РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2010 года по МПК C22C38/50 

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

Известна рельсовая сталь [1], содержащая (в мас.%):

углерод 0,65-0,85 марганец 0,6-1,2 кремний 0,25-0,45 алюминий 0,005-0,012 кальций 0,002-0,020 азот 0,006-0,015 ванадий 0,01-0,07 стронций 0,002-0,030 медь 0,05-0,80 барий 0,001-0,030 цирконий 0,005-0,020 железо остальное

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

Известная также рельсовая сталь[2], содержащая (мас.%):

углерод 0,83-0,95 марганец 0,60-1,1 кремний 0,30-0,70 ванадий 0,008-0,15 алюминий не более 0,005 азот 0,012-0,020 кальций 0,0005-0,005 хром 0,05-0,50 хром не более 0,15 молибден 0,11-0,3 никель 0,05-0,30

один из элементов, выбранных из группы, включающей цирконий и РЗМ:

цирконий 0,0005-0,005 РЗМ 0,0005-0,005 железо и примеси остальное

Основным недостатком данной стали является повышенная хрупкость рельсов в зоне болтовых отверстий из-за образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.

В качестве наиболее близкого аналога авторами принята за прототип рельсовая сталь [3], содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: содержащая углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,1, кремний 0,4-0,6, алюминий не более 0,005, кальций 0,0001-0,005, азот 0,005-0,02, ванадий 0,05-0,15, стронций 0,0001-0,005, медь не более 0,15, никель 0,03-0,2, хром 0,7-1,2, барий 0,0001-0,005, железо и примеси - остальное.

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

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

углерод 0,75-0,90 марганец 0,70-1,25 кремний 0,25-0,55 алюминий не более 0,005 кальций 0,0001-0,005 азот 0,006-0,015 ванадий 0,05-0,15 стронций 0,0001-0,001 медь 0,03-0,30 никель 0,03-0,30 хром 0,03-0,30 барий 0,0001-0,001 цирконий 0,0001-0,001 церий 0,0001-0,001 железо остальное

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

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок:

Выбранные концентрационные пределы углерода обеспечивают повышение твердости и износостойкости рельсов исключая вероятность образования цементитной сетки в осевой зоне шейки.

Увеличение марганца до 1,25% повышает сопротивление износу и прочностные свойства рельсовой стали. При снижении марганца менее 0,70% снижаются указанные параметры.

Установленные концентрационные пределы кремния обеспечивают упрочнение феррита, тем самым, повышая пределы текучести и прочности рельсовой стали в термоупрочненном состоянии. При снижении кремния менее 0,25% наблюдается резкое снижение данных параметров. Повышение концентрации кремния свыше 0,55% возрастает вероятность образования игольчатой микроструктуры с поверхности объемно-закаленных рельсов.

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

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 0,006% невозможно измельчения зерна и, соответственно, не обеспечивается необходимое упрочнение стали, а более 0,015% 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.

Ограничение концентрации меди, хрома, никеля, фосфора и серы обусловлено улучшением качества поверхности рельсов.

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 0,001% кальция, бария, стронция и церия в сталь возможно получение грубых барий-кальций-стронций-церийсодержащих неметаллических включений, загрязняющих сталь, и вследствие чего снижается ударная вязкость стали. Дополнительное введение в сталь стронция обеспечивается повышение жидкотекучести шлака, тем самым, способствуя наиболее эффективной очистке металла от неметаллических включений.

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 рельсы подвергались термической обработке путем объемной закалки в масле. Результаты замера длины строчки хрупкоразрушенных неметаллических включений в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью стандартного производства [4], близкой к используемому прототипу, приведены в таблице 2. Результаты испытаний механических свойств рельсов в термообработанном состоянии в сравнении с рельсовой сталью Э76Ф стандартного производства приведены в таблице 3. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение чистоты стали по хрупкоразрушенным неметаллическим включениям, а также повышение уровня прочности и твердости рельсов.

Список источников

1. Патент РФ №2161210 С1.

2. Патент РФ №2259416 С2.

3. RU 2291218 С1, С22С 38/24.

4. ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Технические условия.

Таблица 1 Химический состав стали Состав С Si Mn Cr V AI N Ca Ba Се Sr Ni Zr S P Си Fe 1 0,75 0,30 0,75 0,05 0,05 0,002 0,005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,03 0,001 0,005 0,011 0,10 ост. 2 0,85 0,28 0,70 0,03 0,09 0,005 0,010 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,14 0,0001 0,008 0,017 0,04 ост. 3 0,80 0,40 0,89 0,06 0,12 0,003 0,014 0,0008 0,0002 0,0002 0,0008 0,30 0,0005 0,006 0,009 0,17 ост. 4 0,87 0,53 1,25 0,08 0,08 0,001 0,015 0,0009 0,0004 0,0008 0,0009 0,28 0,0004 0,005 0,020 0,10 ост. 5 0,79 0,44 1,06 0,10 0,11 0,002 0,012 0,001 0,0009 0,0007 0,0006 0,15 0,0001 0,014 0,017 0,25 ост. 6 0,90 0,55 1,15 0,05 0,14 0,004 0,010 0,0003 0,001 0,0002 0,0005 0,30 0,0004 0,025 0,021 0,30 ост. Э76Ф 0,71-0,82 0,25-0,60 0,75-1,15 н.б. 0,020 0,03-0,15 н.б. 0,020 - - - - - н.б. 0,020 - н.б. 0,025 н.б. 0,025 н.б. 0,020 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 0,15 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0,10 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0,08 6 0 0 0 0 Требования ГОСТ Р 51685 для стали Э76Ф категории Н - - - н.б.
2,0

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 1020 1330 18 48 0,57 0,27 2 1000 1340 18 45 0,48 0,30 3 1100 1390 20 40 0,48 0,28 4 1110 1460 22 48 0,32 0,38 5 1090 1440 33 48 0,53 0,29 6 1110 1430 30 48 0,57 0,31 Э76Ф - н.м.
1180 н.м.
8 н.м.
25 н.м.
0,15 -

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для движения в кривых участках малого радиуса в условиях Сибири и Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, цирконий, церий, железо и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,75-0,90, марганец 0,70-1,25, кремний 0,25-0,55, алюминий не более 0,005, кальций 0,0001-0,005, азот 0,006-0,015, ванадий 0,05-0,15, стронций 0,0001-0,001, медь 0,03-0,30, никель 0,03-0,30, хром 0,03-0,30, барий 0,0001-0,001, цирконий 0,0001-0,001, церий 0,0001-0,001, железо и примеси - остальное. В качестве примесей сталь содержит не более 0,020 мас.% серы и не более 0,025 мас.% фосфора. Повышается износостойкость рельсов при отрицательных температурах и повышается чистота стали по неметаллическим включениям. 3 табл.

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, кальций, азот, ванадий, стронций, медь, никель, хром, барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,75-0,90 марганец 0,70-1,25 кремний 0,25-0,55 алюминий не более 0,005 кальций 0,0001-0,005 азот 0,006-0,015 ванадий 0,05-0,15 стронций 0,0001-0,001 медь 0,03-0,30 никель 0,03-0,30 хром 0,03-0,30 барий 0,0001-0,001 цирконий 0,0001-0,001 церий 0,0001-0,001 железо и примеси остальное,