Рельсовая сталь. Из чего состоит рельс.

Категории рельсов характеризуются повышенной устойчивостью к циклическим нагрузкам. Их прочность на растяжение составляет от 800 до 1000 МПа в зависимости от категории. Рельсовая сталь начинает деформироваться между 600 и 810 МПа. Это, в свою очередь, зависит от доли легирующих элементов в составе стального сплава.

Из какой стали делают рельсы

Невозможно представить современный мир без железных дорог. Рельсы в основном используются в железнодорожном строительстве, но различают также крановые и промышленные рельсы. В кино камера также движется по специальному рельсу.

Народы древности (Египет, Рим и Греция) искали способ перевозить тяжелые грузы с меньшими трудозатратами. Для этого они строили каменные дороги с рельсами и мостами, чтобы доставлять материалы и припасы на возвышенные места. Такие дороги использовались для транспортировки морских судов по промасленным рельсам.

В XVI веке деревянные настилы широко использовались при добыче камня и угля и позволяли лошадям за один подход перевозить в четыре раза больше веса, чем обычные средства передвижения. Позже их заменили чугунные настилы. В XVIII веке такие конструкции строились в основном для промышленного использования, но развивались и участки для конного пассажирского транспорта.

Прототип современных рельсов был разработан горным инженером Петром Фроловым на основе грибовидной конструкции У. Джессопа. Рельсы имели выпуклую форму, а колеса — соответствующее углубление. Это позволяло развивать скорость до 50 км/ч. Первая пассажирская железная дорога в России была построена в 1837 году на линии Санкт-Петербург — Чарское Село, ее длина составляла 27 км. Уже в 1825 году было начато производство чугуна для строительства рельсов.

Современные поезда могут перевозить тяжелые грузы и двигаться с большой скоростью. Форма профиля рельсов почти не изменилась, но вес увеличился. По сравнению с 1880-ми годами он увеличился с 22 килограммов до 70-75 килограммов на погонный метр. Легкие конструкции по-прежнему используются на узкоколейных и городских железнодорожных линиях. В то же время возросли требования к производству стали для железнодорожного транспорта.

Рельсы выполняют следующие задачи:

• Служит направляющим элементом;
• Воспринимает и распределяет нагрузку на шпалы;
• Служит проводником обратного или сигнального тока.

Для дорог со скоростью до 250 км/ч химический состав сплавов в образце полотна регламентируется ГОСТ Р 55497-2013:

• Углерод (С) — 0,55 — 0,82%;
• Марганец (Mn) — 0,7 — 1,05%;
• Кремний (Si) — 0,13 — 0,45%;
• Алюминий (Аl) — 0,02 — 0,25%;
• Фосфор (Р) — 0,025 — 0,030%;
• Сера (S) — 0, 025 — 0,035%.

Стали с таким содержанием углерода называются высокоуглеродистыми (более 0,6%), кремний и марганец являются полезными природными примесями, а также раскислителями при плавке (ферромарганец, ферросилиций), алюминий также используется для удаления кислорода из расплава. Фосфор и сера — природные вредные примеси, повышающие восприимчивость к коррозии, хладноломкость и хрупкость. Для достижения этих показателей проводится глубокое рафинирование. Если для готовых деталей требуются дополнительные свойства, используется микросплав.

• Ванадий (V) — 0,03 — 0,15%;
• Хром (Cr) — 0,35 — 0,45%;
• Титан (Ti) — 0,007 — 0,025%;
• Азот (N) — 0,010 — 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 не должны превышать сантиметров или миллиметров, в зависимости от элемента, а общее содержание кислорода не должно превышать 0,003 %.

Виды рельсовой стали

Марки, используемые для обновления поверхности трека (TSB), схожи по химическому составу, но имеют различную твердость, пластичность и другие свойства. Рассмотрим наиболее распространенные материалы:

• К76 — оптимальный вариант для 75% для ширококолейных ж/д полотен;
• К76Ф — микролегирование ванадием 0,03-0,1% позволяет использовать металл для путей с высокой нагруженностью и предназначенных для промышленного транспорта;
• К63 — содержит меньше углерода, но добавки никеля и хрома (до 0,3%) повышают коррозионную стойкость и механическую выносливость;
• К63Ф — с присадками ванадия;
• М54 — с повышенной ударной вязкостью, благодаря увеличенному содержанию марганца, применяется для соединительных накладок.

