Рельсовая сталь
Владельцы патента RU 2449045:
Открытое акционерное общество "Новокузнецкий металлургический комбинат" (RU)
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, хром, никель, азот, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,77-0,84, марганец 0,90-0,95, кремний 0,20-0,35, ванадий 0,06-0,10, алюминий не более 0,004, азот 0,010-0,018, хром не более 0,15, никель не более 0,15, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит, в мас.%: серу не более 0,015, фосфор не более 0,020, медь не более 0,20 и кислород не более 0,0018. Повышаются прочностные свойства стали, пластичность и хладостойкость за счет образования дисперсной структуры сорбита закалки и повышения чистоты стали по неметаллическим включениям. 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для производства железнодорожных рельсов.
Известна рельсовая перлитная сталь [1], содержащая 0,71-0,82% С; 0,75- 1,05% Мn; 0,25-0,60% Si; 0,05-0,15% V; не более 0,025% Р; не более 0,030% S; не более 0,02% А1.
Создание высокопрочных рельсов с временным сопротивлением более 1300 Н/мм2 и относительное удлинение не менее 12,0%, имеющих повышенную эксплуатационную надежность и высокую сопротивляемость образованию дефектов, предполагает однородную перлитную структуру, обеспечить которую при объемной закалке в масле при указанном широком интервале концентраций химических элементов затруднительно.
Известны стали, имеющие следующий химический состав (мас.%):
- 0,65-0,8 С; 0,18-0,40 Si; 0,6-1,2 Мn; 0,001-0,01 Zr; 0,005-0,04 А1; 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; Fe - ocт.[2].
-0,69-0,82 С; 0,45-0,65 Si; 0,6-0,9 Мn; 0,004-0,011 N; 0,005-0,009 Ti; 0,005-0,009 Al; 0,02-0,10 V; 0,0005-0,004 Ca; 0,0005-0,005 Mg; 0,15-0,4 Cr; Fe - ост.[3].
Существенными недостатками данных сталей являются низкая ударная вязкость и хладостойкость, пониженная надежность и эксплуатационная стойкость.
В стали [2] это определяется отсутствием ванадия и низким содержанием азота. Она имеет сравнительно крупное зерно аустенита (баллы 7-8). Высокое содержание алюминия в ней приводит к загрязнению ее грубыми строчечными включениями глинозема, значительно снижающими контактно-усталостную прочность рельсов.
Указанные недостатки стали [3] связаны с наличием в ней титана, низким содержанием ванадия и азота. Образующиеся в жидкой стали при ее охлаждении карбонитриды титана резко снижают ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению рельсов.
Сравнительно низкое содержание ванадия и азота не обеспечивает образование требуемого количества нитридов алюминия и карбонитридов ванадия, необходимых для измельчения аустенитного зерна и одновременного повышения прочностных свойств и хладостойкости стали. Аустенитное зерно в этой стали сравнительно крупное и составляет баллы 7-8.
Известна сталь [4], содержащая 0,65-0,89% С; 0,18-0,65% Si; 0,6-1,2% Мn; 0,004-0,030% N; 0,005-0,02% А1; 0,0004-0,005% Са; 0,01-0,10% V; 0,001-0,03% Ti; 0,05-0,4% Сr; 0,003-0,1% Мо; карбонитриды ванадия 0,005-0,08%; при этом Са и А1 находятся в соотношении 1:(4-13); е - остальное.
Существенными недостатками стали являются низкая ударная вязкость, повышенная склонность к хрупкому разрушению и пониженная эксплуатационная стойкость, что обусловлено наличием титана в стали, низким содержанием ванадия, высокой концентрацией алюминия. Образующиеся карбонитриды титана резко снижают ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению.
Низкая концентрация ванадия не обеспечивает образование требуемого количества карбонитридов ванадия, необходимого для дополнительного измельчения зерна и повышения прочностных свойств и хладостойкости стали.
