СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОНТАКТНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ
METHOD FOR MANUFACTURING RAILWAY RAILS OF INCREASED WEAR RESISTANCE AND CONTACT ENDURANCE

Область техники
Изобретение относится к области  черной металлургии, в частности к способам прокатки и термической обработки  железнодорожных рельсов, с использованием остаточного тепла нагрева под прокатку и может быть использовано при изготовлении рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости.
Уровень техники
<
Известен способ термической обработки рельсов из высокоуглеродистой стали, содержащей 0,90-1,20% углерода, предусматривающий после окончания прокатки в течение  60c ускоренное охлаждение со скоростью 5-20°С/с кромочных участков подошвы  от температур ≥ 650°С, затем головку, шейку и центральную часть подошвы подвергают охлаждению со скоростью 1-10°С/с (JP №4267334 С21D9/04).
Существенными недостатками указанного способа термической обработки являются 1) отсутствие регламентированных температур нагрева под прокатку и окончания прокатки, не позволяющее эффективно измельчить аустенитное зерно и получить высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и сужения; 2) головка и подошва рельса охлаждаются с одинаковой скоростью,  вследствие этого рельсы перед правкой имеют большую кривизну и возникает необходимость в холодной правке рельсов по режимам, неблагоприятно сказывающимся на величине остаточных напряжений.
Известен способ получения рельса с перлитной структурой из стали, содержащей 0,65-1,20% углерода, 0,05-2,00% кремния и 0,05 – 2,00% марганца, железо и неизбежные примеси остальное,  предусматривающий чистовую прокатку рельса при температуре не более 900°С  и охлаждение до температуры не выше 550°С со скоростью  2-30°С/сек (ЕР №2045341 (А1) С21D8/00, С21D 9/04).
Существенными недостатками данного способа являются 1) отсутствие в химическом составе рельсовой стали хрома, никеля и ванадия, оказывающих благоприятное воздействие на микроструктуру и механические свойства рельсов; 2) отсутствие регламентированной температуры нагрева под прокатку, что увеличивает величину исходного аустенитного зерна, уменьшает эффективность режимов прокатки в обжимных клетях, и не позволяет обеспечить необходимый уровень ударной вязкости, пластичности и прочности; 3) отсутствие дифференцированного охлаждения подошвы и головки рельсов, что приводит к  увеличению  их кривизны после термической обработки и высокому уровню остаточных напряжений.
Известны  также способы термической обработки  рельсов из углеродистой или низколегированной стали,  предусматривающие ускоренное  охлаждение рельса с температуры аустенитной области  в диапазоне 750-650°С (JP №4267267, С21D 9/04),  ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU №2113511, C21D 9/04), ускоренное охлаждение со скоростью 10-30°С/с до температуры 750-600°С (RU №97121881, C21D 9/04, C22C 38/04), ускоренное охлаждение со скоростью 5-15°С/с до температуры 650-500°С (RU №96123715, C21D9/04), ускоренное охлаждение поверхностного слоя  головки  рельса  от Аr1 со скоростью 1-10°С/с и 2-20°С/с на глубине ≥20 мм (JP №3731934, С21D9/04).
Существенными недостатками указанных способов термической обработки рельсов являются: 1) отсутствие регламентированных температур нагрева под прокатку и окончания прокатки, а также  регламентированных коэффициентов вытяжек при прокатке в черновых и чистовых клетях, не позволяющие эффективно измельчить аустенитное зерно и получить высокие значения комплекса механических свойств; 2) отсутствие регламентированного охлаждения подошвы рельсов,  что неблагоприятно сказывается на их  кривизне.
Известен также способ изготовления рельсов, предусматривающий чистовую прокатку рельса в два этапа. На первом этапе прокатывают блюм с обжатием не менее 15% за проход, на второй половине чистовой прокатки выполняют прокатку в один или несколько проходов с обжатием  не более 10% за проход в интервале температур 800-950°С. Непосредственно после завершения чистовой прокатки температуру поверхности рельса быстро снижают со скоростью не менее 6°С/сек в течение 0,1-30 сек до 500-600°С, а затем проводят ускоренное охлаждение со скоростью не менее 3°С/сек. (JP 3625224 (В2) 8332501 (А)).
