3 Сравнение рельсовых сталей разных стран производителей

   

До середины 1990-х годов железные дороги США покупали улучшенные рельсы с закаленной головкой у зарубежных поставщиков, которые тогда были единственными изготовителями этой продукции. Однако с 1994 г., когда выпуск рельсов из высококачественной стали освоила компания Pennsylvania Steel Technologies (PST) на перестроенном заводе в Стилтоне, модернизация которого обошлась в 40 млн. дол., ситуация начала меняться. Примеру PST в 1996 г. последовала компания CF&I Steel на реконструированном заводе в Пуэбло[4].

Сначала она стала изготавливать рельсы с объемнозакаленной головкой типа DHH 370 (цифра обозначает твердость стали в единицах по Бринеллю), а в 1997 г. перешла на рельсы типа DHH 390. Повышение качества рельсовой стали с доведением ее твердости до 390 ед. по Бринеллю достигнуто благодаря сотрудничеству с японской компанией Nippon Steel, позволившему использовать технологию этой компании, являющейся крупнейшим в мире изготовителем рельсов. Согласно техническим требованиям Американской инженерной железнодорожной ассоциации (AREA), твердость рельсов должна быть не ниже 341 ед. по Бринеллю, так что CF&I превысила этот показатель на 14 %. Еще одним изготовителем улучшенных рельсов в США в ближайшем будущем может стать компания Stafford Rail Steel. В настоящее время железные дороги Северной Америки считают выпускаемую в США рельсовую сталь самой лучшей.

Иностранные компании продолжают выпускать рельсы высокого качества, которые отличаются от изготовляемых в США в основном содержанием серы. В Северной Америке в рельсовой стали допускается существенно большее содержание серы, поскольку, как полагают, она снижает вероятность образования водородных флокенов. За рубежом, в частности в Японии, стремятся уменьшить содержание серы, так как считают, что она с течением времени способствует образованию вертикальных усталостных трещин в головке и ускоряет волнообразный износ вследствие возникновения разрывов между включениями серы. Содержание серы в рельсовой стали представляет предмет ведущейся до настоящего времени дискуссии. Сторонники большего содержания серы утверждают, что ее недостаток может повысить риск водородного охрупчивания, если не контролировать содержание водорода в стали. Сторонники меньшего считают, что внедрение новых технологий, таких, как индукционное перемешивание и вакуумная дегазация, устраняет необходимость в присутствии серы. В любом случае в Северной Америке, по мнению специалистов-металлургов, положение в области рельсовой стали можно считать беспрецедентно благоприятным.

Однако в то время как сталь твердостью 350- 400 ед. по Бринеллю удовлетворяет требованиям современных железных дорог с точки зрения использования для изготовления рельсов, укладываемых на перегонных и станционных путях, для особых мест пути, таких, как стрелочные переводы и глухие пересечения, требования иные. Так, для крестовин нужна рельсовая сталь твердостью 450- 500 ед. по Бринеллю.

В настоящее время преобладает мнение, что перлитная рельсовая сталь для работы при больших осевых нагрузках, по всей видимости, не подходит. Даже если ее твердость удастся повысить до требуемой величины, перлитная микроструктура может обеспечить доведение показателя по Роквеллу только до С-40, так как далее возрастает риск разрушения. Показатель от С-40 до С-45 по Роквеллу может дать проблематичная смесь перлитной и бейнитной структур. В зоне С-45- С-50 желательный результат возможен при преимущественно бейнитной структуре(таб.3.1). Бейнит гораздо тверже перлита и обеспечивает лучшую сопротивляемость износу.

Таблица 3.1 - Химический состав рельсов в Америке

Институт штата Орегон совместно с AAR провел исследования, показавшие наличие двух подходов к получению бейнитной микроструктуры. Один из них предполагает изотермическую обработку обычной углеродистой рельсовой стали до твердости порядка С-45- С-50 по Роквеллу. При другом подходе используется углеродистая сталь с пониженным количеством углерода, повышенным кремния, хрома, марганца, средним молибдена и небольшим содержанием бора. После закалки в воде низкоуглеродистая сталь становится весьма прочной и относительно вязкой. Исследования подтвердили многообещающие качества бейнитных сталей, причем последние достижения в технологии изготовления сделали их выпуск коммерчески целесообразным. При предварительных испытаниях рельсов из бейнитной и из улучшенной стали с закаленной головкой оказалось, что бейнитная сталь с низким содержанием углерода лучше поддается сварке. При испытаниях непосредственно в рельсовой колее бейнитная сталь также показала лучшие результаты, чем улучшенная.