Применение большого количества алюминия для раскисления стали совместно с кальцием приводит к загрязнению ее скоплениями алюминатов кальция, богатых глиноземом, снижающих контактно-усталостную прочность.
Наличие в стали серы и фосфора в больших количествах приводит к повышению соответственно красно- и хладноломкости стали.
Известна выбранная в качестве прототипа сталь [5], содержащая (мас.%): 0,78-0,88 С; 0,75-1,05 Мn; 0,25-0,45 Si; 0,03-0,15 V; не более 0,02 Аl; не более 0,020 Р; не более 0,015 S.
Рельсы, изготовленные из стали Э83Ф, подвергаются объемной закалке в масле при пониженной температуре и последующему отпуску.
Существенными недостатками стали являются повышенная склонность к хрупкому разрушению.
Высокое содержание алюминия в стали приводит к загрязнению ее строчными включениями глинозема, которые резко снижают контактно-усталостную прочность и эксплуатационную стойкость рельсов.
Желаемым техническим результатом изобретения является образование дисперсной структуры сорбита закалки, повышение прочностных свойств, пластичности, хладостойкости, чистоты стали по неметаллическим включениям.
Для достижения этого сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, дополнительно содержит хром, никель, азот при следующем соотношении компонентов (мас.%):
| углерод | 0,77-0,84 |
| марганец | 0,90-0,95 |
| кремний | 0,20-0,35 |
| ванадий | 0,06-0,10 |
| алюминий | не более 0,004 |
| азот | 0,010-0,018 |
| хром | не более 0,15 |
| никель | не более 0,15 |
Кроме того, в ее составе дополнительно ограничено количество примесей в следующем соотношении (мас.%):
| серы | не более 0,015 |
| фосфора | не более 0,020 |
| меди | не более 0,20 |
| кислород | не более 0,0018 |
Заявляемый химический состав выбран исходя из следующих условий. Выбранное содержание углерода обеспечивает при объемной закалке однородную структуру сорбита закалки с временным сопротивлением разрыву более 1300 Н/мм2, относительным удлинением более 0,12% и сужением более 35%.
При содержании углерода менее 0,77% не обеспечивается требуемый уровень механических свойств.
Рельсы из стали, содержащей более 0,84% С, имеют пониженную ударную вязкость при минус 60°С (0,15 МДж/м2). Введение Mn, V, Сr связано также с необходимостью повышения вязкости и износостойкости стали при рабочем контакте колесо-рельс.
Повышение содержания кремния связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающей повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые снижают ударную вязкость.
Выбранное соотношение Mn, Si, Ni, Сr в стали, содержащей 0,77-0,84% С, обеспечивает снижение температуры превращения аустенита и получение более дисперсной структуры сорбита закалки.
Снижение содержания марганца по сравнению с прототипом обусловлено введением в сталь достаточных количеств хрома для увеличения прокаливаемости и сопротивления ее износу. При этом заявляемые концентрации Ni и Сr исключают образование в микроструктуре верхнего бейнита, который не допускается в рабочей части головки рельса. Однако при содержании углерода 0,77-0,84% и высокой концентрации марганца (>0,95%) в структуре термоупрочненных рельсов наблюдаются участки верхнего бейнита.
В итоге заявляемые содержания Мn, Si, Cr, Ni обеспечивают требуемое снижение температуры превращения аустенита и образование структуры дисперсного сорбита закалки, который имеет более высокие механические свойства, твердость и износостойкость.
Положительное влияние малых добавок хрома в том, что он, образуя карбиды, увеличивает сопротивление износу. В присутствии хрома увеличивается способность Мn и V сдерживать рост зерна аустенита.
Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает наряду с алюминием и ванадием получение гарантированной ударной вязкости стали при положительных и отрицательных температурах. Его содержание до 0,15% оказывает положительное влияние на ударную вязкость, а при концентрации более 0,15% возможно получение недопустимой в рельсах структуры недопустимого верхнего бейнита.
