РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2007 года по МПК C22C38/50 

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

Известна рельсовая перлитная сталь [1], содержащая 0,71-0,82% С; 0,75-1,05% Mn; 0,25-0,45% S; 0,05-0,15% V; не более 0,030% S; не более 0,025% Р; не более 0,02% Al.

Уровень твердости и временного сопротивления объемно-закаленных рельсов из этой стали сравнительно низкий и не превышает 388НВ и 1300 Н/мм². Длина строчечных включений в металле ˜10% плавок превышает 0,5 мм.

Увеличение интенсификации эксплуатации рельсов потребовало дальнейшего повышения их прочности и чистоты металла по строчечным хрупкоразрушенным включениям. Однако применяемый для раскисления стали и модифицирования неметаллических включений силикокальций не исключает образования строчечных хрупкоразрушенных алюминатов и силикатов.

Поэтому создание высокопрочных рельсов повышенной чистоты по этим включениям и эксплутационной надежности, сопротивляемости образованию дефектов контакто-усталостного происхождения предполагает совершенствование химического состава, технологии микролегирования стали ванадием, ниобием и азотом и модифицирования ее малыми добавками Са, Ва, Се, Zr, обеспечивающей повышение прочностных свойств рельсов и чистоты их по строчечным хрупкоразрушенным неметаллическим включениям и по отдельным включениям большого размера.

В качестве прототипа используется сталь для изготовления рельсов, раскрытая в патенте RU 2136767 С1, МПК С 22 С 38/46, 10.09.1999, которая содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, хром, молибден, никель, ниобий, титан и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов (мас.%): 0,51-0,98 С; 0,91-1,95 Mn; 0,21-0,69 Si; до 0,19 V; до 0,03 Al; 0,38-1,95 Cr; до 0,49 Мо; Nb и/или Zr и/или Ti по отдельности или в сумме до 0,19; до 0,95 Ni.

Недостаткам этой стали является наличие в ней высокого содержания алюминия, циркония и титана. Применение этих элементов для раскисления стали приводит к загрязнению металла строчечными хрупкими включениями глинозема и алюмосиликатов, а также окислами циркония сложного состава и крупными нитридами титана. В стали, обработанной повышенным количеством титана, образующиеся крупные нитриды титана значительно снижают ударную вязкость изделий.

Образующиеся при микролегировании этой стали ванадием (0,08-0,15%) и азотом (0,012-0,02%) карбонитриды ванадия сдерживают рост зерна при нагреве только до 1000-1050°С, при 1050-1100°С они растворяются в стали. Положительное влияние на сдерживание роста зерна аустенита реализуется в основном только при термической обработке рельсов с перекристализационного нагрева. В рельсах, прокатанных из непрерывнолитых заготовок и термически упрочненных с прокатного нагрева (1200-1250°С) структура будет сравнительно крупнозернистой. Это говорит о том, что при переходе на термическое и термомеханическое упрочнение рельсов с прокатного нагрева применение для их изготовления непрерывнолитых заготовок из стали, содержащей ванадий и азот, не обеспечит в полной мере измельчение структуры и повышение пластических и вязкостных свойств рельсов. Однако положительное влияние ванадия и азота сохраняется, так как при охлаждении ванадий, соединяясь с азотом и углеродом, уменьшает их содержание в твердом растворе.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса механических свойств и твердости стали, повышение ее чистоты по строчечным неметаллическим оксидным включениям.

Заявляемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, хром, молибден, никель, ниобий, титан, железо и неизбежные примеси, отличается от известной тем, что она дополнительно содержит азот, а также два или более элементов, выбранных из группы, включающей барий, РЗМ, кальций и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,78-0,95Марганец0,6-1,0Кремний0,3-0,6Ванадий0,05-0,15Алюминийне более 0,005Азот0,012-0,02Хром0,05-0,5Молибден0,01-0,2Никель0,05-0,3Ниобий0,003-0,02Титан0,002-0,01

два или более элементов, выбранных из группы, включающей

Барий0,0005-0,0015РМЗ0,0005-0,0015Кальций0,0005-0,0010Цирконий0,0005-0,0010ЖелезоОстальное

при этом сталь содержит примеси:

СераНе более 0,015ФосфорНе более 0,020МедьНе более 0,20

Заявляемый химический состав выбран исходя из следующих условий.

Выбранное содержание углерода обеспечивает повышение предела текучести, временного сопротивления разрыву, твердости, износостойкости и контактно-усталостной прочности. Переход к заэвтектоидным сталям приводит к уменьшению роста зерен аустенита по сравнению с доэвтектоидными сталями.

В стали, содержащей углерода менее 0,78%, твердость на поверхности катания термически упрочненных рельсов сравнительно низкая и не превышает 375 НВ, на глубине 10 мм от нее - 352НВ. При концентрации его в стали более 0,95% образующийся структурно-свободный цементит, выпадающий в виде сетки, снижает ее ударную вязкость.

Однако при термическом и термомеханическом упрочнении рельсов из заэвтектоидной стали с прокатного нагрева исключается возможность образования в нем цементитной сетки.

Введение Mn, V, Мо, Cr связано с необходимостью повышения вязкости и износостойкости заэвтектоидной стали при рабочем контакте колесо - рельс и совместно с кремнием требуемую твердость на поверхности катания и по сечению головки рельса.

Повышение содержания кремния необходимо для увеличения раскисленности стали при уменьшении содержания алюминия в ней, обеспечивающей повышение чистоты стали по включениям пластичных силикатов, которые снижают ударную вязкость.

Выбранное соотношение концентраций Mn, Si, Cr, Мо в стали, содержащей 0,78-0,95% С, обеспечивает снижение температуры превращения аустенита и получение более дисперсной структуры троостита по сравнению с сорбитом закалки.

Снижение содержания марганца по сравнению с прототипом [1] обусловлено введением в сталь достаточных количеств хрома и молибдена для увеличения прокаливаемости и сопротивления ее износу. При этом заявляемые концентрации Ni и Cr, Мо исключают образование в микроструктуре верхнего бейнита, который не допускается в рабочей части головки рельса. Однако при содержании 0,78-0,95%С и высокой концентрации марганца (>1,1%) и отсутствии в стали хрома и молибдена в структуре термоупрочненных рельсов наблюдаются участки верхнего бейнита. Марганец способствует значительному измельчению зерна аустенита особенно в хромомарганцевой стали, увеличивает прокаливаемость, уменьшает критическую скорость охлаждения.

В итоге заявляемые содержания Mn, Si, Cr, Мо, Ni обеспечивают требуемое снижение температуры превращения аустенита и образование структуры троостита, который имеет более высокую твердость и износостойкость, чем сорбит закалки.

Положительное влияние малых добавок хрома в том, что он, образуя карбиды, увеличивает сопротивление износу. Хром вводится для увеличения прокаливаемости стали. При его содержании в эвтектоидной и заэвтекноидной сталях более 0,5% увеличивается возможность снижения пластических свойств. В присутствии хрома увеличивается способность Mn, Мо, V сдерживать рост зерна аустенита.

В свою очередь молибден в стали увеличивает эффективность влияния хрома на ее прокаливаемость. Молибден замедляет выделение феррита и перлита, повышает растворимость азота в железе и сопротивление отпуску, измельчает зерно аустенита, увеличивает прокаливаемость, прочностные свойства, твердость, ударную вязкость стали и сопротивление ее износу в 1,5-2 раза. Повышение сопротивления отпуску особенно может быть использовано при самоотпуске термически упрочненной головки рельса с прокатного нагрева. Измельчающее действие молибдена усиливается в присутствии марганца и хрома. Легирование молибденом снижает склонность стали к отпускной хрупкости и порог хладноломкости и эффективно при производстве высокоуглеродистых сталей. При этом положительное влияние молибдена на структуру и механические свойства стали наблюдается при содержании его 0,01-0,2%.

Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает наряду с ванадием и азотом получение гарантированной ударной вязкости при положительных и отрицательных температурах. Его содержание до 0,05% не оказывает положительного влияния на ударную вязкость, а при концентрации более 0,3% эта характеристика не превышает определяемых величин. Увеличение содержания никеля и молибдена сильно удорожает сталь.

Снижение содержания алюминия до 0,005% и модифицирование стали уменьшенным количеством кальция обеспечивает получение высокочистого металла по строчечным включениям алюминатов, приводит к уменьшению количества и размеров глобулярных неметаллических включений. Однако введение кальция более 0,001% приводит к загрязнению ее глобулями больших размеров и увеличивает стоимость стали. Кальций при концентрации менее 0,0005% практически не оказывает влияние на модифицирование включений.

