Рельсовая сталь. Из чего состоит рельс.

Категории рельсов выделяются своей высокой устойчивостью к циклическим нагрузкам. Прочность на растяжение данных рельсов варьируется от 800 до 1000 МПа, что зависит от конкретной категории. При этом рельсовая сталь начинает проявлять деформацию в диапазоне от 600 до 810 МПа, что в свою очередь обуславливается содержанием легирующих элементов в структуре стального сплава.

Из какой стали делают рельсы

Трудно представить современный мир без железнодорожного транспорта. Рельсы, являющиеся основным элементом железнодорожного строительства, используются не только в этом секторе; их также применяют для крановых систем и в промышленной логистике. В кинематографе, например, используются специальные рельсы для движения камер, что еще больше подчеркивает универсальность этого элемента.

Древние цивилизации, такие как Египет, Рим и Греция, искали способы облегчить транспортировку тяжелых грузов, что привело их к строительству каменных дорог с рельсами и мостами. Эти дороги предоставляли возможность перемещать грузы, такие как строительные материалы и продовольствие, даже на возвышенные места. В некоторых случаях такие системы использовались для транспортировки морских судов по промасленным рельсам, что существенно упрощало процесс.

В XVI веке начали массово использовать деревянные настилы в горной индустрии, что позволяло лошадям перевозить в четыре раза больше груза, чем обычными средствами передвижения, увеличивая эффективность работы. Позже эти настилы были заменены чугунными аналогами. В XVIII веке подобные конструкции, хотя и в основном нацеленные на промышленное использование, начали применять и для конного пассажирского транспорта, что стало началом более широкой практики использования рельсов для различных нужд.

Современные рельсы, как результат долгих исследований и разработок, могут эффективно перевозить тяжелые грузы и поддерживают высокую скорость движения. Несмотря на то, что профиль рельсов практически не изменился, их вес значительно возрос. Так, за период с 1880-х годов вес рельсов увеличился с 22 килограммов до 70-75 килограммов на погонный метр. Более легкие конструкции все еще применяются на узкоколейных и городских железнодорожных линиях. Однако требования к качеству и устойчивости к нагрузкам рельсовой стали значительно возросли.

Рельсы выполняют несколько ключевых задач:

• Они служат направляющим элементом, обеспечивая правильное движение подвижного состава;
• Рельсы воспринимают и равномерно распределяют нагрузки на шпалы, что минимизирует износ и продлевает срок службы всего железнодорожного пути;
• Некоторые типы рельсов также используют для передачи сигнального или обратного тока в системе управления железнодорожным транспортом.

Для железных дорог, где скорость движения может достигать 250 км/ч, химический состав стальных сплавов, согласно стандартам ГОСТ Р 55497-2013, включает:

• Углерод (C) — в пределах 0,55 — 0,82%;
• Марганец (Mn) — от 0,7 до 1,05%;
• Кремний (Si) — от 0,13 до 0,45%;
• Алюминий (Al) — от 0,02 до 0,25%;
• Фосфор (P) — от 0,025 до 0,030%;
• Сера (S) — в пределах 0,025 — 0,035%.

Стали с высокими уровнями углерода, превышающим 0,6%, классифицируются как высокоуглеродистые стали. Марганец и кремний являются полезными природными присадками, которые также выполняют функцию раскислителей при плавке стали (например, с использованием ферромарганца или ферросилиция). Алюминий также используется для удаления остатков кислорода из расплава. Напротив, фосфор и сера представляют собой вредные примеси, которые увеличивают такую восприимчивость, как коррозия и хладноломкость, что ухудшает прочность стали. Для улучшения этих показателей применяется глубокое рафинирование, а если необходимы дополнительные характеристики, применяют микролегирование.

• Ванадий (V) — от 0,03 до 0,15%;
• Хром (Cr) — от 0,35 до 0,45%;
• Титан (Ti) — от 0,007 до 0,025%;
• Азот (N) — от 0,010 до 0,020%;
• Никель (Ni) — до 0,20%;
• Медь (Cu) — до 0,15% и 0,20% для разных категорий.

Допустимые отклонения от химического состава готовых сплавов строго контролируются и не должны превышать установленные нормы, в то время как общее содержание кислорода в сплаве не должно превышать 0,003 %.

