рельсовая сталь
Классы МПК: | C22C38/46 с ванадием |
Автор(ы): | Павлов Вячеслав Владимирович (RU), Девяткин Юрий Дмитриевич (RU), Козырев Николай Анатольевич (RU), Годик Леонид Александрович (RU), Моренко Андрей Владимирович (RU), Корнева Лариса Викторовна (RU), Гаврилов Владимир Васильевич (RU), Теплоухов Геннадий Максимович (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Новокузнецкий металлургический комбинат" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-05-04 публикация патента:
10.01.2007 |
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. Предложена рельсовая сталь, содержащая в 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, при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости. 2 табл.
Формула изобретения
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, кальций, барий, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хром и никель при следующем соотношении компонентов, 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 |
при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера не более 0,020, фосфор не более 0,025, медь не более 0,20.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов.
Известна рельсовая сталь марки Э76Ф [1], содержащая (в мас.%):
углерод | 0,71-0,82 |
марганец | 0,75-1,05 |
кремний | 0,25-0,45 |
ванадий | 0,03-0,15 |
хром | не более 0,15 |
никель | не более 0,15 |
медь | не более 0,15 |
железо | - остальное |
Существенным недостатком данной стали является низкая стойкость железнодорожных рельсов без термической обработки и необходимость термообработки стали для повышения эксплуатационных свойств.
Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):
углерод | 0,71-0,82 |
марганец | 0,75-1,05 |
кремний | 0,45-0,80 |
алюминий | 0,005-0,015 |
азот | 0,0005-0,015 |
ванадий | 0,03-0,09 |
хром | 0,35-0,70 |
никель | 0,03-0,20 |
железо | - остальное |
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, кальций, барий, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, дополнительно содержит хром и никель при следующем соотношении компонентов (в 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 |
при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь не более 0,20%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок:
Увеличение кремния до 0,60% повышает пределы текучести и прочности, при снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров.
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 0,80% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.
Содержание алюминия выбрано исходя, с одной стороны, из 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, с дальнейшим увеличением его концентрации более 1,05% в стали с высоким содержанием углерода возрастает вероятность образования недопустимой структуры верхнего бейнита.
Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости 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 0,015% 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.
Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением уровня ударной вязкости при отрицательных температурах, при дальнейшем повышении концентрации никеля возможно получение недопустимых бейнитных структур.
Введение 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 (или бария) в сталь возможно получение грубых барий- кальцийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, вследствие чего снижаются физико-механические свойства стали.
Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.
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 испытаний механических свойств в горячекатанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали по всему спектру контролируемых физико-механических параметров.
Источники информации
1. А.С.Зубченко. Марочник сталей и сплавов - М.: Машиностроение, 2003. - 713 с.
2. Патент РФ №2131946, С 22 С 38/46.
Таблица 1. Химический состав стали | ||||||||||||||
Состав | С | Si | Mn | Cr | V | Al | N | Са | Ва | Ni | S | P | Cu | Fe |
1 | 0,71 | 0,30 | 0,75 | 0,40 | 0,05 | 0,002 | 0,005 | 0,0001 | 0,003 | 0,03 | 0,005 | 0,015 | 0,05 | ост |
2 | 0,76 | 0,48 | 0,82 | 0,40 | 0,09 | 0,005 | 0,012 | 0,003 | 0,0001 | 0,14 | 0,008 | 0,009 | 0,06 | ост |
3 | 0,71 | 0,40 | 0,76 | 0,42 | 0,13 | 0,005 | 0,010 | 0,004 | 0,003 | 0,30 | 0,006 | 0,019 | 0,07 | ост |
4 | 0,88 | 0,53 | 0,89 | 0,75 | 0,10 | 0,001 | 0,012 | 0,002 | 0,004 | 0,28 | 0,005 | 0,025 | 0,12 | ост |
5 | 0,75 | 0,34 | 1,03 | 0,79 | 0,11 | 0,003 | 0,015 | 0,005 | 0,003 | 0,15 | 0,014 | 0,018 | 0,15 | ост |
6 | 0,82 | 0,60 | 1,05 | 0,80 | 0,15 | 0,004 | 0,016 | 0,005 | 0,005 | 0,20 | 0,020 | 0,023 | 0,20 | ост |
прототип | ||||||||||||||
Э76Ф по ГОСТ Р 516852000 | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | 0,15 | 0,03-0,15 | 0,020 | - | - | 0,15 | 0,030 | 0,025 | 0,15 | ост |
Таблица 2 Механические свойства стали | ||||||
Состав | Предел текучести, Н/мм 2 | Предел прочности, Н/мм 2 | Относительное удлинение, % | Относительное сужение, % | KCU ударная вязкость, Дж/см 2 | |
+2°С | -60°С | |||||
1 | 1200 | 1330 | 10 | 32 | 0,38 | 0,28 |
2 | 1110 | 1480 | 11 | 31 | 0,45 | 0,34 |
3 | 1100 | 1390 | 15 | 38 | 0,48 | 0,45 |
4 | 1210 | 1550 | 12 | 37 | 0,38 | 0,38 |
5 | 1220 | 1450 | 17 | 32 | 0,46 | 0,40 |
6 | 900 | 1350 | 19 | 31 | 0,47 | 0,36 |
прототип Э76Ф | 880-1200 | 1350-1550 | 10-17 | 30-34 | 0,33-0,44 | 0,18-0,35 |