какой металл в рельсе

Рельсовая сталь

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.

Химический состав

Рельсовые марки стали подразделяются на 2 группы в зависимости от вида применяемых раскислителей:

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:

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:

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.

Источник

Из какой стали делают рельсы

Первые рельсы из чугуна появились в середине XVIII века, по ним перемещались грузовые вагоны на гужевой тяге. Постепенно чугунные рельсы заменялись стальными. Долгий эволюционный путь привёл к появлению технологий, позволяющих изготавливать прочные виды современной рельсовой стали. По железнодорожным магистралям теперь мчатся высокоскоростные пассажирские и тяжеловесные грузовые поезда. И в связи с большими нагрузками, оказываемыми на рельсы подвижным составом, возникают новые виды износа и дефектов, такие как проявление контактной усталости качения и тонкие внутренние трещины. Эти проблемы поставили задачу создания новых марок рельсовой стали, обладающих повышенной сопротивляемостью к износу.

Мартеновский процесс был основной технологией выплавки стали до семидесятых годов, в том числе для производства марок стали для ж/д рельсов. Но ему на смену пришла новая технология получения стальных заготовок. Они формируются в результате непрерывного литья блюмы и не имеют свойственных слиткам недостатков, таких как наличие неметаллических включений, газовых полостей и усадочных пустот. А в рельсах такие производственные дефекты проявляются в виде вертикальных трещин в головке, сеток мелких трещин и усадочных раковин.

В настоящее время рельсы изготавливаются на прокатных станах с использованием технологий, позволяющих эффективно уменьшать содержание неметаллических включений. Применяемое вакуумирование даёт возможность регулировать количество углерода, водорода и кислорода. Эта технология позволяет снизить уровень водорода до предельно допустимых величин и практически исключить образование флокенов, приводящих к понижению несущей способности рельсов.

Те, кого интересует, какая сталь используется для изготовления рельсов в настоящее время, должны знать, что сегодня выпускаются марки стали, позволяющие производить термическую обработку при изготовлении рельсов, существенно повышающую их качественные характеристики.

Типы стали для рельс

На вопрос, из какой стали сделаны рельсы, ответ один: их производят из углеродистой стали. Но качественные характеристики различаются по химическому составу, микро- и макроструктуре. Выбор марки стали для рельсов зависит от их предназначения: для эксплуатации на железных дорогах, под подъёмными кранами, в рудниках и т. д.

Если говорить о том, из какой стали делают рельсы железнодорожные, то в данном случае учитывают условия их эксплуатации. В зависимости от этого используются рельсы с различным классом твёрдости: высоким, повышенным и обычным. Для их изготовления применяются, соответственно, базовые марки стали – 100, 90 и 76. Рельсовая сталь марки 100 имеет самую высокую твёрдость.

Существуют определённые требования к массовой доле элементов, входящих в состав марки рельсовой стали:

Источник

Химический состав и структура рельсовой стали, применяемой при изготовлении трамвайных и железнодорожных рельсов

Химический состав рельсовой стали

Трамвайные и железнодорожные рельсы изготовлялись из мартеновской или бессемеровской стали. За рубежом применяется также томассовская сталь, из которой ранее изготовляли рельсы и в нашей стране. Рельсы из легированной стали, а также двухслойные рельсы применялись у нас лишь в виде опыта, давшего положительные результаты в части увеличения износоустойчивости рельсов.

Химический состав рельсовой стали и технические условия на изготовление и приемку трамвайных рельсов регламентированы Государственными стандартами.

Химический состав рельсовой стали приведен в табл. 1.

Таблица 1 — Химический состав рельсовой стали

Род стали	Марка стали	Содержание элементов в %
		Углерод	Марганец	Кремний	Фосфор, не более	Сера, не более
Трамвайные рельсы
Углеродистая, мартеновская	М-75	0,67–0,80	0,70–1,00	0,13–0,28	0,04	0,04
Среднемарганцевистая, мартеновская	–	0,40–0,55	1,2–1,6	0,15–0,35	0,04	0,04
Высокомарганцевистая (литая)	–	0,8–1,50	10,0–15,5	0,30–0,75	0,05	0,05
Железнодорожные рельсы
Для рельсов весом до 45 кг/м:
– мартеновская	М-71	0,64–0,77	0,60–0,90	0,13–0,28	0,04	0,04
– бессемеровская	НБ-62	0,50–0,73	0,60–1,10	0,15–0,30	0,08	0,075
Для рельсов весом 50 кг/м, мартеновская	М-75	0,67–0,80	0,70–1,00	0,13–0,28	0,04	0,05

Углеродистыми трамвайные и железнодорожные рельсы называются потому, что качественная характеристика их определяется в основном содержанием углерода в стали.