Снижение содержания алюминия до 0,004% и кислорода менее 0,0018% обеспечивает повышение чистоты металла по включениям алюминатов, приводит к уменьшению их размеров и количества. Содержание алюминия более 0,004% и кислорода более 0,0018% приводит к загрязнению стали строчками неметаллических включений больших размеров.
Применение ванадия в стали обусловлено тем, что он, как Сr и Мn, увеличивает растворимость азота в металле, связывая его в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды ванадия), которые измельчают зерно аустенита и снижают склонность его к росту при нагреве.
Введение V, N в заявляемых пределах в сталь приводит к измельчению зерна аустенита до баллов 9-12 и снижению склонности его к росту при нагреве за счет образования дисперсных частиц карбонитридов ванадия, к повышению прочностных и вязкостных свойств и сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Однако без использования азота ванадий при больших концентрациях (>0,1%) снижает ударную вязкость, увеличивает хладноломкость стали. Ванадий повышает предел выносливости, способствует улучшению свариваемости.
В стали, содержащей не менее 0,010% N, оптимальная концентрация ванадия составляет 0,06-0,10%. Нижний предел содержания ванадия в стали выбран потому, что он начинает измельчать зерно при концентрации более 0,06%. Верхний предел содержания ванадия установлен исходя из того, что при увеличении его концентрации выше 0,10% относительная доля азота в карбонитриде ванадия падает, образуется карбонитрид, близкий по составу к карбиду ванадия, который снижает ударную вязкость.
Концентрация азота менее 0,010% в стали, содержащей менее 0,06% ванадия, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, ударной вязкости при минус 60°С и измельчение зерна аустенита. При увеличении содержания ванадия и азота в стали до заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих повышение прочностных свойств и хладостойкости. Однако при повышении азота более 0,018% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).
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, износо- и хладостойких троститных рельсов повышенной контактно- усталостной выносливости при объемной закалке в масле с последующим отпуском.
Сталь заявляемого состава (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали по обычной технологии на рельсы типа Р65, которые подвергали закалке в масле с температуры 800-820°С и отпуску при 460°С. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость объемно-закаленных рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсов из стали Э83Ф [4]. Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает также высокий уровень пластических свойств и высокое сопротивление хрупкому разрушению (KCU-60°C≥0,2 МДж/м2). Повышение твердости, прочностных, пластических и вязкостных свойств рельсов увеличивает их износо- и хладостойкость, контактно-усталостную прочность и эксплуатационную надежность.
Список источников, принятых во внимание при экспертизе
1. ГОСТ Р 51685-2000 "Рельсы железнодорожные. Общие технические условия".
2. А.с. СССР №1435650, М. кл. С22С 38/16, 1987 г.
3. А.с. СССР №1239164, М. кл. С22С 38/16, 1984 г.
4. Патент РФ №1633008, М. кл. С22С 38/16, 1989 г.
5. ТУ 0921-125-01124328-2001 "Рельсы железнодорожные повышенной износостойкости и контактной выносливости".
