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:

Кроме того, содержание фосфора не должно превышать 0,02 %, серы – 0,02 %, алюминия – 0,004 %.

Для улучшения качественных характеристик стали осуществляется её легирование. Для этого используются различные химические составляющие: ванадий, азот и хром. Однако их массовая доля также не должна превышать допустимых лимитов.

Если в качестве легирующего элемента выбирается только ванадий, то его доля должна составлять от 0,03 до 0,15 %. Если только хром – то в пределах от 0,2 до 0,6 %.

Часто для легирования используются комбинации:

• азота (0,01–0,02 %) и ванадия (0,03–0,15 %);
• хрома (0,2‒0,8 %), азота (0,01‒0,0,2 %) и ванадия (0,03‒0,15 %).

Иногда вводятся дополнительные легирующие элементы.

Содержание кремния обычно не превышает 0,6 %, однако с целью увеличения предела прочности массовая доля этого элемента может составлять 0,3‒1,1 %. Это характерно для марки 76ХСФ.

Массовая доля элементов не может быть больше или меньше указанных пределов более чем на 0,02 %.

В зависимости от степени твёрдости рельсы подразделяют на классы, и для их изготовления могут быть рекомендованы определённые марки стали:

Рельсы могут подвергаться дифференцированному упрочнению по сечению рельса или объёмной закалке и отпуску. В настоящее время предпочтение отдаётся первому методу. Твёрдость и способ термоупрочнения в первую очередь определяют качество рельсов и пригодность их для использования в тех или иных целях. И для того, чтобы производить определённые категории рельсов, необходимо подбирать соответствующие марки стали.

Например, тем, кого интересует, какие стали применяются при производстве рельсов ДТ400 ИК (дифференцированный способ термического упрочнения, высший класс твёрдости, особые свойства износостойкости и контактной выносливости), мы ответим, что оптимальный вариант ‒ сталь 90ХАФ. Если же вопрос в том, какая сталь используется в рельсах ДТ 370 СС (для скоростного пассажирского и грузового движения), то для этих целей можно применять марку 76ХФ.

Вне зависимости от того, из какой марки стали делают рельсы и каковы способы её термического упрочнения, механические, ударные и циклические свойства таких стальных изделий должны соответствовать классу твёрдости.

Маркировка рельсовой стали и её расшифровка

Цифры в написании марки стали показывают среднее содержание углерода. В зависимости от способа производства, перед цифрами, обозначающими марку стали, ставятся буквы К или Э. Первая указывает конверторную, вторая – на электропечную выплавку.

Каждый химический элемент, добавленный к базовому составу, имеет соответствующий буквенный символ:

• хром – Х;
• азот – А;
• ванадий – Ф;
• кремний – С.

Благодаря этому можно легко определить марку стали. Например, К76ХАФ обозначает, что металл был произведён конверторным способом, содержит углерод, марганец и кремний в допустимых пределах для марки стали 76, а в легировании применены хром, азот и ванадий.

Какая марка стали у рельсов, можно узнать благодаря условным обозначениям, нанесённым при маркировании готовых изделий. Обычно указываются тип рельса, категория, марка стали, длина, наличие болтовых отверстий и ГОСТ.

Какими свойствами обладают рельсовые стали

Какая сталь идёт на рельсы? Какими свойствами она должна обладать? Ответы на эти вопросы зависят от требований к механическим свойствам выпускаемых рельсов, и в первую очередь ‒ от установленных норм к показателям:

• временного сопротивления, σВ, Н/мм2;
• предела текучести, σ0,2, Н/мм2;
• относительного удлинения, δ, %;
• относительного сужения, ψ, %
• ударной вязкости, KCU, Дж/см2.

Нормативные параметры зависят от категории рельсов. И для того, чтобы рельсы соответствовали требованиям по вышеуказанным параметрам, должны в первую очередь использоваться соответствующие марки стали. Их механические свойства определяются по тем же критериям.

Свойства стали зависят прежде всего от химического состава и структуры. При выборе марки учитываются и технологические свойства, такие как свариваемость, флокеночувствительность и склонность к отпускной хрупкости.

Рельсовые стали обладают:

• высокой сопротивляемостью ударным нагрузкам, что достигается твёрдостью материала благодаря легированию;
• стойкостью к циклическим нагрузкам благодаря высокому пределу прочности;
• умеренной пластичностью, позволяющей производить рельсы без пустот и сторонних включений.

Требования к рельсовым сталям определены в ГОСТ 51685-2013. В 2020 году был разработан новый проект ГОСТа. Он ориентирован на дальнейший рост качества производства рельсов и расширяет возможности для применения различных марок стали (например, рекомендуется использование 100ХАФ). Но пока этот проект не утверждён.