РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения в условиях Сибири и Крайнего Севера.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [1], содержащая, 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 марки Э78ХСФ, содержащая, мас.%:
Углерод
0,71-0,82
марганец
0,75-1,05
кремний
0,40-0,80
алюминий
не более 0,005
ванадий
0,05-0,15
хром
0,40-0,60
никель
не более 0,15
хром
не более 0,15
медь
не более 0,15
железо
Остальное
Основным недостатком данной стали является низкий уровень ударной вязкости, пластичности и повышенная загрязненность стали строчечными неметаллическими включениями.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям и эксплуатационной стойкости рельсов при отрицательных температурах применительно к условиям Сибири и Крайнего Севера.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, азот, никель, кальций, барий, железо, дополнительно содержит стронций и церий 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
азот
0,005-0,015
ванадий
0,05-0,15
хром
0,40-0,95
никель
0,03-0,30
кальций
0,0001-0,005
барий
0,0001-0,005
стронций
0,0001-0,008
церий
0,0001-0,008
железо
остальное
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,20%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.
Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение пластичности и ударной вязкости стали без снижения уровня твердости и прочности.
Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в горячекатаном состоянии. При снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров. При повышении концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность снижения ударной вязкости 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.
Содержание алюминия выбрано с учетом, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.
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.
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 0,005% невозможно измельчение зерна и, соответственно, не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,020% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивают получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.
Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением уровня ударной вязкости при отрицательных температурах, дальнейшее повышение концентрации никеля экономически не целесообразно.
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 0,005% кальция, более 0,005% бария и более 0,008% стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивает повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.
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 замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью [1, 2] приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 3.
Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение хладостойкости и механических свойств до уровня свойств объемно-закаленных рельсов.
Список источников
1. Патент РФ №2291221 C1.
2. ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
С
Si
Mn
Cr
V
Al
N
Са
Ва
Sr
Ni
S
P
Cu
Fe
1
0,65
0,30
0,85
0,70
0,05
0,002
0,005
0,0001
0,003
0,003
0,02
0,005
0,010
0,09
Ост.
2
0,75
0,48
0,90
0,40
0,09
0,005
0,010
0,002
0,0001
0,0001
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
0,002
0,007
0,30
0,006
0,019
0,07
Ост.
4
0,67
0,53
1,20
0,75
0,08
0,001
0,020
0,005
0,004
0,002
0,28
0,005
0,020
0,10
Ост.
5
0,69
0,34
1,06
0,95
0,11
0,003
0,016
0,005
0,0001
0,004
0,15
0,014
0,018
0,15
Ост.
6
0,66
0,61
1,15
0,80
0,14
0,004
0,016
0,006
0,005
0,008
0,20
0,020
0,021
0,09
Ост.
Прототип
0,71-0,82
0,30-0,60
0,75-1,05
0,30-0,60
0,05-0,15
н.б. 0,005
0,005-0,015
0,0001-0,005
0,0001-0,005
-
0,03-0,30
≤0,020
≤0,025
≤0,20
Ост.
Э78ХСФ по ГОСТ Р 516852000
0,71-0,82
0,40-0,80
0,75-1,05
≤0,15
0,05-0,15
≤0,005
-
-
≤0,15
≤0,025
≤0,025
≤0,15
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
0,11
2
0
0
0
0
3
0
0
0
0,15
4
0
0
0
0
5
0
0
0
0
6
0
0
0
0
Прототип
-
-
-
0,50
Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э78ХСФ категории Н
-
-
-
Не более 8,0
Таблица 3Механические 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
890
1330
16
34
0,37
0,27
2
900
1340
17
35
0,48
0,30
3
1100
1390
13
30
0,48
0,28
4
1110
1360
12
31
0,32
0,38
5
1210
1340
18
30
0,43
0,29
6
920
1330
19
31
0,47
0,31
Э76Ф ГОСТ Р 51685-2000
880-1200
1350-1550
10-17
30-34
0,33-0,44
0,18-0,35