лигатура для раскисления и модифицирования рельсовой стали

Формула изобретения

1. ЛИГАТУРА ДЛЯ РАСКИСЛЕНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ, содержащая кальций, кремний, марганец, алюминий, хром, титан, бор, магний, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кальций - 6 - 20

Кремний - 30 - 60

Марганец - 0,5 - 6,0

Алюминий - 0,5 - 6,0

Хром - 0,1 - 2,0

Титан - 0,1 - 2,0

Бор - 0,5 - 3,0

Углерод - 0,1 - 0,8

Магний - 0,01 - 0,1

Железо - Остальное

2. Лигатура по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий в количестве 1-12 мас.%.

Описание изобретения к патенту

В настоящее время для раскисления и модифицирования рельсовой стали применяют ферросплавы, содержащие один-два раскисляющих или модифицирующих элемента, такие как ферросилиций, силикокальций, феррованадий и др.

Недостатком применения ферросплавов, отвечающих требованиям ГОСТа, является пониженная эксплуатационная стойкость рельсов вследствие повышенного размера зерен и высокой неоднородности закалки рельсов по сечению.

Известны лигатуры (1-5) для обработки стали, содержащие раскисляющие и модифицирующие элементы - кальций, кремний, титан и др., которые могут быть использованы для раскисления и модифицирования рельсовой стали (лигатуры-аналоги).

1. Лигатура, содержащая, мас.%: Ca 13-25; Al 7-45; Si 5-30; Fe 5-35; Mn 10-50.

2. Лигатура, содержащая, мас.%: Ca 0,5-40; Si 45-90; Mn 0,5-8; Al 1-1,5; Fe - остальное.

3. Лигатура, содержащая, мас.%: Si 45-52; Cr 22-30; Ca 6-10; Al 5-10; Mg 1-1,8; Fe - остальное.

4. Лигатура, содержащая, мас.%: Si 8-20; Cr 35-60; Mn 20-35; Al 0,5-4; Ca 0,2-4; Mg 0,2-2; Fe - остальное.

5. Лигатура, содержащая, мас.%: Si 45-56; Mn 5-22; Ca 4-10; Cr 15-22; Al 0,5-3; Mg 0,5-1,5; Fe - остальное.

Лигатуры - аналоги имеют недостаток, заключающийся в том, что рельсы, изготовленные из стали, обработанной этими лигатурами, имеют пониженные эксплуатационные характеристики вследствие неоднородности механических свойств по сечению рельса после термообработки.

В качестве прототипа принята наиболее близкая по сущности лигатура, содержащая, мас. % : Ca 4-12; Si 25-55; Cr 20-40; Al 1,5-10; Mg 0,5-3; Ti 3-15; B 0,2-10; Mn 0,5-6; Fe - остальное.

Недостатком лигатуры (сплава для раскисления и модифицирования стали) является пониженная эксплуатационная стойкость рельсов вследствие неоднородности механических свойств по сечению термообработанных рельсов. Это объясняется тем, что в процессе термообработки происходит различный перепад температур по сечению переменных размеров. При этом в готовом рельсе образуется различная структура стали и размер зерна по поперечному сечению рельса и на торцовых участках, находящихся в наиболее напряженных местах ударных нагрузок при движении подвижного состава на магистральных участках железной дороги. На участках рельсов с переходом одной структуры к другой при знакопеременных нагрузках возникают микротрещины, которые в дальнейшем переходят в макротрещины с последующим скалыванием головки рельса.

Задачей изобретения является повышение стойкости рельсовой стали к знакопеременным нагрузкам, выравнивание структуры стали по сечению переменного профиля после термической обработки при одновременном повышении механических характеристик стали в тонких и толстых сечениях готового изделия.

Для решения поставленной задачи лигатура (сплав) для раскисления и модифицирования рельсовой стали дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%: Кальций 6-20 Кремний 30-60 Марганец 0,5-6 Алюминий 0,5-6 Хром 0,1-2 Титан 0,1-2 Бор 0,5-3 Углерод 0,1-0,8 Магний 0,01-0,1 Железо Остальное

Технический эффект от использования лигатуры приведенного состава усиливают, если она дополнительно содержит ванадий в количестве 1-12 мас.%.

Лигатура для раскисления и модифицирования стали с дополнительным содержанием углерода в соотношении, позволяющем получить соединение карбид бора (BrC) c высокой термодинамической и физической прочностью, при введении в сталь усваивается с равномерным распределением дисперсных частиц карбида бора в объеме стали. Частицы карбида бора являются устойчивыми центрами кристаллизации, измельчают зерно стали в слитке и в готовом изделии после горячей деформации и термообработки. Устойчивость мелкозернистой структуры сохраняется в готовом изделии с переменным сечением и сложной конфигурации.

Эффективность технического решения повышают лигатурой, которая содержит дополнительно ванадий, который в сочетании с бором и углеродом образует частицы карбида (BzC), окруженные атомами ванадия, т.е. между карбидом бора и матрицей образуется зона с повышенным содержанием ванадия. Переходная зона, обогащенная ванадием, повышает прочность связи карбида бора и матрицы стали. Это обстоятельство позволяет получить стальные изделия переменного сечения с выравненными и повышенными механическими свойствами во всех сечениях изделия. Механические свойства и структура стали, равномерные по сечению, предупреждают образование микротрещин в объеме изделия в переходных зонах от одного сечения к другому при знакопеременных нагрузках, в частности при движении железнодорожного состава на стыках рельсов.

