Рельсовая сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов низкотемпературной надежности. Предложена рельсовая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,69 - 0,82, марганец 0,60 - 1,05, кремний 0,18 - 0,45, ванадий 0,04 -0,10, азот 0,008 - 0,020, алюминий 0,005 - 0,020, титан 0,003 - 0,010, кальций 0,002 -0,010, магний 0,003 - 0,007, хром 0,05 - 0,30, никель 0,05 - 0,30, медь 0,05 - 0,30, сера 0,005 - 0,010, фосфор не более 0,025, железо - остальное, при этом суммарное содержание хрома, никеля и меди не превышает 0,65 мас.%, а соотношение содержаний кальция и серы находится в пределах 0,4 - 2,0. Техническим результатом изобретения является возможность создания рельсов с повышенной ударной вязкостью и эксплуатационной надежностью при низких температурах вплоть до -60^oC. 1 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности, к производству стали для железнодорожных рельсов низкотемпературной надежности.

Известны стали, имеющие следующий химический состав, мас.%; 1. 0,65 - 0,85 C; 0,18 - 0,40 Si; 0,60 - 120 Mn; 0,001 - 0,01 Zr; 0,005 - 0,040 Al; 0,004 - 0,011 N; один элемент из группы, содержащей Ca и Mg 0,0005 - 0,015; 0,004 - 0,040 Nb; 0,05 - 0,30 Cu; Fе - ост.

2. 0,65 - 0,89 C; 0,18 - 0,65 Si; 0,60 - 1,20 Mn; 0,004 - 0,030 N; 0,005 - 0,02 Al; 0,0004 - 0,005 Ca; 0,01 - 0,10 V; 0,001 - 0,03 Ti; 0,05 - 0,40 Cr; 0,003 - 0,10 Mo; карбонитриды ванадия 0,005 - 0,08, при этом кальций и алюминий находятся в соотношении 1 : (4 - 13), Fe - ост.

Эти стали предназначены для изготовления рельсов, в частности, вторая сталь - для рельсов, предназначенных для эксплуатации на магистралях с повышенной грузонапряженностью. Однако они не обеспечивают требуемой работоспособности рельсов в условиях низких климатических температур, характерных для обширных районов Сибири.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%: 0,69 - 0,82 C; 0,45 - 0,65 Si; 0,60 - 0,90 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 Ca; 0,0005 - 0,005 Mg; 0,15 - 0,40 Cr; Fe -ост. Однако для нее характерна недостаточно дисперсная микроструктура, которая не может обеспечить требуемый уровень ударной вязкости при низких температурах (-60^oC). Кроме того, содержание серы в этой стали может достигать 0,035%. Вследствие этого в рельсах присутствует значительное количество строчек сульфидов марганца, что понижает ударную вязкость рельсов как в продольном, так и в поперечном направлениях. В связи с тем, что ударная вязкость коррелирует с усталостной прочностью, можно считать, что значения ее при низких температурах однозначно коррелируют с низкотемпературной надежностью, а рельсы из указанной стали не обладают достаточным ресурсом усталостной прочности.

Поставлена задача создать рельсовую сталь, из которой можно производить рельсы, обладающие повышенной эксплуатационной надежностью при низких температурах, вплоть до -60^oC.

Поставленная задача достигается тем, что рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, азот, алюминий, титан, кальций, магний и хром, дополнительно содержит никель и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,69 - 0,82 Марганец - 0,60 - 1,05 Кремний - 0,18 - 0,45 Ванадий - 0,04 - 0,10 Азот - 0,008 - 0,020 Алюминий - 0,005 - 0,020 Титан - 0,003 - 0,010 Кальций - 0,002 - 0,010
Магний - 0,003 - 0,007
Хром - 0,05 - 0,30
Никель - 0,05 - 0,30
Медь - 0,05 - 0,30
Сера - 0,005 - 0,010
Фосфор - Не более 0,025
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание хрома, никеля и меди не превышает 0,65 мас. %, а соотношение содержаний кальция и серы находится в пределах 0,4 - 2,0
Введение в сталь никеля и меди заметно понижает температуру начала перлитного превращения при охлаждении рельсовой стали из аустенитного состояния. Вследствие этого происходит заметное измельчение структуры, а именно, уменьшается величина колоний перлита, межпластинчатое расстояние перлита и, следовательно, толщина пластин цементита. Поскольку в стали со структурой пластинчатого перлита ударная вязкость в значительной степени зависит от величины колоний перлита и толщины пластин цементита, то их измельчение приводит к повышению ударной вязкости как при положительной, так и отрицательной температурах вплоть до -60^oC, а, следовательно, к повышению низкотемпературной надежности рельсов.

