Рельсовая сталь
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, бор, никель, алюминий, азот, кальций, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,85-1,30, кремний 0,10-1,20, марганец 0,20-1,60, хром 0,10-1,10, молибден 0,001-0,30, ванадий 0,03-0,15, ниобий 0,0001-0,005, бор 0,0003-0,002, никель 0,05-0,30, алюминий не более 0,005, азот 0,007-0,02, кальций 0,0005-0,005, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит серу не более 0,015 мас.%, фосфор не более 0,020 мас.% и медь не более 0,20 мас.%. Повышается комплекс физико-механических свойств, износостойкость и контактно-усталостная прочность рельсов. 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов, обладающих улучшенным комплексом свойств, включающих повышенную износостойкость и контактно-усталостную прочность.
Известна сталь [1], содержащая (мас.%): 0,6-1,20 С; 0,1-1,2 Si; 0,4-1,4 Mn; 0,005-0,030 N; 0,005-0,050 Аl; 015-0,070 Mo; 0,1-1,0 Cr; 0,005-0,070 V; 0,01-1,50 Ni; 0,004-0,050 Nb; 0,01-1,50 Cu; 0,0001-0,0100 Ti; 0,002-0,050 S; 0,0001-0,0050 B; 0,0005-0,020 Mg; Fe - ост.
Существенными недостатками указанной стали являются низкая ударная вязкость и контактно-усталостная прочность рельсов, обусловленные высоким содержанием алюминия в стали, который приводит к загрязнению ее грубыми строчечными включениями глинозема.
Известная также рельсовая сталь [2], содержащая (мас.%): 0,83-0,95 С; 0,3-0,7 Si; 0,6-1,1 Mn; 0,08-0,15 V; не более 0,005 Аl; 0,012-0,020 N; 0,0005-0,005 Са; 0,05-0,5 Сr; 0,11-0,3 Мо; 0,05-0,3 Ni; 0,0005-0,005 Zr; 0,0005-0,005 РЗМ; не более 0,015 S; 0,020 Р; 0,020 Сu; Fe - ост.
Основным недостатком стали является недостаточная износостойкость рельсов, обусловленная сравнительно низким содержанием углерода, марганца, кремния, хрома и молибдена.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [3], содержащая (мас.%): 0,85-1,20 С; 0,10-1,00 Si; 0,20-1,50 Mn; 0,50-1,00 Сr или 0,85-1,20 С; 0,40-1,00 Si; 0,20-0,40 Mn; 0,35-0,50 Сr, причем величина суммы показателей содержания Si/4+Mn/2+Cr составляет 0,8-1,8%; а также один или по меньшей мере два элемента, выбранных из группы, включающей Mo, V, Nb и В, примеси и Fe - ост.
Существенным недостатком данной стали является повышенная склонность к хрупкому разрушению и пониженная эксплуатационная стойкость.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств, износостойкости и контактно-усталостной прочности рельсов.
Для достижения этого сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, бор и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит никель, алюминий, азот, кальций при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углерод | 0,85-1,30 |
кремний | 0,10-1,20 |
марганец | 0,20-1,60 |
хром | 0,10-1,10 |
молибден | 0,001-0,30 |
ванадий | 0,03-0,15 |
ниобий | 0,0001-0,005 |
бор | 0,0003-0,002 |
никель | 0,05-0,30 |
алюминий | не более0,005 |
азот | 0,007-0,02 |
кальций | 0,0005-0,005 |
железо и примеси | остальное, |
при этом количество примесей ограничено в следующем соотношении (мас.%):
сера | не более 0,015 |
фосфор | не более 0,020 |
медь | не более 0,20 |
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.
Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости и износостойкости рельсовой стали. Переход к заэвтектоидным сталям приводит к уменьшению роста зерна аустенита по сравнению с доэвтектоидными сталями.
При содержании углерода более 1,3% значительно возрастает хрупкость рельсов.
Повышение содержания Si, Mn, Сr по сравнению с прототипом связано также с необходимостью повышения износостойкости заэвтектоидной стали при рабочем контакте колесо-рельс.
Повышение содержания кремния до 1,20% связано с необходимостью увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающем повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые снижают ударную вязкость.
Увеличение концентрации марганца до 1,60% способствует повышению прокаливаемости стали, уменьшает критическую скорость охлаждения.
Молибден в указанных пределах обеспечивает получение дисперсной закаленной структуры, увеличивает прочностные свойства, твердость, ударную вязкость и сопротивление износу. Введение молибдена усиливает действие алюминия, снижение содержания которого не приведет к уменьшению сопротивления хрупкому разрушению.
В целом выбранное соотношение Mn, Si, Сr, Мо, В в стали, содержащей 0,85-1,30% С, обеспечивает снижение температуры превращения аустенита и получение более дисперсной структуры троостита по сравнению с сорбитом закалки.
Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости стали. Его содержание до 0,05% не оказывает положительного влияния на свойства стали, а при концентрации более 0,3% эта характеристика не превышает определяемых величин.
Совместное введение V, Nb, N в сталь приводит за счет образования дисперсных частиц карбонитридов ванадия и ниобия к повышению прочностных свойств и сопротивлению хрупкому разрушению. При концентрации ванадия менее 0,03%, ниобия менее 0,0001%, азота менее 0,007% не обеспечивается повышение выносливости стали. При увеличении содержания ванадия, ниобия и азота в стали более заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих нежелательное повышение прочностных свойств. При повышении азота более 0,02% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).
Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали кальцием от 0,0005 до 0,005% обеспечивают получение высокочистого металла по включениям алюминатов, приводят к образованию глобулярных неметаллических включений, к уменьшению их размеров и количества. Однако введение кальция более 0,005% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и удорожает производство стали. Кальций при концентрации менее 0,0005% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.
Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано с целью улучшения качества поверхности и повышения пластичности и вязкости стали. Кроме того, концентрация серы определяет красноломкость, фосфорахладноломкость стали.
Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает получение рельсов повышенной контактно-усталостной прочности и износостойкости при охлаждении их сжатым воздухом.
Серия опытных плавок была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. Металл разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали по обычной технологии на рельсы типа Р65, которые подвергали дифференцированной закалке сжатым воздухом. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсов из стали Э83Ф [4]. Повышение твердости и прочностных свойств рельсов увеличивает повышение их износостойкости и контактно-усталостной прочности.
Список источников, принятых во внимание
1. Патент JP 2004-076112 А, МПК С22С 38/00; 38/06; 38/5-1, 2004 г.
2. Патент RU 2259416 С2, МПК С22С 38/24, 38/28; 38/46; 38/50, 2005 г.
3. Патент RU 2139946 С1, МПК С21С С 21D 9/04; С22С 38/04, 1996 г.
4. ТУ 0921-125-2001 "Рельсы железнодорожные повышенной износостойкости и контактной выносливости".
Таблица 1 | |||||||||||
Химический состав стали | |||||||||||
Состав | Массовая доля элементов, % | ||||||||||
С | Мn | Si | V | Аl | N | Са | Nb | Сr | Мо | Ni | |
1 | 0,85 | 1,20 | 1,10 | 0,03 | 0,005 | 0,012 | 0,0005 | 0,0005 | 0,60 | 0,005 | 0,0005 |
2 | 0,87 | 0,30 | 1,20 | 0,09 | 0,005 | 0,014 | 0,0008 | 0,0008 | 0,10 | 0,001 | 0,005 |
3 | 0,85 | 0,85 | 0,30 | 0,12 | 0,004 | 0,017 | 0,0020 | 0,0015 | 1,10 | 0,15 | 0,0007 |
4 | 0,88 | 1,00 | 0,60 | 0,14 | 0,005 | 0,015 | 0,0010 | 0,0016 | 0,80 | 0,20 | 0,0001 |
5 | 0,94 | 0,95 | 0,50 | 0,11 | 0,005 | 0,020 | 0,0030 | 0,003 | 0,30 | 0,26 | 0,004 |
6 | 0,95 | 1,10 | 0,69 | 0,15 | 0,005 | 0,018 | 0,0049 | 0,005 | 0,50 | 0,30 | 0,001 |
7 | 1,00 | 0,61 | 0,30 | 0,08 | 0,005 | 0,007 | 0,0006 | 0,0005 | 0,70 | 0,12 | 0,004 |
8 | 1,20 | 0,75 | 0,45 | 0,11 | 0,003 | 0,010 | 0,0015 | 0,0007 | 0,90 | 0,19 | 0,005 |
9 | 1,25 | 0,96 | 0,61 | 0,13 | 0,002 | 0,018 | 0,0034 | 0,003 | 0,50 | 0,20 | 0,0006 |
10 | 1,30 | 1,09 | 0,70 | 0,15 | 0,005 | 0,009 | 0,0051 | 0,005 | 1,00 | 0,30 | 0,001 |
ТУ-0921-125-2001 Сталь Э83Ф | 0,78-0,88 | 0,75-1,05 | 0,25-0,45 | 0,03-0,15 | не более 0,02 | - | - | - | ≤0,15 | - | ≤0,15 |
Таблица 2 | |||||||
Механические свойства дифференцированно-упрочненных рельсов | |||||||
Вариант | σт | σв | δ5 | ψ | Твердость | ||
Н/мм2 | % | НВ10 | НВ22 | НВпкг | |||
1 | 1030 | 1413 | 12 | 25 | 401 | 388 | 415 |
2 | 990 | 1352 | 12 | 33 | 388 | 363 | 388 |
3 | 990 | 1363 | 12 | 33 | 388 | 388 | 388 |
4 | 1029 | 1391 | 11 | 32 | 388 | 375 | 388 |
5 | 1039 | 1372 | 10 | 31 | 388 | 388 | 401 |
6 | 1049 | 1412 | 10 | 31 | 388 | 388 | 415 |
7 | 1060 | 1423 | 12 | 24 | 415 | 401 | 430 |
8 | 1080 | 1443 | 11 | 23 | 415 | 415 | 430 |
9 | 1090 | 1452 | 10 | 22 | 415 | 415 | 430 |
10 | 1090 | 1462 | 9 | 20 | 410 | 415 | 440 |
ТУ-0921-125-2001 Сталь Э83Ф | 880 | 1274 | 7 | 26 | ≥352 | ≥341 | ≥363 |
Примечание: НВпгк - твердость на поверхности катания головки рельса; | |||||||
НВ10, НВ22 - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм. |
Рельсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, бор, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, алюминий, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,85-1,30 |
кремний | 0,10-1,20 |
марганец | 0,20-1,60 |
хром | 0,10-1,10 |
молибден | 0,001-0,30 |
ванадий | 0,03-0,15 |
ниобий | 0,0001-0,005 |
бор | 0,0003-0,002 |
никель | 0,05-0,30 |
алюминий | не более 0,005 |
азот | 0,007-0,02 |
кальций | 0,0005-0,005 |
железо и примеси | остальное |
сера | не более 0,015 |
фосфор | не более 0,020 |
медь | не более 0,20 |