RU2186146C1

RU2186146C1 - Steel

Info

Publication number: RU2186146C1
Application number: RU2000132543A
Authority: RU
Inventors: М.Г. Исаков; В.А. Синельников; В.В. Тэлль; Г.А. Филиппов; А.Э. Яблонский; М.-Э.Х. Исакаев
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: invention relates to production of steel used in railway rails. Invention proposes steel comprising components taken in the following ratio, wt.-%: carbon, 0.71-0.82; manganese, 0.75-1.20; silicon, 0.30-0.60; phosphorus, 0.005-0.025; sulfur, 0.004-0.025; aluminum, 0.010-0.025; chromium, 0.50-0.85; vanadium, 0.04-0.10; nickel, 0.03-0.10; copper, 0.03-0.12; antimony, 0.0002-0.003; tin, 0.0005-0.01; lead, 0.0002-0.003; zinc, 0.0002-0.003; bismuth, 0.0002-0.003; arsenic, 0.001-0.01; nitrogen, 0.005-0.012; iron, the balance, in the following obligatory ratios: (antimony + tin + lead + zinc + bismuth + arsenic ) ≤ 0.026 % and (aluminum + vanadium)/nitrogen = 4-25. Invention provides increase of crack-resistance, fatigue strength and durability of railway rails without thermal treatment. EFFECT: improved properties of steel. 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам на основе железа, используемым для изготовления железнодорожных рельсов. The invention relates to metallurgy, in particular to iron-based alloys used for the manufacture of railway rails.

Известна легированная рельсовая сталь, содержащая, мас.%: 0,70-0,80 С, 0,90-1,30 Мn, 0,40-0,80 Si, 0,80-1,30 Сr, 0,03-0,12 V, до 0,03 Р, до 0,03 S, Fe - остальное (ТУ 14-1-5328-96). Недостатком стали является ее невысокая прочность и низкая надежность при эксплуатации. Known alloy steel rail containing, wt.%: 0.70-0.80 C, 0.90-1.30 Mn, 0.40-0.80 Si, 0.80-1.30 Cr, 0.03 -0.12 V, up to 0.03 P, up to 0.03 S, Fe - the rest (TU 14-1-5328-96). The disadvantage of steel is its low strength and low reliability during operation.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является сталь, содержащая, мас. %: 0,60-0,85 С, 0,5-1,5 Мn, 0,1-1,0 Si, до 0,035 Р, до 0,04 S, до 0,05 Аl, один или несколько элементов из группы 0,05-1,5 Сr, 0,01-0,2 Мо, 0,01-0,1 V, 0,01-1,0 Ni, 0,005-0,05 Nb, Fе - остальное. (Пат. США 5209792 МКИ⁵ С 21 Д 1/18, приоритет от 07.04.1992).Closest to the proposed technical essence and the achieved result is steel containing, by weight. %: 0.60-0.85 C, 0.5-1.5 Mn, 0.1-1.0 Si, up to 0.035 P, up to 0.04 S, up to 0.05 Al, one or more of groups 0.05-1.5 Cr, 0.01-0.2 Mo, 0.01-0.1 V, 0.01-1.0 Ni, 0.005-0.05 Nb, Fe - the rest. (US Pat. 5209792 MKI ⁵ C 21 D 1/18, priority dated 04/07/1992).

Недостатками этой стали являются пониженная трещиностойкость и невозможность получения в готовых изделиях - железнодорожных рельсах - дифференцированного по сечению рельса уровня прочностных свойств без применения специальной термической обработки. The disadvantages of this steel are reduced crack resistance and the inability to obtain in the finished products — railroad rails — a level of strength properties differentiated over the rail section without the use of special heat treatment.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение трещиностойкости, усталостной прочности и долговечности железнодорожных рельсов, а также получение прочностных свойств рельсов без термической обработки на уровне углеродистых, подвергнутых термоупрочнению. The technical result of the invention is to increase crack resistance, fatigue strength and durability of railway rails, as well as obtaining the strength properties of rails without heat treatment at the level of carbon, subjected to heat strengthening.

