Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, хром, никель, азот, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,77-0,84, марганец 0,90-0,95, кремний 0,20-0,35, ванадий 0,06-0,10, алюминий не более 0,004, азот 0,010-0,018, хром не более 0,15, никель не более 0,15, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит, в мас.%: серу не более 0,015, фосфор не более 0,020, медь не более 0,20 и кислород не более 0,0018. Повышаются прочностные свойства стали, пластичность и хладостойкость за счет образования дисперсной структуры сорбита закалки и повышения чистоты стали по неметаллическим включениям. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для производства железнодорожных рельсов.

Известна рельсовая перлитная сталь , содержащая 0,71-0,82% С; 0,75- 1,05% Мn; 0,25-0,60% Si; 0,05-0,15% V; не более 0,025% Р; не более 0,030% S; не более 0,02% А1.

Создание высокопрочных рельсов с временным сопротивлением более 1300 Н/мм 2 и относительное удлинение не менее 12,0%, имеющих повышенную эксплуатационную надежность и высокую сопротивляемость образованию дефектов, предполагает однородную перлитную структуру, обеспечить которую при объемной закалке в масле при указанном широком интервале концентраций химических элементов затруднительно.

Известны стали, имеющие следующий химический состав (мас.%):

0,65-0,8 С; 0,18-0,40 Si; 0,6-1,2 Мn; 0,001-0,01 Zr; 0,005-0,04 А1; 0,004-0,011 N один элемент из группы, содержащей Са и Mg 0,0005-0,015; 0,004-0,040 Nb; 0,05-0,3; Fe - ocт..

0,69-0,82 С; 0,45-0,65 Si; 0,6-0,9 Мn; 0,004-0,011 N; 0,005-0,009 Ti; 0,005-0,009 Al; 0,02-0,10 V; 0,0005-0,004 Ca; 0,0005-0,005 Mg; 0,15-0,4 Cr; Fe - ост..

Существенными недостатками данных сталей являются низкая ударная вязкость и хладостойкость, пониженная надежность и эксплуатационная стойкость.

В стали это определяется отсутствием ванадия и низким содержанием азота. Она имеет сравнительно крупное зерно аустенита (баллы 7-8). Высокое содержание алюминия в ней приводит к загрязнению ее грубыми строчечными включениями глинозема, значительно снижающими контактно-усталостную прочность рельсов.

Указанные недостатки стали связаны с наличием в ней титана, низким содержанием ванадия и азота. Образующиеся в жидкой стали при ее охлаждении карбонитриды титана резко снижают ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению рельсов.

Сравнительно низкое содержание ванадия и азота не обеспечивает образование требуемого количества нитридов алюминия и карбонитридов ванадия, необходимых для измельчения аустенитного зерна и одновременного повышения прочностных свойств и хладостойкости стали. Аустенитное зерно в этой стали сравнительно крупное и составляет баллы 7-8.

Известна сталь , содержащая 0,65-0,89% С; 0,18-0,65% Si; 0,6-1,2% Мn; 0,004-0,030% N; 0,005-0,02% А1; 0,0004-0,005% Са; 0,01-0,10% V; 0,001-0,03% Ti; 0,05-0,4% Сr; 0,003-0,1% Мо; карбонитриды ванадия 0,005-0,08%; при этом Са и А1 находятся в соотношении 1:(4-13); е - остальное.

Существенными недостатками стали являются низкая ударная вязкость, повышенная склонность к хрупкому разрушению и пониженная эксплуатационная стойкость, что обусловлено наличием титана в стали, низким содержанием ванадия, высокой концентрацией алюминия. Образующиеся карбонитриды титана резко снижают ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению.

Низкая концентрация ванадия не обеспечивает образование требуемого количества карбонитридов ванадия, необходимого для дополнительного измельчения зерна и повышения прочностных свойств и хладостойкости стали.

Применение большого количества алюминия для раскисления стали совместно с кальцием приводит к загрязнению ее скоплениями алюминатов кальция, богатых глиноземом, снижающих контактно-усталостную прочность.

Наличие в стали серы и фосфора в больших количествах приводит к повышению соответственно красно- и хладноломкости стали.

Известна выбранная в качестве прототипа сталь , содержащая (мас.%): 0,78-0,88 С; 0,75-1,05 Мn; 0,25-0,45 Si; 0,03-0,15 V; не более 0,02 Аl; не более 0,020 Р; не более 0,015 S.

Рельсы, изготовленные из стали Э83Ф, подвергаются объемной закалке в масле при пониженной температуре и последующему отпуску.

Существенными недостатками стали являются повышенная склонность к хрупкому разрушению.

Желаемым техническим результатом изобретения является образование дисперсной структуры сорбита закалки, повышение прочностных свойств, пластичности, хладостойкости, чистоты стали по неметаллическим включениям.

Для достижения этого сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, дополнительно содержит хром, никель, азот при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Кроме того, в ее составе дополнительно ограничено количество примесей в следующем соотношении (мас.%):

Заявляемый химический состав выбран исходя из следующих условий. Выбранное содержание углерода обеспечивает при объемной закалке однородную структуру сорбита закалки с временным сопротивлением разрыву более 1300 Н/мм 2 , относительным удлинением более 0,12% и сужением более 35%.

Рельсы из стали, содержащей более 0,84% С, имеют пониженную ударную вязкость при минус 60°С (0,15 МДж/м 2). Введение Mn, V, Сr связано также с необходимостью повышения вязкости и износостойкости стали при рабочем контакте колесо-рельс.

Выбранное соотношение Mn, Si, Ni, Сr в стали, содержащей 0,77-0,84% С, обеспечивает снижение температуры превращения аустенита и получение более дисперсной структуры сорбита закалки.

Снижение содержания марганца по сравнению с прототипом обусловлено введением в сталь достаточных количеств хрома для увеличения прокаливаемости и сопротивления ее износу. При этом заявляемые концентрации Ni и Сr исключают образование в микроструктуре верхнего бейнита, который не допускается в рабочей части головки рельса. Однако при содержании углерода 0,77-0,84% и высокой концентрации марганца (>0,95%) в структуре термоупрочненных рельсов наблюдаются участки верхнего бейнита.

В итоге заявляемые содержания Мn, Si, Cr, Ni обеспечивают требуемое снижение температуры превращения аустенита и образование структуры дисперсного сорбита закалки, который имеет более высокие механические свойства, твердость и износостойкость.

Положительное влияние малых добавок хрома в том, что он, образуя карбиды, увеличивает сопротивление износу. В присутствии хрома увеличивается способность Мn и V сдерживать рост зерна аустенита.

Введение никеля в заявляемых пределах обеспечивает наряду с алюминием и ванадием получение гарантированной ударной вязкости стали при положительных и отрицательных температурах. Его содержание до 0,15% оказывает положительное влияние на ударную вязкость, а при концентрации более 0,15% возможно получение недопустимой в рельсах структуры недопустимого верхнего бейнита.

Применение ванадия в стали обусловлено тем, что он, как Сr и Мn, увеличивает растворимость азота в металле, связывая его в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды ванадия), которые измельчают зерно аустенита и снижают склонность его к росту при нагреве.

Введение V, N в заявляемых пределах в сталь приводит к измельчению зерна аустенита до баллов 9-12 и снижению склонности его к росту при нагреве за счет образования дисперсных частиц карбонитридов ванадия, к повышению прочностных и вязкостных свойств и сопротивления хрупкому разрушению (хладостойкости). Однако без использования азота ванадий при больших концентрациях (>0,1%) снижает ударную вязкость, увеличивает хладноломкость стали. Ванадий повышает предел выносливости, способствует улучшению свариваемости.

В стали, содержащей не менее 0,010% N, оптимальная концентрация ванадия составляет 0,06-0,10%. Нижний предел содержания ванадия в стали выбран потому, что он начинает измельчать зерно при концентрации более 0,06%. Верхний предел содержания ванадия установлен исходя из того, что при увеличении его концентрации выше 0,10% относительная доля азота в карбонитриде ванадия падает, образуется карбонитрид, близкий по составу к карбиду ванадия, который снижает ударную вязкость.

Концентрация азота менее 0,010% в стали, содержащей менее 0,06% ванадия, не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, ударной вязкости при минус 60°С и измельчение зерна аустенита. При увеличении содержания ванадия и азота в стали до заявляемых пределов возрастает количество карбонитридов в ней, обеспечивающих повышение прочностных свойств и хладостойкости. Однако при повышении азота более 0,018% возможны случаи пятнистой ликвации и "азотного кипения" (пузыри в стали).

Ограничение содержания меди, серы и фосфора выбрано с целью улучшения качества поверхности и повышения пластичности и вязкости стали. Кроме того, концентрация серы определяет красноломкость, фосфора - хладноломкость стали.

Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает получение высокопрочных, износо- и хладостойких троститных рельсов повышенной контактно- усталостной выносливости при объемной закалке в масле с последующим отпуском.

Сталь заявляемого состава (таблица 1) выплавляли в 100-тонной дуговой электросталеплавильной печи ДСП-100 И7 и разливали на МНЛЗ. Полученные заготовки нагревали и прокатывали по обычной технологии на рельсы типа Р65, которые подвергали закалке в масле с температуры 800-820°С и отпуску при 460°С. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что механические свойства, твердость объемно-закаленных рельсов из заявляемой стали значительно выше, чем рельсов из стали Э83Ф . Заявляемый химический состав рельсовой стали обеспечивает также высокий уровень пластических свойств и высокое сопротивление хрупкому разрушению (KCU-60°C≥0,2 МДж/м 2). Повышение твердости, прочностных, пластических и вязкостных свойств рельсов увеличивает их износо- и хладостойкость, контактно-усталостную прочность и эксплуатационную надежность.

Список источников, принятых во внимание при экспертизе

1. ГОСТ Р 51685-2000 "Рельсы железнодорожные. Общие технические условия".

2. А.с. СССР №1435650, М. кл. С22С 38/16, 1987 г.

3. А.с. СССР №1239164, М. кл. С22С 38/16, 1984 г.

4. Патент РФ №1633008, М. кл. С22С 38/16, 1989 г.

5. ТУ 0921-125-01124328-2001 "Рельсы железнодорожные повышенной износостойкости и контактной выносливости".

Рельсовая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хром, никель, азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным литейным сталям, применяемым в различных отраслях промышленности, в том числе в автомобилестроении при изготовлении крупногабаритных отливок для карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности, работающих при повышенных ударных нагрузках и в экстремальных климатических условиях.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, которые могут быть использованы для изготовления деталей машин и оборудования, работающих в тяжелых условиях, в частности для прокатных валков трубоэлектросварочных станов.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из двухслойного проката, длительно эксплуатирующихся при отрицательных температурах в условиях интенсивного механического, коррозионно-эрозионного воздействия мощных ледовых полей и морской воды, в частности корпусов атомных ледоколов, судов ледового плавания, морских ледостойких стационарных и плавучих платформ для добычи углеводородов на арктическом шельфе

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству крупного горячекатаного сортового и фасонного проката из низкоуглеродистой низколегированной стали. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,12, марганец 1,30-1,80, кремний от более 0,50 до 0,80, фосфор до 0,030, сера от более 0,01 до не более 0,030, хром до 0,3, никель до 0,3, медь до 0,3, алюминий более 0,01, ванадий 0,05-0,10, кальций 0,0001-0,005, азот до 0,008 и железо остальное. Обеспечивается требуемая величина предела текучести 345 Н/мм2 при изготовления крупного горячекатаного сортового и фасонного проката без использования системы ускоренного охлаждения после прокатки. 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления деталей режущих инструментов. Сталь содержит, в мас.%: от 0,28 до 0,5 С, от 0,10 до 1,5 Si, от 1,0 до 2,0 Mn, максимум 0,2 S, от 1,5 до 4 Cr, от 3,0 до 5 Ni, от 0,7 до 1,0 Mo, от 0,6 до 1,0 V, от следовых количеств до общего максимального содержания 0,4% мас. редкоземельных металлов, остальное составляют, по существу, только железо и примеси. После смягчающего отжига сталь имеет матрицу, включающую перестаренный мартенсит с содержанием примерно до 5% об., по существу, круглых, равномерно распределенных карбидов, причем матрица, по существу, не содержит карбидов по границам зерен. Сталь обладает улучшенной обрабатываемостью, износостойкостью и способностью к закалке. 7 н. и 15 з.п. ф-лы, 21 ил., 6 табл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для получения свариваемых штрипсов категории прочности X100 по стандарту API 5L-04, используемых при строительстве магистральных нефтегазопроводов высокого давления. Техническим результатом является повышение прочностных свойств штрипсов при обеспечении доли волокнистой составляющей в изломе образца не менее 90%. Для достижения технического результата после выплавки стали получают непрерывнолитые слябы, нагревают их до температуры аустенитизации, проводят многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентируемой температурой конца прокатки и охлаждение штрипсов водой, при этом после черновой прокатки раскаты охлаждают до температуры 720-800°C, чистовую прокатку ведут с относительными обжатиями за проход 8-25% и температурой конца прокатки, равной 740-790°C, после чего штрипсы охлаждают со скоростью не менее 17°C/с. Сталь выплавляют следующего химического состава, мас.%: 0,06-0,11 C, 0,02-0,04 Si, 1,45-1,95 Mn, 0,15-0,28 Mo, 0,01-0,06 Nb, 0,01-0,09 Ti, 0,15-0,35 Ni, 0,10-0,30 Cr, 0,002-0,009 N, не более 0,20 V, остальное Fe. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным конструкционным сталям, закаливающимся преимущественно на воздухе, используемым для изготовления осесимметричных корпусных деталей. Сталь содержит углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ванадий, медь, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,18 - 0,24, марганец 1,0 - 1,5, кремний 0,20 - 0,40, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, хром от более 3,00 до 3,20, никель 0,90 - 1,20, молибден 0,50 - 0,70, ванадий 0,10 - 0,20, медь не более 0,25, железо и неизбежные примеси - остальное. После термомеханической обработки сталь обладает высокой пластичностью, позволяющей деформировать ее методом ротационной вытяжки в холодном состоянии со степенями деформации 50-70% и обеспечением механических свойств в упрочненном состоянии выше 155 кгс/мм2 при относительном удлинении не менее 7%. 3 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным комплекснолегированным высокопрочным сталям, закаливающимся на воздухе, и может быть использовано при производстве осесимметричных деталей, работающих под давлением. Сталь содержит, в мас.%: углерод от 0,18 до менее 0,2, марганец 1,00-1,3, кремний 0,20-0,40, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, хром 2,90-3,20, медь не более 0,25, никель 2,20-2,50, молибден 0,70-0,90, ванадий от 0,15 до менее 0,20, железо и неизбежные примеси остальное. После закалки на воздухе и термомеханической обработки временное сопротивление разрыву σВ составляет не менее 170 кгс/мм2, а относительное удлинение δ5 составляет не менее 6%. 1 ил., 5 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному стальному листу, имеющему отношение предела текучести к пределу прочности 0,6 или более. Лист выполнен из стали следующего состава, в мас.%: 0,03-0,20% С, 1,0% или менее Si, от более 1,5 до 3,0% Mn, 0,10% или меньше Р, 0,05% или менее S, 0,10% или менее Аl, 0,010% или менее N, один или несколько видов элементов, выбранных из Ti, Nb и V, общее содержание которых составляет 0,010-1,000%, 0,001-0,01 Ta, остальное Fe и неизбежные примеси. Структура листа включает феррит и вторичную фазу, включающую мартенсит. Доля площади феррита составляет 50% или более, и средний размер кристаллического зерна 18 мкм или менее. Доля площади мартенсита во вторичной фазе составляет от 1 до менее 7%. Обеспечиваются требуемые прочность и формуемость при снижении веса листа. 12 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов

Страница 2 из 10

Назначение рельсов и требования, предъявляемые к ним

Основной несущий элемент верхнего строения пути - рельсы . Они представляют собой стальные брусья специальных сечений, по которым движется подвижной состав. Стандартными и общепринятыми рельсами на всех дорогах мира являются рельсы широкоподошвенные.

(рис. 1) состоит из трех основных частей:

• головки;
• подошвы;
• шейки, соединяющей головку с подошвой.

Рельсы являются главнейшим элементом верхнего строения пути. Они предназначены:

• непосредственно воспринимать давления от колес подвижного состава и передавать эти давления нижележащим элементам верхнего строения пути;
• направлять колеса подвижного состава при их движении;
• на участках с автоблокировкой служить проводником сигнального тока, а при электротяге - обратного силового тока. Поэтому рельсовые нити должны обладать необходимой электропроводимостью.

Основные требования к рельсам состоят в том, что они должны быть устойчивыми и прочными; обладать наибольшим сроком службы; обеспечивать безопасность движения поездов; быть удобными и недорогими в эксплуатации и изготовлении.

Рис. 1 - Широкоподошвенный рельс

Если более подробно, то назначение и экономические соображения определяют следующие требования к рельсу:

1. Для обеспечения безопасности движения поездов, имеющих большие осевые нагрузки, с максимальными скоростями рельсы должны быть более тяжелыми. В то же время для экономии металла и удобства погрузки, выгрузки, смены эти же рельсы должны иметь рациональный и по возможности наименьший вес.
2. Для лучшего сопротивления изгибу под подвижной нагрузкой рельсы должны быть достаточно жесткими (иметь наибольший момент сопротивления). В то же время во избежание жестких ударов колес о рельсы, могущих вызвать излом отдельных деталей ходовых частей подвижного состава, а также расплющивание и даже излом рельсов, необходимо, чтобы рельсы были достаточно гибкими.
3. Для того чтобы рельсы от ударно-динамических воздействий колес подвижного состава не ломались, материал рельсов должен быть достаточно вязким. Ввиду же концентрированной передачи давлений от колес по очень небольшим площадкам в местах контакта колес рельсов требуется, чтобы металл рельсов не сминался, не истирался, дольше служил и был достаточно твердым.
4. Для обеспечения достаточной силы сцепления между рельсами и движущими колесами локомотивов необходимо, чтобы поверхность катания рельсов была шероховатой. Для уменьшения же сопротивления движению остальных колес - вагонов, тендеров и поддерживающих колес локомотивов - необходимо, чтобы поверхность катания рельсов была гладкой;
5. Для стандартизации элементов верхнего строения пути, приводящей к простоте и удешевлению их содержания, необходимо, чтобы число типов рельсов было наименьшее. Из интересов же экономии металла немыслимо, чтобы на всех линиях железных дорог независимо от грузонапряженности, осевых нагрузок и скоростей движения поездов укладывались рельсы одного типа. Число типов рельсов должно быть минимальным, но разумным.

Таким образом, требования и условия, которым должны удовлетворять рельсы, являются исключительно важными, необходимыми и вместе с тем противоречивыми. Все это чрезвычайно усложняет решение рельсовой проблемы вообще. Ее решение представляет собой одну из важнейших задач транспортной науки и техники.

Материал рельсов

Современные рельсы прокатывают только из стальных слитков. Сталь изготовляют в конвертерах по способу Бессемера или в мартеновских печах. Бессемеровскую сталь получают в результате продувки расплавленного чугуна кислородом (15-18 мин). При этом выгорает углерод и часть примесей. Мартеновскую сталь варят из чугуна и стального лома в больших печах емкостью от 200 до 1500 тонн в течение нескольких часов. Эта сталь чище и менее хладноломка, чем бессемеровская. Рельсы тяжелых типов (Р65 и Р75) прокатывают только из мартеновской стали.

Качество рельсовой стали определяется ее химическим составом, микро- и макроструктурой. Химический состав стали отечественных рельсов характеризуется добавками к железу в процентах (смотрите таблицу ниже).

Углерод повышает твердость и износостойкость рельсовой стали. Однако чем выше содержание углерода, тем больше при прочих равных условиях хрупкость стали и затруднительней холодная правка рельсов. Поэтому требуется более равномерное распределение металла по сечению рельса, более жестко должен выдерживаться химический состав, особенно это касается фосфора и серы.

Марганец повышает твердость и износоустойчивость стали, обеспечивая ей достаточную вязкость.

Кремний улучшает качество стали, увеличивая твердость металла и его сопротивляемость износу.

Фосфор и сера - вредные примеси, они придают стали хрупкость: при большом содержании фосфора рельсы получаются хладноломкими, при большом содержании серы - красноломкими.

Мышьяк несколько увеличивает твердость и износостойкость рельсовой стали, но его излишек уменьшает ударную вязкость.

Микроструктура устанавливается под микроскопом с увеличением в 100-200 раз. Компоненты обычной рельсовой стали - феррит, состоящий из свободного от углерода железа Fe, и перлит, который представляет собой смесь феррита и цементита.

Изучение микроструктуры рельсовой стали показывает, что она приобретает способность к значительному сопротивлению износу и вязкость при сорбитовой структуре, которая получается в результате специальной термической обработки.

В настоящее время наибольшее распространение получила объемная закалка рельсов. Она повышает пластичность и вязкость, увеличивает усталостную прочность и стойкость рельсов против образования поперечных усталостных изломов. Эксплуатационная стойкость таких рельсов в 1,3-1,5 раза выше эксплуатационной стойкости незакаленных рельсов. По технико-экономическим расчетам, использование объемнозакаленных рельсов с среднем за год на 1 км пути дает значительную денежную экономию.

Важнейшее значение для качества рельсовой стали имеет ее макроструктура (строение в изломе при рассмотрении невооруженным глазом или при помощи лупы). Сталь должна иметь однородное мелкозернистое строение без шлаковин, волосовин, плен, следов неоднородного распределения химических добавок по сечению. Улучшение качества достигается строгим соблюдением технических условий и непрерывным совершенствованием технологии изготовления стали и проката рельсов. Плотность рельсовой стали принята равной 7,83 т/м 3 .

Форма и размеры рельсов

Профиль рельсов

Служебные свойства рельсов в основном характеризуются их массой, отнесенной к 1 м длины, профилем поперечного сечения (рис. 2) и механическими характеристиками металла, из которого они изготовлены. Чтобы увеличить сопротивление вертикальным силам, рельсу придают форму двутавровой балки, верхняя полка которой (головка рельса ) приспособлена для контактирования с колесами подвижного состава, а нижняя (подошва рельса ) - для закрепления на опорах. Вертикальная стенка, соединяющая головку и подошву, называется шейкой .

Рис. 2 - Основные части рельсов

Профиль рельсов обусловлен взаимодействием его с колесами подвижного состава и конструктивным оформлением элементов верхнего строения пути. Типичный профиль современных широкоподошвенных рельсов представлен на (рис. 3).

Поверхность катания головки всегда делают выпуклой, чтобы обеспечить наиболее благоприятную передачу давления от колес. Для рельсов типов Р75, Р65 и Р50 больший радиус R 1 этой поверхности принят равным 300 мм. К граням кривизна изменяется до радиуса R 2 , равного 80 мм. В рельсах типа Р43 поверхность катания головки рельса очерчена одним радиусом R 1 .

Рис. 3 - Современный широкоподошвенный рельс

Поверхность катания сопрягается с боковыми гранями головки по кривой радиусом r 1 (рис. 3), по величине близким к радиусу выкружки бандажа. В рельсах типов Р75, Р65 и Р50 r 1 равен 15 мм.

Боковые грани головки или вертикальны, или наклонны. У рельсов типов Р75, Р65 и Р50 этот наклон (1:k ) принят равным 1:20. Боковые грани головки стремятся сопрягать с нижними наименьшими радиусами r 2 , равными 1,5-4 мм. Это делается для того, чтобы опорная поверхность для накладок была наибольшей. По этим же соображениям принимают такими же и радиусы r 6 и r 7 .

Опорными поверхностями для накладок служат нижние грани головки и верхние грани подошвы рельса. В настоящее время наиболее распространены такие углы α, при которых tg α = 1:n для рельсов типов Р75, Р65 и Р50 составляет 1:4.

Сопряжение нижних граней головки с шейкой должно обеспечивать достаточную опорную поверхность для накладки и наиболее плавный переход от толстой головки к сравнительно тонкой шейке в целях снижения местных напряжений и равномерности остывания рельсов при прокатке. В рельсах типов Р75, Р65 и Р50 приняты r 3 = 5÷7 мм и r 4 = 10÷17 мм.

Шейка современного рельса имеет криволинейное очертание радиусом R ш (от 350 до 450 мм для отечественных рельсов), которое в наибольшей мере обеспечивает плавность перехода от шейки к подошве и головке.

Сопряжение шейки с подошвой выполнено радиусом r 6 , величина которого диктуется теми же соображениями, что и величины радиусов r 3 и r 4 . Переход к наклонной верхней поверхности подошвы у рельсов типов Р75, Р65 и Р50 сделан по радиусу r 5 , равному 15-25 мм.