Стали выплавляются с использованием различных процессов:

• М — в мартеновской печи;
• К — в конвертерной установке;
• Э — в электропечи.

Процесс плавки определяет степень чистоты от примесей и точность состава. В зависимости от химической формулы сплавы имеют различную склонность к термическому упрочнению, поэтому конечные продукты классифицируются следующим образом.

• Термоупрочненные (твердость 350 или 370 НВ): применяют объемную закалку и отпуск или дифференцированное упрочнение (закалка головки с самоотпуском, горячая правка);
• Нетермоупрочненные (твердость 260, 300 или 320 НВ).

Продукция без термообработки подходит для высокоскоростных пассажирских и общих рельсов с нормальной, повышенной и высокой прочностью.

Рельсы с термической обработкой с повышенной надежностью при низких температурах и контактах и повышенной износостойкостью для комбинированных перевозок (пассажирских и грузовых).

Маркировка рельсовой стали

Стальные сплавы для универсальных рельсов по ГОСТ Р 51685-2013 маркируются буквами и цифрами, например: Э76Ф, М76Т, 76ХСФ, 90ХАФ. Теперь рассмотрим, как расшифровывается эта маркировка:

• Буквы в начале (М, К, Э) указывают на технологию выплавки. В электропечи проще регулировать температуру, в расплав не попадают продукты горения, поэтому примесей в Э76 меньше, чем в К76.
• Цифры (63, 76, 90) говорят о среднем для марки содержании углерода в сотых долях процента, например в Э68 оно должно находиться в диапазоне 0,60-0,73%. Чем больше карбидов, тем выше твердость и износостойкость.
• Буквы в конце (Ф, С, Х, Т, А) — легирование ванадием, кремнием, титаном, хромом, азотом, при этом обозначаются не все концентрации, а только приближенные к 1%.

Рельсы для узкоколейных дорог изготавливаются по ГОСТ 5876-82. Существует всего три вида стали: H50, T60, PT70. Существует классификация по содержанию углерода:

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

Цифры указывают на процентное содержание углерода. К таким изделиям предъявляются более низкие требования (например, их твердость составляет всего 170-250 НВ), поэтому допустима сталь с индексами раскисления SP и PS. В металле содержится больше вредных примесей, влияние которых компенсируется мышьяком, повышающим износостойкость и твердость.

Требования к массовой доле элементов в составе марки рельсовой стали

Для марок стали буквы М, К, Э указывают на процесс выплавки стали, цифры — на среднюю массовую долю углерода, буквы Ф, С, Х, Т — на легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Массовая доля других элементов — хрома (в рельсах Т1, Т2, Н), никеля и меди — не должна превышать 0,15 % каждого, общая массовая доля не должна превышать 0,4 0 %.

Химический состав для P65K должен соответствовать указанному, за исключением массовой доли углерода, которая может составлять 0,83-0,87 %. В этом случае цифры в категории стали должны быть заменены на 85.

Рельсовая сталь

Железные дороги сегодня не такие, как 100 лет назад. С тех пор скорость движения поездов возросла почти в пять раз, а провозная способность увеличилась в 8-10 раз. Такие количественные изменения не могут не сказаться на рельсах, по которым ходит локомотив. Их износостойкость, прочность и твердость также вышли на новый уровень. Сегодня рельсовая сталь обладает целым рядом функциональных свойств.

Химический состав

Рельсовая сталь — это группа сталей, которые имеют общее применение. А именно, строительство путевых систем для железных дорог. Фазовая структура сплава основана на мелкоигольчатом перлите. Металл выплавляется либо в конвертерной печи, либо в обычной электродуговой печи.

Марки рельсов делятся на 2 группы в зависимости от типа используемого окислителя:

1. В 1-ую группу входит сталь, раскисленная ферромарганцем или ферросилицием.
2. Вторая — включает в себя раскислители на основе алюминия. Металл 2-ой группы является предпочтительней, т.к. содержит в себе меньший процент неметаллических включений.