Существенными недостатками данного метода являются отсутствие регламентированных температурных режимов черновой и финишной прокатки,  отсутствие регламентированных коэффициентов вытяжек при прокатке в черновых калибрах,  что не позволяет произвести эффективное измельчение структуры и получить сочетание высоких значений прочностных и пластических свойств, твердости и ударной вязкости головки рельсов, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и контактно-усталостной выносливости рельсов при эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления рельса, предусматривающий прокатку рельсов на стане с универсальной группой клетей тандем при температуре нагрева заготовки под прокатку в интервале от 1100  до 1200°С, чистовую прокатку в интервале температур 850-950°С, ускоренное дифференцированное охлаждение по головке и подошве рельса воздухом или воздухом с примесью воды от температуры 720-850°С со скоростью соответственно 1,5-6,0°С/с до температуры не более 620°С, при этом в каждом конкретном случае скорость охлаждения по головке отличается от скорости охлаждения по подошве. Сталь содержит, мас. %: углерод 0,72-0,78  и при необходимости дополнительно:  от 0,15 до 0,60 хрома,  от 0,10 до 0,60 никеля, от 0,05 до 0,15 ванадия, от 0,007 до 0,020 азота. (RU 2601847 С1).
Существенным недостатком данного способа производства рельса является отсутствие регламентированных температурных режимов и коэффициентов вытяжек черновой, чистовой прокатки, вследствие чего невозможно получение  сбалансированного комплекса прочностных и пластических свойств, твердости и ударной вязкости, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и контактно-усталостной выносливости рельсов при эксплуатации.
2
2
2
Задачей изобретения является получение дифференцированно термоупрочненных с использованием остаточного тепла  предпрокатного нагрева железнодорожных рельсов,  со сбалансированным комплексом механических свойств,  а именно:  временного сопротивления разрыву не менее 1300 Н/мм,  предела текучести  не менее 870 Н/мм, относительного  удлинения не менее 8,0%, относительного сужения – не менее 20%, твёрдости на поверхности катания головки рельса не менее 400 НВ и  ударной вязкости при температуре испытания +20°С не менее 15 Дж/см.
Раскрытие
согласно изобретению,
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления железнодорожных рельсов повышенной износостойкости и контактно-усталостной выносливости, включающем нагрев заготовки под прокатку. многопроходные черновую и чистовую прокатки соответственно в дуо-реверсивных клетях и в универсальных клетях непрерывно-реверсивной группы, последующее дифференцированное  охлаждение по головке и подошве рельса от температуры 720 – 870°С до температуры 450 – 600°С,  черновую прокатку проводят в температурном интервале   950 – 1100°С с коэффициентом вытяжки за проход  в пределах 1.12-1,30, а чистовую – в температурном интервале  850 – 1000°С  с  коэффициентом вытяжки в универсальных калибрах  в пределах 1,07-1,18, после чего проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной  клети в температурном интервале   820 – 880°С с коэффициентом вытяжки   в пределах 1,07-1,10. При этом  заготовка выполнена из стали, содержащей  мас. %:  0,92-1,2  углерода, 0,2-1,25  марганца, 0,2-0,9 кремния, 0,001-0,06 ниобия, а также при необходимости  один или несколько элементов следующей группы мас. %: 0,1-0,8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.
Другим объектом настоящего изобретения является сталь для изготовления железнодорожных рельсов, содержащая мас. %:  0,92-1,2  углерода, 0,2-1,25  марганца, 0,2-0,9 кремния, согласно изобретению, в состав дополнительно введено 0,001-0,06 мас. % ниобия.
Возможен вариант осуществления, согласно которому в состав стали дополнительно введен один или несколько элементов следующей группы мас. %: 0,1-0,8 хрома, 0,05-0,6 никеля, 0,01-0,15 ванадия, 0,005-0,015 азота.
Подробное описание
Термическую обработку рельсов производят непосредственно после прокатки с использованием остаточного тепла предпрокатного нагрева. Охлаждение рельса производят со скоростями от 1,5 до 6 градусов в секунду для достижения  сбалансированного комплекса свойств, при этом охлаждение головки, шейки и подошвы производится с различными скоростями для обеспечения необходимой прямолинейности рельсового раската. Температура начала термообработки 720 – 870°С, окончания – 450 – 600°С.
Заявляемые диапазоны технических параметров выбраны экспериментальным путем, исходя из требований к твердости, механическим свойствам, ударной вязкости  и  микроструктуре  рельсов из заэвтектоидной стали.
