5.4. Рельсовые стали

Рельсы являются основным элементом верхнего строения железнодорожного пути, воспринимающего воздействие подвижного состава.

Высокая грузонапряженность, большие нагрузки на оси локомотива и вагонов при растущей массе поездов и скорости их движения определяют тяжелые условия работы рельсов. Работоспособность железнодорожного транспорта, безопасность движения в значительной мере определяется качеством рельсов. При движении поезда рельсы испытывают высокие удельные контактные давления, доходящие до 2500 МПа и знакопеременные напряжения, изгибающие рельсы в вертикальной плоскости и доходящие до 2400 МПа, а также подвергаются воздействию горизонтальных сил на кривых участках пути из-за центробежного ускорения подвижного состава. При качении колес на кривых участках пути происходит также проскальзывание колес, в результате чего происходит износ (смятие и истирание) головки рельсов в вертикальном направлении по боковой поверхности. Наличие стыков и неровностей приводит к возникновению ударных нагрузок.

Основным видом разрушения рельсов в эксплуатации являются контактно-усталостные повреждения. Усталостные трещины возникают на поверхности головки рельсов, где происходит значительная пластическая деформация и наклеп, и затем распространяются вглубь и могут, в конце концов, привести к хрупкому разрушению рельса. Исходя из условий эксплуатации рельсов и анализа причин их разрушения, сталь, используемая для изготовления рельсов, помимо высокой износостойкости и контактно-усталостной прочности, должна обладать живучестью, характеризующейся скоростью роста поперечных усталостных трещин, а также сопротивлением хрупкому разрушению, гарантирующим надежность в эксплуатации. Износостойкость и контактно-усталостная прочность зависит от твердости и прочности стали, а сопротивление хрупкому разрушению - от пластичности и ударной вязкости.

Введенный в Украине новый стандарт ДСТУ 4344:2004 «Рейки звичайні длязалізниць широкої колії» устанавливает повышенный уровень требований к рельсам, чем ранее действующий ГОСТ 24182-80. Новые требования по таким важнейшим показателям качества рельсов, как чистота их по вредным примесям и газам, механические свойства, твердость по поверхности катания и по сечению головки, приближены или находятся на уровне требований стандартов зарубежных стран, занимающих ведущие позиции в производстве рельсов. Ужесточены нормы по прямолинейности рельсов и по допустимым видам и размеру строчек оксидных включений, которые служат одной из причин образования контактно-усталостных дефектов и разрушения рельсов.

Согласно ДСТУ 4344:2004 рельсы изготовляют типов Р50, Р65 и Р75. Цифры в обозначении марки стали показывают условно среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента (например, 74 – 0,69 – 0,80 % С; 76 – 0,71 – 0,82 % С). Буквы М, К и Э, стоящие перед цифрами, указывают способ выплавки стали: М - мартеновская, К - кислородно-конвертерная и Э - электросталь. Например, М76Ф – сталь мартеновская, микролегированная ванадием. Ванадий вводится в количестве 0,03-0,07 %, а титан – в количестве 0,007-0,0025 %. Максимальное содержание фосфора допускается 0,035 %, а серы – 0,040 %.

По категориям качества рельсы подразделяются на рельсы высшей, первой (I), второй (II) и третьей (III) категорий. Механические свойства металла головки рельса приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Механические свойства рельсов при испытании (ДСТУ 4344:2004)

Категория рельса	Механические свойства
	Временное сопротивление, в, Н/мм (кгс/мм )	Предел текучести 0,2, Н/ММ~ (кгс/мм )	Относительное удлинение , %	Относительное сужение, , %	Ударная вязкость KCU, Дж/см2 (кгс∙м/см2)
	не менее
Высшая	1290(131)	850(87)	10,0	30,0	15(1,5)
I	1196(122)	800(82)	8,0	25,0	25(2,5)
II	1137(116)	740(76)	6,0	25,0	15(1,5)
III	900(92)	—	5,0	—	—

На поверхности катания рельсы высшей категории должны иметь твердость НВ 374-401,1 категории НВ 341-388 и IIкатегории НВ 311-388.

Микроструктура металла головки поверхностно закаленных рельсов представляет собою троостит, троосорбит или сорбит закалки с переходом к сорбитообразному перлиту и исходной перлитной структуре.

Рассмотрим влияние углерода, легирующих элементов и примесей на свойства рельсовых сталей. Содержание углерода в рельсовых сталях по ДСТУ 4344:2004 находится в пределах 0,69-0,82 %. Увеличение содержания углерода в рельсовой стали повышает устойчивость переохлажденного аустенита, перлитное превращение происходит при более низких температурах, т.е. в области образования пластинчатых структур с большей дисперсностью, а следовательно, и твердостью. При этом структура изменяется от сорбита закалки с ферритной сеткой по границам сорбитных колоний до однородного сорбита закалки в стали эвтектоидного состава. С повышением содержания углерода значения характеристик, определяющих прочность и долговечность закаленных рельсов (в том числе контактно-усталостная прочность и износостойкость), повышаются, а характеристики надежности (в том числе работа хрупкого разрушения) несколько снижаются. Однако даже при содержании углерода 0,82 % эти характеристики находятся на достаточном уровне.