Технический результат изобретения достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, фосфор, серу, алюминий, хром, ванадий, никель, железо, дополнительно содержит медь, сурьму, олово, свинец, цинк, висмут, мышьяк, азот при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,71-0,82, марганец 0,75-1,20, кремний 0,30-0,60, фосфор 0,005-0,025, сера 0,004-0,025, алюминий 0,008-0,025, хром 0,50-0,65, ванадий 0,04-0,10, никель 0,03-0,10, медь 0,03-0,12, сурьма 0,0002-0,003, олово 0,005-0,01, свинец 0,0002-0,003, цинк 0,0002-0,003, висмут 0,0002-0,003, мышьяк 0,001-0,01, азот 0,005-0,012, железо - остальное, при выполнении следующих соотношений: (сурьма+олово+свинец+цинк+висмут+мышьяк) ≤ 0,026%, отношение (алюминий+ванадий)/азот=4-25. The technical result of the invention is achieved in that the steel containing carbon, manganese, silicon, phosphorus, sulfur, aluminum, chromium, vanadium, nickel, iron, additionally contains copper, antimony, tin, lead, zinc, bismuth, arsenic, nitrogen in the following ratio components, wt.%: carbon 0.71-0.82, manganese 0.75-1.20, silicon 0.30-0.60, phosphorus 0.005-0.025, sulfur 0.004-0.025, aluminum 0.008-0.025, chromium 0 , 50-0.65, vanadium 0.04-0.10, nickel 0.03-0.10, copper 0.03-0.12, antimony 0.0002-0.003, tin 0.005-0.01, lead 0 , 0002-0.003, zinc 0.0002-0.003, bismuth 0.0002-0.003, arsenic 0.001-0.01, nitrogen 0.005-0.012, iron - the rest, when performing trace constituent ratio: (+ antimony tin + lead + zinc + bismuth + arsenic) ≤ 0,026%, the ratio (Aluminum + Vanadium) / nitrogen = 4-25.

Уменьшение содержания углерода ниже 0,71% не обеспечивает необходимого уровня прочностных свойств стали, а увеличение свыше 0,82% приводит к снижению ее пластичности. A decrease in carbon content below 0.71% does not provide the necessary level of strength properties of steel, and an increase in excess of 0.82% leads to a decrease in its ductility.

Наличие в стали марганца не менее 0,75% необходимо для достижения требуемой прочности и прокаливаемости. Увеличение же количества марганца более 1,20% снижает пластичность стали из-за образования сульфидов марганца и приводит к удорожанию стали. The presence of manganese steel of at least 0.75% is necessary to achieve the required strength and hardenability. An increase in the amount of manganese by more than 1.20% reduces the ductility of steel due to the formation of manganese sulfides and leads to a rise in price of steel.

Содержание кремния (0,30-0,60%) определяется оптимальными условиями раскисления стали и условием обеспечения необходимого уровня прокатываемости стали, а также сочетанием высокой прочности и пластичности. The silicon content (0.30-0.60%) is determined by the optimal conditions for the deoxidation of steel and the condition for ensuring the necessary level of steel rolling, as well as a combination of high strength and ductility.

При содержании алюминия меньше 0,008% сталь будет недостаточно раскислена, а увеличение количества алюминия более 0,025% приводит к ухудшению разливаемости стали в процессе непрерывной разливки. When the aluminum content is less than 0.008%, the steel will not be sufficiently deoxidized, and an increase in the amount of aluminum more than 0.025% leads to a deterioration in the spillability of the steel during continuous casting.

Превышение содержания хрома выше 0,85% приводит к резкому увеличению прочности и падению трещиностойкости, при содержании хрома менее 0,50% в стали не обеспечивается необходимый уровень прокаливаемости и образуется недостаточное количество карбидной фазы, что приводит к потере прочности. Exceeding the chromium content above 0.85% leads to a sharp increase in strength and a drop in crack resistance, when the chromium content is less than 0.50%, the necessary level of hardenability is not provided in the steel and an insufficient amount of carbide phase is formed, which leads to a loss of strength.

Ванадий введен в сталь для повышения ее прочностных свойств. Наличие ванадия в количестве менее 0,04% не обеспечит необходимого уровня прочности стали. Однако ванадий является карбидо- и нитридообразующим элементом. Повышение содержания ванадия более 0,10% приводит к образованию грубых включений карбонитридов ванадия, что отрицательно сказывается на ударной вязкости. Vanadium is introduced into steel to increase its strength properties. The presence of vanadium in an amount of less than 0.04% will not provide the necessary level of strength of steel. However, vanadium is a carbide and nitride forming element. An increase in the vanadium content of more than 0.10% leads to the formation of coarse inclusions of vanadium carbonitrides, which negatively affects the toughness.