Высокая прочность бейнитной стали обеспечивает ее хорошую сопротивляемость выкрашиванию и отслаиванию, а также гораздо лучшие усталостные характеристики. Поскольку такая сталь дороже, на будущее запланировано улучшить экономические показатели. Еще более благоприятными станут физические характеристики рельсовых сталей следующего поколения. Провели сравнительные испытания новой бейнитной стали марки J9 и аустенитной марганцовистой стали (AMS) в лабораторных условиях на свариваемость, износ и деформацию. Результаты этих испытаний оказались успешными. Проведенные примерно в то же время испытания на моделях в университете штата Иллинойс позволили сравнить указанные стали в условиях контакта при качении колеса по рельсу. Полученные результаты подтвердили явное преимущество стали J9 по сроку службы перед сталью AMS.

В Неметчине производят стали с пониженным содержанием углерода и кремния (таб.3.2).

Таблица 3.2 - Химический состав рельсов в Неметчине

Механические свойства

Химический состав рельсовых сталей производства Японии, Франции, Австрии и Польши отличается от химического состава сталей отечественного производства: содержание кремния в сталях производства Франции, Японии и Польши в 1,5÷2 раза больше, чем в отечественных, все стали импортного производства легированы хромом, рельсовая сталь производства Франции микролегирована титаном(таб.3.3). Стали Российского производства микролегированы ванадием, содержание алюминия в них больше, чем в импортных. Сталь польского производства была раскислена алюминием, содержание алюминия в ней – 0,020 % масс. Суммарное содержание серы и фосфора в сталях отечественного и зарубежного производства не различается.

Таблица 3.3 - Химический состав рельсов европейского стандарта

Ведущие мировые производители рельсовой продукции и применяемые ими технологии производства и термического упрочнения рельсов в настоящее время известны (таб. 3.4). Условно этот перечень можно разделить на: рельсы без термического упрочнения (Польша, Италия), рельсы с дифференцированным термическим упрочнением с прокатного нагрева (Япония, Австрия, США), рельсы с дифференцированным термическим упрочнением с отдельного индукционного нагрева (Франция, Канада (в настоящее время завод закрыт), рельсы с объемной закалкой в масле с отдельного печного нагрева (Россия). При дифференцированной термообработке рельсов основной закалочной средой является сжатый воздух. Применяется также поток воды. Ни одним из предприятий не используется водовоздушная смесь ввиду низкой стабильность технологического процесса и связанного с этим риска получения неоднородной структуры и твердости. В разрабатываемой в настоящее время новой технологии термообработки рельсов российским предприятием НПП «ТЭК» применяется в качестве закалочной среды сжатый воздух контролируемой влажности, что показало весьма высокие результаты при предварительных испытания таких рельсов[6].

Таблица 3.4 –Основные особенности технологий производства рельсов

Страна-изготовитель рельсов, завод		Выплавка стали	Термическая обработка
РОССИЯ, НКМК		Электропечь	Объемная закалка с отдельного печного нагрева
РОССИЯ,НТМК		Кислородный   конвертер	Объемная закалка с отдельного печного нагрева
ФРАНЦИЯ		Кислородный конвертер	Двухсторонняя закалка сжатым воздухом с отдельного объемного нагрева ТВЧ
ЯПОНИЯ		Кислородный конвертер	Двухсторонняя закалка сжатым воздухом с прокатного нагрева
США	Кислородный конвертер		Двухсторонняя закалка водой с прокатного нагрева
КАНАДА, (завод закрыт)	Электропечь		Двухсторонняя закалка сжатым воздухом с объемного нагрева ТВЧ
АВСТРИЯ	Кислородный конвертер		Односторонняя закалка в растворе полимера с прокатного нагрева
ИТАЛИЯ	Кислородный конвертер		Без термического упрочнения
ПОЛЬША	Кислородный конвертер		Без термического упрочнения