Выбор заявленной температуры нагрева под прокатку обусловлен тем, что при температурах нагрева НЛЗ под прокатку свыше 1200°С не обеспечивается эффективное подавление рекристаллизационных процессов при прокатке в первых пропусках на обжимных клетях, а при температурах менее 1150°С существенно снижается пластичность стали, вследствие чего увеличиваются нагрузки на валки, происходит их повышенный износ, образуются выколы, увеличивается образование поверхностных дефектов.
Выбор заявленной температуры прокатки в последних пропусках группы тандем от 820 до 880°С обусловлен тем, что при температурах свыше 880°С не достигается эффективное измельчение аустенитного зерна, а при температурах менее 820°С существенно уменьшается пластичность металла, возрастают нагрузки на прокатные валки, и возникает риск получения закалочных структур в поверхностных слоях рельсов вследствие контакта с водой, подаваемой для охлаждения прокатных валков.
Выбор заявляемых коэффициентов вытяжек обусловлен следующими соображениями: при многопроходном обжатии заготовки в валках черновых дуо-реверсивных клетей с вытяжными калибрами с коэффициентом вытяжки за проход более 1,3 при выбранных температурных режимах прокатки происходит интенсивное взаимодействие прокатываемой стали со стенками калибра при этом происходит схватывание и отрыв частиц металла от валков, что в совокупности с циклическими механическими и термическими напряжениями, приводит к повышенному износу калибров. В результате ухудшается качество поверхности рельса и увеличивается расход валков.
При обжатиях заготовок в валках черновых дуо-реверсивных клетей с коэффициентом вытяжки менее 1,12 необходимо увеличение требуемого числа проходов, что значительно снижает производительность стана.
Процесс чистовой многопроходной прокатки в клетях непрерывно-реверсивной группы в температурных интервалах 850 – 1000°С с коэффициентом вытяжки за проход  в пределах  1,07 – 1,18 позволяет получить наиболее мелкозернистую структуру и высокие механические свойства рельсовой стали, за счет экспериментально установленной зависимости по увеличению количества образований центров новых зерен при деформации металла в этом диапазоне вытяжек.
Чистовая прокатка при температурах свыше 1000°С не обеспечивает подавление рекристаллизационных процессов и эффективное измельчение зерна, а при температурах ниже 850°С уменьшается пластичность стали, возрастают нагрузки на валки и увеличивается риск  образования поверхностных дефектов.
Вытяжка менее 1,07 в температурном интервале от 850 до 1000°С не позволяет эффективно измельчить структуру головки рельса, величина вытяжки в универсальном четырехвалковом калибре более 1,18 в рассматриваемом температурном интервале может привести к появлению анизотропии механических свойств в головке рельса, что ухудшает качество рельса.
Для соблюдения прямолинейности и обеспечения требуемых геометрических размеров профиля рельсов по всей их длине в заданном диапазоне допусков проводят финишную прокатку в отдельно стоящей универсальной нереверсивной  клети в температурном интервале 820 – 880°С  с коэффициентом вытяжки  в пределах 1,07-1,10.
При температурах финишной прокатки не ниже 820°С и не выше 880°С вытяжка раската с коэффициентом более чем 1,1 приводит к возрастанию контактных нагрузок, увеличению износа валков, ухудшению получения точной геометрии профиля. Вытяжка раската менее 1,07 – приводит к невыполнению высоты выпуклой маркировки по шейке профиля в пределах требуемых ГОСТом.
Заявляемый химический состав стали выбран исходя из следующих предпосылок:
Содержание углерода в металле на уровне 0,92-1,20% при прокатке и термической обработке рельсов, согласно предлагаемой технологии,   обеспечивает сбалансированный комплекс механических свойств и твердости. При снижении углерода менее 0,85%, уменьшается количество карбидов и ухудшается прочность и твердость рельсов, с недостижением твердости в заявляемых пределах  - свыше 400 НВ. При повышении углерода более 1,20% увеличивается количество структурносвободного цементита в виде зернограничной сетки, снижается ударная вязкость и пластичность рельсов.
Увеличение содержания кремния до 0,9% повышает пределы текучести и прочности рельсовой стали за счет упрочнения твердого раствора феррита в перлитной составляющей, а при снижении содержания кремния менее 0,20% влияние его будет недостаточным. При повышении содержания кремния более 0,90% возрастает вероятность падения пластичности и ударной вязкости.
Марганец улучшает прокаливаемость рельсовой стали и при его концентрации до 1,25 % достигается требуемый уровень твердости и прочности. Если содержание марганца составляет менее 0,20%, влияние его незначительно, при содержании более 1,25% возрастает вероятность образования мартенсита.
