РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2009 года по МПК C22C38/46 C22C38/24 

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

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения в условиях Сибири и Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, ванадий, хром, азот, никель, кальций, барий, стронций, церий, железо и примеси 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. В качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020 мас.%, фосфор - не более 0,025 мас.%, медь - не более 0,20 мас.%. Повышаются чистота стали по неметаллическим включениям и эксплуатационная стойкость рельсов при отрицательных температурах. 2 табл.

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,