Повышение количества фосфора более 0,025% отрицательно влияет на усталостную прочность и снижает сопротивление зарождению трещин в условиях контактно-усталостного нагружения, особенно в присутствии атмосферы повышенной агрессивности, в которой эксплуатируются железнодорожные рельсы. An increase in the amount of phosphorus of more than 0.025% negatively affects the fatigue strength and reduces the resistance to crack nucleation under conditions of contact-fatigue loading, especially in the presence of an atmosphere of increased aggressiveness in which railway rails are operated.

Увеличение содержания серы более 0,025% приводит к образованию на границах зерен выделений в виде эвтектических сульфидов, являющихся концентраторами напряжений, что повышает склонность к трещинообразованию и снижает долговечность рельсов при эксплуатации. An increase in sulfur content of more than 0.025% leads to the formation of precipitates in the form of eutectic sulfides at the grain boundaries, which are stress concentrators, which increases the tendency to crack formation and reduces the durability of rails during operation.

Нижние пределы содержания фосфора (0,005%) и серы (0,004%) выбраны исходя из реального состава исходного сырья сталеплавильного передела. The lower limits of the content of phosphorus (0.005%) and sulfur (0.004%) are selected based on the actual composition of the feedstock of steelmaking.

Содержание никеля (0,03-0,10%) выбрано из условий оптимальных значений прокаливаемости и показателей ударной вязкости. The nickel content (0.03-0.10%) is selected from the conditions of optimal hardenability and impact strength.

Увеличение количества меди более 0,12% приводит к повышению порога хладноломкости и к образованию легкоплавких эвтектик на границах зерен при термической обработке, нижний предел содержания меди (0,03%) определяется возможностями промышленного оборудования. An increase in the amount of copper more than 0.12% leads to an increase in the cold brittleness threshold and to the formation of fusible eutectics at grain boundaries during heat treatment, the lower limit of the copper content (0.03%) is determined by the capabilities of industrial equipment.

Примеси цветных металлов - сурьмы, олова, свинца, цинка, висмута, мышьяка снижают сопротивление зарождению трещины в условиях контактно-усталостного нагружения и коррозионного воздействия, в которых эксплуатируются рельсы. Получение содержания этих элементов ниже (%): 0,0002 сурьмы, 0,0005 олова, 0,0002 свинца, 0,0002 цинка, 0,0002 висмута, 0,001 мышьяка не представляется возможным в промышленных условиях, ограничение верхнего предела (%): 0,003 сурьмы, 0,01 олова, 0,003 свинца, 0,003 цинка, 0,003 висмута, 0,01 мышьяка возможно при применении метода прямого восстановления железа. Impurities of non-ferrous metals - antimony, tin, lead, zinc, bismuth, arsenic reduce the resistance to crack nucleation under conditions of contact fatigue loading and corrosion exposure, in which the rails are operated. Obtaining the content of these elements below (%): 0.0002 antimony, 0.0005 tin, 0.0002 lead, 0.0002 zinc, 0.0002 bismuth, 0.001 arsenic is not possible in an industrial environment, limiting the upper limit (%): 0.003 antimony, 0.01 tin, 0.003 lead, 0.003 zinc, 0.003 bismuth, 0.01 arsenic are possible using the direct reduction of iron method.

При соотношении (алюминий + ванадий)/азот менее 4 происходит значительный рост зерна и падает пластичность стали, увеличение же этого соотношения более 25 приводит к образованию крупных карбонитридов ванадия и нитридов алюминия, резко ухудшающих показатели ударной вязкости, усталостной прочности и долговечности, особенно при длительном контактно-усталостном нагружении. When the ratio (aluminum + vanadium) / nitrogen is less than 4, a significant grain growth occurs and the ductility of steel decreases, an increase in this ratio of more than 25 leads to the formation of large vanadium carbonitrides and aluminum nitrides, which sharply worsen the impact strength, fatigue strength and durability, especially during long-term contact fatigue loading.