Анализ физико-механических свойств рельсов различных производителей позволяет оценить влияние на уровень ударной вязкости, копровой прочности и трещиностойкости вида нагрева, определяющего размер зерна, и химического состава стали (табл. 3.5)

Таблица 3.5 – Механические свойства при растяжении и ударная вязкость рельсов

Страна-изготовитель рельсов	Временное      сопротивление, МПа	Предел текучести,     МПа	Относительное		Ударная вязкость (20^оС) МДж/м^2
			Удлинение,   δ5,    %	Сужение %
Россия, НКМК (Т1)	1320	919	11,7	33,3	0,28 – 0,51
Россия, НТМК(Т1)	1341	904	12,98	38,40	0,32 – 0,39
Франция	1306	1135	12,3	35,0	0,25 – 0,33
Япония, NS	1319	915	12,4	41,0	0,24 – 0,26
Канада	1359	929	13,4	37,0	0,26 – 0,36
Австрия	1364	952	10,0	33,0	0,14 – 0,21
Италия	1281	972,5	8,8	32,1	0,13 – 0,19
Польша	1215	748	9,7	24,9	0,11 – 0,16
Россия Cr~0,035%	1268	870	13,0	43,8	0,28 – 0,32
Россия НПП «ТЭК» Cr~0,28%	1336	921	13,9	51,0	0,35 – 0,37

Рельсы, термически упрочняемые с прокатного нагрева за счет большего размера зерна (и дополнительного легирования хромом), имеют ударную вязкость в 1,4 – 2,0 раза меньшую по сравнению с рельсами, упрочненными объемной закалкой в масле с отдельного печного нагрева, при котором происходит рекристаллизация и измельчение зерна.

Необходимо отметить, что рельсовые пробы, упрочненные сжатым воздухом контролируемой влажности с отдельного нагрева по новой технологии НПП «ТЭК» показали высокий уровень характеристик пластичности и ударной вязкости, как в рельсах, фактически не легированных хромом, так и в рельсах из низколегированной хромом стали. Это объясняется эффективностью выбранной закалочной среды, правильным выбором технологических режимов охлаждения рельсов и получением тонкодисперсной структуры сорбита закалки, обеспечивающей высокие значения ударной вязкости даже при легировании хромом – элементом, снижающим пластичность рельсовой стали при обычных условиях.

Термически упрочненные с прокатного нагрева рельсы показывают также и более низкий уровень копровой прочности при температуре – 60 ^ОС.

Особое внимание следует обратить на значения циклической трещиностойкости, получаемые при циклических испытаниях полнопрофильных рельсовых проб. Данные параметры характеризуют надежность рельсовой стали. Наибольший уровень циклической трещиностойкости К_fC (56 – 59 МПа) показали рельсы отечественного производства, характеризующиеся меньшим размером зерен, получаемым в результате перекристаллизации при повторном печном нагреве под закалку. Рельсы с дифференцированной термообработкой с прокатного нагрева (Япония, Австрия) показали меньшие значения трещиностойкости (36 – 38 МПа), что обусловлено как большим размером зерна, так и влиянием хрома на вязкость разрушения. Наименьший уровень трещиностойкости (до 29 – 35 МПа) демонстрируют рельсы без термического упрочнения (Италия, Польша), что определяется отсутствием перекристаллизации после прокатки, грубодисперсной структурой пластинчатого перлита рельсовой стали без термической обработки, отрицательным влиянием хрома на вязкость разрушения.

Высокие значения циклической трещиностойкости K_fC получены по результатам испытаний рельсовых проб, упрочненных по опытной технологии НПП «ТЭК» (82 – 96 МПа). Однако, эти результаты получены не при испытании рельсовых проб, изготовленных из рельсов промышленного производства, прошедших правку на роликоправильных машинах, а при испытаниях проб длиной 1250 мм, упрочненных на опытной установке НПП «ТЭК» и не подвергавшихся правке, которая оказывает значительное влияние на перераспределение внутренних остаточных напряжений.