Рельсовая сталь
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов. Заявлена рельсовая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении в (мас.%): углерод 0,2-0,31; кремний 1,0-1,3; марганец 1,5-1,9; хром 1,1-1,4; ванадий 0,09-0,15; алюминий не более 0,005; азот 0,012-0,02; кальций 0,0005-0,0049; молибден 0,2-0,5; ниобий 0,003-0,03; никель 0,05-0,3; бор 0,0003-0,002; железо – остальное. При этом в качестве примеси сталь может содержать, в мас.%: серу не более 0,015, фосфор не более 0,020, медь не более 0,2. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса механических свойств и твердости стали, а также увеличение эксплуатационной стойкости рельсов. 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов.
Известна рельсовая перлитная сталь [1], содержащая 0,71-0,82% С; 0,75-1,05% Mn; 0,25-0,45% Si; 0,05-0,15% V; не более 0,025% Р; не более 0,030% S; не более 0,02% Аl.
Уровень временного сопротивления и твердости объемнозакаленных рельсов из нее не превышает 1320 Н/мм2 и 388 НВ.
Увеличение интенсификации эксплуатации рельсов потребовало дальнейшего повышения их прочности. Решение этой задачи на основе структур тонкопластинчатого перлита (сорбита закалки) не представляется возможным ввиду того, что эта структура имеет ограничение по верхнему пределу твердости (НВ 380-400).
Поэтому создание высокопрочных рельсов повышенной эксплуатационной надежности и сопротивляемости образованию дефектов предполагает переход на другую структуру, в частности нижнего бейнита, полученного при охлаждении на воздухе с прокатного или при нормализации с перекристаллизационного нагрева.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот и дополнительно содержащая один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей редкоземельные элементы, цирконий, кальций, барий при следующем соотношении компонентов (вес.%): 0,32-0,42 С; 0,17-0,37 Si; 0,25-0,55 Mn; 1,8-2,4 Cr; 0,09-0,15 V; 0,02-0,06 Al; 0,02-0,04 N, один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей редкоземельные металлы, 0,0005-0,1; цирконий 0,005-0,1; кальций 0,005-0,05; барий 0,005-0,2; железо - остальное [2].
Существенными недостатками стали в горячекатаном и нормализованном состояниях являются сравнительно низкие механические свойства и твердость, повышенная склонность к хрупкому разрушению, что связано с низкой концентрацией марганца и кремния и высоким содержанием хрома.
Вместе с тем указанное содержание углерода в ней является сравнительно высоким и приводит к снижению пластических (
, 
) и вязкостных свойств рельсов.
Высокое содержание хрома в стали, обеспечивающее увеличение прокаливаемости, способствует росту зерна аустенита, особенно при низком содержании марганца и кремния и отсутствии молибдена, делает сталь склонной к хрупкому разрушению, сильно удорожает ее.
В рельсах из этой стали, подвергнутой нормализации, образуется многокомпонентная структура, состоящая из феррита, верхнего и нижнего бейнита. Рельсы с такой структурой имеют пониженную износостойкость и контактно-усталостную прочность и повышенную склонность к хрупкому разрушению.
Высокое содержание алюминия, кальция и бария в стали приводит к загрязненности ее строчечными включениями алюминатов (Аl 2О3· СаО· ВаО), приводящих при эксплуатации рельсов к зарождению и развитию контактно-усталостных дефектов и преждевременному выходу их из строя. Наличие в этой стали высоких концентраций алюминия, азота приводит к образованию большого количества гексогональных нитридов алюминия, значительно снижающих технологическую пластичность металла при температурах горячей прокатки.
Наличие в стали серы и фосфора в больших количествах приводит к повышению соответственно красно- и хладноломкости.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются повышение комплекса механических свойств и твердости стали, увеличивающих эксплуатационную стойкость рельсов.
Для этого сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот, кальций, дополнительно содержит молибден, ниобий, никель, бор при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Углерод 0,2-0,31
Кремний 1,0-1,3
Марганец 1,5-1,9
Хром 1,1-1,4
Ванадий 0,09-0,15
Алюминий Не более 0,005
Азот 0,012-0,02
Кальций 0,0005-0,0049
Молибден 0,2-0,5
Ниобий 0,003-0,03
Никель 0,05-0,3
Бор 0,0003-0,002
Железо Остальное
Кроме того, в ее составе может быть дополнительно ограничено количество примесей в следующем соотношении (мас.%):
Серы Не более 0,015
Фосфора Не более 0,020
Меди Не более 0,20
Заявляемый химический состав выбран исходя из следующих условий.