На железных дорогах РФ применяют рельсы типов Р75, Р65 и Р50 (рис. 4), имеющие массу 74,4; 64,6 и 51,6 кг/пог. м. Преобладающими при укладке сейчас являются рельсы типа Р65; на особо грузонапряженных линиях - термически упрочненные рельсы типа Р75. Изготавливают их длиной 25 метров.

Рис. 4 - Стандартные профили рельсов: а - типа Р75; б - Р65; в - Р50

Длина рельсов

На дорогах мира стремятся шире применять длинные рельсы и сварные рельсовые плети. За счет этого уменьшается число стыков, что улучшает условия взаимодействия пути и подвижного состава, дает большой экономический эффект. Например, если вместо рельсов типа Р65 длиной 12,5 м уложить рельсы того же типа, но длиной 25 м, то за счет уменьшения потребности в стыковых скреплениях на каждых 1000 км будет сэкономлено 3902 тонн металла. Кроме того, уменьшение числа стыков примерно на 10% снизит сопротивление движению поездов, уменьшит износ колес подвижного состава и расходы на текущее содержание пути.

Стандартная длина современных рельсов в различных странах колеблется от 10 до 60 м: в РФ 25 м; в Чехословакии 24 и 48 м, в ГДР и ФРГ 30, 45 и 60 м; во Франции 18, 24 и 36 м; в Англии 18, 29 м; в Японии 25 м; в США 11, 89 и 23, 96 м. В РФ для стрелочных переводов в ограниченном количестве прокатывают рельсы длиной 12,5 м.

Кроме рельсов стандартной длины, применяют и укороченные для укладки на внутренних нитях кривых участков пути. В РФ такие рельсы имеют укорочение на 80 и 160 мм, а при длине 12,5 м - на 40, 80 и 120 мм.

Масса (вес) рельсов

Основной характеристикой, дающей общее представление о типе и мощности рельса, - является его вес , выраженный в килограммах на один погонный метр.

Определение оптимального веса рельса - задача чрезвычайно трудная, так как он зависит от большого количества факторов: осевых нагрузок, скоростей движения поездов, грузонапряженности, качества рельсовой стали, профиля рельса и других.

Масса рельсов определяется из следующих соображений:

• чем больше нагрузки на ось железнодорожного экипажа, скорости движения поездов и грузонапряженность линии, тем большей при прочих равных условиях должна быть масса рельса с ;
• чем больше масса рельса q , тем меньше при прочих равных условиях эксплуатационные расходы на грузонапряженных линиях (на содержание пути, на сопротивление движению поездов).

В настоящее время имеются различные предложения по определению массы рельса эмпирически, в зависимости от ограниченного количества факторов. Профессор Г. М. Шахунянц предложил определять массу рельса в зависимости от вида подвижного состава, грузонапряженности линии, скорости движения поездов и статической нагрузки на ось локомотива по выражению

где а - коэффициент, равный 1,20 для вагонов и 1,13 - для локомотивов;

T max - грузонапряженность, млн. т·км/км в год;

υ - скорость движения поездов, на которую рассчитывается конструкция пути, км/ч;

Численные значения, входящие в формулу, можно брать из таблицы 1.2

Несомненно, формула, приведенная выше, не отражает всей сложности взаимосвязи факторов, влияющих на выбор веса рельса. Однако она дает возможность принимать решение в порядке первого приближения достаточно обоснованно.

Окончательно массу рельса выбирают на основании расчетов на прочность и экономической целесообразности. Масса стандартных рельсов в РФ принята 44-75 кг/м. Их основные характеристики приведены в (табл. 1.3) и обозначены на (рис. 5). Рельсы Р43 прокатывают в ограниченном количестве для стрелочных переводов.

Рис. 5 - Основные размеры современного рельса (к таблице 1.3)

На железных дорогах других стран рельсы имеют массу, кг/м:

• США - 30-77;
• Англия:
  • двухголовые - 29,66-49,53;
  • широкоподошвенные - 22,37-56,5;
• Франция и Бельгия - 30-62;
• ГДР и ФРГ - 30-64.

Экономическая эффективность применения тяжелых рельсов

Эффект от использования тяжелых рельсов заключается в их долговечности, снижении расхода материалов, уменьшении сопротивления движению поезда и сокращении затрат на текущее содержание пути.

По данным ВНИИЖТа, если за базу взять рельс типа Р50, то увеличение его массы на 1 кг снижает затраты труда на текущее содержание пути на 1,5-1,8% и уменьшает расход материалов до 1,4%.

Более тяжелый рельс распределяет давление колес подвижного состава на большее количество шпал, вследствие чего уменьшается давление на каждую шпалу, замедляется механический износ и увеличивается срок их службы. Одновременно снижается динамическое давление на балласт, уменьшается истирание, измельчение частиц балласта и его загрязнение.

С увеличением массы рельсов реже возникает надобность в среднем и подъемочном ремонтах пути. По тяжелым рельсам можно перевезти и больше грузов. Так, рельсы Р50 на 15%, а Р65 на 45% тяжелее рельсов Р43, но рельсы Р50 за время службы могут пропустить тоннаж в 1,5 раза, а Р65 в 2 раза больше, чем Р43. С возрастанием массы рельсов уменьшается расход металла на единицу пропускаемого тоннажа и сокращаются затраты на замену рельсов (капитальный ремонт), снижаются сопротивление движению поездов и расходы на тягу.

При экономических расчетах по выбору типа рельса предпочтение отдается рельсу, для которого годовая сумма приведенных строительных и эксплуатационных расходов ∑Э пр при нормированном сроке окупаемости t n является наименьшей. Она определяется по формуле

где А - строительные расходы (стоимость укладки рельсов);

B i - эксплуатационные расходы i -ro года.

Сроки окупаемости дополнительных капиталовложений на укладку тяжелых рельсов невелики - обычно 1,5-4,5 года. Поскольку применять тяжелые рельсы очень выгодно, в РФ их средняя масса (q ср) постоянно увеличивается.

Срок службы рельсов

Ожидаемый срок службы рельсов определяют как для целесообразного ведения путевого хозяйства (например, чтобы знать периодичность смены рельсов), так и для их технико-экономической оценки.

Срок службы рельсов является функцией работы их под подвижным составом, типа и мощности рельсов, характеристик верхнего строения и подвижного состава, условий эксплуатации пути и технологии изготовления рельсов.

Рельсы выходят из строя по износу и дефектам. Их следует изымать из пути при износе на определенную допустимую величину; по этому фактору и определяется срок службы рельсов. Допустимый износ z 0 (рис. 6) головки рельса устанавливают таким образом, чтобы поперечное сечение рельса после износа на величину площади ω 0 обеспечило допускаемые напряжения, и чтобы при изношенных бандажах колес гребни не задевали гайки и головки болтов в стыках рельсов или за части двухголовых накладок, выступающих за головку рельса.

Рис. 6 - Поперечное сечение головки рельса (заштрихована допустимая площадь износа)

Согласно рисунку

ω 0 = bz 0 - ∆,

где b - ширина головки рельса;

z 0 - нормированный предельный износ головки рельса, принимаемый в РФ по ПТЭ;

∆ - учитывает разницу очертания головки и воображаемого прямоугольника, которую принимают равной 70 мм 2 .

Т = ω 0 / β,

где β - удельный износ поперечного сечения головки рельса от прохода 1 млн. т груза брутто, мм 2 .

Величина β определяется для конкретных условий службы рельсов с выполнением тяговых расчетов и учетом качества рельсовой стали. Для приближенных расчетов можно использовать среднесетевые значения β ср (мм 2 /млн. т брутто) из таблицы

Поскольку износ объемнозакаленных рельсов происходит в 1,3-1,5 раза медленнее, чем незакаленных, величину β ср для первых следует скорректировать коэффициентом α, равным примерно 0,65-0,5.

Таким образом, зная ω 0 и β ср, можно найти тоннаж Т , который могут пропустить рассматриваемые рельсы за весь срок службы. При этом если грузонапряженность (годовой тоннаж) Т г данной линии известна и постоянна, то срок службы рельсов в годах на этой линии можно найти так:

Но так как грузонапряженность на наших железных дорогах ежегодно увеличивается, то срок службы рельсов на данной линии по наработке прошедшего тоннажа

где Т 1 , Т 2 , Т 3 , …, Т t - соответственно тоннаж в первый, второй, третий, t -й год после укладки рельсов.