Из-за большого химического сродства марганца к кислороду, азоту и сере его используют в качестве раскислителя и десульфуратора. Марганец значиельно увеличивает прокаливаемость стали, сильно сдвигая вправо С-образную диаграмму. Марганец упрочняет феррит, но при содержании его до 1,0 % он практически не понижает пластичность и вязкость. Кремний упрочняет феррит и увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита. В литературе показано, что для получения однородной структуры тонкопластинчатого сорбита закалки, имеющего верхний предел по твердости НВ 400, содержание кремния должно быть до 0,45 %, что и учтено в новом стандарте. Микролегирование ванадием и титаном повышает дисперсность структуры (уменьшает межпластинчатое расстояние в перлите и величину зерна) и одновременно приводит к образованию дисперсных карбонитридных фаз, что обеспечивает дисперсионное упрочнение. Поэтому при введении в сталь ванадия и титана заметно повышаются прочностные характеристики. Кроме того, титан проявляет себя и как модифицирующий элемент. В качестве раскислителей и модификаторов в сталь вводят Ва, Са и Mg. Фосфор и сера – вредные примеси. Растворяясь в-железе, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывая хладноломкость стали. Сульфиды в стали имеют форму вытянутых строчек. Такие включения служат концентраторами напряжений, приводящих к контактно-усталостным повреждениям головки рельсов. Поэтому содержание серы в мартеновских и конвертерных рельсовых сталях ограничивают 0,040 %, а в электростали 0,025 %. Содержание фосфора должно быть менее 0,030-0,035 %. Постоянно растущие нагрузки на рельсы требуют повышения их качества. Это достигается во-первых, улучшением металлургического качества рельсовой стали, что обеспечивается выплавкой рельсовой стали в конвертерах и электросталеплавильных печах, ее вакуумирование, совершенствованием технологии раскисления, модифицирования и микролегирования, производством рельсов из непрерывнолитых заготовок и др.

При вакуумировании одновременно эффективно удаляется растворенный в стали водород, и, следовательно, этот процесс можно рассматривать как операцию противофлокенной обработки рельсов.

Одним из основных путей повышения стойкости рельсов из сталей перлитного класса является легирование. В литературе имеются сведения о легировании рельсовой стали хромом, молибденом, ванадием, азотом и др. Однако авторы многих работ считают, что повышение твердости перлитной стали выше НВ 400 отрицательно скажется на другие механические свойства, износостойкость и свариваемость.

Дальнейшее повышение прочности рельсовой стали за счет легирования связывают с переходом на другой тип структуры, в частности, на структуру нижнего бейнита, имеющего высокую твердость (более НВ 400) и образующегося в стали бейнитного класса при охлаждении на воздухе с прокатного или перекристаллизационного нагрева. Бейнитные стали превосходят перлитные по прочности и вязкости, твердости и износостойкости, что открывает перспективное направление по повышению эксплуатационной стойкости рельсов.

Для получения нижнего бейнита необходимо увеличить инкубационный период распада переохлажденного аустенита по перлитной ступени и снизить температуру распада аустенита ниже 450 °С. Это достигается легированием стали марганцем, кремнием, хромом и молибденом при суммарном содержании легирующих элементов 3-4 % и снижением содержания углерода до 0,20-0,40 %. Последнее уменьшает инкубационный период распада по бейнитной ступени. Высокие прочностные свойства при хорошей пластичности, высокой вязкости разрушения и износостойкости были получены на стали следующего состава: 0,40 % С; 1,5 % Si; 0,9 % Мn; 0,8 % Мо и 0,1 %V. Механические свойства этой стали после прокатки составляли:_в= 1326 МПа;_0,2= 815 МПа;= 9 %;= 18 %. После дополнительного отпуска при 550 °С механические свойства повысились:_в= 1455 МПа;_0,2= 1037 МПа;= 13 %;= 38 %.

Для изготовления высокопрочных рельсов рекомендована бейнитная дисперсионно-упрочняемая сталь, состава: 0,30-0,37 % С; 1,4-1,6 % Мn; 1,1-1,3%Si; 1,0-1,1 % Сr; 0,10-0,15 %V; 0,012-0,020 %N; 0,2-0,4 % Мо.

При охлаждении на воздухе с прокатного или перекристаллизационного нагрева в рельсах формируется мелкозернистая структура нижнего бейнита (зерно аустенита № 9-10) и достигается высокое сочетание прочности, пластичности и вязкости. Рельсы из этой стали технологичны, хорошо поддаются правке на роликоправильной машине.

После горячей прокатки рельсы подвергают противофлокенной термообработке, заключающейся в замедленном охлаждении или изотермической выдержке. Для предотвращения образования флокенов можно удалить значительную часть водорода из стали в жидком состоянии путем вакуумирования. Содержание водорода в стали менее 2,0 см на 100 г металла гарантирует отсутствие флокенов.

В настоящее время применяют следующие методы термической обработки рельсов по всей длине:

1. Объемная закалка в масле с температуры нагрева 840860 °С и последующий отпуск при 450+15 °С в течение 2 ч на структуру сорбит отпуска.

2. Поверхностная закалка с индукционного нагрева. Метод заключается в нагреве головки рельса в индукторе на определенную глубину и охлаждении водовоздушной смесью. Микроструктура закаленного слоя - тонкопластинчатый сорбит.

3. Поверхностная закалка рельсов с объемного печного нагрева. Метод заключается в нагреве рельсов в проходной роликовой печи до температуры 820850° и охлаждении головки рельсов водой, нагретой до 3550 °С. После такой обработки микроструктура закаленного слоя неоднородна: на глубине 35 мм от поверхности катания - сорбит отпуска на глубине 58 мм - отпущенный бейнит, далее идет сорбит закалки, переходящий в перлит.