Виды рельсовой стали

Различные марки стали, используемые для обновления поверхности рельсов, обладают схожим химическим составом, но различаются по твердости, пластичности и другим техническим характеристикам. Рассмотрим наиболее распространенные марки:

• К76 — оптимальный выбор для 75% ширококолейных железнодорожных путей;
• К76Ф — легированный ванадием в количестве 0,03-0,1%, используется для промышленных железнодорожных путей с высокой нагрузкой;
• К63 — содержит менее углерода, но благодаря добавкам никеля и хрома (до 0,3%) имеет повышенные коррозионные и механические характеристики;
• К63Ф — также содержит ванадий в своем составе;
• М54 — характеризуется высокой ударной вязкостью за счет увеличенного содержания марганца, применяется для соединительных накладок.

Стали могут быть выплавлены с использованием различных методов:

• М — мартеновская печь;
• К — конвертерная установка;
• Э — электродуговая печь.

Метод плавки напрямую влияет на степень чистоты от примесей и точность химического состава. В зависимости от химической формулы, сплавы могут различаться по своей способности к термическому упрочнению, что и определяет их окончательную классификацию.

• Термоупрочненные (твердость 350 или 370 НВ): такие стали подвергаются объемной закалке с последующим отпуском или дифференцированному упрочнению (например, закалка головки с самоотпуском);
• Нетермоупрочненные (твердость от 260 до 320 НВ).

Продукция, не подвергшаяся термообработке, подходит для высокоскоростных пассажирских и общих рельсов с нормальной, повышенной или высокой прочностью.

Рельсы, прошедшие термическую обработку, характеризуются высокой надежностью при низких температурах и длительной износостойкостью, что делает их отличными для комбинированных перевозок, как пассажирских, так и грузовых.

Маркировка рельсовой стали

Стальные сплавы для универсальных рельсов маркируются согласно ГОСТ Р 51685-2013, используя буквы и цифры, например Э76Ф, М76Т, 76ХСФ, 90ХАФ. Следует разобраться в расшифровке маркировки:

• Первые буквы (М, К, Э) указывают на процесс выплавки
• Цифры (63, 76, 90) обозначают среднее содержание углерода, выраженное в сотых долях процента. Например, в категории Э68 углерод должен находиться в диапазоне 0,60-0,73%. Чем больше углерода, тем выше степень твердости и износостойкости.
• Буквы в конце маркировки (Ф, С, Х, Т, А) показывают легирование стали ванадием, кремнием, титаном, хромом и азотом, при этом не все концентрации указаны, а лишь близкие к 1%.

Для узкоколейных дорог применяются рельсы согласно ГОСТ 5876-82. Существует лишь три основные стальные марки: H50, T60, PT70. Классификация основана на степени содержания углерода:

• Н — нормальная твердость;
• Т — твердые;
• ПТ — повышенной твердости.

Цифры указывают на процент содержания углерода в стали. Для узкоколейных рельсов предъявляются более низкие требования, включая допустимую твердость всего лишь в диапазоне 170-250 НВ. При этом допускаются стали с индексами раскисления SP и PS, в которых может быть повышенное содержание вредных примесей, однако их влияние компенсируется добавлением мышьяка, который увеличивает износостойкость и твердость.

Требования к массовой доле элементов в составе марки рельсовой стали

Указания по буквам — М, К, Э — относятся к процессу выплавки стали, тогда как цифры обозначают среднюю массовую долю углерода. Буквы Ф, С, Х, Т указывают на легирование сталей соответствующими элементами.

Массовая доля других элементов, таких как хром (в рельсах Т1, Т2, Н), никель и медь, не должна превышать 0,15% каждого, в то время как общая масса не должна превышать 0,40%.

Для марки P65K также действуют подобные требования, кроме того содержание углерода здесь может составлять от 0,83% до 0,87%. Соответственно, цифры в наименовании марки стали должны быть заменены на 85.

Рельсовая сталь

Современные железные дороги кардинально изменились по сравнению с системами, существовавшими 100 лет назад. За это время скорость поездов выросла почти в пять раз, а провозная способность увеличилась в 8-10 раз. Это значительно увеличило требования к рельсам, по которым осуществляется движение локомотивов. Таким образом, их износостойкость, прочность и твердость достигли нового уровня, что обуславливает целый ряд функциональных характеристик рельсовой стали.

