рельсовая сталь

Формула изобретения

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций, азот, никель, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	от 0,60 до менее 0,71
марганец	0,60-1,20
кремний	0,40-1,10
хром	0,50-1,20
алюминий	не более 0,005
ванадий	0,08-0,20
кальций	0,0001-0,010
азот	0,010-0,020
никель	0,03-0,20
барий	0,0001-0,010
железо и примеси	остальное

при этом в качестве примесей она содержит серу не более 0,030%, фосфор не более 0,025%, медь не более 0,40%.

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 износостойкость и контактно-усталостная прочность железнодорожных рельсов без термической обработки и необходимость проведения термообработки стали для повышения их эксплуатационных свойств.

Известна также рельсовая сталь [2], 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) повышенная загрязненность неметаллическими включениями, так называемая цериевая краевая неоднородность.

Известна также рельсовая сталь [3], 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.

Известна также выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [4], содержащая (в мас.%):

углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,05
кремний	0,30-0,60
хром	0,40-0,80
алюминий	не более 0,005
ванадий	0,05-0,15
кальций	0,0001-0,005
азот	0,05-0,015
никель	0,03-0,30
барий	0,0001-0,005
железо и примеси	остальное

при этом в качестве примесей сталь содержит серу 0,020%, фосфор не более 0,025% и медь не более 0,20%.

Существенным недостатком данной стали является недостаточная износостойкость рельсов.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости остряковых рельсов.

Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций, азот, никель, барий, железо и примеси, содержит компоненты в следующем соотношении (в мас.%):

углерод	от 0,60 до менее 0,71
марганец	0,60-1,20
кремний	0,40-1,10
хром	0,50-1,20
алюминий	не более 0,005
ванадий	0,08-0,20
кальций	0,0001-0,010
азот	0,010-0,020
никель	0,03-0,20
барий	0,0001-0,010
железо	остальное

при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,030%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,40%.

Заявляемый химический состав стали подобран, исходя из следующих предпосылок.

Концентрация углерода в заданных пределах марганца, кремния и хрома обеспечивает получение высокой твердости без снижения пластичности. Ограничение кремния до 1,10% обеспечивает сбалансированное получение прочности и пластичности, при снижении кремния менее 0,40% наблюдается резкое снижение указанных параметров.

Концентрация хрома выбрана, исходя из обеспечения высокого сопротивления износу и высоких прочностных свойств, при этом снижение концентрации хрома менее 0,50% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути. Повышение концентрации хрома более 1,20% экономически нецелесообразно.

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

Концентрация марганца в выбранных пределах при установленном соотношении углерода и кремния обеспечивает образование тонкодисперсного перлита по всему сечению рельса.

Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает увеличение сопротивления рельсов хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,010% 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 обеспечивает получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.

Концентрация никеля более 0,20% является экономически нецелесообразной, а снижение концентрации менее 0,03% неблагоприятно сказывается на ударной вязкости стали.

Дополнительное введение бария при установленном содержании кальция 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 0,010% бария в сталь возможно получение барий и кальцийсодержащих неметаллических включений, снижающих механические свойства стали.

Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышением коррозионной стойкости рельсов.

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 Э76Ф (прошедшей термообработку), представленные в таблице 2, показывают, что заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали, что в свою очередь увеличивает эксплуатационную стойкость остряковых рельсов.

Список источников, принятых во внимание при экспертизе

1. ГОСТ Р 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».

2. Патент РФ № 522265, С22С 38/22.

3. Патент РФ № 819208, С22С 38/24.

4. RU 2291221 C1, C22C 38/46.

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	1330	14	39	35	15
2	980	1340	12	34	45	16
3	900	1330	14	30	42	16
4	1100	1380	11	30	30	16
Э76Ф по ГОСТ 51685	н.м. 800	н.м. 1180	н.м. 8	н.м. 25	н.м. 25	-