, никеля, фосфора и серы обусловлено улучшением качества поверхности рельсов.
Совместное введение стронция, церия, 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 0,001% кальция, бария, стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, и вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивается повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.
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 рельсы подвергались термической обработке путем объемной закалки в масле. Результаты замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью стандартного производства [4], близкой к используемому прототипу, приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в термообработанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф стандартного производства приведены в таблице 3. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение уровня прочности и твердости рельсов.
Список источников
1. Патент РФ №2161210 С1.
2. Патент РФ №2259416 С2.
3. RU 2291218 С1, С22С 38/24.
4. ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Технические условия.
| Таблица 1 | |||||||||||||||||
| Химический состав стали | |||||||||||||||||
| Состав | С | Si | Mn | Cr | V | AI | N | Ca | Ba | Се | Sr | Ni | Zr | S | P | Си | Fe |
| 1 | 0,75 | 0,30 | 0,75 | 0,05 | 0,05 | 0,002 | 0,005 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,03 | 0,001 | 0,005 | 0,011 | 0,10 | ост. |
| 2 | 0,85 | 0,28 | 0,70 | 0,03 | 0,09 | 0,005 | 0,010 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 | 0,0001 | 0,14 | 0,0001 | 0,008 | 0,017 | 0,04 | ост. |
| 3 | 0,80 | 0,40 | 0,89 | 0,06 | 0,12 | 0,003 | 0,014 | 0,0008 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0008 | 0,30 | 0,0005 | 0,006 | 0,009 | 0,17 | ост. |
| 4 | 0,87 | 0,53 | 1,25 | 0,08 | 0,08 | 0,001 | 0,015 | 0,0009 | 0,0004 | 0,0008 | 0,0009 | 0,28 | 0,0004 | 0,005 | 0,020 | 0,10 | ост. |
| 5 | 0,79 | 0,44 | 1,06 | 0,10 | 0,11 | 0,002 | 0,012 | 0,001 | 0,0009 | 0,0007 | 0,0006 | 0,15 | 0,0001 | 0,014 | 0,017 | 0,25 | ост. |
| 6 | 0,90 | 0,55 | 1,15 | 0,05 | 0,14 | 0,004 | 0,010 | 0,0003 | 0,001 | 0,0002 | 0,0005 | 0,30 | 0,0004 | 0,025 | 0,021 | 0,30 | ост. |
| Э76Ф | 0,71-0,82 | 0,25-0,60 | 0,75-1,15 | н.б. 0,020 | 0,03-0,15 | н.б. 0,020 | - | - | - | - | - | н.б. 0,020 | - | н.б. 0,025 | н.б. 0,025 | н.б. 0,020 | ост. |
| Таблица 2 | ||||
| Длина строчки неметаллических включений | ||||
| Сталь | Максимальная длина строчечных включений, мм | |||
| Глинозем | Глинозем, сцементированный силикатами | Нитриды титана | Хрупкоразрушенные сложные окислы | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0,15 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 0,10 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 0 | 0 | 0 | 0,08 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э76Ф категории Н | - | - | - | н.б. 2,0 |
| Таблица 3 | ||||||
| Механические свойства стали | ||||||
| Состав | Предел текучести, Н/мм2 | Предел прочности, Н/мм2 | Относительное удлинение, % | Относительное сужение, % | KCU ударная вязкость, Дж/см2 | |
| +20°С | -60°С | |||||
| 1 | 1020 | 1330 | 18 | 48 | 0,57 | 0,27 |
| 2 | 1000 | 1340 | 18 | 45 | 0,48 | 0,30 |
| 3 | 1100 | 1390 | 20 | 40 | 0,48 | 0,28 |
| 4 | 1110 | 1460 | 22 | 48 | 0,32 | 0,38 |
| 5 | 1090 | 1440 | 33 | 48 | 0,53 | 0,29 |
| 6 | 1110 | 1430 | 30 | 48 | 0,57 | 0,31 |
| Э76Ф | - | н.м. 1180 |
н.м. 8 |
н.м. 25 |
н.м. 0,15 |
- |
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,75-0,90 |
| марганец | 0,70-1,25 |
| кремний | 0,25-0,55 |
| алюминий | не более 0,005 |
| кальций | 0,0001-0,005 |
| азот | 0,006-0,015 |
| ванадий | 0,05-0,15 |
| стронций | 0,0001-0,001 |
| медь | 0,03-0,30 |
| никель | 0,03-0,30 |
| хром | 0,03-0,30 |
| барий | 0,0001-0,001 |
| цирконий | 0,0001-0,001 |
| церий | 0,0001-0,001 |
| железо и примеси | остальное, |
при этом в качестве примесей она содержит не более 0,020 мас.% серы и не более 0,025 мас.% фосфора.