| Таблица 1 | ||||||||||||
| Химический состав стали | ||||||||||||
| Состав | Массовая доля элементов, % | |||||||||||
| С | Мn | Si | V | А1 | Сr | Ni | Сu | S | Р | N2 | O2 | |
| 1 | 0,77 | 0,90 | 0,31 | 0,06 | 0,004 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,006 | 0,007 | 0,012 | 0,0014 |
| 2 | 0,87 | 0,95 | 0,39 | 0,09 | 0,002 | 0,08 | 0,10 | 0,10 | 0,009 | 0,012 | 0,014 | 0,0014 |
| 3 | 0,83 | 0,95 | 0,30 | 0,10 | 0,004 | 0,15 | 0,12 | 0,12 | 0,006 | 0,017 | 0,017 | 0,0018 |
| 4 | 0,84 | 0,90 | 0,20 | 0,08 | 0,004 | 0,25 | 0,15 | 0,15 | 0,012 | 0,013 | 0,015 | 0,0014 |
| 5 | 0,81 | 0,95 | 0,30 | 0,07 | 0,002 | 0,11 | 0,15 | 0,15 | 0,006 | 0,010 | 0,020 | 0,0014 |
| 6 | 0,85 | 0,90 | 0,35 | 0,10 | 0,003 | 0,05 | 0,10 | 0,10 | 0,008 | 0,014 | 0,018 | 0,0013 |
| 7 | 0,78 | 0,91 | 0,31 | 0,08 | 0,003 | 0,06 | 0,05 | 0,05 | 0,013 | 0,010 | 0,013 | 0,0016 |
| 8 | 0,79 | 0,95 | 0,25 | 0,07 | 0,003 | 0,10 | 0,12 | 0,12 | 0,006 | 0,009 | 0,015 | 0,0013 |
| 9 | 0,80 | 0,93 | 0,21 | 0,06 | 0,002 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,010 | 0,011 | 0,018 | 0,0012 |
| 10 | 0,84 | 0,94 | 0,20 | 0,07 | 0,004 | 0,12 | 0,11 | 0,11 | 0,012 | 0,013 | 0,020 | 0,0014 |
| Прототип ТУ-0921-01124328-2001 Сталь Э83Ф |
0,78-0,88 | 0,75-1,05 | 0,25-0,45 | 0,03-0,15 | не более 0,02 | ≤0,15 | ≤0,15 | ≤0,20 | ≤0,025 | ≤0,25 | - | - |
| Таблица 2 | |||||||||||
| Механические свойства рельсов | |||||||||||
| Вариант | σт | σB | δ5 | ψ | Твердость | KCU, Дж/см2
при температуре, °С |
|||||
| Н/мм2 | % | НВ10 | НВ22 | НВш | НВпод | НВпкг | +20 | -60 | |||
| 1 | 900 | 1313 | 13 | 40 | 388 | 378 | 352 | 378 | 390 | 49;47 | 25; 26 |
| 2 | 930 | 1300 | 12 | 39 | 388 | 373 | 363 | 363 | 388 | 47;43 | 24; 28 |
| 3 | 980 | 1333 | 12 | 43 | 385 | 363 | 352 | 352 | 388 | 45;45 | 25; 25 |
| 4 | 980 | 1320 | 13 | 42 | 388 | 375 | 363 | 363 | 389 | 44;42 | 29; 24 |
| 5 | 950 | 1312 | 14 | 43 | 388 | 363 | 375 | 363 | 388 | 45;40 | 27; 28 |
| 6 | 890 | 1312 | 13 | 40 | 388 | 375 | 375 | 363 | 390 | 44;41 | 27; 26 |
| 7 | 920 | 1323 | 12 | 39 | 383 | 372 | 363 | 370 | 395 | 41;42 | 26; 27 |
| 8 | 980 | 1343 | 12 | 33 | 385 | 373 | 363 | 352 | 390 | 37;38 | 25; 27 |
| 9 | 990 | 1340 | 12 | 39 | 388 | 375 | 375 | 363 | 390 | 36;35 | 24; 25 |
| 10 | 1000 | 1350 | 12 | 43 | 388 | 375 | 375 | 363 | 401 | 36;35 | 23; 22 |
| прототип | 880 | 1274 | 7 | 26 | ≥352 | ≥341 | ≤401 | ≤401 | ≥363 | 0,2 | 0,15 |
| 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. |
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хром, никель, азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,77-0,84 |
| марганец | 0,90-0,95 |
| кремний | 0,20-0,35 |
| ванадий | 0,06-0,10 |
| алюминий | не более 0,004 |
| азот | 0,010-0,018 |
| хром | не более 0,15 |
| никель | не более 0,15 |
| железо | остальное |
при этом в ней дополнительно ограничено количество примесей при
следующем соотношении, мас.%:
| сера | не более 0,015 |
| фосфор | не более 0,020 |
| медь | не более 0,20 |
| кислород | не более 0,0018 |