Чем больше сталь содержит углерода, тем она тверже и тем менее подвержена истиранию, но зато она более хрупкая.

К полезным примесям в рельсовой стали относятся также кремний, который раскисляет и уплотняет металл, а также марганец, придающий стали большую вязкость и увеличивающий ее износоустойчивость. Однако эти полезные примеси полезны только в определенных пределах.

С увеличением содержания марганца в прокатных трамвайных и железнодорожных рельсах должно быть уменьшено содержание углерода в рельсовой стали.

Кроме того, основную рельсовую сталь можно улучшить путем облагораживания ферросплавами – примесью хрома, никеля, ванадия и т. п.

Примеси фосфора и серы являются вредными в рельсовой стали, так как придают ей хрупкость, причем сера вызывает красноломкость металла, т. е. хрупкость в нагретом состоянии, а фосфор придает холодноломкость стали, т. е. хрупкость в холодном и горячем состояниях. Поэтому весьма желательно ограничивать эти примеси до возможного предела.

Структура рельсовой стали

Исследованиями установлено, что рельсы трамвайного типа более неоднородны, чем рельсы железнодорожного типа, причиной этому служит более сложная конфигурация профиля трамвайных рельсов, вызывающая неравномерное обжатие и обработку отдельных частей профиля при различных температурах, доходящих до 980 °C. В то же время лучшая однородная мелкозернистая сталь при ее обработке давлением получается при температуре в 700–860 °C. Однородность структуры рельсовой стали проверяется при помощи макроструктурных и микроструктурных испытаний.

Макроструктура выявляется глубоким травлением образца рельса по всему поперечному сечению. Травление производится обычно серной кислотой (H₂SO₄), а иногда и каким-либо другим способом. После этого протравленный образец фотографируется в натуральную величину. Равномерная мелкозернистая структура соответствует доброкачественному рельсу. Недоброкачественность заключается главным образом в явных признаках отделения легкоплавких веществ от трудноплавких (ликвации). Тогда на образце будут заметны продольные жилы, которые иногда переходят во внутренние трещины.

Для получения микроструктуры из рельса берется небольшой образец, полируется и после протравливания его однопроцентным раствором азотной кислоты в алкоголе фотографируется под микроскопом с увеличением в 100–150 раз. На рис. 1 показана микрофотография структуры рельсовой стали с увеличением в 100 раз. На микрофотографии белым цветом изображается феррит (свободное железо), черным–перлит (железо с углеродом). Структура должна быть перемешанная, зернистая, что указывает на однородность металла рельса.

Рис. 1. Микрофотография рельсовой стали.

Источник

Из какой стали делают рельсы

Современный мир трудно представить без железнодорожного сообщения. Рельсы применяются прежде всего, для строительства железных дорог, но также различают крановые и промышленные пути. В кинематографе камера тоже движется по специальной рельсовой дорожке.

В древних государствах (Египте, Риме и Греции) пытались найти способ, который помог бы перемещать тяжелые грузы с меньшими трудозатратами. Для этого строили каменные дороги с колеями, мостки для подъема материалов и провизии на возвышения. По таким путям перевозили морские корабли на смазанных жиром полозьях.

В XVI веке при добыче камня и угля широко использовали деревянные лежни, они позволяли лошадям за 1 подход перевозить вес в 4 раза больший, чем при обычной транспортировке. Позже они были заменены на чугунные пластины. В XVIII столетии такие конструкции строили в основном для промышленных нужд, но стали появляться участки для пассажирских перевозок на конной тяге.

Прообраз современных рельс был создан горным инженером Петром Фроловым на основе грибовидной разработки В. Джессопа. Рельсы имели выпуклую форму, колеса напротив были сконструированы с соответствующей выемкой. Это дало возможность достичь скорости 50 км/ч. Первая пассажирская железная дорога в России была построена в 1837 по маршруту Санкт-Петербург — Царское село, ее протяженность составила 27 км. Поставки чугунных изделий для строительства путей на производственных участках осуществлялись уже в 1825 году.

