УГОЛОК КОНТРРЕЛЬСОВЫЙ ИЗ СТАЛИ
STEEL CORNER

Изобретение относится к области металлургии, в частности к прокатному производству и может быть использовано для увеличения срока службы уголков контррельсовых используемых на стрелочных переводах железнодорожных путей.
Известна сталь марки Э68 [1] по ГОСТ Р 55497-2013 «Рельсы железнодорожные контррельсовые. Технические условия», имеющая следующий химический состав (в мас.%):
углерод
0,62-0,73
марганец
0,70-1,00
кремний
0,13-0,28
ванадий
0,03-0,05
железо
остальное
Недостатком данной стали является то, что контррельсовые уголки, изготовленные из стали марки Э68 имеют сильный боковой износ, что приводит к преждевременному выходу их из строя и увеличению расходов на содержание стрелочных переводов.
Известна сталь для изготовления контррельсового уголка [2] патент RU №2440436 («Сталь» заявка № 2009149720 от 30.12.2009,МПК6 В22С 38/46, опубл. 10.07.2011, бюл.№ 19), содержащая, мас.%
углерод
от более 0,60 до 0,75
марганец
0,70-1,10
кремний
от более 0,39 до 0,60
хром
0,20-0,60
алюминий
до менее 0,003
ванадий
от более 0,07 до 0,15
азот
от более 0,015 до 0,020
никель
0,03-0,20
железо и примеси
остальное
при этом в качестве примесей сталь содержит серу не более 0,020%, фосфор не более 0,025%, медь не более 0,15%.
Недостатком данной стали является то, что контррельсовые уголки, изготовленные из данной стали не обладают повышенной износостойкостью.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому изобретению является сталь марки К68 [3] (по ТУ 0921-245-01124323-2007 «Уголок контррельсовый СП 850. Технические условия), имеющая следующий химический состав (в мас.%):
углерод
0,60-0,73
марганец
0,70-1,00
кремний
0,13-0,28
ванадий
0,03-0,07
железо
остальное
Недостатком данной стали является то, что контррельсовые уголки, изготовленные из стали марки К68 имеют сильный боковой износ, что приводит к преждевременному выходу их из строя и увеличению расходов на содержание стрелочных переводов.
Большинство современных конструкций стрелочных переводов, эксплуатируемых на российских железных дорогах, имеют крестовинные узлы с «жесткой» крестовиной. В состав этих крестовинных узлов, как неотъемлемая их часть, входят контррельсы, обеспечивающие безопасность прохода подвижного состава через вредное пространство крестовин. В большинстве проектов стрелочных переводов применяются контррельсы из уголка контррельсового СП850.
В условиях интенсификации перевозок, повышения осевых нагрузок подвижного состава и скоростей движения поездов возрастают нагрузки на путь и элементы стрелочных переводов.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является: увеличение износостойкости, дефектостойкости, повышение механических свойств и эксплуатационной стойкости уголка контррельсового, используемого на стрелочных переводах железнодорожных путей.
Указанный технический результат достигается тем, что уголок контррельсовый изготавливают из стали, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, фосфор, серу, никель, медь, азот, железо, согласно изобретения все компоненты подобраны в оптимальном для решаемой задачи соотношении, масс.%: углерод 0,70-0,75; марганец 0,85-0,95; кремний 0,60-0,70; алюминий 0,02-0,05; фосфор не более 0,030; сера не более 0,030; медь не более 0,25; хром 0,25-0,35; никель не более 0,020; азот не более 0,010; железо – остальное.
Пределы содержания компонентов в заявляемой легированной стали, получены опытно-экспериментальным путем.
Предлагаемый химический состав легированной стали для изготовления уголка контррельсового, обеспечивает механические свойства: временное сопротивление 1060 МПа и относительное удлинение 12,6%.
Заявляемая легированная сталь имеет следующий количественный состав (мас.%) и качественный состав:
• содержание углерода в пределах от 0,70 до 0,75%, при заявляемом
соотношении других компонентов легированной стали определяет ее прочность. При содержании углерода менее 0,70 % не достигается требуемого уровня твердости и прочности. При содержании углерода более 0,75% повышается вероятность хрупких разрушений.
• содержание марганца в пределах от 0,85 до 0,95 %, при заявляемом
соотношении других компонентов легированной стали определяет повышения прочности стали. При содержании марганца менее 0,85% не обеспечивает твердость и прочность контррельсового уголка. При содержании марганца свыше 0,95% возрастает вероятность хрупких разрушений.
• содержание кремния в пределах от 0,60 до 0,70 %, при заявляемом
соотношении других компонентов легированной стали, необходимо для раскисления стали и для повышения прочности. При содержании кремния менее 0,60%, повышает предел текучести и прочности. При содержании кремния более 0,70% приводит к уменьшению пластичности.
