Рельсовая сталь

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству стали для железнодорожных рельсов. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, никель, медь, кальций, алюминий, ниобий, азот, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,75-0,90, марганец 0,75-1,25, кремний 0,25-0,65, ванадий 0,03-0,15, хром 0,20-0,60, никель не более 0,30, медь не более 0,30, кальций 0,0004-0,003, ниобий 0,001-0,12, алюминий не более 0,005, азот 0,007-0,020, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит серу - не более 0,020% и фосфор - не более 0,025%. Повышается комплекс физико-механических свойств и эксплуатационная стойкость рельсов. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов повышенной износостойкости и с высоким сопротивлением усталостному разрушению.

Известна сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):

1. 0,69-0,82 С; 0,45-0,65 Si; 0,6-0,9 Mn; 0,004-0,011 N; 0,005-0,009 Ti; 0,005-0,009 Al; 0,02-0,10 V; 0,0005-0,004 Са; 0,0005-0,005 Mg; 0,15-0,4 Cr; Fe - ост. [1].

Существенным недостатком данной стали является недостаточное сопротивление рельсовой стали хрупкому разрушению, обусловленное наличием сложных оксидных неметаллических включений, содержащих кальций, магний, титан, алюминий.

Также известна сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):

2. 0,65-0,89 С; 0,18-0,65 Si; 0,6-1,2 Mn; 0,01-0,10 V; 0,001-0,03 Ti; 0,005-0,02 Al; 0,004-0,03 N; 0,0004-0,005 Са; 0,05-0,4 Cr; 0,003-0,1 Mo; Fe - ост. [2].

Существенным недостатком данной стали является недостаточная ударная вязкость, полученная на рельсах, термически упрочненных с температуры прокатного нагрева, за счет образования избыточного количества карбонитридов титана, а также повышенной загрязненности стали оксидными включениями, содержащими алюминий и кальций.

Известна также сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):

3. 0,65-0,8 С; 0,18-0,40 Si; 0,6-1,2 Mn; 0,001-0,01 Zr; 0,005-0,04 Al; 0,004-0,011 N, один элемент из группы, содержащей Са и Mg 0,0005-0,015; 0,004-0,040 Nb; 0,05-0,3 Cu; Fe - ост. [3].

Недостатком данной стали является повышенное количество алюминия и циркония, которые приводят к загрязнению рельсовой стали сложными глинозем - и цирконийсодержащими включениями, снижающими уровень ударной вязкости, стойкость против хрупких разрушений.

Известна также рельсовая сталь марки Э76Ф [4], содержащая (мас.%):

углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,15
кремний	0,25-0,60
ванадий	0,03-0,15
хром	не более 0,20
никель	не более 0,20
медь	не более 0,20
железо	остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая ударная вязкость рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке с температуры прокатного нагрева.

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

Для достижения этого сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, никель, медь, железо, отличается тем, что она дополнительно содержит кальций, алюминий, ниобий и азот при следующем соотношении компонентов (мас.%):

углерод	0,75-0,90
марганец	0,75-1,25
кремний	0,25-0,65
ванадий	0,03-0,15
хром	0,20-0,60
никель	не более 0,30
медь	не более 0,30
кальций	0,0004-0,003
ниобий	0,001-0,12
алюминий	не более 0,005
азот	0,007-0,020
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 условий. Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости и износостойкости стали.

При содержании углерода менее 0,75% твердость на поверхности катания дифференцированно упрочненных рельсов сравнительно низкая и не превышает 363 НВ, на глубине 10 мм от поверхности катания -352 НВ.

При содержании углерода более 0,90% в осевой зоне шейки возрастает вероятность образования недопустимой цементитной сетки.

Повышение содержания кремния до 0,65% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающей повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые являются причиной снижения ударной вязкости.

Выбранное соотношение марганца и кремния обеспечивает необходимую прокаливаемость головки рельса при дифференцированной закалке. Выбранная концентрация марганца также способствует значительному измельчению зерна аустенита особенно в хромомарганцевой стали, уменьшает критическую скорость охлаждения.

При повышении содержания кремния более 0,65% и марганца более 1,25% возрастает вероятность образования недопустимых игольчатых структур с поверхности головки рельса при закалке.

Заявляемые концентрации никеля и хрома обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость головки рельсов. При увеличении содержания никеля более 0,30% и хрома более 0,60% в структуре головки рельса наблюдаются участки бейнита и мартенсита.

Введение ниобия в заявляемых пределах обеспечивает наряду с алюминием и ванадием получение гарантированной ударной вязкости стали. Его содержание до 0,001% не оказывает положительного влияния на ударную вязкость, а при концентрации более 0,12% структура рельсов имеет неоднородное строение.

Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали кальцием при концентрации 0,0004-0,003% обеспечивает получение высокочистого металла по включениям алюминатов, приводит к образованию глобулярных неметаллических включений, к уменьшению их размеров и количества. Однако введение кальция более 0,003% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и увеличивает стоимость стали. Кальций при концентрации менее 0,0004% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.

Применение ванадия в стали обусловлено тем, что он, как ниобий, увеличивает растворимость азота в металле, связывая его в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды ванадия), которые способствуют карбонитридному упрочнению стали. Ванадий повышает предел выносливости, способствует улучшению свариваемости. Однако без использования азота ванадий при концентрации более 0,15% снижает ударную вязкость стали. При концентрации менее 0,03% не сказывается положительного влияния ванадия на свойства стали.

Концентрация азота менее 0,007% в стали, содержащей менее 0,03% ванадия и менее 0,001% ниобия, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, ударной вязкости и измельчение зерна аустенита. При увеличении содержания ванадия, ниобия и азота в стали до заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих повышение прочностных свойств и ударной вязкости. Однако при повышении азота более 0,02% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).

Установленные ограничения по концентрации алюминия обусловлены необходимостью уменьшения загрязненности стали включениями корунда, снижающими контактно-усталостную прочность рельсов.

Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано с целью улучшения качества поверхности и повышения пластичности и вязкости стали. Кроме того, концентрация серы определяет красноломкость, фосфора - хладноломкость стали.

Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает получение высокопрочных, износостойких рельсов повышенной контактно-усталостной выносливости.

Сталь заявляемого состава (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали на рельсы типа Р65, которые подвергали дифференцированной воздухоструйной закалке. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость дифференцированно упрочненных рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсовой стали Э76Ф, выбранной в качестве прототипа. Повышение твердости, прочностных, пластических и вязкостных свойств рельсов увеличивает их износостойкость, контактно-усталостную прочность и надежность против хрупких разрушений.

Источники информации

1. А.с. СССР №1239164, М.кл. С22С 38/16, 1984 г.

2. А.с. СССР №1633008 А1, М.кл. С22С 38/28, 1991 г.

3. А.с. СССР №1435650, М.кл. С22С 38/16, 1987 г.

4. ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».

Таблица 1
Химический состав стали
Состав	Массовая доля элементов, %
	С	Mn	Si	V	Al	N	Cr	Ni	Cu	Nb	Са
1	0,75	0,75	0,31	0,03	0,005	0,007	0,20	0,05	0,20	0,001	0,0004
2	0,87	0,76	0,25	0,09	0,006	0,014	0,36	0,10	0,08	0,10	0,0008
3	0,85	0,85	0,30	0,12	0,004	0,017	0,60	0,22	0,06	0,009	0,0020
4	0,88	1,00	0,60	0,14	0,005	0,015	0,50	0,15	0,28	0,010	0,001
5	0,87	0,95	0,50	0,11	0,005	0,020	0,35	0,25	0,18	0,007	0,003
6	0,90	1,25	0,65	0,15	0,005	0,018	0,25	0,30	0,30	0,12	0,001
Сталь Э76Ф	0,71-0,82	0,75-1,15	0,25-0,60	0,03-0,15	-	-	≤0,20	≤0,20	≤0,20	-	-

Таблица 2
Механические свойства дифференцированно упрочненных рельсов
Вариант	σт	σв	δ5	ψ	Твердость	KCU, Дж/см2
	Н/мм2	%	НВ10	НВ22	НВш	НВпод	НВпкг	+20°С
1	960	1300	13	35	395	375	352	352	401	29; 27
2	990	1352	12	33	388	375	351	341	388	27; 23
3	980	1393	12	33	401	388	341	341	409	25; 25
4	1029	1391	11	32	388	375	352	341	388	24; 32
5	1009	1372	10	31	388	363	341	341	388	25; 29
6	1049	1392	10	31	401	375	352	341	401	24; 31
Сталь Э76Ф	880	1180	8	25	≥341	≥321	≤388	341-401	25
Примечание: НВпкг- твердость на поверхности катания головки рельса;
НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм;
НВш - твердость в шейке;
НВпод - твердость в подошве.

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, никель, медь, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций, алюминий, ниобий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,75-0,90
марганец	0,75-1,25
кремний	0,25-0,65
ванадий	0,03-0,15
хром	0,20-0,60
никель	не более 0,30
медь	не более 0,30
кальций	0,0004-0,003
ниобий	0,001-0,12
алюминий	не более 0,005
азот	0,007-0,020
железо и примеси	остальное,

при этом в качестве примесей она содержит серу не более 0,020%, фосфор не более 0,025%.