Химический состав

Рельсовая сталь представляет собой группу сталей с широким спектром применения, в первую очередь предназначенных для строительства путевых систем железных дорог. Фазовая структура сплава основывается на мелкоигольчатом перлите, при этом металл может быть выплавлен как в конвертерной печи, так и в обычной электродуговой печи.

Марки рельсов делятся на две группы в зависимости от типа раскислителя:

1. В первую группу входят сплавы, раскисленные ферромарганцем или ферросилицием.
2. Вторая группа включает раскислители на основе алюминия. Металл во второй группе предпочтительнее, поскольку в нем содержится меньший процент неметаллических включений.

Химический состав рельсов строго регламентируется государственным стандартом ГОСТ Р 55497-2013. В сплаве, помимо основного элемента — железа, должны содержаться следующие компоненты:

• Углерод (0,71-0,82%) — ключевой элемент любой стали, который способствует улучшению механических характеристик стального сплава. Он связывает молекулы железа с частицами углерода, формируя более крупные и твердые молекулы карбидов железа. Более того, углерод служит для дополнительного упрочнения стали под воздействием высоких температур, что позволяет повысить твердость и прочность рельсов на 100%.
• Марганец (0,25-1,05%) — улучшает механические показатели рельсов, увеличивая ударную вязкость в среднем на 20-30%. При этом он повышает твердость и износостойкость стали без ухудшения ее пластичности, что очень важно для технологичности рельсовой стали.
• Кремний (0,18-0,40%) — активно удаляет остатки кислорода, улучшая внутреннюю кристаллическую структуру. Он снижает риск формирования ликвации, что способствует увеличению долговечности пути в 1,3-1,5 раз.
• Ванадий (0,08-0,012%) — отвечает за контактную прочность рельсов. При добавлении в сплав он связывается с углеродом, образуя карбиды ванадия, которые обладают повышенной износостойкостью и плотностью, увеличивая нижний порог предела выносливости сплава.
• Азот (0,03-0,07%) относится к вредным примесям, которые нейтрализуют положительный эффект легирования ванадием. Вместо карбидов образуются нитриды ванадия, имеющие низкие значения механических свойств. Эти соединения не поддаются термоупрочнению и, как правило, существенно снижают эффективность дорогих легирующих добавок, поражая их нецелесообразностью.
• Фосфор (до 0,035%) — нежелательный элемент, который повышает хрупкость металла. Хотя рельсы обладают хорошей твердостью, их прочность часто оказывается недостаточной, что может привести к образованию трещин.
• Сера (до 0,045%) снижает технологические параметры стали, резко увеличивая риск образования трещин при горячем прокате. Рельсы, произведенные из стали с высоким содержанием серы, изображаются в брак из-за своей повышенной хрупкости.

Железнодорожные стали принимают на две категории в зависимости от содержания серы и фосфора. Первая категория характеризуется меньшим процентом этих вредных примесей и используется на самых критически важных участках железнодорожного пути.

Применение и марки рельсовой стали

Как упоминалось ранее, основное применение рельсовой стали заключается в строительстве железнодорожных путей. Ниже представляем список наиболее широко используемых марок стали для этих целей:

• Сталь 76. Одна из наиболее востребованных марок для производства рельсов, основное назначение которых — изготовление рельсов типа РП50 и РП65, которые находят применение на железнодорожных путях, предназначенных для промышленного транспорта с широкой колеёй.
• Сталь 76Ф. Отличается от вышеописанной марки дополнительным содержанием ванадия, что повышает ее устойчивость к нагрузкам и срок службы, позволяя пропускать большее количество локомотивов.
• Сталь К63. Применяется для крановых рельсов с добавлением никеля (до 0,3%), что повышает коррозионную стойкость, при этом она обладает хорошей механической прочностью.
• Сталь К63Ф. Эти рельсы отличаются большей циклической прочностью благодаря добавлению вольфрама в состав.
• Сталь М54. Добавление марганца увеличивает ударную вязкость, что делает ее идеальной для использования в производстве стыковочных накладок.
• Сталь М68. Эта марка используется для прокладки верхнего строения путей.

