RU2365666C1 - Rail steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to ferrous metallurgy, namely to making of rail steel. Steel contains carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, aluminium, nitrogen, molybdenum, nickel, boron, one or several elements selected from the group including rare-earth metals, zirconium, strontium, calcium and barium, one of the elements selected from the group including niobium and titanium, iron and impurities with the following ratio of the components, wt %: carbon 0.25-0.37, silicon 0.90-1.50, manganese 1.00-1.60, chromium 0.10-0.30, vanadium 0.08-0.15, aluminium 0.005 maximum, nitrogen 0.012-0.020, molybdenum 0.10-0.30, nickel 0.80-1.40, boron 0.0003-0.002, rare-earth metals 0.0005-0.005, zirconium 0.0005-0.005, strontium 0.0005-0.005, calcium 0.0005-0.005, barium 0.0005-0.005, niobium 0.003-0.05, titanium 0.001- 0.02, the rest is iron and impurities. The additives in steel can be sulphur 0.015 wt % maximum, phosphorus 0.020 wt % maximum and copper 0.20 wt % maximum.%.

EFFECT: well-balanced complex of mechanical properties and improved service durability of the rails.

2 tbl

Description

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the production of steel for railway rails.

Известны рельсовые перлитные стали [1], содержащие 0,71-0,82% C; 0,75-1,05% Mn; 0,25-0,45% Si; 0,05-0,15% V; не более 0,025% P; не более 0,030% S; не более 0,020% Al.Known rail pearlitic steels [1] containing 0.71-0.82% C; 0.75-1.05% Mn; 0.25-0.45% Si; 0.05-0.15% V; not more than 0.025% P; no more than 0,030% S; no more than 0,020% Al.

Существенным недостатком перлитных рельсовых сталей являются ограниченные их возможности в достижении твердости на рельсах более 400 НВ при закалке в интервале температур перлитного превращения.A significant drawback of pearlitic rail steels is their limited ability to achieve hardness on rails of more than 400 HB when quenched in the temperature range of pearlite transformation.

Известна также рельсовая сталь, выбранная в качестве прототипа, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот и дополнительно содержащая один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей РЗМ, цирконий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов: мас.%: 0,32-0,42% C, 0,17-0,37% Si, 0,25-0,55% Mn, 1,8-2,4% Cr, 0,09-0,15% V, 0,02-0,06% Al, 0,02-0,04% N, один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей редкоземельные металлы 0,0005-0,1%; цирконий 0,005-0,1%; кальций 0,005-0,05%; барий 0,005-0,2%; железо - остальное [2].Also known rail steel, selected as a prototype, containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, aluminum, nitrogen and additionally containing one or more elements selected from the group comprising REM, zirconium, calcium and barium in the following ratio of components: wt .%: 0.32-0.42% C, 0.17-0.37% Si, 0.25-0.55% Mn, 1.8-2.4% Cr, 0.09-0.15 % V, 0.02-0.06% Al, 0.02-0.04% N, one or more elements selected from the group consisting of rare earth metals 0.0005-0.1%; zirconium 0.005-0.1%; calcium 0.005-0.05%; barium 0.005-0.2%; iron - the rest [2].

Существенными недостатками стали является неравномерная твердость металла по сечению рельса, а также его недостаточный уровень пластичности и ударной вязкости.Significant disadvantages of steel are the uneven metal hardness over the rail section, as well as its insufficient level of ductility and impact strength.

Желаемым техническим результатом изобретения является достижение сбалансированного комплекса механических свойств стали и повышение эксплуатационной стойкости рельсов.The desired technical result of the invention is to achieve a balanced set of mechanical properties of steel and increase the operational stability of rails.

Для достижения этого сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот, молибден, никель, железо и один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей РЗМ, цирконий, стронций, кальций, барий, дополнительно содержит бор и один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий и титан, при следующем соотношении компонентов, мас.%:To achieve this, steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, aluminum, nitrogen, molybdenum, nickel, iron and one or more elements selected from the group consisting of rare-earth metals, zirconium, strontium, calcium, barium, additionally contains boron and one of the elements selected from the group comprising niobium and titanium, in the following ratio of components, wt.%:

