рельсовая сталь

Формула изобретения

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, хром, никель, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,71-0,90
марганец	0,85-1,20
кремний	0,20-0,40
алюминий	не более 0,004
азот	0,010-0,018
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,80
никель	0,03-0,20
кислород	не более 0,0020
железо и примеси	остальное,

при этом примеси содержатся в следующих количествах, %: сера не более 0,020, фосфор не более 0,020, 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 [1], 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 примеси содержаться в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь не более 0,20%.

Существенным недостатком данной стали является наличие в структуре недеформирующихся и хрупкоразрушенных неметаллических включений из-за модифицирования стали кальцием.

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 чистоты стали по неметаллическим включениям для обеспечения надежности и контактно-усталостной прочности рельсов.

Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, хром, никель, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что в ней дополнительно ограничено содержание кислорода при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод	0,71-0,90
марганец	0,85-1,20
кремний	0,20-0,40
алюминий	не более 0,004
азот	0,010-0,018
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,80
никель	0,03-0,20
кислород	не более 0,0020
железо	остальное,

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,020%, медь не более 0,20%.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Выбранное содержание углерода при установленном соотношении марганца, кремния и хрома обеспечивает повышение ударной вязкости, пластичности при сохранении твердости и прочности стали. Увеличение содержания углерода по сравнению с прототипом позволит дополнительно повысить контакно-усталостную прочность рельсов. Верхний предел содержания углерода установлен, исходя из того, что при увеличении его свыше 0,90% происходит резкое снижение показателей пластичности и ударной вязкости рельсовой стали.

Концентрация кремния установлена для обеспечения сбалансированного уровня механических свойств рельсов, при этом снижение его концентрации менее 0,20% не обеспечивает требуемый уровень свойств, при повышении 0,40% возрастает вероятность образования неблагоприятной структуры.

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.

Снижение содержания алюминия до 0,004% и кислорода менее 0,0020% обеспечивает повышение чистоты металла по неметаллическим включениям, приводит к уменьшению их размеров и количества. Содержание алюминия более 0,004% и кислорода более 0,0018% приводит к загрязнению стали строчками неметаллических включений больших размеров.

Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и при содержании не менее 0,85% 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% в стали с высоким содержанием углерода приводит к хрупкости рельсов.

Введение азота от 0,010 до 0,018 позволяет также повысить прочностные свойства рельсов и увеличить сопротивление хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,010% невозможно обеспечить необходимое упрочнение стали, а при содержании азота более 0,018% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости.

Ограничение концентрации никеля до 0,20% связано с возможностью образования структурно-свободного феррита, имеющего низкую износостойкость.

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 горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью-прототипом (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав с ограниченным содержанием кислорода обеспечивает повышение чистоты стали по неметаллическим включениям при обеспечении достаточно высокого уровня механических свойств рельсов в нетермоупрочненном состоянии, сопоставимом с уровнем механических свойств стали-прототипа в термоупрочненном состоянии.

Источники информации

1. RU 2292221 C1, C22C 38/46

2. Патент РФ № 2131946, С22С 38/46.

Таблица 1
Химический состав стали
Состав	С	Si	Mn	Cr	V	AI	N	Ni	S	P	Cu	Fe
1	0,90	0,20	0,85	0,80	0,08	0,001	0,010	0,03	0,007	0,016	0,06	ост
2	0,77	0,40	0,88	0,40	0,09	0,004	0,012	0,10	0,008	0,019	0,08	ост
3	0,71	0,34	0,86	0,47	0,11	0,004	0,011	0,20	0,006	0,009	0,01	ост
4	0,80	0,23	0,89	0,55	0,07	0,001	0,012	0,12	0,005	0,015	0,15	ост
5	0,77	0,36	1,20	0,69	0,11	0,003	0,018	0,14	0,012	0,018	0,20	ост
6	0,81	0,40	1,10	0,50	0,15	0,004	0,012	0,18	0,020	0,020	0,16	ост
прото тип	0,71-0,82	0,45-0,80	0,75-1,05	0,35-0,70	0,03-0,09	0,005-0,015	0,0005-0,015	0,03-0,20	0,020	0,020	0,20	ост

Таблица 2
Механические свойства стали и результаты оценки неметаллических включений
Состав	Предел текучести, Н/мм2	Предел прочности, Н/мм2	Относитель ное удлинение, %	Относительное сужение, %	KCU ударная вязкость, Дж/см2	Неметаллические включения, мм
+20°С	недеформирующие ся	хрупкоразрушен ные
1	1100	1190	10	20	20	0	0
2	900	1180	12	21	21	0,001	0
3	800	1190	12	28	25	0	0,01
4	889	1170	13	27	24	0	0
5	1000	1150	11	22	26	0	0
6	900	1170	10	21	23	0	0
Прото тип (закал ка и отпуск)	880-1200	1350-1550	10-17	30-34	33-44	-	-