РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов, обладающих улучшенным комплексом свойств, включающих повышенную износостойкость и контактно-усталостную прочность.
Известна сталь [1], содержащая (мас.%): 0,6-1,20 С; 0,1-1,2 Si; 0,4-1,4 Mn; 0,005-0,030 N; 0,005-0,050 Аl; 015-0,070 Mo; 0,1-1,0 Cr; 0,005-0,070 V; 0,01-1,50 Ni; 0,004-0,050 Nb; 0,01-1,50 Cu; 0,0001-0,0100 Ti; 0,002-0,050 S; 0,0001-0,0050 B; 0,0005-0,020 Mg; Fe - ост.
Существенными недостатками указанной стали являются низкая ударная вязкость и контактно-усталостная прочность рельсов, обусловленные высоким содержанием алюминия в стали, который приводит к загрязнению ее грубыми строчечными включениями глинозема.
Известная также рельсовая сталь [2], содержащая (мас.%): 0,83-0,95 С; 0,3-0,7 Si; 0,6-1,1 Mn; 0,08-0,15 V; не более 0,005 Аl; 0,012-0,020 N; 0,0005-0,005 Са; 0,05-0,5 Сr; 0,11-0,3 Мо; 0,05-0,3 Ni; 0,0005-0,005 Zr; 0,0005-0,005 РЗМ; не более 0,015 S; 0,020 Р; 0,020 Сu; Fe - ост.
Основным недостатком стали является недостаточная износостойкость рельсов, обусловленная сравнительно низким содержанием углерода, марганца, кремния, хрома и молибдена.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [3], содержащая (мас.%): 0,85-1,20 С; 0,10-1,00 Si; 0,20-1,50 Mn; 0,50-1,00 Сr или 0,85-1,20 С; 0,40-1,00 Si; 0,20-0,40 Mn; 0,35-0,50 Сr, причем величина суммы показателей содержания Si/4+Mn/2+Cr составляет 0,8-1,8%; а также один или по меньшей мере два элемента, выбранных из группы, включающей Mo, V, Nb и В, примеси и Fe - ост.
Существенным недостатком данной стали является повышенная склонность к хрупкому разрушению и пониженная эксплуатационная стойкость.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств, износостойкости и контактно-усталостной прочности рельсов.
Для достижения этого сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, бор и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит никель, алюминий, азот, кальций при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углерод
0,85-1,30
кремний
0,10-1,20
марганец
0,20-1,60
хром
0,10-1,10
молибден
0,001-0,30
ванадий
0,03-0,15
ниобий
0,0001-0,005
бор
0,0003-0,002
никель
0,05-0,30
алюминий
не более0,005
азот
0,007-0,02
кальций
0,0005-0,005
железо и примеси
остальное,
при этом количество примесей ограничено в следующем соотношении (мас.%):
сера
не более 0,015
фосфор
не более 0,020
медь
не более 0,20
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.
Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости и износостойкости рельсовой стали. Переход к заэвтектоидным сталям приводит к уменьшению роста зерна аустенита по сравнению с доэвтектоидными сталями.
При содержании углерода более 1,3% значительно возрастает хрупкость рельсов.
Повышение содержания Si, Mn, Сr по сравнению с прототипом связано также с необходимостью повышения износостойкости заэвтектоидной стали при рабочем контакте колесо-рельс.
Повышение содержания кремния до 1,20% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающем повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые снижают ударную вязкость.
Увеличение концентрации марганца до 1,60% способствует повышению прокаливаемости стали, уменьшает критическую скорость охлаждения.
Молибден в указанных пределах обеспечивает получение дисперсной закаленной структуры, увеличивает прочностные свойства, твердость, ударную вязкость и сопротивление износу. Введение молибдена усиливает действие алюминия, снижение содержания которого не приведет к уменьшению сопротивления хрупкому разрушению.
В целом выбранное соотношение Mn, Si, Сr, Мо, В в стали, содержащей 0,85-1,30% С, обеспечивает снижение температуры превращения аустенита и получение более дисперсной структуры троостита по сравнению с сорбитом закалки.
Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости стали. Его содержание до 0,05% не оказывает положительного влияния на свойства стали, а при концентрации более 0,3% эта характеристика не превышает определяемых величин.
