Рельсовая сталь

Рельсовая сталь

Преподаватель ЮУрУЦПК Головчик Юрий Александрович

Презентация для профессиональной подготовки операторов дефектоскопных тележек

2024

Современный железнодорожный транспорт не похож на тот, что был 100 лет назад. Скорость поездов с того времени увеличилась почти в 5 раз, а грузоподъемность в 8-10. Такие количественные изменения не могли не затронуть и рельсы, по которым перемещается локомотив. Их износостойкость, прочность и твердость также достигли нового уровня своих значений. В нынешнее время рельсовая сталь обладает целом рядом функциональных особенностей.

Рельсовая сталь - это группа сталей, которых объединяет общий способ применения. А именно, изготовление рельсовых путей сообщения для железнодорожного транспорта. В основе фазовой структуры сплава лежит мелко игольчатый перлит. Для выплавки металла используют либо конверторные, либо обычные дуговые сталеплавильные печи.
Рельсовые марки стали подразделяются на 2 группы в зависимости от вида применяемых раскислителей:
В 1-ую группу входит сталь, раскисленная ферромарганцем или ферросилицием.
Вторая - включает в себя раскислители на основе алюминия. Металл 2-ой группы является предпочтительней, т.к. содержит в себе меньший процент неметаллических включений.

Химический состав рельсы полностью регулируется государственным стандартом ГОСТ Р 554 97- 2013. Согласно ему, помимо основного компонента железа, сплав должен включать в себя следующий набор элементов:
Углерод (0,71-0,82%) является базовой составляющей любой стали. Главное назначение углерода - это увеличение механических характеристик стального сплава. Происходит это за счет связывания молекул железа частицами углерода, в результате чего образуются более крупные, твердые и одновременно прочные молекулы карбидов железа. К тому же углерод позволяет стали дополнительно упрочняться при воздействии на нее повышенной температуры. Таким образом, твердость и предел прочности рельс может быть увеличен еще на 100%.

Марганец (0,25-1,05%) способствует улучшению механических свойств рельсы. Благодаря его добавлению в состав удается увеличить значение ударной вязкости в среднем на 20-30%. Твердость и износостойкость также повышаются. Но в отличие от углерода, изменение данных показателей происходит без ухудшения его пластичных свойств, что играет не мало важную роль для технологичности рельсовой стали
Кремний (0,18-0,40%) удаляет остатки кислорода, улучшая тем самым внутреннюю кристаллическую структуру. Снижает вероятность риска образования ликвации - химической неоднородности сплава по своему химическому составу. Все это дает возможность увеличить долговечность железнодорожного пути в 1,3-1,5 раза.

Ванадий (0,08-0,012%) ответственен за контактную прочность рельсы. При добавлении его в сплав он сразу же связывается углеродом, образовывая карбиды ванадия. Данное соединение имеет повышенную износостойкость и плотность, тем самым увеличивая нижний порог предела выносливости сплава.

Азот (0,03-0,07%) относится к группе вредных примесей. Его отрицательное воздействие заключается в нейтрализации легирования стали ванадием. Т.е. вместо карбидов образуются нитриды ванадия. Они обладают низкими значениями механических свойств. Не способны термоупрочняться. В общем, сводят дорогостоящее легирование ванадием на нет.
Фосфор (до 0,035%) входит в группу нежелательных элементов в составе. Его главный отрицательный эффект - это повышение их хрупкости. Железнодорожное полотно обладает достаточной твердостью, но при этом не имеет должного значения прочности. Все это приводит к высокой вероятности образования трещин и последующему разлому рельсы.

Сера (до 0,045%) снижает технологические параметры стали. Податливость сплава во время его горячей обработки давлением резко падает. Возникает повышенный риск образования трещин. Рельсы, полученные из такой стали, отправляются в брак по причине обладания повышенной хрупкостью.
В зависимости от содержания серы и фосфора рельсовые стали подразделяются 2 сорта. Первый сорт имеет в своем составе меньший процент данных вредных примесей. Он более предпочтителен и применяется на более ответственных участках железнодорожного пути.

