рельсовая сталь
Классы МПК: | C22C38/24 с ванадием C22C38/46 с ванадием |
Автор(ы): | Дементьев Валерий Петрович (RU), Корнева Лариса Викторовна (RU), Черняк Саул Самуилович (RU), Руденков Валерий Александрович (RU), Алексеев Николай Терентьевич (RU), Хоменко Андрей Павлович (RU), Поздеев Владимир Николаевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС (ИрИИТ)) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-05-12 публикация патента:
20.02.2011 |
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления остряковых рельсов. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций, азот, никель, барий, стронций, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,60-0,80, марганец 0,75-1,10, кремний 0,30-0,60, хром 0,35-0,60, алюминий не более 0,005, ванадий 0,05-0,15, кальций 0,0001-0,005, азот 0,005-0,020, никель 0,03-0,20, барий 0,0001-0,005, стронций 0,0001-0,005, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит серу не более 0,020%, фосфор не более 0,025% и медь не более 0,15%. Повышается комплекс физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости остряковых рельсов. 2 табл.
Формула изобретения
Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций и железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот, никель, барий и стронций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,60-0,80 |
марганец | 0,75-1,10 |
кремний | 0,30-0,60 |
хром | 0,35-0,60 |
алюминий | не более 0,005 |
ванадий | 0,05-0,15 |
кальций | 0,0001-0,005 |
азот | 0,005-0,020 |
никель | 0,03-0,20 |
барий | 0,0001-0,005 |
стронций | 0,0001-0,005 |
железо и примеси | остальное |
при этом в качестве примесей она содержит серу - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь - не более 0,15%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления остряковых рельсов.
Известна также рельсовая сталь марки М73В [1], содержащая (в мас.%):
углерод | 0,67-0,78 |
марганец | 0,75-1,05 |
кремний | 0,18-0,45 |
ванадий | 0,03-0,05 |
хром | не более 0,15 |
никель | не более 0,15 |
медь | не более 0,15 |
железо | остальное |
Существенным недостатком данной стали является низкая стойкость остряковых рельсов без термической обработки и необходимость термообработки стали для повышения эксплуатационных свойств. Известная, выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):
углерод | 0,62-0,84 |
марганец | 0,8-1,3 |
кремний | 0,2-1,0 |
хром | 0,6-1,5 |
алюминий | 0,02-0,05 |
ванадий | 0,03-0,12 |
кальций | 0,001-0,05 |
железо | остальное |
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.
Известная также рельсовая сталь [3], содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, церий и железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения усталостной и хрупкой прочности, она дополнительно содержит алюминий, бор и лантан при следующем соотношении компонентов, вес.%;
углерод | 0,6-0,8 |
кремний | 0,5-1,3 |
марганец | 0,5-1,0 |
хром | 0,5-1,0 |
вольфрам | 0,5-1,0 |
церий | 0,003-0,15 |
алюминий | 0,03-0,05 |
бор | 0,002-0,007 |
лантан | 0,003-0,1 |
железо | остальное |
Существенным недостатком данной стали является ее высокая стоимость из-за содержания вольфрама и лантанта, а также (в связи с содержанием церия) загрязненность неметаллическими включениями, так называемая цериевая краевая неоднородность.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости.
Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций, железо и примеси, дополнительно содержит азот, никель, барий и стронций при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
углерод | 0,60-0,80 |
марганец | 0,75-1,10 |
кремний | 0,30-0,60 |
хром | 0,35-0,60 |
алюминий | не более 0,005 |
ванадий | 0,05-0,15 |
кальций | 0,0001-0,005 |
азот | 0,005-0,020 |
никель | 0,03-0,20 |
барий | 0,0001-0,005 |
стронций | 0,0001-0,005 |
железо и примеси | остальное, |
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,15%.
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 0,30% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути, а при повышении концентрации более 0,60% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.
Содержание алюминия выбрано исходя, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - исключения получения недопустимых глиноземистых неметаллических включений.
Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов.
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 измельчения 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 обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.
Концентрация никеля более 0,20% повышает вероятность получения недопустимых микроструктур, а снижение концентрации менее 0,03% снижает ударную вязкость стали.
Дополнительное введение бария и стронция 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% бария и стронция в сталь возможно получение барий и стронцийсодержащих неметаллических включений, снижающих 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 была выплавлена в дуговых печах ДСП-100И7. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку железнодорожных рельсов типа ОР65. После прокатки рельсов термообработка не проводилась. Результаты испытаний механических свойств в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью М73 В, представленные в таблице 2, показывают, что заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали, что в свою очередь увеличивает эксплуатационную стойкость остряковых рельсов.
Источники информации
1. Патент РФ № 819208, С22С 38/24;
2. ГОСТ 9960-85 «Остряковые рельсы. Технические условия»
3. Патент РФ № 522265, С22С 38/22.
Таблица 1 | |||||||||||||||
Химический состав стали | |||||||||||||||
Состав | С | Mn | Si | Cr | Al | V | Са | N | Ni | Ва | Sr | S | Р | Cu | Fe |
1 | 0,71 | 0,75 | 0,41 | 0,60 | 0,001 | 0,05 | 0,0001 | 0,005 | 0,03 | 0,0001 | 0,0001 | 0,008 | 0,015 | 0,15 | ост |
2 | 0,78 | 0,82 | 0,44 | 0,55 | 0,003 | 0,08 | 0,002 | 0,015 | 0,16 | 0,0005 | 0,003 | 0,008 | 0,008 | 0,05 | ост |
3 | 0,73 | 0,92 | 0,49 | 0,40 | 0,005 | 0,12 | 0,003 | 0,010 | 0,09 | 0,003 | 0,004 | 0,003 | 0,010 | 0,06 | ост |
4 | 0,80 | 0,98 | 0,54 | 0,45 | 0,002 | 0,10 | 0,003 | 0,015 | 0,20 | 0,004 | 0,005 | 0,005 | 0,009 | 0,13 | ост |
5 | 0,75 | 1,01 | 0,58 | 0,35 | 0,005 | 0,15 | 0,005 | 0,018 | 0,15 | 0,005 | 0,004 | 0,004 | 0,018 | 0,06 | ост |
6 | 0,69 | 1,10 | 0,60 | 0,55 | 0,005 | 0,15 | 0,005 | 0,020 | 0,18 | 0,005 | 0,005 | 0,007 | 0,020 | 0,08 | ост |
прототип | 0,62-0,84 | 0,8-1,3 | 0,2-1,0 | 0,6-1,5 | 0,02-0,05 | 0,03-0,12 | 0,001-0,05 | - | - | - | - | 0,020 | 0,025 | 0,12 | ост |
М73В по ГОСТ 9960-85 | 0,67-0,78 | 0,75-1,05 | 0,18-0,45 | 0,15 | - | 0,03-0,05 | -0 | - | <0,15 | - | - | 0,040 | 0,035 | 0,15 | ост |
Таблица 2 | ||||||
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 | 900 | 1490 | 13 | 33 | 0,38 | 0,38 |
2 | 1100 | 1680 | 15 | 34 | 0,47 | 0,34 |
3 | 1210 | 1750 | 14 | 34 | 0,43 | 0,36 |
4 | 980 | 1495 | 16 | 36 | 0,48 | 0,36 |
5 | 1220 | 1700 | 14 | 33 | 0,46 | 0,39 |
6 | 1100 | 1600 | 15 | 35 | 0,40 | 0,37 |
прототип | 880-1200 | 1490-1720 | н.д | 22-28 | 0,16-0,27 | н.д |