Рельсовая сталь
Владельцы патента RU 2361007:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС (ИрИИТ)) (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения в условиях Сибири и Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, азот, никель, кальций, барий, стронций, церий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,65-0,75, марганец 0,85-1,20, кремний 0,30-0,55, алюминий - не более 0,005, азот 0,005-0,015, ванадий 0,05-0,15, хром 0,40-0,95, никель 0,03-0,30, кальций 0,0001-0,005, барий 0,0001-0,005, стронций 0,0001-0,008, церий 0,0001-0,008, железо и примеси - остальное. В качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020 мас.%, фосфор - не более 0,025 мас.%, медь - не более 0,20 мас.%. Повышаются чистота стали по неметаллическим включениям и эксплуатационная стойкость рельсов при отрицательных температурах. 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения в условиях Сибири и Крайнего Севера.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [1], содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,71-0,82 |
| Марганец | 0,75-1,05 |
| Кремний | 0,30-0,60 |
| Алюминий | не более 0,005 |
| Азот | 0,005-0,015 |
| Ванадий | 0,05-0,15 |
| Хром | 0,40-0,80 |
| Никель | 0,03-0,30 |
| Кальций | 0,0001-0,005 |
| Барий | 0,0001-0,005 |
| Железо | остальное |
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов, обусловленная недостаточной чистотой стали по неметаллическим включениям.
Известна также рельсовая сталь марки Э78ХСФ, содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,71-0,82 |
| марганец | 0,75-1,05 |
| кремний | 0,40-0,80 |
| алюминий | не более 0,005 |
| ванадий | 0,05-0,15 |
| хром | 0,40-0,60 |
| никель | не более 0,15 |
| хром | не более 0,15 |
| медь | не более 0,15 |
| железо | Остальное |
Основным недостатком данной стали является низкий уровень ударной вязкости, пластичности и повышенная загрязненность стали строчечными неметаллическими включениями.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям и эксплуатационной стойкости рельсов при отрицательных температурах применительно к условиям Сибири и Крайнего Севера.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, азот, никель, кальций, барий, железо, дополнительно содержит стронций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,65-0,75 |
| марганец | 0,85-1,20 |
| кремний | 0,30-0,55 |
| алюминий | не более 0,005 |
| азот | 0,005-0,015 |
| ванадий | 0,05-0,15 |
| хром | 0,40-0,95 |
| никель | 0,03-0,30 |
| кальций | 0,0001-0,005 |
| барий | 0,0001-0,005 |
| стронций | 0,0001-0,008 |
| церий | 0,0001-0,008 |
| железо | остальное |
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,20%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.
Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение пластичности и ударной вязкости стали без снижения уровня твердости и прочности.
Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в горячекатаном состоянии. При снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров. При повышении концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность снижения ударной вязкости стали.
Концентрация хрома выбрана исходя из обеспечения высокого сопротивления износу и высоких прочностных свойств, при этом снижение концентрации хрома менее 0,40% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути, а при повышении концентрации более 0,95% снижаются пластические свойства горячекатаной рельсовой стали.
Содержание алюминия выбрано с учетом, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.
Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и обеспечивает образование дисперсного тонкопластинчатого перлита, имеющего хорошее сочетание прочности, пластичности и вязкости. Поскольку марганец смещает точку фазовых превращений к более низким температурам, дальнейшее увеличение его концентрации более 1,20% приводит к снижению пластичности стали.
Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости стали хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,005% невозможно измельчение зерна и, соответственно, не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,020% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивают получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.
Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением уровня ударной вязкости при отрицательных температурах, дальнейшее повышение концентрации никеля экономически не целесообразно.
Совместное введение стронция, церия, кальция и бария позволяет модифицировать источники концентраторов напряжений - неметаллические включения, исключить образование «опасных» включений глинозема, повысить чистоту стали по оксидным и сульфидным включениям, обеспечить образование глобулярных включений и исключить образование строчечных включений алюминатов. При введении более 0,005% кальция, более 0,005% бария и более 0,008% стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивает повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.
Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки.
Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку железнодорожных рельсов типа Р65. После прокатки рельсов термообработка не проводилась. Результаты замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью [1, 2] приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 3.
Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение хладостойкости и механических свойств до уровня свойств объемно-закаленных рельсов.
Список источников
1. Патент РФ №2291221 C1.
2. ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| Химический состав стали | |||||||||||||||
| Состав | С | Si | Mn | Cr | V | Al | N | Са | Ва | Sr | Ni | S | P | Cu | Fe |
| 1 | 0,65 | 0,30 | 0,85 | 0,70 | 0,05 | 0,002 | 0,005 | 0,0001 | 0,003 | 0,003 | 0,02 | 0,005 | 0,010 | 0,09 | Ост. |
| 2 | 0,75 | 0,48 | 0,90 | 0,40 | 0,09 | 0,005 | 0,010 | 0,002 | 0,0001 | 0,0001 | 0,14 | 0,008 | 0,007 | 0,04 | Ост. |
| 3 | 0,70 | 0,40 | 0,89 | 0,49 | 0,12 | 0,005 | 0,012 | 0,004 | 0,002 | 0,007 | 0,30 | 0,006 | 0,019 | 0,07 | Ост. |
| 4 | 0,67 | 0,53 | 1,20 | 0,75 | 0,08 | 0,001 | 0,020 | 0,005 | 0,004 | 0,002 | 0,28 | 0,005 | 0,020 | 0,10 | Ост. |
| 5 | 0,69 | 0,34 | 1,06 | 0,95 | 0,11 | 0,003 | 0,016 | 0,005 | 0,0001 | 0,004 | 0,15 | 0,014 | 0,018 | 0,15 | Ост. |
| 6 | 0,66 | 0,61 | 1,15 | 0,80 | 0,14 | 0,004 | 0,016 | 0,006 | 0,005 | 0,008 | 0,20 | 0,020 | 0,021 | 0,09 | Ост. |
| Прототип | 0,71-0,82 | 0,30-0,60 | 0,75-1,05 | 0,30-0,60 | 0,05-0,15 | н.б. 0,005 | 0,005-0,015 | 0,0001-0,005 | 0,0001-0,005 | - | 0,03-0,30 | ≤0,020 | ≤0,025 | ≤0,20 | Ост. |
| Э78ХСФ по ГОСТ Р 516852000 | 0,71-0,82 | 0,40-0,80 | 0,75-1,05 | ≤0,15 | 0,05-0,15 | ≤0,005 | - | - | ≤0,15 | ≤0,025 | ≤0,025 | ≤0,15 | Ост. |
| Таблица 2 | ||||
| Длина строчки неметаллических включений | ||||
| Сталь | Максимальная длина строчечных включений, мм | |||
| Глинозем | Глинозем, сцементированный силикатами | Нитриды титана | Хрупкоразрушенные сложные окислы | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0,11 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 0 | 0,15 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Прототип | - | - | - | 0,50 |
| Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э78ХСФ категории Н | - | - | - | Не более 8,0 |
| Таблица 3 Механические свойства стали |
||||||
| Состав | Предел текучести, Н/мм2 | Предел прочности, Н/мм2 | Относительное удлинение, % | Относительное сужение, % | KCU ударная вязкость, Дж/см2 | |
| +20°С | -60°С | |||||
| 1 | 890 | 1330 | 16 | 34 | 0,37 | 0,27 |
| 2 | 900 | 1340 | 17 | 35 | 0,48 | 0,30 |
| 3 | 1100 | 1390 | 13 | 30 | 0,48 | 0,28 |
| 4 | 1110 | 1360 | 12 | 31 | 0,32 | 0,38 |
| 5 | 1210 | 1340 | 18 | 30 | 0,43 | 0,29 |
| 6 | 920 | 1330 | 19 | 31 | 0,47 | 0,31 |
| Э76Ф ГОСТ Р 51685-2000 | 880-1200 | 1350-1550 | 10-17 | 30-34 | 0,33-0,44 | 0,18-0,35 |
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, азот, никель, кальций, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стронций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,65-0,75 |
| марганец | 0,85-1,20 |
| кремний | 0,30-0,55 |
| алюминий | не более 0,005 |
| азот | 0,005-0,015 |
| ванадий | 0,05-0,15 |
| хром | 0,40-0,95 |
| никель | 0,03-0,30 |
| кальций | 0,0001-0,005 |
| барий | 0,0001-0,005 |
| стронций | 0,0001-0,008 |
| церий | 0,0001-0,008 |
| железо и примеси | остальное, |
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфор не более 0,025%, медь не более 0,20%.