При введении в сталь никеля и меди в количествах, меньших, чем 0,05%, они не оказывают заметного влияния на структуру и ударную вязкость рельсов. Если количество никеля и меди превышает 0,3% каждого или суммарное содержание хрома, никеля и меди превосходит 0,65%, то в стали, наряду с перлитной структурой, образуются участки бейнитной структуры. Ударная вязкость такой стали со смешанной структурой заметно понижается.

Соотношение кальция и серы, равное 0,4 - 2,0, обеспечивает формирование вместо строчек сульфида марганца большой протяженности коротких строчек (Mn, Ca)S, глобулярных сульфидов кальция и оболочек из сульфидов кальция на поверхности алюминатов кальция. Глобуляризация сульфидов повышает ударную вязкость в продольном и поперечном направлении, уменьшает анизотропию ударной вязкости. В связи с этим заметно уменьшается опасность развития трещин при эксплуатации рельсов и повышается их надежность, особенно при низких температурах.

Если отношение содержаний кальция к сере меньше, чем 0,4, то не происходит глобуляризации сульфидов и повышения ударной вязкости стали.

Отношение содержаний кальция к сере больше, чем 2,0, трудно обеспечить при существующих технологиях выплавки, десульфурации стали и введении в нее кальция
Необходимо отметить, что поскольку уровень ударной вязкости, особенно при низких температурах, рельсовой стали довольно низок, что связано с особенностями ее химического состава, то лишь совместное одновременное воздействие на дисперсность микроструктуры и на состав и форму сульфидов заметно повышает низкотемпературную надежность рельсов.

Существенными отличиями предлагаемой стали при заявляемом соотношении компонентов являются: введение в сталь никеля и меди при суммарном содержании никеля, меди и хрома не выше 0,65% и соотношение содержаний кальция и серы в пределах 0,4 - 2,0.

По имеющимся в научно-технической литературе сведениям никель и медь обычно вводят в сталь, в том числе в рельсовую, для повышения ее прокаливаемости и получения полностью мартенситной структуры, повышения прочности и твердости стали. В предлагаемом изобретении никель и медь вводятся в сталь для измельчения микроструктуры и повышения ударной вязкости.

В литературе нами не обнаружено данных о совместном влиянии никеля и меди и глобуляризации сульфидов на ударную вязкость и низкотемпературную надежность. В силу вышеизложенного заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Примеры конкретной реализации предлагаемого изобретения приведены в таблице, где указаны химический состав сталей и свойства рельсов, полученных из этих сталей.

Из предлагаемой стали и стали-прототипа в условиях Кузнецкого металлургического комбината были прокатаны железнодорожные рельсы типа Р65, которые термообработаны путем объемной закалки в масле от 840 - 850^oC и отпуска при 450^oC по действующим на комбинате технологическим инструкциям.

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что при введении в сталь никеля и меди в таком соотношении, что суммарное количество никеля, меди и хрома не превышает 0,65%, а отношение содержаний кальция и серы находится в пределах 0,4 - 2,0, ударная вязкость стали при температуре 20^oC в продольном направлении рельса составляет 4,0 - 6,0 кгс·м/см², в поперечном направлении - 3,6 - 5,7 кгс·м/см², показатель анизотропии n = 0,90 - 0,98. При этих условиях ударная вязкость стали на продольных образцах при -60^oC находится в пределах 2,0 - 2,7 кгс·м/см². При содержании никеля и меди, суммарном содержании никеля, меди и хрома, отношении содержания кальция к сере ниже и выше указанных пределов значения ударной вязкости и ее анизотропии не отличаются заметно от значений этих параметров для стали-прототипа.

Согласно техническим условиям ТУ 14-1-5233-93 рельсы с KCU-60 не менее 2,0 кгс·м/см² относятся к рельсам низкотемпературной надежности. Таким образом, выплавка предлагаемой стали позволит увеличить объем производства рельсов повышенной низкотемпертурной надежности для районов с низкими климатическими температурами.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 1435650 М. кл. C 22 C 38/16, 1987.

2. Пат. РФ N 1633008 М. кл. C 22 C 38/16, 1989.

3. Авт. св. СССР N 1239164, М.кл. C 22 C 38/28, 1984.

Формула изобретения

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, азот, алюминий, титан, кальций, магний и хром, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,69 - 0,82
Марганец - 0,60 - 1,05
Кремний - 0,18 - 0,45
Ванадий - 0,04 - 0,10
Азот - 0,008 - 0,020
Алюминий - 0,005 - 0,020
Титан - 0,003 - 0,010
Кальций - 0,002 - 0,010
Магний - 0,003 - 0,007
Хром - 0,05 - 0,30
Никель - 0,05 - 0,30
Медь - 0,05 - 0,30
Сера - 0,005 - 0,010
Фосфор - Не более 0,025
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание хрома, никеля и меди не превышает 0,65 мас. %, а соотношение содержаний кальция и серы находится в пределах 0,4 - 2,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1