РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления остряковых рельсов.
Известна также рельсовая сталь марки М73В [1], содержащая (в мас.%):
углерод
0,67-0,78
марганец
0,75-1,05
кремний
0,18-0,45
ванадий
0,03-0,05
хром
не более 0,15
никель
не более 0,15
медь
не более 0,15
железо
остальное
Существенным недостатком данной стали является низкая стойкость остряковых рельсов без термической обработки и необходимость термообработки стали для повышения эксплуатационных свойств. Известная, выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):
углерод
0,62-0,84
марганец
0,8-1,3
кремний
0,2-1,0
хром
0,6-1,5
алюминий
0,02-0,05
ванадий
0,03-0,12
кальций
0,001-0,05
железо
остальное
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.
Известная также рельсовая сталь [3], содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, церий и железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения усталостной и хрупкой прочности, она дополнительно содержит алюминий, бор и лантан при следующем соотношении компонентов, вес.%;
углерод
0,6-0,8
кремний
0,5-1,3
марганец
0,5-1,0
хром
0,5-1,0
вольфрам
0,5-1,0
церий
0,003-0,15
алюминий
0,03-0,05
бор
0,002-0,007
лантан
0,003-0,1
железо
остальное
Существенным недостатком данной стали является ее высокая стоимость из-за содержания вольфрама и лантанта, а также (в связи с содержанием церия) загрязненность неметаллическими включениями, так называемая цериевая краевая неоднородность.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций, железо и примеси, дополнительно содержит азот, никель, барий и стронций при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
углерод
0,60-0,80
марганец
0,75-1,10
кремний
0,30-0,60
хром
0,35-0,60
алюминий
не более 0,005
ванадий
0,05-0,15
кальций
0,0001-0,005
азот
0,005-0,020
никель
0,03-0,20
барий
0,0001-0,005
стронций
0,0001-0,005
железо и примеси
остальное,
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,15%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.
Увеличение кремния до 0,60% повышает пределы текучести и прочности, при снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров.
Концентрация хрома выбрана исходя из обеспечения высокого сопротивления износу и высоких прочностных свойств, при этом снижение концентрации хрома менее 0,30% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути, а при повышении концентрации более 0,60% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.
Содержание алюминия выбрано исходя, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.
Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов.
Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,005% невозможно измельчения 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 обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.
Концентрация никеля более 0,20% повышает вероятность получения недопустимых микроструктур, а снижение концентрации менее 0,03% снижает ударную вязкость стали.
Дополнительное введение бария и стронция 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% бария и стронция в сталь возможно получение барий и стронцийсодержащих неметаллических включений, снижающих механические свойства стали.
Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.
Серия опытных плавок была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку железнодорожных рельсов типа ОР65. После прокатки рельсов термообработка не проводилась. Результаты испытаний механических свойств в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью М73 В, представленные в таблице 2, показывают, что заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали, что в свою очередь увеличивает эксплуатационную стойкость остряковых рельсов.
Источники информации
1. Патент РФ №819208, С22С 38/24;
2. ГОСТ 9960-85 «Остряковые рельсы. Технические условия»
3. Патент РФ №522265, С22С 38/22.
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
С
Mn
Si
Cr
Al
V
Са
N
Ni
Ва
Sr
S
Р
Cu
Fe
1
0,71
0,75
0,41
0,60
0,001
0,05
0,0001
0,005
0,03
0,0001
0,0001
0,008
0,015
0,15
ост
2
0,78
0,82
0,44
0,55
0,003
0,08
0,002
0,015
0,16
0,0005
0,003
0,008
0,008
0,05
ост
3
0,73
0,92
0,49
0,40
0,005
0,12
0,003
0,010
0,09
0,003
0,004
0,003
0,010
0,06
ост
4
0,80
0,98
0,54
0,45
0,002
0,10
0,003
0,015
0,20
0,004
0,005
0,005
0,009
0,13
ост
5
0,75
1,01
0,58
0,35
0,005
0,15
0,005
0,018
0,15
0,005
0,004
0,004
0,018
0,06
ост
6
0,69
1,10
0,60
0,55
0,005
0,15
0,005
0,020
0,18
0,005
0,005
0,007
0,020
0,08
ост
прототип
0,62-0,84
0,8-1,3
0,2-1,0
0,6-1,5
0,02-0,05
0,03-0,12
0,001-0,05
-
-
-
-
0,020
0,025
0,12
ост
М73В по ГОСТ 9960-85
0,67-0,78
0,75-1,05
0,18-0,45
≤0,15
-
0,03-0,05
-0
-
<0,15
-
-
≤0,040
≤0,035
≤0,15
ост
Таблица 2
Механические свойства стали
Состав
Предел текучести, Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочности, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, %
Относительноесужение, %
KCU ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
+20°С
-60°С
1
900
1490
13
33
0,38
0,38
2
1100
1680
15
34
0,47
0,34
3
1210
1750
14
34
0,43
0,36
4
980
1495
16
36
0,48
0,36
5
1220
1700
14
33
0,46
0,39
6
1100
1600
15
35
0,40
0,37
прототип
880-1200
1490-1720
н.д
22-28
0,16-0,27
н.д