углеродcarbon 0,25-0,370.25-0.37 кремнийsilicon 0,90-1,500.90-1.50 марганецmanganese 1,00-1,601.00-1.60 хромchromium 0,10-0,300.10-0.30 ванадийvanadium 0,08-0,150.08-0.15 алюминийaluminum не более 0,005no more than 0,005 азотnitrogen 0,012-0,0200.012-0.020 молибденmolybdenum 0,10-0,300.10-0.30 никельnickel 0,80-1,400.80-1.40 борboron 0,0003-0,0020.0003-0.002 железоiron остальноеrest

Один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей РЗМ, цирконий, стронций, кальций, барий:One or more elements selected from the group comprising REM, zirconium, strontium, calcium, barium:

РЗМREM 0,0005-0,0050.0005-0.005 цирконийzirconium 0,0005-0,0050.0005-0.005 стронцийstrontium 0,0005-0,0050.0005-0.005 кальцийcalcium 0,0005-0,0050.0005-0.005 барийbarium 0,0005-0,0050.0005-0.005

Один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий, титан:One of the elements selected from the group comprising niobium, titanium:

ниобийniobium 0,003-0,050.003-0.05 титанtitanium 0,001-0,02.0.001-0.02.

В качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,015%, фосфор не более 0,020%, медь не более 0,20%.As impurities, steel may contain sulfur not more than 0.015%, phosphorus not more than 0.020%, copper not more than 0.20%.

Заявляемый химический состав выбран исходя из следующих условий.The inventive chemical composition is selected based on the following conditions.

Соотношение углерода 0,25-0,37% выбрано исходя из получения игольчатого бейнита по всему сечению рельса. При содержании менее 0,25% возрастает вероятность образования верхнего бейнита, характеризующегося низкой твердостью, пластичностью и ударной вязкостью. При содержании углерода более 0,37% возрастает вероятность образования мартенсита в подошве рельсов, характеризующегося высокой твердостью и хрупкостью.The carbon ratio of 0.25-0.37% is selected based on the receipt of needle bainite over the entire cross section of the rail. When the content is less than 0.25%, the likelihood of formation of upper bainite increases, which is characterized by low hardness, ductility and impact strength. When the carbon content is more than 0.37%, the likelihood of martensite formation in the sole of the rails, which is characterized by high hardness and brittleness, increases.

Марганец, хром и молибден в выбранных соотношениях увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, обеспечивая получение нижнего бейнита, имеющего высокую прочность и вязкость.Manganese, chromium and molybdenum in selected ratios increase the stability of supercooled austenite, providing lower bainite having high strength and viscosity.

При содержании марганца, никеля и молибдена менее 1,00, 0,80, 0,10% соответственно не обеспечивается требуемая для получения тонкодисперсной структуры бейнита степень устойчивости переохлажденного аустенита. При содержании марганца, никеля и молибдена более 1,60, 1,40, 0,30% увеличивается инкубационный период и соответственно возрастает вероятность образования мартенситной структуры, приводящей к повышенной хрупкости рельсов.When the content of manganese, nickel and molybdenum is less than 1.00, 0.80, 0.10%, respectively, the degree of stability of supercooled austenite required for obtaining a finely dispersed bainite structure is not provided. When the content of manganese, nickel and molybdenum is more than 1.60, 1.40, 0.30%, the incubation period increases and the likelihood of the formation of a martensitic structure, which leads to increased brittleness of rails, increases.

При выбранных концентрационных пределах углерода, марганца, никеля, молибдена содержание кремния в пределах 0,90-1,50% является достаточным для повышения пределы текучести и прочности стали. При снижении концентрации кремния менее 0,90% значительно снижаются указанные характеристики. При содержании кремния в стали более 1,50% также возрастает вероятность образования твердой и хрупкой структурной составляющей - мартенсита.At the selected concentration limits of carbon, manganese, nickel, molybdenum, the silicon content in the range of 0.90-1.50% is sufficient to increase the yield strength and strength of steel. With a decrease in silicon concentration of less than 0.90%, these characteristics are significantly reduced. With a silicon content of more than 1.50%, the likelihood of the formation of a solid and brittle structural component, martensite, also increases.

Молибден в выбранных пределах увеличивает прокаливаемость и сопротивление отпуску стали. Увеличение его концентрации более 0,3% при заданном содержании никеля возрастает вероятность образования мартенсита.Molybdenum within the selected range increases hardenability and tempering resistance of steel. An increase in its concentration of more than 0.3% for a given nickel content increases the likelihood of the formation of martensite.