Получение высокопрочной стали с бейнитной структурой связано с уменьшением содержания углерода. Для получения этой структуры необходимо сдвинуть начало превращения вправо (увеличить инкубационный период) и снизить температуру превращения ниже 450° С. Это достигается за счет легирования, обеспечивающего повышение устойчивости аустенита, и приводит к измельчению структуры, дисперсионному твердению и образованию пересыщенного углеродом твердого раствора, повышению прочностных свойств и твердости. Требуемая структура бейнита - реечный (игольчатый) феррит с карбидами внутри реек.
Структура нижнего бейнита, имеющая высокую твердость (>НВ 400), обеспечивает наилучшее соотношение прочностных и вязкостных свойств, наибольшую износостойкость и повышенную хладостойкость.
Известно, что вязкость разрушения бейнитных сталей выше, чем перлитных. Бейнитные стали менее склонны к хрупкому разрушению (допускаемая глубина трещин перед возникновением хрупкого излома на 40% больше, чем в перлитных сталях).
Соотношение углерода 0,2-0,31% выбрано исходя из того, что при данной концентрации его и легирующих элементов образуется нижний бейнит, имеющий более высокую твердость, чем сорбит закалки.
Вместе с тем ограничение содержания углерода в рельсовой стали связано с тем, что рельсы подвержены ударным нагрузкам. Оно обеспечит повышение вязкости и сопротивление хрупкому разрушению, что увеличит конструктивную прочность и надежность рельсов при эксплуатации.
Выбранное соотношение Mn, Si, Cr, Мо в стали, содержащей 0,2-0,31% С, обеспечивает увеличение прокаливаемости стали, превращение аустенита в промежуточной области (не выше 400° С) и получение мелкоигольчатой структуры нижнего бейнита, имеющего более высокие прочностные свойства и твердость, а следовательно, износостойкость, чем мелкопластинчатый перлит (сорбит закалки).
Кроме того, бейнитные стали заявляемого состава имеют более высокие значения произведения 
в· , чем перлитные стали. Это позволяет рельсам иметь повышенный предел усталости.
Снижение содержания алюминия до низких значений (0,005%) обеспечивает отсутствие включений глинозема и алюминатов в виде строчек и уменьшение в 2-3 раза содержания корунда в общем составе устойчивых оксидных включений, что приведет к увеличению предела усталости, контактно-усталостной прочности и износостойкости. При низком содержании алюминия (
0,005%) увеличивается эффективность применения ванадия для измельчения зерна, повышения прочностных свойств, ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению рельсов.
Указанное соотношение марганца выбрано потому, что он при содержании до 2% способствует измельчению зерна, уменьшает отрицательное влияние углерода на порог хладноломкости, модифицируя выделения цементита. Марганец, замедляя перлитное превращение, снижая температуру образования феррита, способствует переохлаждению аустенита до температур промежуточного превращения.
Увеличение содержания марганца способствует повышению упрочняющего эффекта ванадия, температуры растворения нитрида ванадия.
Верхний предел содержания марганца выбран исходя из того, что при концентрации его до 2% повышаются прочностные свойства, ударная вязкость и сопротивление хрупкому разрушению. Это позволяет снизить содержание углерода до 0,2% с целью повышения пластических свойств и ударной вязкости стали. Марганец уменьшает критическую скорость охлаждения и склонность к деформации изделий при термической обработке.
Нижний предел концентрации марганца выбран исходя из того, что он при прочих достоинствах увеличивает растворимость азота в железе.
Повышение содержания кремния до заявленных пределов обеспечивает увеличение прокаливаемости, повышение прочностных и упругих свойств изделий. При этом показатели пластичности и хладостойкость стали остаются достаточно высокими. В марганцовистой стали кремний несколько измельчает зерно при температуре ниже 1000° С. При выбранном содержании марганца предложенная концентрация кремния является оптимальной. Кремний, повышающий активность углерода в аустените, увеличивает устойчивость карбидной фазы, уменьшая скорость ее коагуляции.