Таким образом, рельсовая сталь в современности является одним из самых необходимых материалов для строительства железных дорог. Это объясняется оптимальными механическими характеристиками, а также достаточно низкой ценой. Однако поиски оптимальных химических составов для этой группы сталей продолжаются, и тем не менее, можно ожидать, что будущие достижения окажут положительное влияние на долговечность железных дорог.

Рельсовая сталь: марки и характеристики

Правильный выбор материала существенно влияет на долговечность и бесперебойную работу железнодорожных систем. К железнодорожной стали предъявляются особенно строгие требования, ведь рельсы подвергаются невероятным нагрузкам и должны демонстрировать максимальную прочность и устойчивость. Далее рассмотрим состав рельсов и их свойства, присущие различным маркам рельсовой стали.

За сто лет пропускная способность железнодорожного транспорта возросла в 10 раз, а скорость передвижения — в 5 раз. Нагрузка на рельсы соответственно увеличилась, и современные рельсы сегодня заметно прочнее, тверже и стойче к износу, чем их предшественники.

Современные системы рельсового подвижного состава предлагают целый ряд преимуществ, которые определяются прочностными характеристиками рельсовой стали:

• равномерное распределение нагрузок по всей длине пути;
• обеспечение необходимого коэффициента сцепления поверхности рельсов с колесами железнодорожного транспорта, что допускает хорошую скорость движения;
• долговечность эксплуатации, превышающая 50 лет;
• сопротивляемость к износу, позволяющая выдерживать высокие нагрузки и напряжения.

Все эти характеристики делают рельсы способными выполнять основную задачу — обеспечивать быстрое и безопасное движение железнодорожного транспорта.

Особенности рельсовой стали

Рельсы производятся из группы стали, для которой характерен мелкоигольчатый перлит. Процесс плавки осуществляется в конвертерной или электродуговой печи. Заключительная термическая обработка позволяет создать однородную структуру, которая обеспечивает высокую твердость и износостойкость. В процессе плавления используют два типа раскислителей: ферромарганец или ферросилиций для удаления вредных примесей, а также алюминий для удаления остаточного кислорода.

Конкретная марка стали зависит от области применения и типа рельсов. Например, для рельсов узкой и широкой колеи (ВСП) требуется конвертерная сталь, тогда как для опорных систем кранов требуются сплавы с высоким уровнем углерода. Более мягкие сплавы применяются для подземных рельсов в проволочных коробаках, где нагрузки относительно ниже, однако необходима эффективная проводимость электричества.

Теперь взглянем на основные марки рельсов, которые пользуются спросом в железнодорожной отрасли:

• Марка 76. Это наибольшее популярное решение — из производятся профили серий Р50 и Р65, которые составляют 75% всех рельсов с широкой колеёй.
• Марка 76Ф. Укрепленный ванадием и обладающий большей долговечностью для высокоскоростных железных дорог.
• Марка К63. Благодаря легированию никелем (до 0,3%) она более прочна и устойчива к коррозии. Применяется в производстве крановых рельсов и эксплуатации при значительных нагрузках.
• Марка К63Ф. Легированная вольфрамом и обеспечивающая большую прочность.
• Марка М54. Обладает улучшенными показателями вязкости благодаря добавлению марганца, подходит для производства стрелочных переводов и соединительных накладок.
• Марка М68. Используется для специфических элементов ВСП.

Широкий выбор марок рельсовой стали основан на необходимости применения различных механических свойств и эксплуатационных показателей в железнодорожном строительстве. Каждая марка рельсовой стали обозначается маркировкой, которая может быть постоянной или временной. Постоянная маркировка наносится посредством выжигания, тогда как временная наносятся с помощью краски. Указанная маркировка соответствует стандартам ГОСТ, которые касаются как основных характеристик, так и свойств проката, такого как длина и наличие технологических отверстий.

Состав рельсовой стали

Химический состав рельсовой стали подчиняется стандартам ГОСТ Р 55497-2013. Основой металлопроката является железо, а различные легирующие элементы образуют состав в различных массе-пропорциях.