Ванадий связывает азот в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды), которые измельчают зерно аустенита, что обеспечивает повышение прочности и ударной вязкости. Однако без использования азота ванадий снижает ударную вязкость. Добавки ванадия, алюминия, азота обеспечивают высокую сопротивляемость хрупкому разрушению, повышают хладостойкость стали за счет измельчения зерна образующимися нитридами и карбонитридами. Исходя из этого оптимальными значениями для ванадия являются его содержание более 0,08%. Верхний предел концентрации ванадия выбран исходя из экономических соображений. Концентрация азота менее 0,012% не обеспечивает требуемое карбонитридное упрочнение. При повышении азота более 0,020% возможны случаи возникновения пятнистой ликвации и «азотного кипения» (пузыри в стали).Vanadium binds nitrogen into strong chemical compounds (nitrides, carbonitrides) that grind austenite grain, which provides increased strength and toughness. However, without the use of nitrogen, vanadium reduces toughness. Additives of vanadium, aluminum, nitrogen provide high resistance to brittle fracture, increase the cold resistance of steel due to grinding of grain with the resulting nitrides and carbonitrides. Based on this, the optimal values for vanadium are its content of more than 0.08%. The upper limit of the concentration of vanadium is selected on the basis of economic considerations. A nitrogen concentration of less than 0.012% does not provide the required carbonitride hardening. With an increase in nitrogen of more than 0.020%, there may be cases of spotted segregation and "nitrogen boiling" (bubbles in steel).

Выбранное содержание ниобия и титана дополнительно к действию ванадия также способствует измельчению зерна стали за счет образования устойчивых карбонитридов и нитридов, тем самым, способствуя повышению прочностных и вязкостных свойств стали. При меньшем содержании указанных элементов измельчения зерна не достигается. При содержании ниобия более 0,05%, а титана более 0,02% доля азота в карбонитридной фазе уменьшается, а углерода - возрастает. Это приводит к повышению прочности и снижению ударной вязкости стали.The selected content of niobium and titanium in addition to the action of vanadium also contributes to the grinding of steel grains due to the formation of stable carbonitrides and nitrides, thereby contributing to an increase in the strength and toughness properties of steel. With a lower content of these elements, grain grinding is not achieved. When the niobium content is more than 0.05%, and titanium more than 0.02%, the proportion of nitrogen in the carbonitride phase decreases, and the carbon increases. This leads to increased strength and lower toughness of steel.

Ограничение содержания алюминия до 0,005% обеспечивает отсутствие строчечных включений глинозема, что приводит к увеличению предела усталости, контактно-усталостной прочности рельсов.The limitation of the aluminum content to 0.005% ensures the absence of line-wise inclusions of alumina, which leads to an increase in the fatigue limit and contact fatigue strength of the rails.

Хром в пределах 0,01-0,30% положительно влияет на повышение прочности и твердости стали. При меньшем содержании хрома эффективность его влияния на повышение прочности заметно снижается, при содержании его более 0,30% при заданных содержаниях марганца, кремния, молибдена и никеля повышается устойчивость переохлажденного аустенита, что может привести к образованию структуры мартенсита.Chrome in the range of 0.01-0.30% has a positive effect on increasing the strength and hardness of steel. With a lower chromium content, the effectiveness of its effect on increasing strength decreases markedly, with a content of more than 0.30%, for given contents of manganese, silicon, molybdenum and nickel, the stability of supercooled austenite increases, which can lead to the formation of a martensite structure.

Стронций, цирконий, РЗМ, кальций и барий в заявляемых пределах вводятся для модифицирования неметаллических включений: исключается образование «опасных» включений глинозема, повышается чистота стали по оксидным и сульфидным включениям, обеспечивается образование глобулярных включений и исключается образование строчечных включений алюминатов. Это способствует улучшению пластичности и ударной вязкости стали. При меньшем содержании указанных элементов не обеспечивается в полной мере очищение стали от неметаллических включений. Присадки этих элементов сверх заданных пределов приводят к загрязнению металла сложными многофазными включениями, приводящих при эксплуатации рельсов к зарождению контактно-усталостных дефектов.Strontium, zirconium, rare-earth metals, calcium and barium are introduced within the claimed limits to modify non-metallic inclusions: the formation of “dangerous” alumina inclusions is excluded, the purity of steel by oxide and sulfide inclusions is increased, the formation of globular inclusions is ensured, and the formation of line inclusions of aluminates is eliminated. This helps to improve the ductility and toughness of steel. With a lower content of these elements is not fully provided for the purification of steel from non-metallic inclusions. Additives of these elements in excess of predetermined limits lead to metal contamination by complex multiphase inclusions, which, when the rails are operated, lead to the emergence of contact fatigue defects.

Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано исходя из необходимости получения удовлетворительного качества поверхности готовых рельсов после прокатки и механических свойств стали. Наличие в стали серы и фосфора сверх заданных пределов приводит к повышению красно- и хладноломкости стали.The limitation of the content of copper, sulfur and phosphorus is selected based on the need to obtain a satisfactory surface quality of the finished rails after rolling and the mechanical properties of the steel. The presence in the steel of sulfur and phosphorus in excess of the specified limits leads to an increase in the red and cold brittleness of the steel.

Введение бора в сталь в заявленных пределах предотвращает образование в стали структурно свободного феррита, что благоприятно сказывается на твердости и прочностных характеристиках рельсов. При большем содержании бора возрастает вероятность образования боридной эвтектики, отрицательно сказывающейся на свойствах стали. При содержании бора менее 0,0003% эффективность его влияния на структурообразование снижается.The introduction of boron into steel within the stated limits prevents the formation of structurally free ferrite in steel, which favorably affects the hardness and strength characteristics of rails. With a higher boron content, the likelihood of the formation of a boride eutectic increases, which adversely affects the properties of steel. When the boron content is less than 0.0003%, the effectiveness of its influence on structure formation is reduced.

Серия опытных плавок была выплавлена в дуговых электросталеплавильных печах ДСП-100И7. Химический состав опытных плавок приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку железнодорожных рельсов типа Р65. Результаты испытаний механических свойств (таблица 2) показывают, что заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает сбалансированный комплекс механических свойств и твердости стали, что, в свою очередь, увеличивает эксплуатационную стойкость железнодорожных рельсов.A series of experimental melts was smelted in electric arc furnaces DSP-100I7. The chemical composition of the experimental melts is shown in table 1. After casting the steel at the continuous casting machine, railway rails of the P65 type were rolled. The results of mechanical properties tests (table 2) show that the claimed chemical composition of rail steel provides a balanced set of mechanical properties and hardness of steel, which, in turn, increases the operational stability of railway rails.

Список источников информацииList of sources of information

1. ГОСТР 51685-2000 «Рельсы железнодорожные. Общие технические условия».1. GOST 51685-2000 “Railroad rails. General specifications. "

2. А.с. №603689, МПК⁵ C22C 38/24.2. A.S. No. 603689, IPC ⁵ C22C 38/24.

Claims (1)

Рельсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот, молибден, никель, один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей РЗМ, цирконий, стронций, кальций и барий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор и один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,25-0,37 кремний 0,90-1,50 марганец 1,00-1,60 хром 0,10-0,30 ванадий 0,08-0,15 алюминий не более 0,005 азот 0,012-0,020 молибден 0,10-0,30 никель 0,80-1,40 бор 0,0003-0,002
один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей РЗМ, цирконий, стронций, кальций, барий:
РЗМ 0,0005-0,005 цирконий 0,0005-0,005 стронций 0,0005-0,005 кальций 0,0005-0,005 барий 0,0005-0,005
один из элементов, выбранных из группы, включающей ниобий, титан:
ниобий 0,003-0,05 титан 0,001-0,02 железо и примеси остальное,
при этом в качестве примесей она содержит серу не более 0,015, фосфор не более 0,020 и медь не более 0,20. Rail steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, aluminum, nitrogen, molybdenum, nickel, one or more elements selected from the group consisting of rare-earth metals, zirconium, strontium, calcium and barium, iron and impurities, characterized in that it additionally contains boron and one of the elements selected from the group comprising niobium and titanium in the following ratio of components, wt.%:
carbon 0.25-0.37 silicon 0.90-1.50 manganese 1.00-1.60 chromium 0.10-0.30 vanadium 0.08-0.15 aluminum no more than 0,005 nitrogen 0.012-0.020 molybdenum 0.10-0.30 nickel 0.80-1.40 boron 0.0003-0.002
one or more elements selected from the group comprising REM, zirconium, strontium, calcium, barium:
REM 0.0005-0.005 zirconium 0.0005-0.005 strontium 0.0005-0.005 calcium 0.0005-0.005 barium 0.0005-0.005
one of the elements selected from the group comprising niobium, titanium:
niobium 0.003-0.05 titanium 0.001-0.02 iron and impurities rest,
however, as impurities it contains sulfur not more than 0.015, phosphorus not more than 0.020 and copper not more than 0.20.