рельсовая сталь

Формула изобретения

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот, никель, барий и стронций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,71-0,82
Марганец	0,75-1,10
Кремний	0,40-0,60
Хром	0,70-1,20
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	Остальное

при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,15%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов.

Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [1], 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 рельсовая сталь марки Э76Ф [2], 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 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 лантана, 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 и железо, дополнительно содержит азот, никель, барий и стронций при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,10
кремний	0,40-0,60
хром	0,70-1,20
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	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 0,40% наблюдается резкое снижение данных параметров.

Концентрация хрома выбрана исходя из обеспечения высокого сопротивления износу и высоких прочностных свойств, при этом снижение концентрации хрома менее 0,70% не позволяет обеспечить требуемую стойкость рельсов в пути, а при повышении концентрации более 1,20% 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.

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 0,020% 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 Р65. После прокатки рельсов термообработка не проводилась. Результаты испытаний механических свойств в горячекатанном состоянии в сравнении со сталью-прототипом, представленные в таблице 2, показывают, что заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств рельсовой стали, что в свою очередь увеличивает эксплуатационную стойкость железнодорожных рельсов.

Источники информации

1. Патент РФ №819208, С 22 С 38/24.

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

3. Патент РФ №522265, С 22 С 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	0,70	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	0,74	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	0,82	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	0,98	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	1,16	0,005	0,15	0,005	0,018	0,15	0,005	0,004	0,004	0,018	0,06	ост
6	0,82	1,10	0,60	1,20	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
Э76Ф по ГОСТ Р 516852000	0,71-0,82	0,75-1,05	0,25-0,45	0,15	0,020	0,03-0,15			0,15			0,030	0,025	0,15	ост

Таблица 2 Механические свойства стали
Состав	Предел текучести, Н/мм 2	Предел прочности, Н/мм2	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	KCU ударная вязкость, Дж/см 2
					+20°С	-60°С
1	1200	1570	14	32	0,38	0,38
2	1210	1680	15	35	0,47	0,34
3	1210	1550	14	34	0,43	0,36
4	1210	1755	16	36	0,48	0,36
5	1220	1700	14	33	0,46	0,39
6	1100	1500	18	35	0,40	0,37
прототип	880-1200	1490-1720	н.д	22-28	0,16-0,27	н.д