РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для движения в кривых участках малого радиуса в условиях Сибири и Крайнего Севера.
Известна рельсовая сталь [1], содержащая (в мас.%):
углерод
0,65-0,85
марганец
0,6-1,2
кремний
0,25-0,45
алюминий
0,005-0,012
кальций
0,002-0,020
азот
0,006-0,015
ванадий
0,01-0,07
стронций
0,002-0,030
медь
0,05-0,80
барий
0,001-0,030
цирконий
0,005-0,020
железо
остальное
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов, обусловленная недостаточной износостойкостью и чистотой стали по неметаллическим включениям.
Известная также рельсовая сталь[2], содержащая (мас.%):
углерод
0,83-0,95
марганец
0,60-1,1
кремний
0,30-0,70
ванадий
0,008-0,15
алюминий
не более 0,005
азот
0,012-0,020
кальций
0,0005-0,005
хром
0,05-0,50
хром
не более 0,15
молибден
0,11-0,3
никель
0,05-0,30
один из элементов, выбранных из группы, включающей цирконий и РЗМ:
цирконий
0,0005-0,005
РЗМ
0,0005-0,005
железо и примеси
остальное
Основным недостатком данной стали является повышенная хрупкость рельсов в зоне болтовых отверстий из-за образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.
В качестве наиболее близкого аналога авторами принята за прототип рельсовая сталь [3], содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: содержащая углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,1, кремний 0,4-0,6, алюминий не более 0,005, кальций 0,0001-0,005, азот 0,005-0,02, ванадий 0,05-0,15, стронций 0,0001-0,005, медь не более 0,15, никель 0,03-0,2, хром 0,7-1,2, барий 0,0001-0,005, железо и примеси - остальное.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям и износостойкости рельсов при отрицательных температурах применительно к условиям Сибири и Крайнего Севера.
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и церий при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
углерод
0,75-0,90
марганец
0,70-1,25
кремний
0,25-0,55
алюминий
не более 0,005
кальций
0,0001-0,005
азот
0,006-0,015
ванадий
0,05-0,15
стронций
0,0001-0,001
медь
0,03-0,30
никель
0,03-0,30
хром
0,03-0,30
барий
0,0001-0,001
цирконий
0,0001-0,001
церий
0,0001-0,001
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 предпосылок:
Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение твердости и износостойкости рельсов исключая вероятность образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.
Увеличение марганца до 1,25% повышает сопротивление износу и прочностные свойства рельсовой стали. При снижении марганца менее 0,70% снижаются указанные параметры.
Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в термоупрочненном состоянии. При снижении кремния менее 0,25% наблюдается резкое снижение данных параметров. Повышение концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность образования игольчатой микроструктуры с поверхности объемно-закаленных рельсов.
Содержание алюминия выбрано исходя из, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.
Введение азота 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 наличии азота менее 0,006% невозможно измельчения зерна и, соответственно, не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,015% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.
Ограничение концентрации меди, хрома, никеля, фосфора и серы обусловлено улучшением качества поверхности рельсов.
Совместное введение стронция, церия, кальция и бария позволяет модифицировать источники концентраторов напряжений - неметаллические включения, исключить образование «опасных» включений глинозема, повысить чистоту стали по оксидным и сульфидным включениям, обеспечить образование глобулярных включений и исключить образование строчечных включений алюминатов. При введении более 0,001% кальция, бария, стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, и вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивается повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.
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 рельсы подвергались термической обработке путем объемной закалки в масле. Результаты замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью стандартного производства [4], близкой к используемому прототипу, приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в термообработанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф стандартного производства приведены в таблице 3. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение уровня прочности и твердости рельсов.
Список источников
1. Патент РФ №2161210 С1.
2. Патент РФ №2259416 С2.
3. RU 2291218 С1, С22С 38/24.
4. ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Технические условия.
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
С
Si
Mn
Cr
V
AI
N
Ca
Ba
Се
Sr
Ni
Zr
S
P
Си
Fe
1
0,75
0,30
0,75
0,05
0,05
0,002
0,005
0,001
0,001
0,001
0,001
0,03
0,001
0,005
0,011
0,10
ост.
2
0,85
0,28
0,70
0,03
0,09
0,005
0,010
0,0001
0,0001
0,0001
0,0001
0,14
0,0001
0,008
0,017
0,04
ост.
3
0,80
0,40
0,89
0,06
0,12
0,003
0,014
0,0008
0,0002
0,0002
0,0008
0,30
0,0005
0,006
0,009
0,17
ост.
4
0,87
0,53
1,25
0,08
0,08
0,001
0,015
0,0009
0,0004
0,0008
0,0009
0,28
0,0004
0,005
0,020
0,10
ост.
5
0,79
0,44
1,06
0,10
0,11
0,002
0,012
0,001
0,0009
0,0007
0,0006
0,15
0,0001
0,014
0,017
0,25
ост.
6
0,90
0,55
1,15
0,05
0,14
0,004
0,010
0,0003
0,001
0,0002
0,0005
0,30
0,0004
0,025
0,021
0,30
ост.
Э76Ф
0,71-0,82
0,25-0,60
0,75-1,15
н.б. 0,020
0,03-0,15
н.б. 0,020
-
-
-
-
-
н.б. 0,020
-
н.б. 0,025
н.б. 0,025
н.б. 0,020
ост.
Таблица 2
Длина строчки неметаллических включений
Сталь
Максимальная длина строчечных включений, мм
Глинозем
Глинозем, сцементированный силикатами
Нитриды титана
Хрупкоразрушенные сложные окислы
1
0
0
0
0,15
2
0
0
0
0
3
0
0
0
0,10
4
0
0
0
0
5
0
0
0
0,08
6
0
0
0
0
Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э76Ф категории Н
-
-
-
н.б.2,0
Таблица 3
Механические свойства стали
Состав
Предел текучести, Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочности, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, %
Относительное сужение, %
KCU ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
+20°С
-60°С
1
1020
1330
18
48
0,57
0,27
2
1000
1340
18
45
0,48
0,30
3
1100
1390
20
40
0,48
0,28
4
1110
1460
22
48
0,32
0,38
5
1090
1440
33
48
0,53
0,29
6
1110
1430
30
48
0,57
0,31
Э76Ф
-
н.м.1180
н.м.8
н.м.25
н.м.0,15
-