Современные поезда могут перевозить многотонные грузы и перемещаться на больших скоростях. Форма профиля рельсы почти не изменилась, зато увеличился вес. В сравнении с 1880-гг с 22 кг он вырос до 70-75 на каждый погонный метр. Легкие конструкции до сих пор применяются для узкоколейных дорог и малонагруженных участков. Одновременно возросли требования к производству рельсовой стали.

Рельс выполняет следующие задачи:

Для дорог со скоростью движения до 250 км/ч химический состав сплавов по ковшевой пробе регламентируется ГОСТ Р 55497-2013:

Стали с таким содержанием углерода называют высокоуглеродистыми (выше 0,6%), кремний и марганец являются полезными природными примесями и одновременно раскислителями при выплавке (ферромарганец, ферросилиций), алюминий также применяют для удаления кислорода из расплава. Фосфор и сера — природные вредные примеси, увеличивающие склонность к коррозии, хладноломкость, красноломкость. Для достижения приведенных значений осуществляется глубокая очистка. Если требуется придать готовым изделиям дополнительные характеристики используют микролегирование:

Для готовых сплавов предусматриваются допустимые отклонения от химического состава, в зависимости от элемента они не превышают сотых или тысячных долей процента, а общее содержание кислорода не может быть выше 0,003%.

Микроструктура представляет собой пластинчатый перлит с включениями феррита на границах зерен, неоднородность структуры не допускается (запрещены дефекты: пористость, пузыри, темные и светлые пятна, ликвация).

Готовую сталь после ковшовых проб разливают в изложницы, где она застывает в виде слитков. Сырье транспортируют на специальные заводы, где осуществляют следующие этапы:

Длина стандартного ж/д рельса — 100 метров. Прокладка бесстыковых перегонов и сварных плетей снижает сопротивление транспорту на 5-7%. Экономия на стыковых креплениях достигает 4 тонн на 1 км. Одновременно тяжелые рельсы равномерно распределяют нагрузку на большее число шпал, уменьшают механический износ балласта и имеют больший срок службы. Таким образом повышение металлоемкости уменьшает соотношение расхода металла и перевозимого по участку тоннажа.

Виды рельсовой стали

Марки, используемые для верхнего строения путей (ВСП) сходны по химическому составу, но соотношение твердости, пластичности и других свойств у них разное. Рассмотрим самые популярные материалы:

Стали выплавляют разными методами:

От метода выплавки зависит уровень чистоты от примесей и точность состава. В зависимости от химической формулы сплавы обладают разной склонностью к термоупрочнению, в связи с этим готовую продукцию классифицируют следующим образом:

Изделия без термической обработки пригодны для высокоскоростного пассажирского транспорта и путей общего назначения обычной, повышенной и высокой прочности.

Термообработке подвергают рельсы с увеличенной низкотемпературной и контактной надежностью, повышенной износостойкостью для совмещенного движения (пассажиропоток+ грузоперевозки).

Маркировка рельсовой стали

Стальные сплавы для путей общего назначения по ГОСТ Р 51685-2013 обозначаются буквами и цифрами, например: Э76Ф, М76Т, 76ХСФ, 90ХАФ. Рассмотрим, как расшифровываются маркировки:

Рельсы для узкоколейных дорог производят по ГОСТ 5876-82, предусмотрено всего три марки стали: Н50, Т60, ПТ70. В зависимости от содержания углерода действует классификация:

Цифры указывают на углеродную долю в сотых долях процента. К этим изделиям предъявляют меньше требований (например их твердость всего 170-250 НВ) поэтому допускается изготовление из сталей с индексами раскисления СП и ПС. В металле больше вредных примесей, влияние которых компенсируется мышьяком, повышающим износостойкость и твердость.

Требования к массовой доле элементов в составе марки рельсовой стали

В марках стали буквы М, К, Э – обозначают способ выплавки стали, цифры – среднюю массовую долю углерода, Буквы Ф, С, Х, Т – легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Допускается массовая доля остаточных элементов – хрома (В рельсах категории Т1, Т2, H), никеля и меди не более 0,15% каждого, при суммарной массовой доле не более 0,40%.