Применение циркония в заявляемом составе стали связано с тем, что он измельчает структуру, модифицирует и восстанавливает окисные включения и способствует уменьшению загрязненности стали строчечными включениями хрупких силикатов. В заявляемую сталь он вводится в небольшом количестве для связывания кислорода, измельчения аустенитного зерна и повышения ударной вязкости. Раскислительная способность циркония велика и даже превышает соответствующие свойства алюминия. Цирконий в небольшом количестве вводится в заявляемую сталь также потому, что она содержит малую концентрацию алюминия (до 0,005%) и может быть загрязнена пластичными силикатами, которые снижают ударную вязкость стали. Заявляемое содержание циркония достаточно и обеспечивает снижение содержания кислорода и исключает образование пластичных силикатов. При содержании циркония в стали менее 0,0005% его эффективность значительно снижается. Увеличение его концентрации до 0,01% приводит к увеличению загрязненности стали оксидными включениями и к снижению технологической пластичности и ухудшению качества поверхности рельсов. Вместе с тем применение ванадия совместно с малыми добавками циркония позволяет отказаться от использования алюминия для раскисления стали и получить металл, свободный от строчечных включений алюминатов и глобулярных включений большого размера.

Применение ванадия в стали обусловлено тем, что он, как Cr, Mn, Мо, увеличивает растворимость азота в металле, связывая его в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды ванадия), которые измельчают зерно аустенита и снижают склонность его к росту при нагреве.

Введение ванадия, азота в заявляемых пределах в сталь приводит к измельчению зерна аустенита до №8-10 и снижению склонности его к росту при нагреве за счет образования частиц карбонитридов ванадия, к повышению прочностных и вязкостных свойств и сопротивлению хрупкому разрушению (хладостойкости). Однако без использования азота ванадий при больших концентрациях (>0,1%) снижает ударную вязкость, увеличивает хладноломкость стали. Ванадий повышает предел выносливости, способствует улучшению свариваемости.

В стали, содержащей не менее 0,012% N, оптимальная концентрация ванадия составляет 0,08-0,015%. Ванадий начинает эффективно измельчать зерно аустенита при концентрации его более 0,06%. В связи с тем что в сталь вводятся ниобий и титан в небольших количествах, нижний предел содержания ванадия может быть снижен до 0,05%. Применение ванадия в указанных количествах обусловлено тем, что он, извлекая углерод и азот твердого раствора, способствует уменьшению возможности образования цементита и выпадения его в виде сетки, что приводит к повышению хладостойкости термоупрочненных рельсов из стали с высоким содержанием углерода.

Непрерывнолитые заготовки из стали, содержащей ниобий, титан и 0,05-0,15% ванадия, могут использоваться для производства рельсов, подвергаемых термическому и термомеханическому упрочнению с перекристаллизационного и прокатного нагрева.

Верхний предел содержания ванадия установлен исходя из того, что при увеличении его концентрации выше 0,15% относительная доля азота в карбонитриде ванадия падает, образуется карбонитрид близкий по составу к карбиду ванадия, который снижает ударную вязкость.

Концентрация азота менее 0,012% в стали, содержащей менее 0,08% ванадия, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, ударной вязкости при минус 60°С и измельчения зерна аустенита. При увеличении содержания ванадия и азота в стали до заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих повышение прочностных свойств и хладостойкости. Однако при повышении азота более 0,02% возможны случаи пятнистой ликвации и «азотного кипения» (пузыри в стали).

Введение ванадия совместно с азотом также позволяет уменьшить расход алюминия при раскислении стали для уменьшения загрязненности ее включениями корунда, снижающими контакно-усталостную прочность рельсов.

Введение титана в сталь обеспечивает образование в жидком металле дисперсных частиц нитридов титана, которые, являясь дополнительными центрами кристаллизации, обеспечивают измельчение структуры непрерывнолитых заготовок.

Микролегирование стали РЗМ выбрано исходя из следующих соображений. Превосходя кальций по сродству к сере и кислороду, РЗМ обеспечивают очищение металла от вредных примесей (фосфора, серы), газов, неметаллических включений, их глобуляризацию. Более эффективная раскислительная способность и десульфурирующая способность РЗМ по сравнению с кальцием связана с тем, что они в процессе раскисления присутствуют в виде остаточных содержаний в металле и реагируют с растворенным кислородом во всем интервале кристаллизации.

Связывая кислород и серу в тугоплавкие соединения, кристаллизирующиеся в первую очередь и служащие дополнительными центрами кристаллизации, РЗМ измельчают структуру литой стали, способствуют очищению границ зерен литого металла.

Применение РЗМ наиболее эффективно для стали, разливаемой на МНЛЗ. Являясь поверхностно-активной добавкой, они препятствуют росту дендритных кристаллов при первичной кристаллизации, повышают скорость затвердевания непрерывнолитой заготовки на 15-20%, что приводит к уменьшению расстояния между дендритными осями первого порядка и увеличивают размеры зоны равноосных кристаллов.