• содержание алюминия в пределах от 0,02 до 0,05 %, при заявляемом
соотношении других компонентов легированной стали, является технологической добавкой для раскисления стали. При содержании алюминия менее 0,02% не происходит требуемого раскисления стали. Увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к усложнению разливки и удорожанию стали.
• Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено
улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.
• содержание фосфора не более 0,030% и содержание серы не более
0,030%, при заявляемом соотношении других компонентов легированной стали, являются вредной примесью в стали, в количестве более 0,030% резко ухудшает эксплуатационные свойства изделия.
• содержание меди не более 0,25%, при заявляемом соотношении других компонентов легированной стали, является сопутствующим элементом, при ее количестве выше 0,25% положительного влияния на сталь не оказывает.
• содержание хрома в пределах от 0,25 до 0,35%, никеля не более 0,020,
при заявляемом соотношении других компонентов легированной стали, являются легирующими элементами, способствующими повышению прочностных характеристик. В предлагаемом изобретении выбрано наилучшее соотношение их массовых долей для максимального повышения прочности.
• При содержании хрома ниже 0,25% снижается прочность стали. При
превышении выше 0,35% снижается пластичность и повышается хрупкость.
• содержание никеля не более 0,020 способствует повышению ударной
вязкости, однако при содержании менее 0,020%, его влияние незначительно, а превышение предела в 0,020% снижает ударную вязкость.
• содержание азота не более 0,010%, при заявляемом соотношении
других компонентов легированной стали, позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. При ее количестве более 0,010% невозможно измельчение зерна и как следствие не обеспечивается необходимое упрочнение стали, что также  приводит к снижению ударной вязкости.
Заявляемый технический результат достигается при использовании количественного и качественного состава компонентов, и не зависит от последовательности (очередности) их добавления в расплав, а также от того добавляются они в чистом или в виде лигатуры.
Для определения механических свойств и ударной вязкости были выплавлены стали опытных плавок в конвертерном цехе №1 АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» с заявляемыми граничными, выходящими за граничные, а также оптимальными значениями. Химический состав полученных сталей приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку контррельсового уголка типа СП850. Результаты испытаний механических свойств полученных сталей в горячекатаном состоянии в сравнении с прототипом, представлены в таблице 2. Согласно данным проведенных испытаний заявляемая сталь в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами: повышаются механические свойства уголка и соответственно его эксплуатационную стойкость
Данная технология производства проката, в соответствии с заявляемым составом стали и выполнением указанных оптимальных соотношений между элементами, позволяет получить повышение механических свойств уголка контррельсового.
В Таблице 1 указан состав предложенной стали и состав стали марок по К68 и по ТУ 0921-245-01121323-2007.
Анализ патентов и научно-технической информации выявил отсутствие признаков, сходных с признаками, которые присуще в предлагаемом техническом решении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Использование заявленной легированной стали для изготовления уголка контррельсового позволяет обеспечить:
1) повышение износостойкости и дефектостойкости уголка контррельса;
2) повышение механических свойств уголка контррельса;
3) повышение эксплуатационной стойкости уголка контррельса.
Опытная проработка и использование предлагаемого технического решения на АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость изобретения».
Таблица 1
Компоненты сталь
Химический состав стали, масс.%
Заявляемая сталь
Сталь К68 по ТУ 0921-245-01121323-2007
Марка стали К68 (прототип)
Примеры
1
2
3
4
углерод
0,60
0,73
0,60-0,73
0,69
марганец
0,80
0,89
0,70-1,00
0,92
кремний
0,50
0,66
0,13-0,28
0,20
хром
0,10
0,25
-
0,028
алюминий
0,01
0,032
-
0,0033
фосфор
0,020
0,014
Не более0,030
0,018
сера
0,020
0,0038
Не более0,025
0,0020
никель
0,010
0,047
-
0,048
медь
0,20
0,009
-
0,009
азот
0,005
0,0041
-
0,0061
железо
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 2
Свойства стали
Механические свойства
Примеры
Сталь К68 по ТУ 0921-245-01121323-2007
Сталь К68 (прототип)
Примеры
1
2
3
4
Временное сопротивление, МПа
890
1060
Не менее900
992,4
Относительное удлинение, %
7,8
12,6
Не менее8
11,7
Источники информации
[1] Э68 по ГОСТ Р 55497-2013 «Рельсы железнодорожные контррельсовые. Технические условия»;
[2] патент RU №2440436 («Сталь» заявка № 2009149720 от 30.12.2009, МПК6 В22С 38/46, опубл. 10.07.2011, бюл. № 19;
[3] К68 по ТУ 0921-245-01124323-2007 «Уголок контррельсовый СП 850. Технические условия.