Химический состав рельсов полностью регламентируется государственным стандартом ГОСТ Р 554 97- 2013. Согласно ему, в сплаве, помимо основного компонента — железа, должны содержаться следующие элементы:

• Углерод (0,71-0,82%) является базовой составляющей любой стали. Главное назначение углерода — это увеличение механических характеристик стального сплава. Происходит это за счет связывания молекул железа частицами углерода, в результате чего образуются более крупные, твердые и одновременно прочные молекулы карбидов железа. К тому же углерод позволяет стали дополнительно упрочняться при воздействии на нее повышенной температуры. Таким образом, твердость и предел прочности рельс может быть увеличен еще на 100%.
• Марганец (0,25-1,05%) способствует улучшению механических свойств рельсы. Благодаря его добавлению в состав удается увеличить значение ударной вязкости в среднем на 20-30%. Твердость и износостойкость также повышаются. Но в отличие от углерода, изменение данных показателей происходит без ухудшения его пластичных свойств, что играет не мало важную роль для технологичности рельсовой стали
• Кремний (0,18-0,40%) удаляет остатки кислорода, улучшая тем самым внутреннюю кристаллическую структуру. Снижает вероятность риска образования ликвации — химической неоднородности сплава по своему химическому составу. Все это дает возможность увеличить долговечность железнодорожного пути в 1,3-1,5 раза.
• Ванадий (0,08-0,012%) ответственен за контактную прочность рельсы. При добавлении его в сплав он сразу же связывается углеродом, образовывая карбиды ванадия. Данное соединение имеет повышенную износостойкость и плотность, тем самым увеличивая нижний порог предела выносливости сплава.
• Азот (0,03-0,07%) относится к группе вредных примесей. Его отрицательное воздействие заключается в нейтрализации легирования стали ванадием. Т.е. вместо карбидов образуются нитриды ванадия. Они обладают низкими значениями механических свойств. Не способны термоупрочняться. В общем, сводят дорогостоящее легирование ванадием на нет.
• Фосфор (до 0,035%) входит в группу нежелательных элементов в составе. Его главный отрицательный эффект — это повышение их хрупкости. Железнодорожное полотно обладает достаточной твердостью, но при этом не имеет должного значения прочности. Все это приводит к высокой вероятности образования трещин и последующему разлому рельсы.
• Сера (до 0,045%) снижает технологические параметры стали. Податливость сплава во время его горячей обработки давлением резко падает. Возникает повышенный риск образования трещин. Рельсы, полученные из такой стали, отправляются в брак по причине обладания повышенной хрупкостью.

Железнодорожные стали делятся на 2 категории в зависимости от содержания в них серы и фосфора. Первая категория имеет меньший процент этих вредных примесей в своем составе. Она предпочтительна и используется на самых ответственных участках железных дорог.

Применение и марки рельсовой стали

Как уже упоминалось, этот металл в основном используется для строительства железнодорожных путей. Ниже приведен список наиболее распространенных видов стали, используемых для этих целей:

• Сталь 76. Одна из наиболее востребованных марок в производстве рельс. Основное назначение — изготовление рельс типа РП50 и РП65, которые применяется преимущественно при прокладке железнодорожных путей промышленного транспорта с широкой колеёй.
• Сталь 76Ф. От вышеописанной стали ее отличает дополнительное содержание ванадия в своем составе. Рельсы данной марки обладают большим ресурсом работы — способны пропускать через себя большее количество локомотивов.
• Сталь К63. Данная марка используется при изготовлении крановых рельс. Она дополнительно легирована 0,3% никеля. Металл помимо оптимальной прочности, обладает несколько лучшим значением коррозионностойкости.
• Сталь К63Ф. Рельсы, изготовленные из данной марки, отличаются большей циклической прочностью за счет добавления в их состав вольфрама.
• Сталь М54. Имеет повышенное содержание марганца. Применяется для производства стыковочных рельс-накладок.
• Сталь М68. Используются при прокладке путей верхнего строения.

Рельсовая сталь в настоящее время является одним из наиболее важных материалов для строительства железнодорожных линий. Это объясняется ее оптимальными механическими свойствами и, не в последнюю очередь, низкой стоимостью. Однако поиск оптимального химического состава этой группы сталей все еще продолжается. Кто знает, какие решения будут приняты через год и как они повлияют на долговечность железных дорог.

