Рейкова сталь

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали для железнодорожных рельсов. Известна рельсовая сталь [Авт.св. СССР № 1239166, кл. С 22 С 38/48, опублик. 1986], содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, ванадий, ниобий, медь, церий, кальций, железо при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Недостатком аналога является наличие высокого содержания церия и алюминия, что уменьшает жидкотекучесть стали, затрудняет ее разливку, что приводит к ухудшению качества слитков и поверхности рельсов. Сталь содержит дорогие и дефицитные компоненты никель, ниобий, ванадий в неоправданно большом количестве. В стали не регламентируется содержание азота, карбонитридов хрома, ванадия, ниобия, которые в значительной мере определяют ударную вязкость и временное сопротивление рельсов как в термоупрочненном, так и в нетермоупрочненном состоянии. Наиболее близкой к заявляемой рельсовой стали является выбранная в качестве прототипа сталь [Авт.св. СССР № 1633008, кл. С 22 С 38/28, опублик, 1991], содержащая углерод, кремний, марганец, азот, алюминий, кальций, ванадий, титан, хром, молибден, карбонитриды ванадия и железо при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: при условии, что кальций и алюминий находятся в соотношении 1:(4—13). К существенным недостаткам прототипа можно отнести наличие дорогостоящего и дефицитного молибдена, а также активного нитридообразующего компонента - титана, который связывая значительную часть азота, препятствует образованию карбонитридов ванадия и хрома, упрочняющих металл. Угловатые карбонитриды титана являются концентраторами напряжений, поэтому количество их в рельсах ограничивается ГОСТ 24182-80. В прототипе низкое содержание хрома, поэтому временное сопротивление' рельсов в нетермообработанном состоянии будет недостаточно высоким, тогда как этот показатель для рельсов, укладываемых в скоростные магистрали, чрезвычайно важен. Так как для обеспечения требуемой прямолинейности, точности изгиба рельсов дли кривых участков пути и т.д. для скоростных магистралей используются только нетермо-упрочненные рельсы. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование рельсовой стали, позволяющее путем изменения ее количественного и качественного состава, введения дополнительных компонентов при их определенном отношении, повысить ударную вязкость, износостойкость и предел текучести стали в нетермоупрочненном состоянии и обеспечить увеличение эксплуатационной стойкости железнодорожных рельсов. Для решения поставленной задачи предложена рельсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, азот, ванадий, хром, карбонитриды ванадия и железо. Отличие рельсовой стали заключается в том, что она дополнительно содержит ниобий, карбонитриды хрома и карбонитриды ниобия при отношении V(CN): Nb(CN):Cr(CN) -=1 :(0,2-0,5):(0,8-2,25) и при следующем соотношении компонентов, мас.%: Ввод в сталь ниобия, исключение титана и увеличение содержания хрома, а также повышение нижнего предела азота способствует образованию в стали карбонитридов хрома и ниобия, упрочняющих металл и повышающих его ударную вязкость в нетермообработанном состоянии. Благодаря вводу в сталь ниобия стало возможным снизить содержание остродефицитного ванадия до 0,005-0,03%. К тому же ниобий в комбинации с 0,4-1,5% хрома обеспечивает "сырым" рельсам, изготовленным из заявляемой стали, критические напряжения разрушения больше чем, у термообработанных рельсах, изготовленнных из сталипрототипа. Высокодисперсные карбонитриды ванадия, равномерно выделяясь в теле зерна, тормозят движение дислокаций, вызываемое приложенными нагрузками. Дислокации .проходя между частицами карбонитридов, изгибаясь, образуют петли и накапливаются вокруг частиц, что приводит к повышению предела текучести стали, вследствие чего снижается склонность металла к хрупким разрушениям. Наиболее эффективное измельчение зерна достигается выбором количества упрочняющей фазы (карбонитрида ванадия) и фазы для создания барьеров тормозящих рост зерна. Карбонитриды хрома, ниобия, измельчая зерно косвенно влияют на упрочнение стали. Карбонитридная фаза является одним из факторов, увеличивающим сопротивление износу, т.