Пример осуществления способа. An example implementation of the method.

Сталь выплавляют в 150 т электродуговых печах. Шихта для выплавки стали состоит из металлизованных окатышей, полученных методом прямого восстановления железа, и металлического лома. Содержание углерода доводят до 0,76%. Перед выпуском осуществляют легирование марганцем и кремнием посредством введения в печь ферромарганца и ферросилиция, а также присаживают феррохром до получения содержания хрома 0,79%. Во время выпуска на струю отдают шлакообразующую смесь, присаживают алюминий. После выпуска производят обработку стали аргоном. По окончании продувки аргоном сталь обрабатывают на АКОС. Для разжижения шлака применяют плавиковый шпат. В это же время при необходимости производят точную корректировку содержания углерода путем вдувания науглероживателя через фурму. После обработки на АКОС сталь подвергают вакуумированию в количестве 75 циклов с одновременной донной продувкой аргоном. При вакуумировании добавляют ферромарганец и силикомарганец, доводя содержание марганца до 0,97%, кремния - до 0,46%, а также легируют сталь ванадием на 0,07%. При внепечной обработке производят десульфурацию, содержание серы доводят до 0,009%, а также корректируют содержание алюминия. При достижении значения соотношения (алюминий + ванадий)/азот = 8, а также требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку. Steel is smelted in 150 tons of electric arc furnaces. The mixture for steelmaking consists of metallized pellets obtained by direct reduction of iron and scrap metal. The carbon content is adjusted to 0.76%. Prior to release, alloying with manganese and silicon is carried out by introducing ferromanganese and ferrosilicon into the furnace, and ferrochrome is added to a chromium content of 0.79%. During release, a slag-forming mixture is given to the stream, aluminum is seated. After release, steel is treated with argon. At the end of the argon purge, the steel is treated at AKOS. To thin the slag, fluorspar is used. At the same time, if necessary, an accurate adjustment of the carbon content is made by blowing the carburizer through a lance. After processing on AKOS, the steel is subjected to evacuation in the amount of 75 cycles with simultaneous bottom flushing with argon. During evacuation, ferromanganese and silicomanganese are added, bringing the manganese content to 0.97%, silicon to 0.46%, and steel is alloyed with vanadium by 0.07%. During out-of-furnace treatment, desulfurization is carried out, the sulfur content is adjusted to 0.009%, and the aluminum content is also adjusted. Upon reaching the value of the ratio (aluminum + vanadium) / nitrogen = 8, as well as the required temperature, the ladle with metal is transferred to the casting.

В таблицах 1 и 2 представлены составы выплавляемой стали и ее свойства. Tables 1 and 2 show the composition of the steel being smelted and its properties.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить трещиностойкость, усталостную прочность и долговечность железнодорожных рельсов, а также получить необходимый при эксплуатации рельсов дифференцированный по сечению рельса уровень прочностных свойств без применения термической обработки. The use of the invention allows to increase crack resistance, fatigue strength and durability of railway rails, as well as to obtain the level of strength properties differentiated by rail cross section required during rail operation without the use of heat treatment.

Claims

Steel containing carbon, manganese, silicon, phosphorus, sulfur, aluminum, chromium, vanadium, nickel, iron, characterized in that it additionally contains copper, antimony, tin, lead, zinc, bismuth, arsenic, nitrogen in the following ratio of components, wt. %:
Carbon - 0.71-0.82
Manganese - 0.75-1.20
Silicon - 0.30-0.60
Phosphorus - 0.005-0.025
Sulfur - 0.004-0.025
Aluminum - 0.010-0.025
Chrome - 0.50-0.85
Vanadium - 0.04-0.10
Nickel - 0.03-0.10
Copper - 0.03-0.12
Antimony - 0.0002-0.003
Tin - 0.0005-0.01
Lead - 0.0002-0.003
Zinc - 0.0002-0.003
Bismuth - 0.0002-0.003
Arsenic - 0.001-0.01
Nitrogen - 0.005-0.012
Iron - Else
when performing the following ratios:
(antimony + tin + lead + zinc + bismuth + arsenic) ≤ 0.026%,
ratio (aluminum + vanadium) / nitrogen = 4-25.