РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ
RAIL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов повышенной износостойкости и с высоким сопротивлением усталостному разрушению.
Известна сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):
1. 0,69-0,82 С; 0,45-0,65 Si; 0,6-0,9 Mn; 0,004-0,011 N; 0,005-0,009 Ti; 0,005-0,009 Al; 0,02-0,10 V; 0,0005-0,004 Са; 0,0005-0,005 Mg; 0,15-0,4 Cr; Fe - ост. [1].
Существенным недостатком данной стали является недостаточное сопротивление рельсовой стали хрупкому разрушению, обусловленное наличием сложных оксидных неметаллических включений, содержащих кальций, магний, титан, алюминий.
Также известна сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):
2. 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 Са; 0,05-0,4 Cr; 0,003-0,1 Mo; Fe - ост. [2].
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 сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):
3. 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 Cu; Fe - ост. [3].
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 [4], 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 низкая ударная вязкость рельсов, подвергнутых дифференцированной закалке с температуры прокатного нагрева.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости рельсов.
Для достижения этого сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, никель, медь, железо, отличается тем, что она дополнительно содержит кальций, алюминий, ниобий и азот при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углерод
0,75-0,90
марганец
0,75-1,25
кремний
0,25-0,65
ванадий
0,03-0,15
хром
0,20-0,60
никель
не более 0,30
медь
не более 0,30
кальций
0,0004-0,003
ниобий
0,001-0,12
алюминий
не более 0,005
азот
0,007-0,020
железо
остальное
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих условий. Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости и износостойкости стали.
При содержании углерода менее 0,75% твердость на поверхности катания дифференцированно упрочненных рельсов сравнительно низкая и не превышает 363 НВ, на глубине 10 мм от поверхности катания -352 НВ.
При содержании углерода более 0,90% в осевой зоне шейки возрастает вероятность образования недопустимой цементитной сетки.
Повышение содержания кремния до 0,65% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающей повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые являются причиной снижения ударной вязкости.
Выбранное соотношение марганца и кремния обеспечивает необходимую прокаливаемость головки рельса при дифференцированной закалке. 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 0,30% и хрома более 0,60% в структуре головки рельса наблюдаются участки бейнита и мартенсита.
Введение ниобия в заявляемых пределах обеспечивает наряду с алюминием и ванадием получение гарантированной ударной вязкости стали. Его содержание до 0,001% не оказывает положительного влияния на ударную вязкость, а при концентрации более 0,12% структура рельсов имеет неоднородное строение.
Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали кальцием при концентрации 0,0004-0,003% обеспечивает получение высокочистого металла по включениям алюминатов, приводит к образованию глобулярных неметаллических включений, к уменьшению их размеров и количества. Однако введение кальция более 0,003% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и увеличивает стоимость стали. Кальций при концентрации менее 0,0004% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.
Применение ванадия в стали обусловлено тем, что он, как ниобий, 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 0,007% в стали, содержащей менее 0,03% ванадия и менее 0,001% ниобия, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, ударной вязкости и измельчение зерна аустенита. При увеличении содержания ванадия, ниобия 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 высокопрочных, износостойких рельсов повышенной 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 дифференцированной воздухоструйной закалке. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость дифференцированно 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 №1239164, М.кл. С22С 38/16, 1984 г.
2. А.с. СССР №1633008 А1, М.кл. С22С 38/28, 1991 г.
3. А.с. СССР №1435650, М.кл. С22С 38/16, 1987 г.
4. ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
Массовая доля элементов, %
С
Mn
Si
V
Al
N
Cr
Ni
Cu
Nb
Са
1
0,75
0,75
0,31
0,03
0,005
0,007
0,20
0,05
0,20
0,001
0,0004
2
0,87
0,76
0,25
0,09
0,006
0,014
0,36
0,10
0,08
0,10
0,0008
3
0,85
0,85
0,30
0,12
0,004
0,017
0,60
0,22
0,06
0,009
0,0020
4
0,88
1,00
0,60
0,14
0,005
0,015
0,50
0,15
0,28
0,010
0,001
5
0,87
0,95
0,50
0,11
0,005
0,020
0,35
0,25
0,18
0,007
0,003
6
0,90
1,25
0,65
0,15
0,005
0,018
0,25
0,30
0,30
0,12
0,001
Сталь Э76Ф
0,71-0,82
0,75-1,15
0,25-0,60
0,03-0,15
-
-
≤0,20
≤0,20
≤0,20
-
-
Таблица 2
Механические свойства дифференцированно упрочненных рельсов
Вариант
σт
σв
δ5
ψ
Твердость
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
Н/мм<sup>2</sup>
%
НВ10
НВ22
НВш
НВпод
НВпкг
+20°С
1
960
1300
13
35
395
375
352
352
401
29; 27
2
990
1352
12
33
388
375
351
341
388
27; 23
3
980
1393
12
33
401
388
341
341
409
25; 25
4
1029
1391
11
32
388
375
352
341
388
24; 32
5
1009
1372
10
31
388
363
341
341
388
25; 29
6
1049
1392
10
31
401
375
352
341
401
24; 31
Сталь Э76Ф
880
1180
8
25
≥341
≥321
≤388
341-401
25
Примечание: НВпкг- твердость на поверхности катания головки рельса;
НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм;
НВш - твердость в шейке;
НВпод - твердость в подошве.