РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

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
σ<sub>т</sub>
σ<sub>в</sub>
δ<sub>5</sub>
ψ
Твердость
Величина зерна
Н/мм<sup>2</sup>
%
НВ10
НВ22
НВ<sub>ш</sub>
НВ<sub>под</sub>
НВ<sub>пкг</sub>
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: НВ<sub>пкг</sub> - твердость на поверхности катания головки рельса;
НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм;
НВ<sub>ш</sub>- твердость в шейке;
НВ<sub>под</sub>- 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.