Рельсовая сталь: марки и характеристики

Выбор правильного материала напрямую влияет на долговечность и бесперебойную работу железнодорожных надстроек. К железнодорожной стали предъявляются особенно высокие требования. Ведь рельсы подвергаются огромным нагрузкам и поэтому должны быть максимально устойчивыми и прочными. Мы объясним, из чего состоят рельсы и какими свойствами обладают различные рельсовые стали.

За последнее столетие пропускная способность железнодорожного транспорта увеличилась в десять раз, а скорость движения железных дорог — в пять раз. Нагрузка на рельсы возросла пропорционально, и сегодня рельсы намного прочнее, тверже и износостойче, чем 100 лет назад.

Современные системы рельсового подвижного состава обладают рядом преимуществ, обусловленных прочностью рельсовой стали:

• равномерное распределение нагрузок по всей длине полотна;
• обеспечение нужного коэффициента сцепления поверхности рельс с колёсами ЖД-транспорта, что позволяет ему развивать и поддерживать высокую скорость движения;
• огромный эксплуатационный ресурс, превышающий 50 лет;
• сопротивляемость износу, способность выдерживать высокие нагрузки и напряжения.

Именно благодаря этим преимуществам рельсы могут выполнять свою главную функцию — обеспечивать быстрый и безопасный железнодорожный транспорт.

Особенности рельсовой стали

Рельсы изготавливаются из целой группы родственных металлов на основе мелкоигольчатого перлита. Плавка происходит в конверсионной или электродуговой печи. Окончательная термическая обработка придает рельсам однородную структуру и делает их очень твердыми и износостойкими. В процессе плавки используются две группы окислителей: ферромарганец или ферросилиций удаляют вредные примеси, а алюминий удаляет из сплава кислород.

Конкретная марка стали напрямую зависит от области применения и типа рельсов. Например, для рельсов узкой и широкой колеи (ВСП) требуется конверсионная сталь. Для опорных конструкций кранов требуются сплавы с высоким содержанием углерода. Сравнительно более мягкие сплавы используются в подземных рельсах проволочных коробов, где нагрузки не так высоки, но требуется эффективная токопроводящая способность.

Давайте рассмотрим основные марки рельсов, востребованные в железнодорожной промышленности:

• Марка 76. Лидер по популярности — из неё изготавливают профили серий Р50 и Р65, которые составляют ¾ всех ЖД-полотен с широкой колеёй.
• Марка 76Ф. Она усилена ванадием и более долговечная. Из неё производят рельсовый прокат для высокоскоростных линий локомотивов и другого скоростного транспорта.
• Марка К63. За счёт легирования никелем (до 0,3%) она гораздо твёрже и устойчивее к коррозии. Сплав применяют в производстве крановых рельсов и эксплуатации при нагрузках, близких к критическим.
• Марка К63Ф. Она легированная вольфрамом, более прочная и долговечная;
• Марка М54. За счёт добавления марганца сплав получил улучшенные показатели вязкости. Используется в производстве стрелочных переводов и накладок в местах стыков рельс.
• Марка М68. Из неё изготавливают специфические элементы ВСП.

Широкое разнообразие марок рельсовой стали обусловлено необходимостью использования в железнодорожном строительстве элементов с различными механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками. Определенная марка рельсовой стали обозначается маркировкой, которая может быть постоянной или временной. Постоянная маркировка наносится выжиганием, временная — краской. Маркировка соответствует ГОСТу — это касается как основных характеристик, так и свойств проката: Длина, наличие технических отверстий и т.д.

Состав рельсовой стали

Химический состав этих сталей регламентируется ГОСТ Р 554 97-2013. Основой металлопроката обязательно является железо, а различные элементы входят в состав сплава в разных массовых пропорциях.