Совместное введение V, Nb, N в сталь приводит за счет образования дисперсных частиц карбонитридов ванадия и ниобия к повышению прочностных свойств и сопротивлению хрупкому разрушению. При концентрации ванадия менее 0,03%, ниобия менее 0,0001%, азота менее 0,007% не обеспечивается повышение выносливости стали. При увеличении содержания ванадия, ниобия и азота в стали более заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих нежелательное повышение прочностных свойств. При повышении азота более 0,02% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).
Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали кальцием от 0,0005 до 0,005% обеспечивают получение высокочистого металла по включениям алюминатов, приводят к образованию глобулярных неметаллических включений, к уменьшению их размеров и количества. Однако введение кальция более 0,005% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и удорожает производство стали. Кальций при концентрации менее 0,0005% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.
Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано с целью улучшения качества поверхности и повышения пластичности и вязкости стали. Кроме того, концентрация серы определяет красноломкость, фосфорахладноломкость стали.
Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает получение рельсов повышенной контактно-усталостной прочности и износостойкости при охлаждении их сжатым воздухом.
Серия опытных плавок была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. Металл разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали по обычной технологии на рельсы типа Р65, которые подвергали дифференцированной закалке сжатым воздухом. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсов из стали Э83Ф [4]. Повышение твердости и прочностных свойств рельсов увеличивает повышение их износостойкости и контактно-усталостной прочности.
Список источников, принятых во внимание
1. Патент JP 2004-076112 А, МПК С22С 38/00; 38/06; 38/5-1, 2004 г.
2. Патент RU 2259416 С2, МПК С22С 38/24, 38/28; 38/46; 38/50, 2005 г.
3. Патент RU 2139946 С1, МПК С21С С 21D 9/04; С22С 38/04, 1996 г.
4. ТУ 0921-125-2001 "Рельсы железнодорожные повышенной износостойкости и контактной выносливости".
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
Массовая доля элементов, %
С
Мn
Si
V
Аl
N
Са
Nb
Сr
Мо
Ni
1
0,85
1,20
1,10
0,03
0,005
0,012
0,0005
0,0005
0,60
0,005
0,0005
2
0,87
0,30
1,20
0,09
0,005
0,014
0,0008
0,0008
0,10
0,001
0,005
3
0,85
0,85
0,30
0,12
0,004
0,017
0,0020
0,0015
1,10
0,15
0,0007
4
0,88
1,00
0,60
0,14
0,005
0,015
0,0010
0,0016
0,80
0,20
0,0001
5
0,94
0,95
0,50
0,11
0,005
0,020
0,0030
0,003
0,30
0,26
0,004
6
0,95
1,10
0,69
0,15
0,005
0,018
0,0049
0,005
0,50
0,30
0,001
7
1,00
0,61
0,30
0,08
0,005
0,007
0,0006
0,0005
0,70
0,12
0,004
8
1,20
0,75
0,45
0,11
0,003
0,010
0,0015
0,0007
0,90
0,19
0,005
9
1,25
0,96
0,61
0,13
0,002
0,018
0,0034
0,003
0,50
0,20
0,0006
10
1,30
1,09
0,70
0,15
0,005
0,009
0,0051
0,005
1,00
0,30
0,001
ТУ-0921-125-2001 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
Таблица 2
Механические свойства дифференцированно-упрочненных рельсов
Вариант
σ<sub>т</sub>
σ<sub>в</sub>
δ<sub>5</sub>
ψ
Твердость
Н/мм<sup>2</sup>
%
НВ<sub>10</sub>
НВ<sub>22</sub>
НВпкг
1
1030
1413
12
25
401
388
415
2
990
1352
12
33
388
363
388
3
990
1363
12
33
388
388
388
4
1029
1391
11
32
388
375
388
5
1039
1372
10
31
388
388
401
6
1049
1412
10
31
388
388
415
7
1060
1423
12
24
415
401
430
8
1080
1443
11
23
415
415
430
9
1090
1452
10
22
415
415
430
10
1090
1462
9
20
410
415
440
ТУ-0921-125-2001 Сталь Э83Ф
880
1274
7
26
≥352
≥341
≥363
Примечание: НВпгк - твердость на поверхности катания головки рельса;
НВ<sub>10</sub>, НВ<sub>22</sub> - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм.