РЕЛЬСОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2012 года по МПК C22C38/46 

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

Известна рельсовая сталь [1], содержащая (в 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,

при этом примеси содержаться в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%, медь не более 0,20%.

Существенным недостатком данной стали является наличие в структуре недеформирующихся и хрупкоразрушенных неметаллических включений из-за модифицирования стали кальцием.

Известна выбранная в качестве прототипа рельсовая сталь [2], содержащая (в мас.%):

углерод 0,71-0,82 марганец 0,75-1,05 кремний 0,45-0,80 алюминий 0,005-0,015 азот 0,0005-0,015 ванадий 0,03-0,09 хром 0,35-0,70 никель 0,03-0,20 железо остальное

Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств.

Желаемым техническим результатом изобретения является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям для обеспечения надежности и контактно-усталостной прочности рельсов.

Для достижения этого рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, хром, никель, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что в ней дополнительно ограничено содержание кислорода при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод 0,71-0,90 марганец 0,85-1,20 кремний 0,20-0,40 алюминий не более 0,004 азот 0,010-0,018 ванадий 0,05-0,15 хром 0,40-0,80 никель 0,03-0,20 кислород не более 0,0020 железо остальное,

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,020%, медь не более 0,20%.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Выбранное содержание углерода при установленном соотношении марганца, кремния и хрома обеспечивает повышение ударной вязкости, пластичности при сохранении твердости и прочности стали. Увеличение содержания углерода по сравнению с прототипом позволит дополнительно повысить контакно-усталостную прочность рельсов. Верхний предел содержания углерода установлен, исходя из того, что при увеличении его свыше 0,90% происходит резкое снижение показателей пластичности и ударной вязкости рельсовой стали.

Концентрация кремния установлена для обеспечения сбалансированного уровня механических свойств рельсов, при этом снижение его концентрации менее 0,20% не обеспечивает требуемый уровень свойств, при повышении 0,40% возрастает вероятность образования неблагоприятной структуры.

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 0,80% значительно возрастает стоимость стали при постоянных прочностных свойствах стали.

Снижение содержания алюминия до 0,004% и кислорода менее 0,0020% обеспечивает повышение чистоты металла по неметаллическим включениям, приводит к уменьшению их размеров и количества. Содержание алюминия более 0,004% и кислорода более 0,0018% приводит к загрязнению стали строчками неметаллических включений больших размеров.

Концентрация марганца в выбранных пределах обеспечивает достаточную износостойкость рельсов. Марганец увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и при содержании не менее 0,85% 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% в стали с высоким содержанием углерода приводит к хрупкости рельсов.

Введение азота от 0,010 до 0,018 позволяет также повысить прочностные свойства рельсов и увеличить сопротивление хрупкому разрушению. Наличие ванадия при этом позволяет добиваться необходимой растворимости азота в соединениях. При наличии азота менее 0,010% невозможно обеспечить необходимое упрочнение стали, а при содержании азота более 0,018% приводит к получению нерастворившегося азота и возможного образования недопустимых пузырей в стали. Выбранное содержание и соотношение азота и ванадия обеспечивает получение требуемой ударной вязкости.

Ограничение концентрации никеля до 0,20% связано с возможностью образования структурно-свободного феррита, имеющего низкую износостойкость.

Ограничение концентрации фосфора, серы и меди обусловлено улучшением качества поверхности готовой продукции после прокатки и повышения ее физико-механических свойств.

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 испытаний механических свойств в горячекатаном состоянии в сравнении с рельсовой сталью-прототипом (после объемной закалки в масле и отпуске) приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав с ограниченным содержанием кислорода обеспечивает повышение чистоты стали по неметаллическим включениям при обеспечении достаточно высокого уровня механических свойств рельсов в нетермоупрочненном состоянии, сопоставимом с уровнем механических свойств стали-прототипа в термоупрочненном состоянии.

Источники информации

1. RU 2292221 C1, C22C 38/46

2. Патент РФ №2131946, С22С 38/46.

Таблица 1 Химический состав стали Состав С Si Mn Cr V AI N Ni S P Cu Fe 1 0,90 0,20 0,85 0,80 0,08 0,001 0,010 0,03 0,007 0,016 0,06 ост 2 0,77 0,40 0,88 0,40 0,09 0,004 0,012 0,10 0,008 0,019 0,08 ост 3 0,71 0,34 0,86 0,47 0,11 0,004 0,011 0,20 0,006 0,009 0,01 ост 4 0,80 0,23 0,89 0,55 0,07 0,001 0,012 0,12 0,005 0,015 0,15 ост 5 0,77 0,36 1,20 0,69 0,11 0,003 0,018 0,14 0,012 0,018 0,20 ост 6 0,81 0,40 1,10 0,50 0,15 0,004 0,012 0,18 0,020 0,020 0,16 ост прото
тип 0,71-0,82 0,45-0,80 0,75-1,05 0,35-0,70 0,03-0,09 0,005-0,015 0,0005-0,015 0,03-0,20 ≤0,020 ≤0,020 ≤0,20 ост

Таблица 2 Механические свойства стали и результаты оценки неметаллических включений Состав Предел текучести, Н/мм² Предел прочности, Н/мм² Относитель
ное удлинение, % Относительное сужение, % KCU ударная вязкость, Дж/см² Неметаллические включения, мм +20°С недеформирующие
ся хрупкоразрушен
ные 1 1100 1190 10 20 20 0 0 2 900 1180 12 21 21 0,001 0 3 800 1190 12 28 25 0 0,01 4 889 1170 13 27 24 0 0 5 1000 1150 11 22 26 0 0 6 900 1170 10 21 23 0 0 Прото
тип (закал
ка и отпуск) 880-1200 1350-1550 10-17 30-34 33-44 - -

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, а также рельсов для метрополитена. Рельсовая сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, хром, никель, кислород, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь при следующем соотношении компонентов, в мас.%: углерод 0,71-0,90, марганец 0,85-1,20, кремний 0,20-0,40, алюминий не более 0,004, азот 0,010-0,018, ванадий 0,05-0,15, хром 0,40-0,80, никель 0,03-0,20, кислород не более 0,0020, железо и примеси - остальное, при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020, фосфор - не более 0,020, медь не более 0,20. Техническим результатом является повышение чистоты стали по неметаллическим включениям для обеспечения надежности и контактно-усталостной прочности рельсов. 2 табл.

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, ванадий, хром, никель, железо и в качестве примесей серу, фосфор и медь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,71-0,90 марганец 0,85-1,20 кремний 0,20-0,40 алюминий не более 0,004 азот 0,010-0,018 ванадий 0,05-0,15 хром 0,40-0,80 никель 0,03-0,20 кислород не более 0,0020 железо и примеси остальное,