Механические свойства

Рельсовые марки стали отличаются повышенной стойкостью к циклическим нагрузкам. Их предел прочности в зависимости от марки колеблется в пределах от 800 до 1000 МПа. Деформироваться рельсовая сталь начинает в промежутке от 600 до 810 МПа. Опять же, это зависит от того соотношения легирующих элементов в составе стального сплава
Сталь хорошо справляется с ударной нагрузкой. Значение ударной вязкости составляет 2,5 кг/см2. Твердость сплава находится в прямой зависимости от качества проведения термической обработки. Объемная закалка способно увеличить данный параметр до 60 единиц по шкале Роквелла.
Рельсовая марка обладает умеренной пластичностью. Относительное сужение для нее равняется 25%, что позволяет прокатывать рельсы горячим способом. Предварительно нагрев их до температуры 900-1000 ºC.

Применение и марки рельсовой стали

Как уже было сказано ранее, основное назначение данного металла — это изготовление рельс железнодорожного пути. Ниже приведен список тех марок, которые наиболее активно применяются для этой цели:
Сталь 76. Одна из наиболее востребованных марок в производстве рельс. Основное назначение - изготовление рельс типа РП50 и РП65, которые применяется преимущественно при прокладке железнодорожных путей промышленного транспорта с широкой колеёй.
Сталь 76Ф. От вышеописанной стали ее отличает дополнительное содержание ванадия в своем составе. Рельсы данной марки обладают большим ресурсом работы - способны пропускать через себя большее количество локомотивов.
Сталь К63. Данная марка используется при изготовлении крановых рельс. Она дополнительно легирована 0,3% никеля.  Металл помимо оптимальной прочности, обладает несколько лучшим значением коррозионностойкости.

Применение и марки рельсовой стали

Сталь К63Ф. Рельсы, изготовленные из данной марки, отличаются большей циклической прочностью за счет добавления в их состав вольфрама.
Сталь М54. Имеет повышенное содержание марганца. Применяется для производства стыковочных рельс-накладок.
Сталь М68. Используются при прокладке путей верхнего строения.
Рельсовая марка стали сегодня является одним из ключевых материалов, применяемых при изготовлении железнодорожного полотна. Это стало благодаря оптимальным значениям механических характеристик и, что не менее важно, низкой стоимостью такого рода рельс. Но до сих пор, процесс по поиску оптимального химического состава стали данной группы продолжается. Кто знает какие решения будут приняты через год, и как они повлияют на долговечность железнодорожных путей.

- ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат».
- ОАО «НТМК», предприятие «Евраз Груп» (Россия, Свердловская область, г.Нижний Тагил). - ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат»
- ОАО «НКМК», предприятие «Евраз Груп» (ОАО «НКМК», Россия, Кемеровская область, г.Новокузнецк) - Днепропетровский металлургический завод (Украина, г. Днепропетровск)

В настоящее время во всем мире железнодорожные рельсы, укладываемые в магистральный путь, практически все подвергаются термической обработке. Существует четыре способа термообработки рельсов:
- объемная закалка в масло с печного нагрева (Российская Федерация, США, Япония и Польша – по технологии бывшего СССР);
- поверхностная закалка головки рельса с печного газопламенного нагрева с охлаждением водовоздушной смесью (США, Япония);
- поверхностная закалка головки рельсов с индукционного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) с охлаждением сжатым воздухом или водовоздушной смесью (Украина, США, Япония, ФРГ и Великобритания);
- закалка головки рельсов с использованием тепла прокатного нагрева (Япония, Великобритания, Австрия).

Термическая обработка головок рельсов для придания верхнему слою металла (толщиной 5—15 мм) большей стойкости против смятия и истирания. Рельс, имеющий при выходе из прокатных валков температуру около 900°, подвергается закалке либо путем погружения его головкой в воду или обрызгиванием головки водой, либо обдуванием ее увлажненным воздухом; после этого рельс охлаждается на воздухе. За счет теплоты всего рельса происходит так называемый отпуск закаленной части, понижающий ее хрупкость. Закалка рельс производится либо по всей длине рельсов, либо только на концах (по 25—30 см). Применяется также закалка концов рельсов как уложенных в путь, так и находящихся на заводе путем нагревания их специальными газовыми горелками или электрическими токами (индуктивный метод В. Вологдина и контактный — Н. Гевелинга). Закалка рельс значительно увеличивает сроки их службы.