• Углерод (карбон). Присутствие в составе 0,71–0,82%. Он в 2 раза повышает механические свойства сплавов, делает их устойчивее к высоким температурам.
• Марганец. Его доля 0,25–1,05%. Элемент на 25–30% улучшает ударную вязкость сплавов, делает их твёрже и устойчивее к износу. При этом сохраняет изначальную пластичность металла, что облегчает производство проката.
• Кремний. Его доля 0,18–0,4%. Он удаляет кислород из сплава, что повышает долговечность изделия приблизительно в 1,4 раза, снижает риск появления ликвидационных пятен.
• Ванадий. Его доля 0,012–0,08% и зависит от марки стали. Элемент повышает контактную прочность рельсов и предел их выносливости.

Однако в процессе производства возможно получение нежелательных и вредных примесей, которые влияют на эксплуатационные характеристики продукции:

• Азот. Его доля составляет 0,03–0,07%, а присутствие в сплаве приводит к нейтрализации легирующего эффекта. Он формирует не поддающиеся термоупрочнению участки в толще рельс, что снижает их механическую прочность.
• Сера. Её доля в составе — до 0,045%. Из-за серы сплав хуже обрабатывается горячим методом под давлением, а это приводит к появлению склонных к трещинообразованию изделий, которые сразу же отбраковываются.
• Фосфор. Его доля до 0,035%. Он делает металл более хрупким, провоцирует быстрое накопление усталости, что ускоряет процесс расслоения и разломов изделий.

Рельсы функционируют до окончания срока службы, установленного производителем для соответствующего типа изделия. Однако из-за нарушения условий эксплуатации и возможного брака при производстве обязательным является своевременная замена или ремонт деталей БСЗ.

Мы рассказали, из чего и как производится сталь рельсов. Что наиболее распространенными сталями являются 76 и 76Ф с высоким содержанием углерода и легированным ванадием и что прокат рельсов производится путем вакуумной и термической обработки. Это облегчит вам выбор нужной марки и качества стали.

А наша компания гарантирует вам поставку шпал в любом количестве и по разумной цене.

Группы

Это градация металлических рельсов в зависимости от технологии изготовления и используемого сырья. Сырьевые марки изготавливаются из покоящейся стали, которая обрабатывается в ковше комплексными раскислителями. Такие составы не содержат алюминия и других веществ, которые могут привести к образованию опасных включений. Вторая категория — это также нелегированная сталь. Она раскисляется алюминием или алюминиево-марганцевым сплавом.

Стоит также упомянуть о делении на марки. К первой категории относятся только те марки стали, которые полностью соответствуют технологическим характеристикам. Если имеются незначительные отклонения по химическим и физическим показателям, то изделие относится ко второй категории. Более строгие требования должны соблюдаться и для железнодорожного материала, используемого к востоку от Урала. Там можно использовать только первосортный металл, содержащий ниобий, ванадий и бор; улучшение свойств (легирование) производится азотированными ферросплавами.

Если сталь выплавляется в электропечах, то она имеет вдвое большую ударную вязкость при надрезе, чем при использовании мартеновского метода, даже при температуре ниж е-60 градусов. Маркировка продукции очень важна для правильной транспортировки. Основная маркировка наносится на металл в процессе прокатки. Маркировка осуществляется с помощью клеймения. Дополнительная маркировка наносится с помощью краски.

Эти виды маркировки указывают на стандарты, которые должны быть соблюдены, и особенности каждого отдельного рельса.

Марки и их применение

Сплав 76 является наиболее часто используемым рельсом на отечественных железных дорогах. Он является основой для профильных изделий серии Р50 и рельсов Р65. На эти две категории приходится не менее 75 % всех рельсовых опор широкой колеи. Сплав 76Ф также является достаточно распространенным вариантом на сегодняшний день. Это улучшенный вариант, который имеет более длительный срок службы за счет содержания ванадия.

Свежепрокатанный 76F оптимален для высокоскоростных и тяжеловесных поездов. Рельсы с обозначением P43 в основном изготавливаются из ST76. Иногда используются улучшенные сплавы 76F и 76C. Изделия марки K63 легированы никелем в количестве до 0,3 %. Этот материал отличается твердостью и коррозионной стойкостью и позволяет изготавливать крановые рельсы.

Он также может быть использован:

• К63Ф (включающий вольфрам);
• М54 (материал, улучшенный марганцем и отличающийся превосходной вязкостью);
• М68 (марка, подходящая для отдельных конструкций верхнего строения пути).