Хром увеличивает прокаливаемость рельсовой стали и увеличивает прочность перлита за счет образования легированного цементита. При содержании хрома менее 0,10% воздействие его незначительно, увеличение его содержания более 0,80% приводит к образованию мартенсита.
Никель интенсивно упрочняет феррит, с одновременным сохранением вязкости и снижением порога хладноломкости стали. При содержании никеля менее 0,05% действие его незначительно, увеличение содержания никеля свыше 0,60% приводит к существенному удорожанию стали.
Введение азота в сочетании с ванадием  и / или ниобием позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает увеличение сопротивляемости хрупкому разрушению. Наличие карбидо- и нитридообразующих ванадия и / или ниобия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При содержании азота менее 0,005% действие его незначительно, вследствие чего невозможно обеспечить измельчение зерна, а при содержании азота более 0,015% возможны случаи пятнистой ликвации и «азотного» кипения (пузыри в стали). Выбранные содержания ванадия и ниобия обеспечивают получение требуемой ударной вязкости за счет карбонитридного упрочнения. При концентрации ванадия менее 0,05% и ниобия менее 0,001% действие их незначительно. При введении в сталь ванадия более  0,15% и / или ниобия более 0,06% возрастает количество грубых карбонитридов, которые декарируют границы зерна и приводят к снижению ударной вязкости, а также приводят к существенному удорожанию стали.
Пример реализации изобретения
Рельсовую сталь (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали до температуры 1150-1200°С и прокатывали на рельсы типа Р65 длиной 100 м на рельсобалочном стане. Коэффициенты вытяжек рельсовых раскатов при прокатке в дуо-реверсивных клетях и  в клетях непрерывно-реверсивной группы представлены в таблице 2, температура рельсовых раскатов – в таблице 3,  из которой видно, что прокатку в дуо-реверсивных клетях осуществляли при температурах 950–1100°С, прокатку в клетях  непрерывно-реверсивной группы обжатия проводили  в температурном интервале 850 – 1000°С. Завершали прокатку в финишной клети в температурном диапазоне 820°С – 880°С с коэффициентом вытяжки 1,08.
Таблица 1
Химический состав рельсовой стали
Номер рельса
Массовая доля элементов, %
С
Мn
Si
V
Cr
Ni
Сu
S
Р
N<sub>2</sub>
Nb
1
0,85
0,20
0,90
0,01
0,80
0,05
0,04
0,010
0,011
0,010
0,001
2
0,89
0,44
0,81
0,05
0,65
0,08
0,05
0,006
0,012
0,007
0,003
3
0,95
0,95
0,57
0,03
0,44
0,40
0,07
0,008
0,011
0,008
0,001
4
1,15
0,80
0,27
0,13
0,15
0,12
0,07
0,012
0,011
0,013
0,034
5
1,20
0,57
0,20
0,01
0,10
0,31
0,09
0,011
0,014
0,017
0,060
6
0,97
1,10
0,44
0,08
0,24
0,17
0,05
0,007
0,013
0,005
0,002
7
0,86
1,25
0,38
0,05
0,31
0,52
0,06
0,006
0,011
0,011
0,017
8
1,17
0,52
0,85
0,15
0,12
0,09
0,07
0,008
0,012
0,014
0,010
9
0,89
0,33
0,29
0,04
0,55
0,60
0,05
0,008
0,014
0,012
0,024
10
1,09
1,00
0,48
0,11
0,22
0,28
0,11
0,011
0,010
0,016
0,001
11
0,92
0,90
0,70
0,09
0,37
0,14
0,06
0,010
0,011
0,020
0,048
Таблица 2
Клеть
Номер прохода
Коэффициент вытяжки
Дуо-реверсивная BD1
1
1,119
2
1,173
3
1,146
4
1,262
5
1,162
6
1,135
7
1,282
Дуо-реверсивная BD2
1
1,296
2
1,188
3
1,113
Непрерывно-реверсивный стан
UR1
1,156
ER1
1,081
UF1
1,170
UF2
1,173
ER2
1,017
UR2
1,126
UR3
1,093
ER3
1,014
Универсальная нереверсивная) клеть
U0
1,08
Таблица 3
Номер рельса
Температура НЛЗ на выдаче из ПШБ, °С
Температура рельсового раската при прокатке на клети, °С
BD1
BD2
TDM
Клеть U0
В первом и третьем пропусках
В последнем пропуске
максимум
минимум
максимум
минимум
максимум
минимум
1
1177
1057
1015
1014
1010
908
888
864
2
1184
1072
1036
1029
1024
927
901
875
3
1192
1076
1033
1020
1018
923
903
878
4
1200
1083
1040
1031
1027
929
907
880
5
1165
1053
1024
1020
1018
918
896
876
6
1178
1056
1014
1012
1008
909
886
861
7
1154
1040
1001
1000
998
894
872
839
8
1152
1038
998
995
992
890
861
833
9
1150
1034
993
990
988
886
857
820
10
1168
1059
1030
1023
1019
918
895
859
11
1189
1080
1042
1036
1034
932
900
879
После окончания прокатки рельсы позиционировали в положение «на подошву» и по одному задавали в охлаждающее устройство и подвергали дифференцированной закалке, (то есть производили ускоренное охлаждение элементов профиля с разными скоростями). Охлаждение головки и подошвы рельса проводили в интервале температур от 720-880°С до температур 450-600°С со скоростью 1,5-6°С/сек. После охлаждения, рельс с температурой 450-600°С выдавали из охлаждающего устройства и передавали на холодильник.