Обеспечивая повышение чистоты стали по вредным примесям, изменение природы и глобуляризацию неметаллических включений, измельчение структуры литой стали, РЗМ повышают горячую пластичность металла, в результате снижается пораженность НЛЗ поверхностными дефектами (трещинами, рванинами) и растет выход годного.

Улучшая качество металла, РЗМ обеспечивают измельчение зерна аустенита, повышение пластических свойств и особенно ударной вязкости при отрицательных температурах. Поэтому микролегирование РЗМ целесообразно проводить на рельсовой стали, разливаемой на МНЛЗ на заготовки, имеющие меньшее сечение и подвергающиеся меньшей степени деформации, чем слитки.

Микролегирование стали РЗМ позволит повысить хладостойкость рельсов за счет более глубокого раскисления, повышения чистоты металла по оксидным и сульфидным включениям, глобуляризации сульфидов и исключения образования пластичных силикатов, снижающих сопротивление хрупкому разрушению.

Для этой цели наиболее эффективны малые добавки РЗМ, исключающие образование как пластичных силикатов, так и хрупких сульфосиликатов, содержащих окислы РЗМ.

РЗМ достаточно эффективно сдерживают рост зерна аустенита. В области высоких температур их действие превосходит действие ванадия и ниобия, что особенно важно при нагреве непрерывнолитых заготовок рельсовой стали (до 1200-1250°С).

Малые добавки РЗМ вводятся в заявляемую сталь с целью дальнейшего снижения окисленности стали, содержащей незначительное количество алюминия (≤0,005%), исключения образования пластичных силикатов, повышения ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению. Кроме того, поверхностная активность РЗМ позволяет замедлить темп роста зерна в том случае, если только количество их не оказывается достаточным для образования сегрегации и неоднородностей в стали. Количество РЗМ, находящихся в твердом растворе, способствует торможению роста зерна. Содержащееся в твердом растворе количество РЗМ вполне достаточно для измельчения зерна и повышения хладостойкости рельсовой стали.

Увеличение содержания РЗМ до 0,0015% несколько повышает ударную вязкость рельсов при отрицательных температурах. Содержание РЗМ в стали более 0,002% приводит к образованию неоднородности в ней. При большей концентрации РЗМ образуются сложные неметаллические фазы неблагоприятной формы, что ухудшает макроструктуру рельсов. Кроме того, при повышении концентрации РЗМ эффективность действия их на измельчение зерна ослабляется, вызывая увеличение темпов его роста.

Модифицирование стали РЗМ увеличивает общую работу разрушения, при минус 60°С способствует повышению работы зарождения трещины.

Для получения мелкозернистой структуры и повышения прочностных и вязкостных свойств термически упрочненных с прокатного нагрева рельсов в сталь необходимо вводить ниобий в указанных пределах. При микролегировании стали ниобием образующиеся карбонитриды ниобия сдерживают рост зерна аустенита до более высоких температур (1250-1270°С), чем карбонитриды ванадия (1050°С). Содержание ниобия менее 0,003% не оказывает влияние на измельчение зерна аустенита, при его концентрации более 0,02% образующиеся карбонитриды содержат больше углерода. Такие карбонитриды уменьшают сопротивление стали хрупкому разрушению.

Введение в сталь V, Nb, N обеспечивает значительное измельчение зерна аустенита (№9-10), очищение твердого раствора от азота и снижение возможности выпадения цементита в виде сплошной сетки даже при медленном охлаждении рельсов.

Сталь заявляемого состава (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100И7, разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали до 1240°С и прокатывали по обычной технологии на рельсы Р65, которые подвергали закалке в масле с температуры 800-810° и отпуску при 460°С. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость объемнозакаленных рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсов из стали, взятой в качестве прототипа [2].

Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает повышение чистоты по строчечным оксидным включениям, а также высокий уровень пластических свойств и высокое сопротивление хрупкому разрушению (KCU_-60°C≥0,2 МДж/м²). Повышение твердости, прочности, пластических и вязкостных свойств рельсов увеличивает их износо- и хладостойкость, контактно-усталостную прочность и эксплутационную надежность и долговечность.

