РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов повышенной пластичности и контактно-усталостной прочности.
Известна рельсовая сталь [1], имеющая следующий химический состав, мас.%:
0,65-0,89 С; 0,18-0,65 Si; 0,6-1,2 Mn; 0,01-0,10 V; 0,001-0,03 Ti; 0,005-0,02 Al; 0,004-0,03 N; 0,0004-0,005 Ca; 0,05-0,4 Cr; 0,003-0,1 Mo; Fe - остальное.
Существенным недостатком данной стали является недостаточная ударная вязкость, полученная на рельсах, термически упрочненных с температуры прокатного нагрева, за счет образования избыточного количества карбонитридов титана, а также повышенной загрязненности стали оксидными включениями, содержащими алюминий и кальций.
Известна также рельсовая сталь [2], имеющая следующий химический состав, мас.%:
0,65-0,8 С; 0,18-0,40 Si; 0,6-1,2 Mn; 0,001-0,01 Zr; 0,005-0,04 Al; 0,004-0,011 N; один элемент из группы, содержащей Са и Mg 0,0005-0,015; 0,004-0,040 Nb; 0,05-0, 3 Сu; Fe - остальное.
Недостатком данной стали является повышенное количество алюминия и циркония, которые приводят к загрязнению рельсовой стали сложными глинозем- и цирконийсодержащими включениями, снижающими уровень ударной вязкости, стойкость против хрупких разрушений.
Известна также рельсовая сталь марки Э76Ф [3], содержащая, мас.%:
углерод
0,71-0,82
марганец
0,75-1,15
кремний
0,25-0,60
ванадий
0,03-0,15
хром
не более 0,20
никель
не более 0,20
медь
не более 0,20
железо
остальное
Существенным недостатком данной стали является недостаточная пластичность и ударная вязкость термически упрочненных рельсов.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости рельсов.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, никель, медь, железо, дополнительно содержит кальций, барий, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,69-0,85
марганец
0,75-1,25
кремний
0,25-0,65
ванадий
0,03-0,15
хром
0,10-0,80
никель
не более 0,30
медь
не более 0,30
кальций
от более 0,005 до 0,008
барий
0,0005-0,0015
алюминий
не более 0,005
азот
от более 0,015 до 0,020
железо
остальное
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,020%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих условий. Выбранное содержание углерода обеспечивает сбалансированное сочетание прочности и твердости стали.
При содержании углерода менее 0,69% рельсы имеют в термоупрочненном состоянии недостаточную твердость и прочность.
При содержании углерода более 0,85% возрастает вероятность хрупких разрушений, снижаются показатели пластичности и ударной вязкости.
Повышение содержания кремния до 0,65% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающей повышение чистоты стали по включениям хрупкоразрушенных оксидов, которые являются причиной снижения ударной вязкости и соответственно контактно-усталостной прочности рельсов.
Выбранное соотношение марганца и кремния обеспечивает необходимую прокаливаемость головки рельса в термоупрочненном состоянии. Выбранная концентрация марганца также способствует значительному измельчению зерна аустенита особенно в хромомарганцевой стали, уменьшает критическую скорость охлаждения.
При повышении содержания кремния более 0,65% и марганца более 1,25% возрастает вероятность образования недопустимых игольчатых структур с поверхности головки рельса при закалке.
Заявляемые концентрации никеля и хрома обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость головки рельсов. При увеличении содержания никеля более 0,030% и хрома более 0,80% в структуре головки возрастает вероятность образования игольчатых структур.
Введение бария совместно с кальцием в заявляемых пределах обеспечивает высокую адсорбцию кислорода, серы и фосфора в жидкой стали, способствуя их удалению в шлак. Его содержание до 0,0005% не способствует адсорбции вредных примесей, а при концентрации более 0,0015% приводит к образованию сложных по составу неметаллических включений.
Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали кальцием при концентрации от более 0,005 до 0,008% обеспечивает необходимое взаимодействие с барием для получения высокочистого металла, а также уменьшение размеров и количества неметаллических включений. Однако введение кальция более 0,008% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и увеличивает стоимость стали. Кальций при концентрации менее 0,005% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.
Применение ванадия в стали обусловлено тем, что он увеличивает растворимость азота в металле, связывая его в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды ванадия), которые способствуют карбонитридному упрочнению стали. Ванадий повышает предел выносливости, способствует улучшению свариваемости. Однако без использования азота ванадий при концентрации более 0,15% снижает ударную вязкость стали. При концентрации менее 0,03% не сказывается положительного влияния ванадия на свойства стали.
Концентрация азота менее 0,015% в стали, содержащей менее 0,03% ванадия, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, ударной вязкости и измельчение зерна аустенита. При увеличении содержания ванадия и азота в стали до заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих повышение прочностных свойств и ударной вязкости. Однако при повышении азота более 0,02% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).
Установленные ограничения по концентрации алюминия обусловлены необходимостью уменьшения загрязненности стали включениями корунда, снижающими контактно-усталостную прочность рельсов.
Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано с целью улучшения качества поверхности и повышения пластичности и вязкости стали. Кроме того, концентрация серы определяет красноломкость, фосфора - хладноломкость стали.
Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает получение рельсов повышенной надежности и контактно-усталостной выносливости.
Сталь заявляемого состава (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали на рельсы типа Р65, которые подвергали термической обработке - объемной закалке в масле. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость упрочненных рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсовой стали Э76Ф, выбранной в качестве прототипа. Повышение твердости, прочностных, пластических и вязкостных свойств рельсов увеличивает их износостойкость, контактно-усталостную прочность и надежность против хрупких разрушений.
Источники информации
1. А.с. СССР №1633008 А1, Мкл С22С 38/28, 1991 г.
2. А.с. СССР №1435650, Мкл С22С 38/16, 1987 г.
3. ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».