Обработка

Термическая закалка — не единственный вариант. Для улучшения продукта используются следующие процессы:

• изотермический режим охлаждения;
• закаливание по краям через подачу высокочастотного тока;
• нормализацию;
• закаливание за счет нагрева при прокатке.

Использование части тепла нагрева в процессе прокатки считается наиболее перспективным решением. Наиболее популярным вариантом является использование тепла процесса прокатки. Затем она принудительно охлаждается. Следующим этапом является самозакаливание в холодильнике. Объемная закалка рельсов в масле, которая до сих пор используется на некоторых заводах, имеет серьезные недостатки:

• большие затраты времени;
• токсичность процесса;
• расходование дорогого масла;
• недостижимость дифференцированной твердости.

Как выбрать рельс

Никто из тех, кто покупает рельсы или другое рельсовое или крановое оборудование, не является случайным потребителем. Более того, эта группа потребителей обычно умеет хорошо считать и предполагает, что каждый рубль, заплаченный за качество сейчас, многократно окупится экономией в дальнейшем.

Назначение рельс

Рельсы — один из основных элементов конструкции пути, они представляют собой специальные секционные балки и изготавливаются из углеродистой стали. Рельсы опираются на шпалы и опоры и направляют подвижной состав; они необходимы для поглощения и равномерного распределения давления подвижного состава на шпалы и другие части железнодорожного полотна. Они используются для прокладки железнодорожных линий, для строительства промышленных путей и подъездных дорог к шахтам и карьерам, а также для транспортировки строительных кранов и грузов.

Тип рельса определяет его удельный вес и обозначается комбинацией буквы «Р» и числа, соответствующего весу погонного метра рельса в килограммах. Рельсы продаются «на вес», поэтому это должно быть первым фактором при расчете. В нашей стране обычно используются рельсы марок Р65, Р50 и Р43. Типичная длина рельсов, производимых железнодорожными заводами, составляет 12,5, 25, 50 и 100 метров.

Чтобы правильно определить тип требуемого рельса, необходимо учесть несколько моментов:

1. Интенсивность перевозок, осуществляемых по железнодорожным линиям;
2. Погонную нагрузку;
3. Скорость передвижения подвижных составов и прочие.

Для руководства

Рельсы с большим весом могут распределять давление колес поезда на большее количество шпал, уменьшая механический износ и снижая разложение и дробление частиц балласта. Больший вес рельсов снижает расход металла на единицу грузоподъемности и уменьшает стоимость замены рельсов за счет более длительного срока службы.

Основные требования к качеству:

• Высокая устойчивость и прочность;
• Продолжительный срок службы;
• Должны обеспечивать безопасность передвижения подвижных составов;
• Быть удобными и не дорогостоящими в эксплуатации и производстве.

Для обеспечения требуемой силы тяги между рельсами и ведущими колесами поезда поверхность катания должна быть шероховатой. Для снижения сопротивления других колес — вагонов, натяжных и опорных колес локомотива — поверхность рельсов должна быть гладкой.

Материал рельсов

Сегодня прокатные рельсы изготавливаются исключительно из стальных прутков. Сталь производится в конвертерах либо бессемеровским способом, либо в открытой печи. При производстве бессемеровской стали расплавленную железную массу продувают кислородом в течение 15-18 минут. При этом сгорает углерод и некоторые примеси. Мартеновская сталь выплавляется в течение нескольких часов из чугуна и стального лома в огромной печи емкостью от 200 до 1 500 тонн. Эта сталь более чистая и менее хрупкая, чем сталь, полученная бессемеровским способом. Тяжелые рельсы, такие как P65 и P75, прокатываются с использованием мартеновской стали.

Качественные характеристики рельсовых сталей определяются их химическим составом и структурой. Химический состав стали российских рельсов определяется процентным содержанием добавок в чугуне. Углерод используется для повышения твердости и износостойкости рельсовой стали. Однако чем выше содержание углерода, тем более хрупкой становится сталь при прочих равных условиях, и тем сложнее производить холодную правку рельсов. Поэтому требуется более равномерное распределение металлов по сечению рельса, а химический состав, особенно фосфора и серы, должен быть как можно ближе друг к другу.