Несмотря на повышение износоустойчивости рельсов, их приходится заменять раньше достижения нормативного износа из-за одиночного выхода из строя по дефектам. Выход рельсов по дефектам происходит как из-за нарушения или несовершенства технологии изготовления, так и по условиям их эксплуатации.

При установлении сроков службы рельсов принимают за допускаемый суммарный одиночный их выход из строя по дефектам: Р50 - 6 штук, а Р65 и Р75 - 5 штук на 1 км пути или наибольший годовой выход для этих рельсов - 2 шт. на 1 км.

Срок службы рельсов между капитальными ремонтами пути в млн. т брутто исходя из одиночного выхода рельсов по дефектам Т од Г. М. Шахунянц предложил определять по формуле

где λ р - коэффициент, учитывающий качество рельсовой стали, дли незакаленных рельсов λ р = 1, а для объемнозакаленных λ р = 1,5;

Член, учитывающий влияние кривизны пути и лубрикации (смазки); при R ≥ 1200 м А = 0 и при R < 1200 м А = 800; при отсутствии смазки боковых граней головки рельсов и гребней колес α луб = 1, при смазке графитомолибденовыми карандашами или для графитовой смазки на солидоловой основе α луб = 0,2;

Член, учитывающий влияние длины рельсов (плети);

Р дн - средняя по тоннажу нормативная нагрузка на рельс от оси колесной пары, установленная в 1964 г. при принятии нормативного срока службы незакаленных рельсов (для Р50 - 350 млн. т груза брутто, для Р65 - 500 млн. т груза брутто), равная для рельсов Р50: Р дн = (1 + 0,012υ i) q ок = (1 + 0,012·50)·14·9,8 = 228,6 кН и для рельсов Р65: P дн = (1 + 0,012·60)·18·9,8 = 303,8 кН;

Р с - средневзвешенная по тоннажу исполненная нагрузка на рельс от оси колесной пары, кН;

q р - масса рельса, кг/м;

γ норм - нормативное значение допускаемого одиночного изъятия рельсов по дефектам (Р50 - 6 шт., Р65 и Р75 - 5 шт. на 1 км пути);

q ок - средняя нагрузка на рельс от оси колесной пары, зависящая от типа рельса.

Из двух значений, найденных по формулам, приведенных выше, для расчета следует принимать наименьшее.

Ограничение срока службы рельсов по одиночному их выходу признать нормальным нельзя, поэтому главнейшая задача - проведение мероприятий, позволяющих увеличить срок службы рельсов согласно их мощности до полного расчетного износа. Этого можно добиться благодаря улучшению качества рельсового металла, в том числе за счет термической обработки; применению бесстыкового пути со сварными рельсовыми плетями увеличенной длины; наплавке изношенных рельсовых концов; улучшению конструкции верхнего строения пути в целом; применению лубрикаторов, смазывающих боковые грани головки рельсов в кривых; улучшению текущего содержания рельсов и пути в целом.

После истечения установленных сроков службы в местах первоначальной укладки рельсы снимают с пути, сортируют, подвергают в рельсоремонтных предприятиях ремонту и сварке и снова укладывают в путь, но уже с более легкими условиями эксплуатации, где они пропускают еще примерно 2/3 начального нормативного тоннажа.

Важными мерами по продлению сроков службы рельсов в пути является шлифовка их головки рельсошлифовальными поездами для удаления с поверхности катания неровностей и поверхностного поврежденного слоя металла, наплавка рельсовых концов, смазка рельсов в кривых для уменьшения бокового износа головки.

Сроки службы обычных высокоуглеродистых рельсов по сравнению с зарубежными в 2-3 раза, а термически упрочненных в 3-4 раза выше; тем не менее этого недостаточно, так как интенсивность использования железнодорожных путей в нашей стране в 6-10 раз больше, чем за рубежом. Поэтому ведутся научные исследования по созданию еще более прочных и долговечных рельсов.

Длительная и беспроблемная эксплуатация элементов ВСП возможна лишь тогда, когда они выполнены из подходящего материала. И сегодня мы посмотрим, из какой стали изготавливают рельсы железнодорожные, почему выбран именно этот металл, какими свойствами он обладает. Информация поможет вам правильно выбрать подходящие прокатные изделия для непосредственного строительства колеи.

Важно учитывать специфику современности. За почти 100 лет грузоподъемность ЖД-транспорта увеличилась в 8-10 раз, а скорость его передвижения по полотну возросла в 5 раз. Получается, что опорные конструкции испытывают совсем другие нагрузки. Поэтому необходимо, чтобы они были более прочными, твердыми и износостойкими, чем век назад.

Рельсовая сталь

Объединяет в себе сразу несколько типов сходных металлов, аналогичных по способу применения – используемых для изготовления элементов ВСП (верхнего строения пути). Мелкоигольчатый перлит составляет основу фазовой структуры для всех вариантов, выплавляемых в конверторных или дуговых печах. После термической обработки он становится максимально однородным, приобретая вязкость, достаточную твердость и высокое сопротивление износу.

По раскислителям делится на 2 принципиальные группы:

I – вредные примеси убираются с помощью ферромарганца или ферросилиция;

II – для удаления кислорода применяются алюминиевые включения (считающиеся более предпочтительными из-за их природы).

Основные материалы для изготовления рельсов

Многое зависит от того, в какой сфере будут использоваться прокатные изделия. Из конвертерной стали исполняются элементы ВСП, укладываемые в ЖД-путь и формирующие широкую или узкую колею. А вот крановым опорным металлоконструкциям уже необходимо выдерживать совсем другие нагрузки, поэтому для их выпуска заводы берут высокоуглеродистые сплавы.

Совсем другой случай – так называемые контактные, монтируемые для создания полотна метрополитена. Они не принимают огромные напряжения, зато должны эффективно снимать ток, поэтому их делают из сравнительно мягких металлов.

Химический состав и его преимущества

Для основных марок стали ЖД рельса он регламентирован ГОСТом Р 554 97-2013. Данный межгосударственный стандарт устанавливает, что основной компонент – это железо, но помимо него в сплав обязан входить еще ряд элементов – в следующих массовых долях:

• Углерод (карбон) – от 0,71 до 0,82%, усиливает механические свойства примерно вдвое. Его частицы связывают ферро-молекулы, превращая их в карбиды, которые гораздо прочнее и крупнее. И высокотемпературные воздействия становятся не настолько критичными.
• Марганец – от 0,25 до 1,05%, улучшает ударную вязкость (на четверть-треть), а также износостойкость и твердость. Причем пластичность не ухудшается, что самым положительным образом влияет на технологичность готового прокатного изделия.
• Кремний – от 0,18 до 0,4%, требуется для удаления кислородных примесей, а значит и для оптимизации внутренней кристаллической структуры материала. С такой добавкой существенно уменьшается вероятность появления ликвационных пятен, а долговечность повышается примерно в 1,4 раза.
• Ванадий – от 0,012 до 0,08%, в зависимости от конкретной марки стали для изготовления рельсов. Важен для обеспечения достаточной контактной прочности. В соединении с углеродом образует карбиды, повышающие предел выносливости (а именно нижний его порог).

Отдельного рассмотрения заслуживают нежелательные или даже вредные примеси, вычленить которые до конца с помощью современных технологий пока не удается. Это:

• Азот – от 0,03 до 0,07%, плох тем, что нейтрализует легирующий эффект. Из-за него в толще профиля образуются нитриды, которые не поддаются термоупрочнению, а значит снижают механические свойства готовых элементов ВСП.
• Сера – до 0,045%. Ее включения не дают сплаву быть податливым при горячей обработке под давлением. В результате после проката может получиться изделие, склонное к образованию трещин, и его придется сразу же отбраковать.
• Фосфор – до 0,035. Он тоже повышает хрупкость металлоконструкции. С ним быстро накапливается усталость, что приводит к скорым расслоениям и разломам.

Ради максимальной наглядности представляем химический состав популярных марок стали для железнодорожных рельсов в следующей сводной таблице:

Как видите, дополнительно указаны еще два компонента – титан и хром. Мы не стали их подробно описывать выше, так как они присутствуют далеко не всегда, но первый из них является полезной примесью, чей положительный эффект сводится к повышению прочности, а второй – остаточным элементом. Также стоит обратить внимание на наличие алюминия, помогающего снизить вес без ухудшения других качественных показателей.

Механические свойства

• Сопротивляемость ударным воздействиям – твердость легированного добавками материала после объемной закалки достигает 60 HRC по шкале Роквелла, вязкость – 2,5 кг/см2. Благодаря этому уже уложенные металлоконструкции сложно случайно повредить.
• Стойкость к циклическим нагрузкам – жд металлопрокат изготавливают из стали, потому что предел его прочности доходит до 1000 МПа. В климатических условиях наших широт они не деформируются в течение десятилетий (особенно при грамотном уходе).
• Умеренная пластичность – изделие горячего проката при производстве можно нагревать до температуры в 1000 градусов Цельсия. Показатель его относительного сужения не выйдет за пределы 25%. Получается профиль без пустот и мелких дефектов, которые в процессе эксплуатации могли бы быстро превратиться в серьезные изъяны.

Сочетание настолько практичных свойств также обуславливает постоянную популярность и повсеместное использование двутавровых направляющих именно из рассматриваемого сплава.

Применение и марки рельсовой стали

Основная сфера использования металла (что ясно из его названия) – выпуск прокатных изделий для укладки ВСП.

Теперь рассмотрим самые востребованные вариации сплавов:

• 76 – самая популярная. Из нее изготавливаются профили серий Р50 и Р65, составляющие 3/4 всех опорных конструкций ширококолейных ЖД-полотен.
• 76Ф – уже усиленная ванадием, с повышенным ресурсом. Поэтому используется для производства проката, который в дальнейшем будет укладываться в линии для высокоскоростного движения локомотивов и другого быстрого транспорта.
• К63 – легирована никелем (до 0,3%), отличается впечатляющей твердостью и лучшей коррозионной стойкостью. Из нее выполняются крановые рельсы, марка стали позволяет выдерживать нагрузки, в других случаях ставшие критическими.
• К63Ф – с добавками вольфрама, а значит с еще более высокой циклической прочностью.
• М54 – обогащенная марганцем и за счет этого обладающая хорошей вязкостью. Нашла свое применение при выпуске накладок для мест стыка и стрелочных переводов.
• М68 – актуальная при производстве специфических элементов верхнего строения пути.

Необходимость механических свойств в различных сочетаниях и определила такое разнообразие вариантов. Добавьте сюда сравнительно малый вес и низкую стоимость, и получите очень практичную конструкцию для строительства транспортных линий и узлов развязки.

Указывается тип рельсовой стали на маркировке, которая может быть как постоянной, так и временной. В первом случае она наносится клеймением, во втором – краской. В числе прочих обозначений – соответствие прокатного изделия ГОСТу, а также дополнительные его особенности (укороченная длина, сорт, расположение технических отверстий и тому подобное).

Эксплуатировать профили можно вплоть до истечения срока наработки, указанного заводом-производителем и исчисляемого по пропущенному тоннажу. Возможен и преждевременный выход элементов ВСП из строя, вызванный появлением дефектов. Тогда их нужно менять или ремонтировать. О различных видах дефектах вы можете прочитать в .

Итак, мы выяснили, что для железнодорожного полотна марка стали это 76 и 76Ф, с высоким содержанием углерода и с добавками ванадия (во втором случае). Выплавляется в конвертерных и дуговых печах, с раскислением ферросилицием и алюминием, с последующей дефосфорацией и обновлением шлака, с вакуумной и термической обработкой. При таком подходе готовый прокат отличается высокой степенью чистоты и низкой склонностью к появлению изъянов.

Сходным образом заводы-производители выпускают не только конструкции для формирования полотна, но и другие важные элементы используемые на ЖД-объектах. Взглянем на них подробнее.

Колесные стали – для железнодорожных колес

Ободья подвижных частей транспорта просто обязаны быть износостойкими (иначе все прочностные преимущества верхнего строения пути будут сведены к нулю). Поэтому они и производятся из тех типов рассматриваемого нами металла, которые обогащены карбидами. Тогда они реже выходят из строя, а значит меньше провоцируют возникновение аварийных ситуаций, а в долгосрочной перспективе еще и удешевляют стоимость эксплуатации локомотивов и вагонов.

Углерод в колесных сталях

Анализируя химический состав, мы сделали вывод, что включения карбона усиливают сопротивление металла к износу, но они же и повышают восприимчивость к критическим температурам. В случае с ободьями особенно важно сделать их несклонными к термическим повреждениям. Нужно помнить, что преждевременный износ (тем более при халатном обслуживании) способен привести к тому, что движущийся на внушительной скорости транспорт сойдет с пути.

Поэтому нет смысла ориентироваться исключительно на высокоуглеродистые сплавы – их прочность в данном случае вполне способна сыграть во вред. Для выпуска колес может не подойти обычная рельсовая сталь, марка для их изготовления обязана соответствовать следующим стандартам:

• AAR M-107/M-208 – американский;
• EN 13262 – европейский;
• JIS E 5402-1 – японский;
• ГОСТ 10791-2011 – межотраслевой.

Отдельного внимания заслуживают проектные решения Страны восходящего солнца. ЖД-сообщение там достаточно сильно развито и сегодня находится на том современном уровне, на который стоит равняться уже не только государствам СНГ. Локомотивы там передовые и движутся на внушительных скоростях. Каким же образом подвижные части этого транспорта выдерживают серьезнейшие нагрузки? Попробуем разобраться.

Японские колесные стали

Примерно 90 лет назад тамошние инженеры и строители столкнулись с глобальной проблемой: специалисты обнаружили, что колеса их транспорта преждевременно изнашиваются, хотя ресурс был рассчитан на годы вперед.

Объяснение было найдено и оказалось простым: в сплаве для выпуска металлических элементов, изготовленным по заимствованным европейским технологиям, содержалось всего 0,5% углерода. Такой массовой доли было явно недостаточно для обеспечения необходимой износостойкости.

Ученые из Японии понимали, что повышение процента карбона в толще профиля может привести и к негативным последствиям (в частности, к появлению склонности к термическим повреждениям). Поэтому были запущены масштабные исследования, целью которых стало нахождение оптимальной концентрации добавки с сохранением всех полезных свойств. В результате остановились на отметке в 0,6-0,75%, которой и соответствует стандарт JIS E 5402-1.

Выше углерод в колесах – меньше износ рельсов

Поиски позволили сделать еще один важный вывод: при балансе примесей и основного металла дольше эксплуатируются не только подвижные части транспорта, но и те элементы ВСП, по которым они едут.

Объяснение данному эффекту тоже нашли: мельчайшие частицы, откалываются от колес, оседают в месте контакта и выходит абразивное воздействие на поверхность катания. В итоге на головке появляются царапины, а со временем и трещины.

Эти результаты побудили инженеров экспериментальным путем повышать содержание углерода – вплоть до того уровня, которым сейчас может похвастать марка стали для JIS E 5402-1 (то есть до 0,75%).

Японские колеса на немецкой железной дороге

В ЖД-сообщении Германии наблюдалась проблема: подвижные части местных поездов (ICE) быстро деформировались, что приводило к их выходу из строя, к потере качества сцепления, к возникновению аварийных ситуаций. Когда специалисты Deutsche Bann узнали, что локомотивы компании Shinkan-sen из Страны восходящего солнца не испытывают подобных сложностей даже при движении на максимально допустимых скоростях, они захотели провести сравнительные испытания.

На немецкие составы установили как европейские колеса, изготовленные из сплава ER7 (с массовой долей карбона до 0,52%), так и японские, выполненные по стандарту JIS E 5402-1. После 6 лет независимых испытаний, с 2003 по 2009 год, второй вариант показал, что он в 1,5 раза эффективнее сопротивляется износу.

Параллельно регулярно проверялись и металлоконструкции, уложенные в колею. Оказалось, что они тоже стираются медленнее – ровно в 1,5 раза. На поверхности контакта остается меньше абразивных частиц. Обогащение материала карбоном дает неплохую прибавку к эксплуатационному ресурсу – спасибо японцам за это открытие.