Более высокое содержание Mn, Si в стали этого состава приведет при охлаждении на воздухе к образованию мартенсита, имеющего повышенную хрупкость по сравнению с бейнитом, снижению ударной вязкости. При концентрации кремния менее 1,0% значительно снижаются прочностные характеристики, прокаливаемость стали.
Хром при содержании до 1% и отсутствии молибдена в стали мало влияет на бейнитную прокаливаемость, увеличение его концентрации до 1,4% приводит к повышению прокаливаемости, получению дисперсной структуры, повышению вязкости феррита, прочностных свойств стали.
При содержании в металле более 1% Сr марганец способствует сдерживанию роста зерна аустенита. Способность Mn, Мо, V, Nb сдерживать рост зерна аустенита увеличивается в присутсвии хрома. Хром, образуя карбиды, увеличивает сопротивление износу.
Молибден в стали увеличивает эффективность влияния хрома на ее прокаливаемость, замедляет выделение феррита и перлита. Он способствует образованию нижнего бейнита, повышает растворимость азота в железе и сопротивление отпуску, измельчает зерно аустенита, увеличивает прочностные свойства, твердость, ударную вязкость и сопротивление износу в 1,5-2 раза. Измельчающее действие молибдена усиливается в присутствии марганца и хрома. Введение молибдена усиливает действие алюминия, снижение содержания которого не приведет к снижению сопротивления хрупкому разрушению. Увеличение концентрации молибдена в металле более 0,4% уменьшает предельную скорость охлаждения, что обеспечивает снижение растягивающих остаточных напряжений в рельсах и их прямолинейность. Легирование молибденом снижает склонность стали к отпускной хрупкости и порог хладноломкости.
Таким образом, увеличение содержания Mn, Si, Cr, Мо в рельсовой бейнитной стали, содержащей 0,2-0,31% С, до заявляемых пределов снижает температуру бейнитного превращения и обеспечивает получение структуры нижнего бейнита в рельсах, охлажденных после прокатки на воздухе или подвергнутых нормализации.
Применение V, Nb в стали обусовлено тем, что они, как Cr, Мо, Mn, увеличивают растворимость азота в железе, связывая его в прочные химические соединения (нитриды и кабонитриды ванадия и ниобия), которые измельчают зерно аустенита.
Введение ванадия в сталь, содержащую Cr, Mn, Мо, значительно снижает склонность аустенита к росту при нагреве. Сталь, содержащая 0,09-0,15% V, имеет самую низкую склонность к росту зерна аустенита при нагреве.
Введение V, Nb, N в заявляемых пределах в сталь приводит к измельчению зерна до баллов 9-12 и снижению склонности его к росту при нагреве за счет образования дисперсных частиц карбонитридов ванадия и ниобия и к повышению прочностных и вязкостных свойств и сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Ванадий и азот увеличивают устойчивость аустентита. Однако без использования азота ванадий и ниобий снижают вязкость и увеличивают хладноломкость стали. Ванадий и ниобий повышают предел выносливости, способствуют улучшению свариваемости.
Наиболее целесообразно микролегирование ванадием, ниобием совместно с азотом сталей с содержанием 1,2-1,9% Mn, так как марганец в этом количестве уменьшает активность азота в аустените и увеличивает растворимость нитридов, снижает температуру образования феррита, способствует дополнительному измельчению зерна. Увеличение содержания марганца в стали способствует повышению температуры растворения нитрида ванадия.
В стали, содержащей азот, оптимальная концентрация ванадия и ниобия соответственно составляет 0,09-0,15 и 0,003-0,03%. Нижний предел содержания ванадия в стали выбран потому, что он начинает эффективно измельчать зерно аустенита при концентрации более 0,07%. Верхний предел содержания ванадия установлен исходя из того, что при увеличении его концентрации выше 0,15% относительная доля азота в карбонитриде ванадия падает, образуется карбонитрид, близкий по составу к карбиду ванадия, который снижает ударную вязкость.
Свойства карбонитрида ниобия также зависят от содержания в нем азота и углерода. С увеличением концентрации ниобия в стали более 0,03% доля азота в карбонитридной фазе уменьшается, а углерода возрастает. Поэтому чем меньше ниобия в стали, имеющего большее сродство к углероду, чем ванадий, тем меньше углерода в карбонитриде и тем выше ударная вязкость стали. С увеличением концентрации ниобия до 0,03% в стали, содержащей азот, ударная вязкость возрастает. Ее рост связан с тем, что ниобий уменьшает содержание углерода в феррите.