к. при взаимодействии с абразивными силами разрушение наступает тогда, когда в локальных объемах основы и включения упрочняющей фазы накопленная энергия достигает величины, достаточной для разрыва межатомных связей и образования новых поверхностей. Поэтому при однотипной матрице наиболее значительным фактором, определяющим различное поведение металла при взаимодействии с абразивами, являются межатомные связи в частицах упрочняющей фазы. Такой упрочняющей фазой и являются карбонитриды ванадия, ниобия и хрома. Таким образом, в предлагаемой стали используется принцип карбонитридного упрочнения, которое повышает и стабилизирует износостойкость, предел текучести и ударную вязкость нетермообработанной стали. Эффект карбонитридного упрочнения проявляется при значительном измельчении зерна, которое достигается только при определенном отношении карбонитридов ванадия ниобия и хрома: Соотношение карбонитродов необходимо также соблюдать, чтобы избежать старения металла. Выбор граничных параметров обусловлен тем, что при содержании карбонитридов хрома менее 0,004% и карбонитридов ниобия менее 0,001% их недостаточно для торможения движения дислокаций, что приводит к понижению пластических свойств. При содержании карбонитридов хрома в стали более 0,09%, ухудшается сопротивляемость рельсов старению. При содержании карбонитридов ниобия более 0,02% повышается склонность выделения их по границам зерен, а значит понижаются пластические свойства и ударная вязкость стали. При соотношении V(CN):ISIb(CN):Cr(CN) меньшем 1:0,2:0,8 не достигается существенный уровень карбонитридного упрочнения рельсов и соответственно не увеличивается их эксплуатационная стойкость. Рельсы также будут иметь низкую ударную вязкость. В случае если это соотношение будет больше 1:0,5:2,25 рельсы будут склонны к старению вследствие избытка карбонитридной фазы. Соответственно надежность рельсов в эксплуатации снижается. Содержание ванадия менее 0,005%, хрома менее 0,4%, а ниобия менее 0,003%. Недостаточно для образования карбонитридов, которые диспергируются в пластинках феррита, обеспечивая тем самым карбонитридное упрочнение стали. Верхний предел хрома 1,5% установлен исходя из того, что при превышении его возрастает количество аустенита, что снижает твердость стали. При превышении верхнего предела хрома также затрудняется разливка стали, а это приводит к ухудшению качества поверхности рельсов и, как следствие, к снижению их эксплуатационной стойкости. Для обеспечения получения в стали минимально необходимого количества карбонитридов ванадия, хрома, ниобия нижний предел содержания азота в стали должен быть не менее 0,003%. При содержании ванадия более 0,03% увеличивается толщина пластинок перлита, повышается при этом температура фазового превращения перлита, а значит снижается вязкость и прочность стали. При содержании ниобия более 0,02% образуется сетка межкристаллитного карбида ниобия, что приводит к резкому снижению предела прочности и текучести стали. Нижний предел марганца выбран 0,75%, так как при более низком его содержании уменьшается временное сопротивление рельсов, которое является их важной качественной характеристикой. При содержании марганца выше 1,30% наблюдается повышение чувствительности стали к отпускной хрупкости и ухудшение свариваемости рельсов. Установленные пределы содержания в стали углерода, кремния, карбонитридов ванадия и верхнего предела азота не отличаются от прототипа, так как находятся в оптимальных пределах. Для определения свойств заявляемой стали были выплавлены 7 сталей с граничными, оптимальными и выходящими за граничные соотношениями новых ингредиентов при фиксированном значении остальных. Для обеспечения сопоставительного анализа с прототипом была также выплавлена сталь с известным оптимальным с соотнр-шением ингредиентов. Сталь выплавили в 200 кг индукционной печи опытного завода УкрНИИМет, Раскисление провели по следующей технологии. В печь перед выпуском при температуре металла 1585-1600°С ввели ферромарганец, исходя из условия получения в стали 0,75-1,30% марганца, содержание углерода в металле было 0,65-0,89%. Сталь выпустили в 50 кг ковш, задавая в него по ходу выпуска расчетное количество феррохрома, феррованадия, феррониобия, силикокальция и азотированного феррованадия. Таким образом из двух плавок было получено восемь составов сталей. Химический состав полученных сталей приведен в табл. 1. Металл разлили в слитки массой 50 кг и прокатали на квадрат 56x56 мм. Термическую обработку не производили. Из заготовок изготовили образцы. Испытания на износ провели в парах трения "ролик-ролик". Один ролик изготовили из испытуемой стали, второй из рельсовой стали твердостью 43-47 НРС. Испытания провели под нагрузкой 750 Н, при сухом трении с 10% проскальзыванием и числом циклов 70000. В табл. 2 приведены результаты испытаний образцов, изготовленных из выплавленных сталей. Как показали данные проведенных исследований, лучшие результаты имеют стали 1,2,3,4,5. По сравнению со сталью-прототипом у них выше ударная вязкость - 0,17-0,20 МДж/м против 0,12 МДж/м , предел текучести 1057-1085 Н/ммг против 1072 Н/мм , временное сопротивление разрыву - 1056-1065 Н/мм2 против 1050 Н/мм , относительная износостойкость - 1,14-1,17 против 1,11. По сравнению со сталями 6,7 у них выше ударная вязкость - 0,17-0,2 МДж/м2 против 0,15-0,16 МДж/м , относительная износостойкость- 1,14-1,18 против 1,11-1,12, предел текучести - 1075-1085 Н/мм против 10701073 Н/мм2, временное сопротивление разрыву 1056-1065 Н/мм2 против 1050-1052 Н/мм2.