Преимущества железнодорожных рельсов

Современные их разновидности обладают следующими плюсами (и такой материал, как рельсовая сталь, помогает подчеркнуть эти практические достоинства):

• равномерно распределяют испытываемые нагрузки по всей длине полотна;
• обеспечивают надежную поверхность для колес транспорта, помогая тому развивать и поддерживать высокую скорость передвижения;
• обладают значительным ресурсом (свыше 50 лет), в течение которого стойко выдерживают серьезные напряжения и эффективно сопротивляются износу.

Тем самым они помогают справиться с главной задачей – являются залогом быстрой и безопасной перевозки пассажиров и грузов.

___________________

Теперь, когда вы знаете, какой бывает материал для производства железнодорожного металлопроката, его характеристики, химический состав, а также механические свойства, будет проще выбрать конкретную марку, оптимально подходящую для обустройства ЖД-объекта. А компания «ПромПутьСнабжение» всегда поможет быстро получить необходимый объем металлоконструкций по привлекательной цене – обращайтесь для заказа.

РЕЛЬСОВЫЕ СТАЛИ

В СССР рельсы тяжелых типов (Р75, Р65 и Р50 длиной 25 м) изготовляют из высокоугле­родистой стали с повышенным содержанием марганца (табл. 36.1). Такое содержание угле­рода характерно для рельсовой стали США и Канады. В других странах оно несколько ниже, например в Англии 0,50-0,60 %, в Японии 0,60-0,75 %, в ФРГ 0,40-0,60 % при повышен­ном содержании марганца (до 1,2-1,3 %). За рубежом рельсовую сталь выплавляют в мартеновских печах (США, Канада), кисло­родных конверторах (Япония, ФРГ, Англия), электропечах (ФРГ), томасовских конверторах (Франция). При выплавке рельсовой стали в конверторах качество рельсов понижается из-за повышенного содержания вредных примесей (до 0,07 % Р и 0,06 % S).

На протяжении многих лет совершенство­вание химического состава рельсовой стали шло по следующим основным направлениям:

1. Уменьшение содержания вредных приме­сей (серы, фосфора, кислорода, водорода) в рельсовой стали с целью повышения ее чисто­ты и металлургического качества.

2.Увеличение содержания в стали углеро­да для устранения в ее структуре мягкой со­ставляющей - феррита и увеличения количест­ва твердых частиц второй фазы - цементита, входящего в состав тонкопластинчатого перли­та. С повышением содержания в рельсовой ста­ли от 0,5 до 0,8 % С существенно росли ее прочность, сопротивление износу и смятию.

Таблица 36.1

3.Легирование рельсовой стали, т. е. по­вышение содержания в ней более 1,0 % Мп, более 0,4 % Si и введение в ее состав таких элементов, как Сr, Ni, Mo, V, Nb, Ti и др. Сю­да же относятся попытки повысить комплекс свойств рельсовой стали за счет модифициро­вания и микролегирования, сводящегося к до­бавлению в нее небольшого количества таких элементов, как Mg, В, Се и редкоземельных элементов.

Содержание углерода в настоящее время доведено в рельсовой стали до эвтектоидного, при превышении которого образуется структур­но свободный цементит. Одно из перспектив­ных направлений модифицирования, рельсовой стали ставит своей задачей повышение верхней допустимой границы содержания угле­рода в рельсовой стали до 0,85-0,87 % без выделения структурно свободного цементита.

Лучшие варианты нетермообработанных рельсов из низколегированной стали позволили повысить их эксплуатационную стойкость на отечественных железных дорогах не более чем на 25 %.

В горячекатаном состоянии (температура конца прокатки 1000-1050°С) величина зерна в рельсовой стали соответствует 2-3 баллу по ГОСТ 5639-65, после закалки (температура нагрева 830-850 °С) она соответствует 7-8 баллу. Структура рельсовой стали в горяче­катаном состоянии представляет собой сорби-тообразный мелкопластинчатый перлит, иногда с отдельными тонкими выделениями феррита. Прокаливаемость рельсовой стали невелика: при определении ее методом торцовой закалки (ГОСТ 5657-69) она составляет 4-6 мм.

В СССР рельсовую сталь в основном вы­плавляют в большегрузных мартеновских пе­чах емкостью 380-450 т на Кузнецком метал­лургическом комбинате (КМК), Нижнетагиль­ском металлургическом комбинате (НТМК) и заводе «Азовсталь». Частично ее выплавляют в бессемеровских конверторах на Днепровском металлургическом заводе им. Дзержинского (ДМЗ). Схема технологического процесса про­изводства рельсов на четырех отечественных рельсопрокатных заводах представлена на рис. 36.3. Из нее видно, что при производстве же­лезнодорожных рельсов применяют три вида термической обработки : противофлокенную термическую обработку; термическое упрочне­ние концов; термическое упрочнение по всей длине.

Продаем стальные рельсы. Цены уточняйте у менеджеров. Заказать рельс можно в офисе компании "Ремстройпуть" (г. Екатеринбург, ул. Таганская, д. 55 а). В наличии рельсы Р65, РП65, Р50, РП50, Р33, Р38, Т62, КР140, КР120, КР100, Р80, КР70, Р43, Р24, Р18, Р11.

При сплошной замене рельсов на основных направлениях железных дорог в путь укладывают в зависимости от грузонапряженности новые двух типов: Р75 (ГОСТ 16210-77) и (ГОСТ 8161-75) (табл. 7). На путях промышленных предприятий находят применение рельсы типов (ГОСТ 7174-75) и (ГОСТ 7173-54). В железнодорожных путях имеются рельсы таких же типов, но более ранних лет укладки (табл. 8). Рельсы, вторично используемые в путях, называются .

Таблица 7. Основные показатели рельсов

Черт. 24. Рельс типа Р75 по ГОСТ 16210-77 (Рельсы поставляются с 1978 г.)

Черт. 25. Рельс типа Р65 по ГОСТ 8161-75 (Рельсы поставляются с 1976 г.)

Черт. 26. Рельс типа Р50 по ГОСТ 7174-75 (Рельсы поставляются с 1976 г.)

Черт. 27. Рельс типа Р43 по ГОСТ 7173-54 (Рельсы поставляются с 1955 г.)

Таблица 8. Некоторые показатели рельсов, снятых с производства, но используемых в пути

Черт. 28. Рельс типа Р75 по ГОСТ 16210-70

(Рельсы поставлялись в период 1966 - 1977 гг.)

Черт. 29. Рельс типа Р75 по проекту 751/ЦП

(Рельсы поставлялись в период 1958 - 1966 гг.)

Черт. 30. Рельс типа Р65 по ГОСТ 8161-63

(Рельсы поставлялись в период 1964 - 1975 гг.)

Черт. 31. Рельс типа Р65 по ГОСТ 8161-56

(Рельсы поставлялись в период 1956 - 1963 гг., отверстия могли быть овальными 38´30 мм)

Черт. 32. Рельс типа Р65 по проекту 1950 г.

(Рельсы поставлялись в период 1953 - 1955 гг.)

Черт. 33. Рельс типа Р50 по ГОСТ 7174-65

(Рельсы поставлялись в период 1965 - 1975 гг.)

Черт. 34. Рельс типа Р50 по ГОСТ 7174-54

(Рельсы поставлялись в период 1955 - 1966 гг.)

Черт. 35. Рельс типа Р50 по ГОСТ 3542-47

(Рельсы поставлялись в период 1948 - 1954 гг.)

Черт. 36. Рельс типа Р43 по ГОСТ 3542-47

(Рельсы поставлялись в период 1946 - 1954 гг.)

Черт. 37. Рельс типа 1-а по ОСТ 119

(Рельсы поставлялись до 1946 г.)

Черт. 38. Рельс типа Р38 (II-a) по ГОСТ 3542-47

Черт. 39. Рельс типа (III-a) ГОСТ 6726-53

(Рельсы поставлялись до 1932 г.)

Основные требования к рельсам типов Р75, Р65 и Р50 из мартеновской стали по ГОСТ 24182-80 (введен с 1 июля 1981 г. взамен ГОСТ 8160-63 и ГОСТ 6944-63)

1. Стандарт распространяется на незакаленные по всей длине рельсы типов Р75, Р65 и Р50, изготовленные из мартеновской стали и предназначенные для укладки на железных дорогах широкой колеи.

2. Конструкция и размеры рельсов соответствуют ГОСТ 7174-75, ГОСТ 8161-75 и ГОСТ 16210-77.

3. Изготавливают рельсы двух групп.

4. Рельсы I группы изготавливают из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителями без применения алюминия или других раскислителей, образующих в стали вредные строчечные неметаллические включения.