Список источников

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

2. Патент RU 2136767 С1, МПК С 22 С 38/46, 10.09.1999

Таблица 1.
Химический состав сталиВариантМассовая доля элементовСMnSiVAlNCrМоNiNbTiВаРЗМСаZrFe10,780,610,300,0500,0050,0120,050,010,050,0030,0020,00040,00050,00040,0005ост.20,790,590,320,0600,0060,0110,060,020,060,0030,0030,00050,00060,0005-ост.30,820,720,350,0600,0040,0130,100,030,100,0040,0030,0006-0,0005-ост.40,830,740,370,0700,0050,0120,120,040,090,0050,005-0,00070,00060,0007ост.50,860,810,410,0800,0030,0150,190,070,160,0070,0040,00080,0009-0,0006ост.60,860,830,420,0900,0050,0150,200,080,160,0090,0060,0009-0,00070,0008ост.70,890,900,480,0950,0040,0160,300,120,200,0100,0060,00110,00110,00080,0007ост.80,910,920,510,100,0050,0170,300,130,220,0130,0070,00120,00120,0010-ост.90,930,950,550,120,0050,0180,450,160,260,0160,0080,00130,00120,00100,0009ост.100,920,970,570,120,0040,0180,440,160,250,0160,007-0,00140,0009-ост.110,941,000,600,150,0040,0200,500,200,300,0200,0100,00150,00150,00110.010ост.120,960,960,590,140,0050,0180,460,180,270,0210,0110,00160,0015-0,0012ост.Прото
тип^*0,83-0,950,6-1,10,30-0,700,08-0,15не более 0,0050,012-0,0200,05-0,500,11-0,300,05-0,30   0,0005-0,00500,0005-0,00500,0005-0,0050ост.^* Заявка ОАО"НКМК" №2003 124407 от 04.08.2003
Решение о выдаче патента на изобретение от 10.08.2004

Таблица 2.
Механические свойства рельсовВариантσ_тσ_вσ₅ψТвердостьKCU₊₂₀KCU_-60Макс. длина
строчечных
неметаллических
включений, ммН/мм²%НВ₁₀НВ₂₂НВ_шHB_подНВ_пкгМДж/м²11140132015383753633633633880,42; 0,400,28; 0,270,0321150133015393753633633633880,41; 0,390,27; 0,270,0031180135014383753753633633880,40; 0,390,26; 0,250,0241200137015373753753633633880,39; 0,370,25; 0,270,0251230140013363883883753754010,38; 0,380,25; 0,250,0061220140013363883883753754010,38; 0,370,24; 0,250,0271250143013353883753883754010,37; 0,350,24; 0,230,0481270145012353883883883754010,36; 0,340,23; 0,250,0091270145012364094013753754090,36; 0,350,23; 0,230,04101260144012354094013753634090,35; 0,350,24; 0,230,03111290147012334094013753754090,35; 0,350,22; 0,220,03121300147012334094013753754090,34; 0,340,23; 0,220,02Прототип960-10491313-141210-
1331-
35363-388352-375352-375352-363375-4010,30-0,390,21-0,25н.д.
(по ГОСТ не более 0,5 мм)Примечание: НВ_пкг - твердость на поверхности катания головки рельсов;
НВ₁₀ и НВ₂₂ - твердость на расстоянии соответственно 10 и 22 мм;
НВ_ш - твердость в шейке;
НВ_под. - твердость в подошве.

Изобретение может быть использовано при производстве железнодорожных рельсов. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,78-0,95; марганец 0,6-1,0; кремний 0,3-0,6; ванадий 0,05-0,15; алюминий не более 0,005; азот 0,012-0,02; молибден 0,01-0,2; никель 0,05-0,3; ниобий 0,003-0,02; титан 0,002-0,01; два или более элементов, выбранных из группы, включающей барий 0,0005-0,0015; РЗМ 0,0005-0,0010; кальций 0,0005-0,0010; цирконий 0,0005-0,0010; железо - остальное. При этом в качестве примеси сталь может содержать серу не более 0,015; фосфор не более 0,020; медь не более 0,20. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса механических свойств и твердости, чистоты стали по строчечным оксидным включениям, а также увеличение эксплутационной стойкости рельсов. 2 табл.

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, хром, молибден, никель, ниобий, титан, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот, а также два или более элементов, выбранных из группы, включающей барий, РМЗ, кальций и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,78-0,95Марганец0,6-1,0Кремний0,3-0,6Ванадий0,05-0,15Алюминий Не более 0,005Азот0,012-0,02Хром0,05-0,5Молибден0,01-0,2Никель0,05-0,3Ниобий0,003-0,02Титан0,002-0,01,

два или более элементов, выбранных из группы, включающей

Барий0,0005-0,0015РМЗ0,0005-0,0015Кальций0,0005-0,0010Цирконий0,0005-0,0010ЖелезоОстальное,

при этом сталь содержит примеси:

СераНе более 0,015ФосфорНе более 0,020МедьНе более 0,20.