РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов.
Известна рельсовая сталь [1], содержащая (в 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,
при этом примеси содержаться в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь не более 0,20%.
Существенным недостатком данной стали является наличие в структуре недеформирующихся и хрупкоразрушенных неметаллических включений из-за модифицирования стали кальцием.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):
углерод
0,71-0,82
марганец
0,75-1,05
кремний
0,45-0,80
алюминий
0,005-0,015
азот
0,0005-0,015
ванадий
0,03-0,09
хром
0,35-0,70
никель
0,03-0,20
железо
остальное
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям для обеспечения надежности и контактно-усталостной прочности рельсов.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, хром, никель, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что в ней дополнительно ограничено содержание кислорода при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
углерод
0,71-0,90
марганец
0,85-1,20
кремний
0,20-0,40
алюминий
не более 0,004
азот
0,010-0,018
ванадий
0,05-0,15
хром
0,40-0,80
никель
0,03-0,20
кислород
не более 0,0020
железо
остальное,
при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,020%, медь не более 0,20%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.
Выбранное содержание углерода при установленном соотношении марганца, кремния и хрома обеспечивает повышение ударной вязкости, пластичности при сохранении твердости и прочности стали. Увеличение содержания углерода по сравнению с прототипом позволит дополнительно повысить контакно-усталостную прочность рельсов. Верхний предел содержания углерода установлен, исходя из того, что при увеличении его свыше 0,90% происходит резкое снижение показателей пластичности и ударной вязкости рельсовой стали.
Концентрация кремния установлена для обеспечения сбалансированного уровня механических свойств рельсов, при этом снижение его концентрации менее 0,20% не обеспечивает требуемый уровень свойств, при повышении 0,40% возрастает вероятность образования неблагоприятной структуры.
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 0,80% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.
Снижение содержания алюминия до 0,004% и кислорода менее 0,0020% обеспечивает повышение чистоты металла по неметаллическим включениям, приводит к уменьшению их размеров и количества. Содержание алюминия более 0,004% и кислорода более 0,0018% приводит к загрязнению стали строчками неметаллических включений больших размеров.
Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и при содержании не менее 0,85% 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% в стали с высоким содержанием углерода приводит к хрупкости рельсов.
Введение азота от 0,010 до 0,018 позволяет также повысить прочностные свойства рельсов и увеличить сопротивление хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,010% невозможно обеспечить необходимое упрочнение стали, а при содержании азота более 0,018% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости.
Ограничение концентрации никеля до 0,20% связано с возможностью образования структурно-свободного феррита, имеющего низкую износостойкость.
Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.
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 испытаний механических свойств в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью-прототипом (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав с ограниченным содержанием кислорода обеспечивает повышение чистоты стали по неметаллическим включениям при обеспечении достаточно высокого уровня механических свойств рельсов в нетермоупрочненном состоянии, сопоставимом с уровнем механических свойств стали-прототипа в термоупрочненном состоянии.
Источники информации
1. RU 2292221 C1, C22C 38/46
2. Патент РФ №2131946, С22С 38/46.
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
С
Si
Mn
Cr
V
AI
N
Ni
S
P
Cu
Fe
1
0,90
0,20
0,85
0,80
0,08
0,001
0,010
0,03
0,007
0,016
0,06
ост
2
0,77
0,40
0,88
0,40
0,09
0,004
0,012
0,10
0,008
0,019
0,08
ост
3
0,71
0,34
0,86
0,47
0,11
0,004
0,011
0,20
0,006
0,009
0,01
ост
4
0,80
0,23
0,89
0,55
0,07
0,001
0,012
0,12
0,005
0,015
0,15
ост
5
0,77
0,36
1,20
0,69
0,11
0,003
0,018
0,14
0,012
0,018
0,20
ост
6
0,81
0,40
1,10
0,50
0,15
0,004
0,012
0,18
0,020
0,020
0,16
ост
прототип
0,71-0,82
0,45-0,80
0,75-1,05
0,35-0,70
0,03-0,09
0,005-0,015
0,0005-0,015
0,03-0,20
≤0,020
≤0,020
≤0,20
ост
Таблица 2
Механические свойства стали и результаты оценки неметаллических включений
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>
Неметаллические включения, мм
+20°С
недеформирующиеся
хрупкоразрушенные
1
1100
1190
10
20
20
0
0
2
900
1180
12
21
21
0,001
0
3
800
1190
12
28
25
0
0,01
4
889
1170
13
27
24
0
0
5
1000
1150
11
22
26
0
0
6
900
1170
10
21
23
0
0
Прототип (закалка и отпуск)
880-1200
1350-1550
10-17
30-34
33-44
-
-