Концентрация азота менее 0,012% в стали, содержащей ванадий, ниобий, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств и измельчение зерна. При увеличении содержания ванадия, ниобия и азота в стали до заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней. Однако при повышении азота более 0,02% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).
Ниобий увеличивает устойчивость аустенита за счет подавления ферритных превращений. Введение его совместно с ванадием позволяет снизить расход алюминия при раскислении стали для уменьшения загрязненности ее включениями корунда, снижающими контактно-усталостную прочность рельсов, измельчить аустенитное зерно и повысить прочностные свойства, твердость, а также контактно-усталостную прочность рельсов. Это связано с тем, что карбонитриды ниобия по сравнению с карбонитридами ванадия сдерживают рост зерна аустенита при нагреве до более высоких температур. Поэтому при нагреве стали, содержащей незначительное количество нитридов алюминия, после растворения карбонитридов ванадия рост зерна аустенита будет сдерживаться карбонитридами ниобия. Вместе с тем ниобий увеличивает устойчивость аустенита за счет подавления ферритных превращений.
В результате растворения карбонитридов ванадия увеличивается содержание ванадия в твердом растворе, что обеспечивает повышение механических свойств и твердости рельсов после термической обработки. Повышение этих характеристик будет дополнительно обеспечено за счет последующего выделения дисперсной фазы при диффузионном 
превращении. При этом нерастворившиеся карбонитриды ниобия при нагреве будут контролировать размер зерна аустенита и обеспечат последующее зернограничное упрочнение.
Введение бора в сталь, содержащую карбидообразующие элементы, резко увеличивает ее прокаливаемость, затрудняет образование структурно-свободного феррита при закалке.
Никель увеличивает прокаливаемость, вязкость и сопротивляемость стали хрупкому разрушению. Его содержание до 0,05% не оказывает положительного влияния на ударную вязкость, а при концентрации более 0,3% эта характеристика не превышает определяемых величин. Увеличение содержания никеля и молибдена сильно удорожает сталь.
Кальций в заявляемых пределах вводится для модифицирования неметаллических включении: исключает образование опасных строчечных включений сложных хрупкоразрушенных силикатов алюминия, повышает чистоту стали по оксидным и сульфидным включениям, обеспечивает образование глобулярных включений, снижает содержание серы и увеличивает хладостойкость стали.
Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали уменьшенным количеством кальция (0,0005-0,005%) обеспечивает получение высокочистого металла по включениям алюминатов, приводит к образованию благоприятной глобулярной формы неметаллических включений, к уменьшению их размеров и количества. Однако введение кальция более 0,005% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и увеличивает стоимость стали. Кальций при концентрации менее 0,0005% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.
Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано исходя из требований улучшения качества поверхности рельсов и повышения их пластичности, вязкости и хладостойкости.
Сталь заявляемого состава (таблица 1) выплавляли в дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали по обычной технологии на рельсы типа Р65.
Испытание опытных рельсов в нетермообработанном и нормализованном состоянии показало, что химический состав заявляемой стали обеспечивает получение структуры нижнего бейнита и повышение прочностных свойств, твердости (особенно на поверхности катания), ударной вязкости (таблица 2), что, в свою очередь, увеличивает износостойкость и эксплуатационную надежность рельсов из этой стали.
Список источников
1. ГОСТ Р 51685 "Рельсы железнодорожные. Общие технические условия".
2. А.с. №603689, МПК5 С 22 C 38/24.
Формула изобретения
Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот, кальций, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ниобий, никель, бор при следующем соотношении компонентов, мас.%):
Углерод 0,2-0,31
Кремний 1,0-1,3
Марганец 1,5-1,9
Хром 1,1-1,4
Ванадий 0,09-0,15
Алюминий Не более 0,005
Азот 0,012-0,02
Кальций 0,0005-0,0049
Молибден 0,2-0,5
Ниобий 0,003-0,03
Никель 0,05-0,3
Бор 0,0003-0,002
Железо Остальное
при этом в ее составе дополнительно ограничено количество примесей в следующем соотношении, мас.%:
Серы Не более 0,015
Фосфора Не более 0,020
Меди Не более 0,2