Первой стадией использования упрочняющей термической обработки для повышения срока службы рельсов была закалка головок на концах рельсов. Концы рельсов, соединенные на­кладками с болтами и составляющие стыки в звеньевом пути, воспринимают наибольшую динамическую нагрузку от колес подвижного состава, вследствие чего они быстрее сминаются, выкрашиваются и разрушаются в результате образования дефектов 13.1, 30.1, 41.1 и др.
Для предотвращения преждевременного смятия, износа концов и образования других концевых дефектов проводят упрочнение зоны, воспринимающей удар от колеса на стыке, путем термической обработки.
В 50-х годах на металлургических заводах началось массовое внедрение закалки концов рельсов. По ряду причин на разных заводах были применены различные методы: закалка с прокатного нагрева и с нагрева токами высокой частоты. Эти методы со временем были усовершенствованы и в таком виде применяются в настоящее время для всех рельсов, не подвергающихся упрочняющей термической обработке по всей длине.

Действующими стандартами на рельсы предусматривается закалка их головок на концах на длине не более 80 мм. При этом должна быть обеспечена глубина закаленного слоя с твердостью больше НВ 300 не менее 4 мм, постепенный переход от закаленного слоя металла к незакаленному как по поперечному сечению рельса, так и по поверхности головки, а также отсутствие перегрева.
Закалка концов рельсов с прокатного нагрева. После разрезки горячей полосы на концы мерных рельсов накладывают специальные струевые аппараты, состоящие из коробки с отверстиями и патрубка для подвода воды. Внутренняя стенка аппарата, имеющая несколько рядов отверстий диаметром 1,5—1,8 мм, облегает профиль головки рельса, чтобы закаливать только поверхность катания, Боковые грани головки не закаливаются, так как при быстром износе боковой грани нетермообработанной части рельса на закаленном конце создается выступ, нарушающий плавность хода поезда, особенно в кривых участках пути.

Аппарат крепится к подошве рельса специальными скобами. Чтобы предохранить от закалки боковые грани головки в пазы аппарата набивают асбест, позволяющий осуществить полное прилегание корпуса аппарата к нижней части боковой поверхности головки рельса.
К моменту пуска воды головки рельса охлаждаются до температуры 800—950 °С. Закалка водой (1,0—1,5 л/с) проводится в течение 45 с для рельсов Р50 и 55 с для рельсов Р65. После прекращения подачи воды происходит самоотпуск закаленной зоны за счет тепла, аккумулированного в рельсе. Средняя твердость после закалки составляет НВ.

Несмотря на некоторые преимущества метода закалки концов с прокатного нагрева (простота и дешевизна из-за отсутствия нагревательных средств, необходимых для повторного нагрева), непостоянство температуры в момент начала закалки не позволяет получать стабильное качество закаленного слоя. Поэтому с точки зрения качества рельсов предпочтительнее проводить дополнительный нагрев закаливаемой зоны, выдерживая более узкий постоянный температурный интервал нагрева перед закалкой. Важно при этом, чтобы оборудование для закалки концов вписывалось в поток производства рельсов, обеспечивая ту же производительность, что и производительность рельсобалочных станов.
Наиболее совершенным из существующих методов принято считать метод закалки концов с нагрева токами высокой частоты. Этот метод применяется на заводе «Азовсталь» и НТМК в несколько различных вариантах. В обоих случаях нагрев конца головки рельса на длине 80—90 мм проводят индукционным способом при помощи индукторов, питающихся от генераторов повышенной частоты.

В целом закалка концов рельсов значительно увеличила (в 2—2,5 раза) стойкость рельсов в стыке к смятию и износу. Однако по мере увеличения грузонапряженности, скоростей движения и осевых нагрузок выявилась недостаточность этого мероприятия. Появились новые дефекты (смятие за закаленным слоем в виде седловин), участились наблюдавшиеся ранее концевые дефекты (выколы), связанные с неоднородностью структуры закаленного слоя и др.
По мере внедрения термического упрочнения рельсов по всей длине с более стабильными и надежными режимами обработки значение закалки концов рельсов уменьшается.
Поскольку, однако, при всех условиях эксплуатации стыкового пути динамическое воз­действие на концы рельса остается большим, чем по всей остальной длине, необходимость какого-либо дополнительного упрочнения концов рельсов в дальнейшем представляется целесообразной.