рельсовая сталь

Формула изобретения

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

углерод	0,65-0,75
марганец	0,85-1,20
кремний	0,30-0,55
алюминий	не более 0,005
азот	0,005-0,015
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,95
никель	0,03-0,30
кальций	0,0001-0,005
барий	0,0001-0,005
стронций	0,0001-0,008
церий	0,0001-0,008
железо и примеси	остальное,

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

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения в условиях Сибири и Крайнего Севера.

Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [1], содержащая, 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

Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость железнодорожных рельсов, обусловленная недостаточной чистотой стали по неметаллическим включениям.

Известна также рельсовая сталь марки Э78ХСФ, содержащая, мас.%:

Углерод	0,71-0,82
марганец	0,75-1,05
кремний	0,40-0,80
алюминий	не более 0,005
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,60
никель	не более 0,15
хром	не более 0,15
медь	не более 0,15
железо	Остальное

Основным недостатком данной стали является низкий уровень ударной вязкости, пластичности и повышенная загрязненность стали строчечными неметаллическими включениями.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям и эксплуатационной стойкости рельсов при отрицательных температурах применительно к условиям Сибири и Крайнего Севера.

Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, азот, никель, кальций, барий, железо, дополнительно содержит стронций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,65-0,75
марганец	0,85-1,20
кремний	0,30-0,55
алюминий	не более 0,005
азот	0,005-0,015
ванадий	0,05-0,15
хром	0,40-0,95
никель	0,03-0,30
кальций	0,0001-0,005
барий	0,0001-0,005
стронций	0,0001-0,008
церий	0,0001-0,008
железо	остальное

при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020%, фосфора не более 0,025%, меди не более 0,20%.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение пластичности и ударной вязкости стали без снижения уровня твердости и прочности.

Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в горячекатаном состоянии. При снижении кремния менее 0,30% наблюдается резкое снижение данных параметров. При повышении концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность снижения ударной вязкости стали.

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 0,95% снижаются пластические свойства горячекатаной рельсовой стали.

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

Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и 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% приводит к снижению пластичности стали.

Введение азота позволяет получить измельченное зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочностных свойств и увеличение сопротивляемости стали 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 обеспечивают получение требуемой ударной вязкости (в том числе и при отрицательных температурах) за счет карбонитридного упрочнения.

Повышение концентрации никеля до 0,30% связано с повышением уровня ударной вязкости при отрицательных температурах, дальнейшее повышение концентрации никеля экономически не целесообразно.

Совместное введение стронция, церия, кальция и бария 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% кальция, более 0,005% бария и более 0,008% стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивает повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.

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

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 замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью [1, 2] приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 3.

Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение хладостойкости и механических свойств до уровня свойств объемно-закаленных рельсов.

Список источников

1. Патент РФ № 2291221 C1.

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

Таблица 1
Химический состав стали
Состав	С	Si	Mn	Cr	V	Al	N	Са	Ва	Sr	Ni	S	P	Cu	Fe
1	0,65	0,30	0,85	0,70	0,05	0,002	0,005	0,0001	0,003	0,003	0,02	0,005	0,010	0,09	Ост.
2	0,75	0,48	0,90	0,40	0,09	0,005	0,010	0,002	0,0001	0,0001	0,14	0,008	0,007	0,04	Ост.
3	0,70	0,40	0,89	0,49	0,12	0,005	0,012	0,004	0,002	0,007	0,30	0,006	0,019	0,07	Ост.
4	0,67	0,53	1,20	0,75	0,08	0,001	0,020	0,005	0,004	0,002	0,28	0,005	0,020	0,10	Ост.
5	0,69	0,34	1,06	0,95	0,11	0,003	0,016	0,005	0,0001	0,004	0,15	0,014	0,018	0,15	Ост.
6	0,66	0,61	1,15	0,80	0,14	0,004	0,016	0,006	0,005	0,008	0,20	0,020	0,021	0,09	Ост.
Прототип	0,71-0,82	0,30-0,60	0,75-1,05	0,30-0,60	0,05-0,15	н.б. 0,005	0,005-0,015	0,0001-0,005	0,0001-0,005	-	0,03-0,30	0,020	0,025	0,20	Ост.
Э78ХСФ по ГОСТ Р 516852000	0,71-0,82	0,40-0,80	0,75-1,05	0,15	0,05-0,15	0,005	-	-			0,15	0,025	0,025	0,15	Ост.

Таблица 2
Длина строчки неметаллических включений
Сталь	Максимальная длина строчечных включений, мм
Глинозем	Глинозем, сцементированный силикатами	Нитриды титана	Хрупкоразрушенные сложные окислы
1	0	0	0	0,11
2	0	0	0	0
3	0	0	0	0,15
4	0	0	0	0
5	0	0	0	0
6	0	0	0	0
Прототип	-	-	-	0,50
Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э78ХСФ категории Н	-	-	-	Не более 8,0

Таблица 3 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	890	1330	16	34	0,37	0,27
2	900	1340	17	35	0,48	0,30
3	1100	1390	13	30	0,48	0,28
4	1110	1360	12	31	0,32	0,38
5	1210	1340	18	30	0,43	0,29
6	920	1330	19	31	0,47	0,31
Э76Ф ГОСТ Р 51685-2000	880-1200	1350-1550	10-17	30-34	0,33-0,44	0,18-0,35