Химический состав для Р65К должен соответствовать указанному, за исключением массовой доли углерода, которая должна быть 0,83 – 0,87%. При этом цифры в марке стали заменяют на 85.

Механические свойства рельсовой стали

Сталь для изготовления рельсовых путей должна противостоять циклическим нагрузкам, обладать достаточной твердостью и пластичностью. Для проведения контрольных испытаний используют рельсы начала и окончания плавки, промаркированные специальным образом.

Механические свойства замеряют с учетом параметров готовой продукции (толщины металла, показателей, полученных при термообработке). Основные характеристики:

Конструкция профиля состоит из головки катания, шейки и подошвы. Изготовить и эксплуатировать изделие с равными показателями твердости во всех частях довольно затруднительно, поэтому твердость по Бринеллю (НВ) измеряют в нескольких точках:

Наибольшая прочность в точке 1, а наименьшая в — 5, при этом разность значений не должна превышать 30 НВ. Все показатели сводятся к эксплуатационным качествам: предел выносливости, эксплуатационная надежность, циклическая трещиностойкость.

Источник

[Статья] Рельсовая сталь и маркировка рельсов

Материалом для рельсов служит рельсовая сталь. Рельсы изготавливаются двух групп: I группа — из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителя-ми без применения алюминия или других раскислителей, образующих в стали вредные строчечные неметаллические включения; II группа — из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганец-алю-миниевым сплавом.

Качество стали определяется ее химическим составом (табл. 1.2).

С повышением в стали углерода С повышается общая прочность рельсов при изгибе, твердость и износостойкость. Марганец Mn увеличивает твердость, износостойкость и вязкость рельсовой стали, а кремний Si — твердость и износостойкость. Фосфор Р и сера S — вредные примеси. При низких температурах рельсы с большим содержанием фосфора становятся хрупкими, а серы — красноломкими (при прокате рельсов образуются трещины). Ванадий, титан и цирконий — микролегирующие и модифицирующие добавки, улучшающие структуру и качество стали.

Макроструктура современной углеродистой рельсовой стали представляет пластинчатый перлит с небольшими прожилками феррита на границах перлитных зерен. Значительная твердость, сопротивление износу и вязкость углеродистых сталей достигаются приданием им однородной сорбитной структуры (с помощью специальной термической обработки).

Механические свойства стали для рельсов I и II групп при испытаниях на растяжение должны соответствовать данным, приведенным в табл. 1.3.

Эти данные соответствуют рельсам, изготовленным из мартеновской стали, не закаленным по всей длине.

Сталь для рельсов должна иметь чистое, однородное, плотное мелкозернистое строение (макроструктуру).

Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них флокенов, а также местных неметаллических включений (глинозема, карбидов и нитридов титана или глинозема, сцементированного силикатами), вытянутыми вдоль направления проката в виде дорожек — строчек.

Поверхность головки рельса на его концах подвергается закалке с прокатного или индукционного нагрева токами высокой частоты.

Для обеспечения большей износостойкости и долговечности рельсы изготавливают из мартеновской высокоуглеродистой стали (типы Р75, Р65, Р50), подвергая их герметической обработке по всей длине путем объемной закалки в масле с последующим печным отпуском (ГОСТ 18267—82). Макроструктура закаленного металла головки рельса представляет собой сорбит закалки. Твердость по Бринеллю на поверхности катания головки закаленных рельсов должна быть в пределах 341—388 НВ, шейки и подошвы — не более 388 НВ.

Механические свойства объемноза-каленных рельсов должны характеризоваться величинами не менее указанных ниже:

Марка стали	Массовая доля элементов %
	Углерод	Марганец	Кремний	Ванадий	Титан	Хром	Фосфор	Сера	Алюминий
							Не более
К78ХСФ	>0,76-0,82	0,75-1,05	0,40-0,80	0,05-0,15	0,040-0,60	0,025	0,025	0,005
Э78ХСФ
М76Ф	0,71-0,82		0,25-0,45	0,03-0,15	0,035	0,040	0,020
К76Ф					0,030	0,035
Э76Ф					0,025	0,030
М76Т				>	>0,007-0,025	0,035		0,040
К76Т						0,030		0,035
Э76Т						0,025		0,030
М76					>	0,035	0,040	>0,025
К76						0,030	0,035
Э76						0,025	0,030

Временное сопротивление на разрыв, кПа. 12 МО5

Предел текучести, кПа. 8,1 • 10e5

Ударная вязкость при 20 С, кгм/см2 2,5

Рельсы, полностью удовлетворяющие техническим требованиям и стандартам, относятся к 1-му сорту. Рельсы, имеющие отклонения в химическом составе и механических свойствах, относятся ко 2-му сорту.