Если содержание бора более 3 мас.% и углерода более 0,8 мас.%, то карбид бора укрупняется в агрегаты, что снижает механические свойства стали из-за возникновения концентраций напряжений по границам агрегатов.

Если содержание бора менее 0,5 мас.% и углерода менее 0,1 мас.%, то центров кристаллизации недостаточно, что резко снижает эффект измельчения зерна в литом и термообработанном состоянии. По сечению изделия механические свойства имеют значительную разницу из-за неустойчивости размера зерна при горячей деформации и термообработке.

Кальций, кремний, алюминий, марганец, титан взаимодействуют с растворенным кислородом в стали, а также с оксидами железа, входящими в состав шлаковых и неметаллических включений. Эти взаимодействия сопровождаются образованием легкоплавких многокомпонентных оксидных расплавов, которые при перемешивании стали за счет испарения магния коалесцируют и выводятся из жидкой стали.

Если содержание кальция, кремния, алюминия, марганца и титана меньше 6; 30; 0,5, 0,5 и 0,1 мас.% соответственно, то в стали остается повышенное количество кислорода, который окисляет бор, что снижает эффект выравнивания механических свойств по переменному сечению изделия. Кроме того, количество неметаллических включений, образующихся в результате взаимодействия этих элементов с кислородом, незначительно, снижается способность контактировать и коалесцировать в крупные частицы и они в значительной мере остаются в виде мелких включений в стали, что вызывает снижение механических свойств матрицы стали.

Если содержание кальция, кремния, алюминия, марганца и титана выше заявленных верхних пределов, то избыточное количество этих компонентов переходит в матрицу, снижая механические характеристики, в частности ударную вязкость.

Если содержание магния в лигатуре меньше 0,01 мас.%, то его количества недостаточно для перемешивания металла парообразным магнием, что снижает степень однородности распределения компонентов лигатуры в жидкой стали, и в готовом изделии переменного сечения появляется неоднородность структуры после термообработки, а также различие в механических свойствах по участкам сложного сечения изделия.

Если содержание магния более 0,1 мас.%, то снижается эффективность использования магния из-за чрезмерного испарения паров магния в атмосферу, а также бора и ванадия из-за выноса центров кристаллизации в шлак на поверхности жидкой стали в процессе обработки стали лигатурой.

Хром лигатуры после усвоения сталью переходит в матрицу, повышая ее механические свойства, а также прочность контакта на границе карбида бора и матрицы.

Если содержание хрома меньше 0,1 мас.%, то прочность сцепления карбида бора и матрицы снижается, что вызывает концентрацию напряжения и возникновение микротрещин. При содержании в лигатуре хрома более 2 мас.% он из-за повышенной активности образует карбиды, уменьшая количество карбидов бора в стали. При этом снижается эффект выравнивания механических свойств изделия с переменным сечением.

Технический эффект увеличивают использованием лигатуры, содержащей дополнительно ванадий в количестве 1-12 мас.%. Если содержание ванадия меньше 1 мас. % , то дополнительный эффект взаимодействия карбида бора и матрицы стали в изделии не достигается, что не сопровождается улучшением полученных свойств стали от лигатуры. При содержании в лигатуре ванадия более 12 мас.% повышения свойств стали не происходит, т.е. это содержание ванадия излишнее.

Лигатуру получают в руднотермической печи восстановительным процессом из сырья, содержащего оксиды компонентов, необходимых для получения лигатуры. Полученная лигатура выпускается в жидком виде из печи и разливается в плоские слитки.

Лигатура может быть получена сплавлением соответствующих компонентов в индукционной или дуговой печи.

Лигатуру после охлаждения в виде слитков измельчают на шнековой дробилке до кусков размером не более 100 мм и в таком виде используют для обработки стали в процессе слива ее в разливочный ковш. В процессе взаимодействия лигатуры с жидкой сталью компоненты лигатуры растворяются и равномерно распределяются в объеме металла.

Испытуемую лигатуру изготавливали сплавлением в атмосфере аргона силикокальция, ферросилиция, феррохрома, ферробора, стали, металлических марганца, титана, алюминия, магния, кальция (при его недостаточном количестве в лигатуре), а также феррованадия при получении лигатуры с ванадием. В процессе плавки с помощью графитированного электродного боя проводили присадку углерода.

Выплавку лигатуры проводили по 7 вариантам.

Полученные лигатуры предлагаемого состава и лигатура по прототипу испытаны для раскисления и модифицированная рельсовой стали марки М76. Сталь выплавляли в дуговой электропечи ДСП-5. При содержании углерода в пределах 0,68-0,71% сталь в печи раскисляли силикомарганцем и ферромарганцем.

Температура стали на выпуске из печи была в пределах 1575-1585^оС. В процессе выпуска стали из печи в ковш присаживали лигатуру в количестве 8 кг на 1 т стали. Готовая сталь содержала, мас.%: С 0,7-0,75; Mn 0,85-0,9; Si 0,3-0,35; S 0,025; P 0,02.

Сталь после разливки прокатали на пруток сложного сечения в виде восьмерки с размером в тонком сечении 6 мм, а в толстом 30 мм.

Сталь после обработки лигатурами предлагаемого состава обладает большей однородностью, чем после обработки лигатурой по прототипу при изменении толщины изделия в 5 раз.

Эффективность предлагаемой лигатуры определяется сокращением отбраковки изделий по механическим свойствам из-за разброса показателей, а также повышения надежности службы рельсов железнодорожной широкой колеи.