5. Рельсы II группы изготавливают из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганец-алюминиевым сплавом.

6. Химический состав стали должен соответствовать нормам, указанным в табл. 9.

7. Механические свойства стали для рельсов I и II групп при испытаниях на расстояние должны соответствовать нормам, указанным в табл. 10.

8. Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них флокенов, а также местных неметаллических включений (глинозема, карбидов и нитридов титана или глинозема сцементированного силикатами), вытянутых вдоль направления прокатки в виде дорожек - строчек длиной более 2 мм для рельсов группы I и длиной более 8мм для рельсов группы II.

9. Поверхность головки рельса на его концах должна быть подвергнута закалке с прокатного нагрева или с индукционного нагрева токами высокой частоты.

Таблица 9. Химический состав рельсовой стали

Таблица 10. Механические свойства рельсовой стали

Рельсы, предназначенные для сварки или других специальных целей, по требованию потребителя допускается изготовлять длиной не менее 6,0 м без закалки одного или обоих концов.

10. Рельсы после полного остывания могут быть подвергнуты холодной правке на роликоправильных машинах и штемпельных прессах.

11. После холодной правки не допускаются:

повторная холодная правка рельсов на роликоправильных машинах в одной и той же плоскости;

холодная штемпельная правка концов рельсов, если кривизна концов находится в пределах расположения болтовых отверстий;

падение рельсов с высоты более 1,0 м;

волнистость и скручивание рельсов. Рельс считается скрученным, если при замере его на контрольном стеллаже он имеет по концам зазоры между краем подошвы и стеллажем (по диагонали) более 1/10000 своей длины.

12. Концы рельсов должны быть отфрезерованы перпендикулярно продольной оси рельса. Перекос торцов не должен быть более 1,0 мм при измерении в любом направлении. Обрубать и ломать дефектные концы рельсов не допускается.

Болтовые отверстия на концах рельсов должны быть просверлены перпендикулярно к вертикальной продольной плоскости рельса. Поверхности болтовых отверстий и торцов рельсов должны быть без рванин, задиров и следов усадки в виде расслоений и трещин. Заусенцы и наплывы металла у болтовых отверстий и на торцах рельсов должны быть удалены зачисткой.

Черт. 40. Основная маркировка рельсов:

а - рельсы первого сорта; б - рельсы второго сорта; в - места нанесения маркировки на шейке рельса; 1 - инспекторские клейма; 2 - клеймо ОТК завода (может быть в виде квадрата, треугольника или буквы "К"); 3 - место нанесения номера рельса по расположению его в слитке (1 и 2 - головные рельсы, Х - донные средние рельсы обозначений не имеют); 4 - место нанесения номера плавки стали (номер плавки для рельсов 1 группы начинается с буквы П); 5 - место указания порядкового номера рельса от головной части слитка; 6 - место выкатанной (выпуклой) маркировки по длине рельса, повторяющейся примерно через 2,5 м и обозначающей: завод-изготовитель, месяц и год проката, тип рельса

13. Пробный отрезок рельса для копровых испытаний должен выдержать при температуре от 0° до плюс 40 °С испытание на удар без излома, трещин и выколов подошвы (как в пролете, так и на опорах).

14. Пробный отрезок рельса для испытания на прочность подошвы должен выдержать без трещин или излома статическую нагрузку до получения стрелы прогиба 4,0 мм.

15. Для укладки на магистральных путях МПС не допускаются: рельсы второго сорта типов Р75 и Р65 с раскатанными загрязнениями, пузырьками и трещинами на средней трети низа подошвы глубиной более 0,3 мм; рельсы второго сорта типа Р50.

16. Маркировка рельсов приведена на черт. 40, 41 и в табл. 11.

17. Отгружаемые потребителю рельсы должны сопровождаться документом (актом технической годности рельсов), подписанным представителем предприятия-изготовителя и инспектором МПС, удостоверяющим соответствие рельсов требованиям настоящего стандарта, в котором должно быть указано:

Обозначение предприятия-изготовителя;

Номера стандартов, в соответствии с которыми были изготовлены и приняты рельсы и номера заказа;

Сорт и тип рельсов;

Отпечатки или описание приемочных клейм и маркировки рельсов красками;

Номера вагонов;

Наименование и адрес получателя.

Черт. 41. Пример полной заводской маркировки новых рельсов первого сорта:

а - рельс изготовлен Кузнецким (К) металлургическим комбинатом в мае (V) 1990 г. (90) типа Р65, плавка А293, из обычной стандартной углеродистой стали, с закалкой концов (белая полоса краской на головке), по содержанию углерода "твердый" (желтая окраска подошвы на конце), стрелкой обозначен головной конец; б - рельс изготовлен заводом "Азовсталь" (А) в марте 1990 г. (III 90) типа Р75, плавка П356, закаленный по всей длине (зеленая полоса на шейке и зеленая окантовка торца); в - рельс изготовлен Нижнетагильским (Т) металлургическим комбинатом в сентябре 1989 г. (IX 89) типа Р50, плавка 751Я, закаленный по всей длине, по качеству закалки - первого класса (зеленая окантовка на торце); г

Основные требования к рельсам типов Р50, Р65 и Р75, термообработанных путем объемной закалки в масле по ГОСТ 18267-82
(введен с 1 января 1984 г. взамен ГОСТ 18267-72)

1. Стандарт распространяется на железнодорожные рельсы типов Р50, Р65 и Р75, изготовленные из мартеновской высокоуглеродистой стали и подвергнутые термической обработке по всей длине путем объемной закалки их в масле с последующим печным отпуском.

2. Рельсы, предназначенные для термической обработки, должны соответствовать требованиям, предъявляемым к рельсам первого сорта, изготовляемым по ГОСТ 24182-80.

Допускается по согласованию между изготовителем и потребителем подвергать термической обработке рельсы второго сорта. Закаленные рельсы, переведенные во второй сорт по поверхностным дефектам, предназначены для укладки на путях, не принадлежащих МПС.

3. Твердость на поверхности катания головки закаленных рельсов должна быть в пределах НВ 341...388; твердость шейки и подошвы рельсов - не более НВ 388.

4. Макроструктура закаленного металла головки рельса должна представлять собой сорбит закалки.

Допускается наличие мелких разрозненных участков феррита.

5. Механические свойства закаленных рельсов должны соответствовать следующим:

Временное сопротивление, кгс/мм2 ........................................ ³120

Предел текучести, кгс/мм2 .............................................…….. ³81

Относительное удлинение, % ..........................................…… ³6

Относительное сужение, % ...........................................…….. ³25

Ударная вязкость при 20 °С, кгс м/см2 ................................... ³2,5

6. Пробный отрезок рельса должен выдерживать низкотемпературные испытания на удар под копром без излома и признаков разрушения.

7. При неудовлетворительных результатах повторных испытаний на удар под копром рельсы разрешается подвергать высокому отпуску на твердость НВ 255...302 и сдавать их по ГОСТ 24182-80 как незакаленные.

8. Маркировка рельсов должна соответствовать указанной на черт. 40, 41 и в табл. 11.

9. Рельсы должны сопровождаться документом, подписанным представителем предприятия-изготовителя и инспектором МПС, удостоверяющим соответствие их требованиям настоящего стандарта и содержащим:

Наименование предприятия-изготовителя;

Наименование продукции и способ термической обработки;

Тип, класс и группу рельсов;

Марку стали из которой рельсы изготовлены;

Обозначение настоящего стандарта;

Отпечатки или описание приемочных клейм, а также описание маркировки рельсов красками;

Число рельсов с указанием их длины и массы;

Наименование и адрес потребителя.

Маркировка рельсов

На каждом новом рельсе наносится маркировка на его шейке и на одном из торцов.

Маркировка подразделяется на постоянную, выполняемую во время прокатки и клеймением в горячем и холодном состоянии (см. черт. 40) и временную или дополнительную, выполняемую краской (см. табл. 11). Маркировка (см. черт. 41) необходима для правильной укладки рельсов в путь.

Старогодные рельсы также маркируются (черт. 42).

Черт. 42. Пример маркировки старогодных рельсов (светлой краской):

а - рельс I группы, годный для укладки в путь без ремонта; б - рельс II группы, подлежащий ремонту (II-P); в - рельс IV группы, не годный для укладки в путь (XXX)