Объемнозакаленные рельсы имеют срок службы в 1,3—1,5 раза выше, чем обычные.

Условия эксплуатации рельсов на дорогах Сибири и Дальнего Востока почти вдвое тяжелее, чем в Европейской части России. Поэтому в настоящее время созданы рельсы низкотемпературной надежности Р65, объемнозакаленные I группы, изготовляемые из ванадий-ниобий-боросодержащей стали с использованием для легирования азотированных ферросплавов. Для этих рельсов используется электросталь, варка которой производится в дуговых печах.

При температуре минус 60 °С рельсы из электростали выдерживают ударные нагрузки вдвое большие, чем рельсы из мартеновской стали.

В настоящее время российские рельсы — одни из лучших в мире. Однако японские, французские, шведские и канадские рельсы имеют значительно более низкий уровень собственных напряжений и большую чистоту рельсовой стали, а также прямолинейность. Именно поэтому сейчас началась их закупка для участков скоростного движения российских железных дорог.

Маркировка, сроки службы рельсов и мероприятия по их продлению

Маркировка рельсов производится для правильной укладки их в путь и для определения места и времени изготовления каждого отдельного рельса. Она подразделяется на основную (постоянную), выполняемую во время прокатки клеймением в горячем и холодном состоянии (рис. 1.2) и дополнительную или временную, выполненную краской. Основная заводская маркировка указывает соответствие рельсов

требованиям стандартов, а дополнительная отмечает особенности каждого рельса (укорочение, сорт и т. д.).

Завод, изготовляющий рельсы, гарантирует исправную службу рельсов в пути в течение срока наработки, исчисляемого в миллионах тонн брутто пропущенного тоннажа Т. Рельсы изымаются с пути или по износу головки или по дефектности. Как правило, вертикальный износ головки не достигает предельных значений при норме наработки Т, при которой производят сплошную смену рельсов из-за их предельного выхода по одиночным дефектам.

В настоящее время принята классификация дефектов рельсов, приведенная в табл. 1.4.

Интенсивность одиночного выхода рельсов зависит от их наработки (пропущенного по ним тоннажа), конструкции пути, нагрузок на рельсы от колесных пар обращающегося подвижного состава, плана и профиля пути, типа рельсов, качества стали и других факторов. На рис. 1.3 приведены осредненные для сети бывшего СССР кривые нарастания одиночного изъятия нетермообработанных рельсов на прямых и пологих кривых в зависимости от пропущенного тоннажа при звеньевом пути на деревянных шпалах.

Объемнозакаленные рельсы имеют значительно меньший выход, что видно, например, на графике рис. 1.4 для линии С.-Петербург — Москва.

Наибольшее одиночное изъятие дефектных рельсов производится из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла, из-за чрезмерного бокового износа головки в кривых и из-за коррозии подошвы рельса и кор-розионно-усталостных трещин (дефекты 44, 17, 21, 14, 11, 69 — см. табл. 1.4).

Продление сроков службы рельсов в настоящее время производится путем применения ресурсосберегающих технологий, в частности, хорошим средством восстановления служебных свойств рельсов является их периодическая шлифовка в пути или острожка старогодных рельсов на рельсосварочных предприятиях. Для шлифовки рельсов применяются рельсошлифовальные механизмы и рельсошлифовальные поезда с абразивными кругами.

Повышение качества рельсов ведется по трем основным направлениям: повышение чистоты рельсовой стали; повышение твердости рельсового металла и улучшение его структуры; повышение прямолинейности рельсов при изготовлении. Разрабатывается также рельс Р65ш, который будет иметь запас в высоте головки (6. 7 мм) на последующую шлифовку.

Источник