• Углерод (карбон) содержится в количестве 0,71-0,82%. Он вдвое повышает механические характеристики сплавов и увеличивает их устойчивость к высоким температурам.
• Марганец. Доля — 0,25-1,05%. Элемент на 25-30% улучшает ударную вязкость сплавов, а также повышает их твердость и устойчивость к износу, причем при этом сохраняет пластичность, что важно для производства проката.
• Кремний. Доля — 0,18-0,4%. Удаляет кислород из сплава, увеличивает долговечность изделий примерно в 1,4 раза и снижает риск возникновения ликвации.
• Ванадий. Его содержание составляет 0,012-0,08%. Этот элемент повышает контактную прочность рельсов и их предел выносливости.

Производственный процесс также может привести к нежелательным и вредным примесям, влияющим на эксплуатационные характеристики:

• Азот. Его содержание — 0,03-0,07%. Присутствие в сплаве приводит к нейтрализации положительного легирования. Формируются нитриды, что снижает прочность.
• Сера. Концентрация до 0,045%. Появляется высокая вероятность трещинообразования и снижает податливость стали в процессе горячей обработки.
• Фосфор. Его содержание до 0,035%. Этот элемент ухудшает прочность и увеличивает вероятность быстрой накопляемой усталости, что может привести к разломам.

Рельсы служат до окончания срока службы, установленного производителем для соответствующего типа изделия. Однако в результате нарушения условий эксплуатации или производственных дефектов возникает необходимость в замене или ремонте деталей БСЗ.

Таким образом, мы рассмотрели, какие компоненты используют для производства рельсовой стали, которая обычно имеет высокое содержание углерода и легирующий ванадий, а также методы ее проката и термической обработки. Это упростит выбор нужной марки и качества стали.

Наша компания гарантирует поставку шпал и рельсов в любых количествах и по разумным ценам.

Группы

Это классификация металлических рельсов в зависимости от технологии их изготовления и используемого сырья. Сырьевые марки изготавливаются из качественной стали, которая обрабатывается в ковше с использованием комплексных раскислителей. В таких смесях отсутствуют алюминий и другие вещества, способные вызывать образование опасных включений. Вторая группа включает нелегированную сталь, раскисленную алюминием или алюминиево-марганцевым сплавом.

Следует также упомянуть о делении на марки. К первой группе принадлежат марки стали, соответствующие всем технологическим характеристикам. В случае незначительных отклонений в химических и физическом составе, изделие попадает во вторую категорию. Более строгие требования применяются к железнодорожному материалу на восток от Урала, где используется только первосортный металл с добавлением ниобия, ванадия и бора; улучшение характеристик (легирование) осуществляется с использованием азотированных ферросплавов.

Стали, выплавляемые в электродуговых печах, имеют вдвое большую ударную вязкость при надрезе, чем при использовании мартеновского метода даже при низких температурах, например ниже -60 градусов. Маркировка продукции имеет большое значение для правильной логистики. Основная маркировка наносится в процессе прокатки, а дополнительная — с помощью краски.

Эти виды маркировки указывают на стандарты, которые должны соблюдаться, и специфику каждого отдельного рельса.

Марки и их применение

Сплав 76 является наиболее распространенной маркой рельсов на российских железных дорогах. Он служит основой для профильных изделий маркировки Р50 и Р65, на эти два типа приходится не менее 75 % всех рельсов широкой колеи. Также достаточно популярной является марка 76Ф, являющаяся улучшенным вариантом, обладающим более длительным сроком службы благодаря добавлению ванадия.

Свежепрокатанный сплав 76F оптимален для высокоскоростных и тяжеловесных поездов. Рельсы марки P43, как правило, изготавливаются из сплава ST76, также могут использоваться улучшенные сплавы 76F и 76C. Изделия марки K63, легированные никелем (до 0,3%), обладают прочностью и коррозионной стойкостью, что позволяет изготавливать из них рельсы для кранов.

Эта марка также может быть использована:

• К63Ф (с добавлением вольфрама);
• М54 (материал, обогащенный марганцем и отличающийся высокой вязкостью);
• М68 (марка, подходящая для определенных элементов верхнего строения путей).

Обработка

Термическая закалка является лишь одним из доступных методов. Для улучшения характеристик рельсовой стали активно применяются следующие технологии:

• изотермический режим охлаждения;
• закаливание краев путем подачи высокочастотного тока;
• нормализация;
• закаливание с нагревом во время прокатки.

Использование тепла, выделяющегося в результате процесса прокатки, считается наиболее прогрессивным решением. Самый распространенный из методов заключается в применении тепла от прокатки, после чего происходит принудительное охлаждение. На следующем этапе выполняется самозакаливание в холодильной установке. Объемная закалка рельсов в масле, хотя и применяется на некоторых производствах, имеет свои преимущества, такие как:

• значительное время обработки;
• токсичность процесса;
• расходование дорогого масла;
• невозможность достижения дифференцированной твердости.

Как выбрать рельс

Рельсы и другое рельсовое или крановое оборудование не являются случайными товарами для покупателей. Обычно клиенты, приобретающие подобные изделия, умеют считать и понимают, что каждый вложенный рубль в качество здесь обернётся многократной экономией в будущем.

Назначение рельс

Рельсы представляют собой один из ключевых элементов железнодорожного пути и в основном изготавливаются из углеродистой стали. Они поддерживаются на шпалах и опорах, обеспечивая направление подвижного состава, а также необходимы для поглощения и равномерного распределения давления от движения поездов на шпалы и другие компоненты железнодорожного полотна. Рельсы активно используют для укладки железнодорожных линий, а также для проектирования промышленных путей и подъездных дорог к шахтам и карьерам, включая пересечения для кранов и транспортировку грузов.

Тип рельса определяет его удельный вес и обозначается комбинацией буквы «Р» и числа, соответствующего весу погонного метра рельсов в килограммах. Рельсы, как правило, продаются по весу, что становится одним из первых факторов при расчете экономической целесообразности. В нашей стране наиболее широко используются рельсы марок Р65, Р50 и Р43, с типичной длиной, производимой заводами, составляющей 12,5, 25, 50 и 100 метров.

Чтобы правильно определить необходимый тип рельса, прежде всего, необходимо учитывать несколько ключевых факторов:

1. Интенсивность грузоперевозок, осуществляемых на железнодорожных линиях;
2. Погонную нагрузку;
3. Скорость движения подвижных составов и прочие.

Для справки

Рельсы, имеющие больший вес, способны более равномерно распределять давление от колес поезда на большее количество шпал, что приводит к уменьшению механического износа и снижению разрушительных процессов частиц балласта. Более тяжелые рельсы уменьшают расход металла на единицу грузоподъемности и снижают общие затраты на замену рельсов благодаря более длительному сроку службы.

К основным требованиям, предъявляемым к качеству рельсов, относятся:

• Высокая прочность и устойчивость;
• Продолжительный срок службы;
• Обеспечение безопасности движения подвижных составов;
• Удобство эксплуатации и экономичность производства.

Для обеспечения нужной силы сцепления между рельсами и колесами подвижного состава, поверхность катания должна обладать некоторой шероховатостью, однако для снижения сопротивления движению других колес — натяжных и опорных — поверхность рельсов должна быть гладкой.

Материал рельсов

Современные рельсы изготавливаются исключительно из стальных прутков. Сталь производится либо в конвертерах, либо бессемеровским методом или в открытой печи. В производстве бессемеровской стали расплавленный железный сплав продувается кислородом в течение 15-18 минут. При этом происходит сгорание углерода и нескольких примесей. Мартеновская сталь же производится за несколько часов из чугуна и сталевого лома в огромной печи, имеющей емкость от 200 до 1500 тонн. Данный метод называемой стали является более чистым и менее хрупким, чем сталь, полученная способом Бессемера, что особенно актуально для тяжелых рельсов, таких как P65 и P75, которые прокатываются с использованием мартеновской стали.

Качество рельсовых сталей определяется их химическим составом и структурой. Химический состав российских рельсов определяется процентным содержанием добавок в чугуне. Углерод используется для улучшения твердости и износостойкости рельсовой стали. Однако высокий уровень углерода делает сталь более хрупкой при прочих равных условиях, что затрудняет холодную правку рельсов. Поэтому важно обеспечить равномерное распределение металлов по сечению рельса, а содержание фосфора и серы должно быть минимальным и близким друг к другу.