рельсовая сталь

Формула изобретения

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,75-0,90
марганец	0,70-1,25
кремний	0,25-0,55
алюминий	не более 0,005
кальций	0,0001-0,005
азот	0,006-0,015
ванадий	0,05-0,15
стронций	0,0001-0,001
медь	0,03-0,30
никель	0,03-0,30
хром	0,03-0,30
барий	0,0001-0,001
цирконий	0,0001-0,001
церий	0,0001-0,001
железо и примеси	остальное,

при этом в качестве примесей она содержит не более 0,020 мас.% серы и не более 0,025 мас.% фосфора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для движения в кривых участках малого радиуса в условиях Сибири и Крайнего Севера.

Известна рельсовая сталь [1], содержащая (в мас.%):

углерод	0,65-0,85
марганец	0,6-1,2
кремний	0,25-0,45
алюминий	0,005-0,012
кальций	0,002-0,020
азот	0,006-0,015
ванадий	0,01-0,07
стронций	0,002-0,030
медь	0,05-0,80
барий	0,001-0,030
цирконий	0,005-0,020
железо	остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов, обусловленная недостаточной износостойкостью и чистотой стали по неметаллическим включениям.

Известная также рельсовая сталь[2], содержащая (мас.%):

углерод	0,83-0,95
марганец	0,60-1,1
кремний	0,30-0,70
ванадий	0,008-0,15
алюминий	не более 0,005
азот	0,012-0,020
кальций	0,0005-0,005
хром	0,05-0,50
хром	не более 0,15
молибден	0,11-0,3
никель	0,05-0,30

один из элементов, выбранных из группы, включающей цирконий и РЗМ:

цирконий	0,0005-0,005
РЗМ	0,0005-0,005
железо и примеси	остальное

Основным недостатком данной стали является повышенная хрупкость рельсов в зоне болтовых отверстий из-за образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.

В качестве наиболее близкого аналога авторами принята за прототип рельсовая сталь [3], содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: содержащая углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,1, кремний 0,4-0,6, алюминий не более 0,005, кальций 0,0001-0,005, азот 0,005-0,02, ванадий 0,05-0,15, стронций 0,0001-0,005, медь не более 0,15, никель 0,03-0,2, хром 0,7-1,2, барий 0,0001-0,005, железо и примеси - остальное.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям и износостойкости рельсов при отрицательных температурах применительно к условиям Сибири и Крайнего Севера.

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и церий при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод	0,75-0,90
марганец	0,70-1,25
кремний	0,25-0,55
алюминий	не более 0,005
кальций	0,0001-0,005
азот	0,006-0,015
ванадий	0,05-0,15
стронций	0,0001-0,001
медь	0,03-0,30
никель	0,03-0,30
хром	0,03-0,30
барий	0,0001-0,001
цирконий	0,0001-0,001
церий	0,0001-0,001
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 предпосылок:

Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение твердости и износостойкости рельсов исключая вероятность образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.

Увеличение марганца до 1,25% повышает сопротивление износу и прочностные свойства рельсовой стали. При снижении марганца менее 0,70% снижаются указанные параметры.

Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в термоупрочненном состоянии. При снижении кремния менее 0,25% наблюдается резкое снижение данных параметров. Повышение концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность образования игольчатой микроструктуры с поверхности объемно-закаленных рельсов.

Содержание алюминия выбрано исходя из, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.

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 0,006% невозможно измельчения зерна и, соответственно, не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,015% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.

Ограничение концентрации меди, хрома, никеля, фосфора и серы обусловлено улучшением качества поверхности рельсов.

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 0,001% кальция, бария, стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, и вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивается повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.

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 рельсы подвергались термической обработке путем объемной закалки в масле. Результаты замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью стандартного производства [4], близкой к используемому прототипу, приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в термообработанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф стандартного производства приведены в таблице 3. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение уровня прочности и твердости рельсов.

Список источников

1. Патент РФ № 2161210 С1.

2. Патент РФ № 2259416 С2.

3. RU 2291218 С1, С22С 38/24.

4. ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Технические условия.

Таблица 1
Химический состав стали
Состав	С	Si	Mn	Cr	V	AI	N	Ca	Ba	Се	Sr	Ni	Zr	S	P	Си	Fe
1	0,75	0,30	0,75	0,05	0,05	0,002	0,005	0,001	0,001	0,001	0,001	0,03	0,001	0,005	0,011	0,10	ост.
2	0,85	0,28	0,70	0,03	0,09	0,005	0,010	0,0001	0,0001	0,0001	0,0001	0,14	0,0001	0,008	0,017	0,04	ост.
3	0,80	0,40	0,89	0,06	0,12	0,003	0,014	0,0008	0,0002	0,0002	0,0008	0,30	0,0005	0,006	0,009	0,17	ост.
4	0,87	0,53	1,25	0,08	0,08	0,001	0,015	0,0009	0,0004	0,0008	0,0009	0,28	0,0004	0,005	0,020	0,10	ост.
5	0,79	0,44	1,06	0,10	0,11	0,002	0,012	0,001	0,0009	0,0007	0,0006	0,15	0,0001	0,014	0,017	0,25	ост.
6	0,90	0,55	1,15	0,05	0,14	0,004	0,010	0,0003	0,001	0,0002	0,0005	0,30	0,0004	0,025	0,021	0,30	ост.
Э76Ф	0,71-0,82	0,25-0,60	0,75-1,15	н.б. 0,020	0,03-0,15	н.б. 0,020	-	-	-	-	-	н.б. 0,020	-	н.б. 0,025	н.б. 0,025	н.б. 0,020	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	0,15
2	0	0	0	0
3	0	0	0	0,10
4	0	0	0	0
5	0	0	0	0,08
6	0	0	0	0
Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э76Ф категории Н	-	-	-	н.б. 2,0

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	1020	1330	18	48	0,57	0,27
2	1000	1340	18	45	0,48	0,30
3	1100	1390	20	40	0,48	0,28
4	1110	1460	22	48	0,32	0,38
5	1090	1440	33	48	0,53	0,29
6	1110	1430	30	48	0,57	0,31
Э76Ф	-	н.м. 1180	н.м. 8	н.м. 25	н.м. 0,15	-