Технологические параметры охлаждения рельсов приведены в таблице 4.
Таблица 4
№ рельса
Режим охлаждения рельса
Температура началаохлаждения, °С
Скорость охлаждения, °С/сек
Температура рельса после охлаждения, °С
головка
подошва
головка
подошва
головка
подошва
1
858
852
4,8
4,6
450
461
2
880
856
6
5,5
490
498
3
878
859
5,4
5
545
550
4
880
870
6
5,5
520
540
5
853
830
2,2
1,9
500
525
6
867
840
1,9
1,5
563
600
7
837
811
2,1
1,8
585
595
8
750
737
2,7
2,3
480
507
9
725
720
2,4
2,3
509
513
10
834
824
1,8
1,6
582
600
11
870
850
3,7
3,3
500
520
После охлаждения и правки исследовали  микроструктуру  металла, определяли механические свойства при растяжении твердость на поверхности катания   и по сечению, ударную вязкость при температуре испытания +20°С.
Результаты механических испытаний при растяжении, твёрдости и ударной вязкости опытного металла   представлены в таблице 5.
Таблица 5
Результаты механических испытаний при растяжении, твердости и ударной вязкости
Номеррельса
σт
σв
δ5
ψ
Твердость
Ударная зязкость KCU, Дж/см²при температуреиспытания
H/мм²
%
НВ<sub>10</sub>
НВ<sub>10вл</sub>
НВ<sub>10вп</sub>
НВ<sub>22</sub>
НВ<sub>ш</sub>
НВ<sub>под</sub>
НВ<sub>пкг</sub>
+20°С
1
980
1420
12
34
413
409
413
409
363
359
415
32; 25
2
1010
1450
10
27
435
430
430
420
345
383
445
28; 29
3
1000
1440
10,5
28
426
420
420
415
337
385
435
26; 27
4
1020
1450
10
27
435
440
435
420
369
383
450
25; 26
5
970
1410
12,5
34
417
415
417
412
373
366
420
28: 34
6
960
1400
10,5
31
426
420
420
415
363
359
426
26; 28
7
970
1410
11,5
34
413
415
413
409
339
363
420
28; 30
8
980
1430
11
35
420
420
420
413
363
366
430
33; 32
9
980
1420
12
36
420
415
415
404
337
368
426
34; 33
10
990
1430
11,5
34
413
409
413
401
369
363
415
29; 33
11
990
1430
12
33
409
409
409
395
363
359
409
26; 26
Примечание:  НВпкг - твердость на поверхности катания головки рельса;
НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм от поверхности катания по вертикальной оси симметрии рельса;
НВ10вл, НВ10вп – твердость на расстоянии 10 мм соответственно от левой и правой выкружек;
НВш - твердость в шейке;
НВпод - твердость в подошве.
Испытание на копровую прочность пробы от всех рельсов выдержали без излома и признаков разрушения.
2
Предлагаемый способ изготовления рельсов позволил получить твердость на поверхности катания свыше 400 НВ, ударную вязкость более 15 Дж/см при температуре испытания  +20°С, в сочетании с  комплексом высоких значений механических свойств  при удовлетворительной перлитной микроструктуре и копровой прочности, отвечающий требованиям к рельсам повышенной износостойкости и контактно-усталостной выносливости.