Рельсовая сталь

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, никель, ниобий, азот, серу, фосфор, медь и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,65-0,75, марганец 0,85-1,20, кремний 0,30-0,55, алюминий не более 0,005, ванадий от более 0,07 до 0,15, хром 0,40-0,95, никель 0,03-0,30, ниобий от более 0,05 до 0,15, азот 0,007-0,020, сера не более 0,02, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20, железо остальное. Повышается уровень механических свойств и надежность рельсов против хрупких разрушений. 2 табл.

 

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

Известна рельсовая сталь [1], 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

Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов, обусловленная недостаточной чистотой стали по неметаллическим включениям.

Известна также рельсовая сталь [2], содержащая (мас.%):

углерод	0,74-0,82
марганец	0,75-1,15
кремний	0,40-0,80
алюминий	не более 0,005
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,80
никель	не более 0,20
медь	не более 0,20
железо	остальное

Основным недостатком данной стали является недостаточный уровень механических свойств и соответственно повышенная хрупкость рельсов при эксплуатации.

В качестве прототипа выбрана сталь [3], содержащая (в мас.%):

углерод	0,60-1,20
марганец	0,10-1,50
кремний	0,10-1,20
алюминий	не более 0,1
ванадий	0,005-0,07
хром	≤1,0
никель	≤2,0
ниобий	≤0,05
азот	0,005-0,025
сера	≤0,02
фосфор	≤0,015
медь	≤2,0
железо	остальное

Недостатком указанной стали являются широкие концентрационные пределы по химическим элементам, которые не позволят получить на рельсах в горячекатаном состоянии требуемый уровень механических свойств.

Желаемым техническим результатом изобретения является достижение требуемого уровня механических свойств и надежности рельсов против хрупких разрушений.

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

углерод	0,65-0,75
марганец	0,85-1,20
кремний	0,30-0,55
алюминий	не более 0,005
ванадий	от более 0,07 до 0,15
хром	0,40-0,95
никель	0,03-0,30
ниобий	от более 0,05 до 0,15
азот	0,007-0,020
сера	не более 0,02
фосфор	не более 0,025
медь	не более 0,20
железо	остальное

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Выбранные пределы по содержанию углерода обеспечивают сбалансированное соотношение твердости, прочности и пластичности рельсов в горячекатаном состоянии. При содержании менее 0,65% снижается прочность и твердость рельсов, что неблагоприятно сказывается на их износостойкости при эксплуатации. При содержании более 0,75% снижаются пластические свойства рельсовой стали.

Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в горячекатаном состоянии. При снижении концентрации кремния менее 0,30% наблюдается снижение указанных показателей. При повышении концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность снижения пластических характеристик стали.

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, дальнейшее увеличение его концентрации более 1,20% приводит к снижению пластичности стали.

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 0,95% снижаются пластические свойства горячекатаной рельсовой стали.

Введение азота в пределах 0,007-0,020% при наличии в стали ниобия в выбранных пределах 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 содержании азота менее 0,007% невозможно измельчения зерна и, соответственно, не обеспечивается необходимое улучшение свойств стали, а более 0,020% приводит к получению нерастворившегося азота и возможному образованию недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота, ванадия и ниобия обеспечивают измельчение зерна (в том числе и при отрицательных температурах) за счет образования карбонитридов.

Введение ниобия в заявляемых пределах обеспечивает наряду с ванадием получение однородной мелкозернистой структуры. Его содержание до 0,05% включительно не оказывает положительного влияния на ударную вязкость, а при концентрации более 0,15% структура рельсов имеет неоднородное строение.

Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением пластических свойств стали, дальнейшее повышение концентрации никеля экономически нецелесообразно.

Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки.

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 механических свойств рельсов в горячекатаном состоянии приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав приводит к измельчению зерна и повышению уровня механических свойств по сравнению с прототипом, что обеспечивает надежность рельсов против хрупких разрушений.

Таблица 1
Химический состав стали
Состав	C	Si	Mn	Cr	V	Al	N	Nb	Ni	S	Р	Cu	Fe
1	0,65	0,30	0,85	0,70	0,05	0,002	0,007	0,001	0,03	0,005	0,010	0,09	ост.
2	0,70	0,48	0,90	0,40	0,09	0,005	0,010	0,002	0,14	0,008	0,007	0,04	ост.
3	0,70	0,40	0,89	0,49	0,12	0,005	0,012	0,004	0,30	0,006	0,019	0,07	ост.
4	0,67	0,55	1,20	0,75	0,08	0,001	0,020	0,005	0,28	0,005	0,025	0,10	ост.
5	0,75	0,34	1,06	0,95	0,11	0,003	0,016	0,12	0,30	0,014	0,018	0,20	ост.
6	0,66	0,61	1,15	0,95	0,15	0,004	0,016	0,006	0,20	0,020	0,021	0,09	ост.
Э76ХСФ по ГОСТ Р 51685 2000	0,74-0,82	0,40-0,80	0,75-1,15	0,40-0,60	0,03-0,15	≤0,005	-	-	≤0,15	≤0,025	≤0,025	≤0,15	ост.

Таблица 2
Механические свойства горячекатаных рельсов
Вариант	σт	σв	δ5	ψ	Твердость	Величина зерна
	Н/мм2	%	НВ10	НВ22	НВш	НВпод	НВпкг	балл
1	760	1000	13	25	395	375	352	352	401	6-7
2	790	1010	12	23	388	375	351	341	388	7
3	980	1093	12	23	401	388	341	341	409	7-8
4	960	1091	11	22	388	375	352	341	388	7
5	890	1072	10	25	388	363	341	341	388	6-7
6	890	1092	10	21	401	375	352	341	401	8
Прототип Э76ХСФ по ГОСТ Р 51685 2000	650	980	7	14	311	302	321	341	5-6
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.

Список источников

1. Патент РФ № 2291221 С1.

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

3. Патент JP 2005-146346 А.

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, никель, ниобий, азот, серу, фосфор, медь и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,65-0,75
марганец	0,85-1,20
кремний	0,30-0,55
алюминий	не более 0,005
ванадий	от более 0,07 до 0,15
хром	0,40-0,95
никель	0,03-0,30
ниобий	от более 0,05 до 0,15
азот	0,007-0,020
сера	не более 0,02
фосфор	не более 0,025
медь	не более 0,20
железо	остальное