Из какой стали делают рельсы

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 24.04.2024

Железнодорожное сообщение является неотъемлемой частью современного мира. Рельсы используются не только в качестве основы для строения железных дорог, но и в разнообразных крановых и промышленных системах. В кинематографии для перемещения камеры часто используются специальные рельсовые пути.

В давние времена, в таких государствах как Египет, Рим и Греция, искались методы для транспортировки тяжелых товаров с минимальными затратами труда. В этой цели сооружались каменные тропы с желобами, мини-мосты для поднятия грузов и продовольствия на возвышенность. По таким маршрутам тягали морские суда на шестах, смазывая их жиром.

В эпоху XVI века в процессе добычи камня и угля активно применялись деревянные лежни, которые давали возможность коням перевозить в 4 раза больший груз за одну поездку, по сравнению со стандартной транспортировкой. Со временем эти структуры были заменены на изделия из чугуна. В XVIII веке подобного рода приспособления создавались больше всего для производственных целей, но также начали появляться специализированные участки для пассажирских перевозок с использованием конной тяги.

Петр Фролов, горный инженер, заложил основу для современных рельс, опираясь на грибовидную конструкцию, разработанную В. Джессопом. Конструкция рельс была выпуклой, в то время как колеса разрабатывались с соответствующими вырезами. Это позволило достигнуть скорости до 50 км/ч. В 1837 году на территории России был построен первый железнодорожный путь для пассажирских перевозок, протяженность которого от Санкт-Петербурга до Царского Села составила 27 км. Уже в 1825 году начались поставки чугунных изделий для строительства дорог на производственных площадках.

Современные поезда способны перевозить грузы массой в несколько тонн и развивать высокие скорости. Несмотря на то что форма профиля рельс не претерпела значительных изменений, их масса существенно возросла. Если сравнивать с 1880-ми годами, то вес рельса увеличился со 22 до 70-75 кг на каждый погонный метр. Лёгкие модели рельс по-прежнему используются на участках с небольшой нагрузкой и узкоколейных железных дорогах. В то же время, стали возрастать требования к качеству стали, из которой производятся рельсы.

Данные функции выполняет рельс:

  • Выполняет роль указательного компонента;
  • Выполняет функцию восприятия и распределения нагрузки по шпалам;
  • Выполняет функцию направителя обратного или сигнального тока.

ГОСТ Р 55497-2013 определяет химический состав сплавов для дорог, на которых допустимая скорость движения достигает 250 км/ч, исходя из ковшевых проб.

  • Содержание углерода (С) составляет от 0,55 до 0,82%.
  • Процентное содержание марганца (Mn) варьируется в диапазоне от 0,7 до 1,05%.
  • Содержание кремния (Si) варьируется от 0,13 до 0,45%.
  • Процентное содержание алюминия (Al) варьируется от 0,02 до 0,25%.
  • Содержание фосфора (Р) составляет от 0,025 до 0,030%.
  • Содержание серы (S) составляет от 0,025% до 0,035%.

Сталей, обладающих высоким уровнем углерода (более 0,6%), обычно относят к категории высокоуглеродистых. Кремний и марганец, будучи полезными естественными добавками, также служат дезоксидаторами в процессе плавки (например, ферромарганец и ферросилиций). Алюминий использован для удаления кислорода из расплава. Фосфор и сера являются вредными природными примесями, способствующими увеличению коррозионной активности, хладноломкости и красноломкости. Глубокая очистка позволяет достигнуть указанных показателей. Если необходимо наделить готовые изделия дополнительными свойствами, применяют метод микролегирования.

  • Количество ванадия (V) колеблется в диапазоне от 0,03% до 0,15%.
  • Процентное содержание Хрома (Cr) составляет 0,35 - 0,45%.
  • Процентное содержание титана (Ti) составляет от 0,007 до 0,025%.
  • Количество азота (N) составляет от 0,010 до 0,020%.
  • Содержание никеля (Ni) не превышает 0,20%.
  • Уровень содержания меди (Cu) колеблется от 0,15% до 0,20% в зависимости от различных категорий.

Установленные погрешности в химической структуре готовых сплавов могут меняться в зависимости от элементов, но они не превосходят доли процентных или тысячных долей. Максимально допустимый уровень содержания кислорода не может превышать 0,003%.

Микроструктура характеризуется пластинчатым перлитом, который содержит включения феррита на границах зерновых структур. Неравномерность в структуре недопустима, чтобы избегать дефектов, таких как пористость, пузырьки, темные и светлые отметины, а также ликвация.

Сталь, успешно прошедшую проверку в ковше, затем переливают в формы, в которых она затвердевает и превращается в слитки. Дальше, сырье направляют на специализированные предприятия для прохождения последующих процессов:

  • Подогрев преформ.
  • Процесс выдавливания прямоугольной основы, известной как блюмс, осуществляется через обжатие.
  • Формообразование на станах с валками различного диаметра и отличными формами ручьев.
  • Охлаждение;
  • Калибровка — это метод повышения точности обработки на валковых станках, который не требует дополнительного подогрева.
  • Термический процесс укрепления;
  • Обработка поверхностей.

Стандартный железнодорожный рельс имеет длину 100 метров. Использование сварных плетей и бесстыковых перегонов позволяет уменьшить сопротивление для транспорта на 5-7%. Кроме того, экономия на стыковых соединениях достигает 4 тонн на каждый километр. Одновременно, тяжелые рельсы обеспечивают равномерное распределение нагрузки на большее количество шпал, сокращают механический износ балласта и обладают увеличенным сроком службы. В результате, увеличение количества используемого металла способствует снижению отношения между его расходом и перевозимым грузом на участке.

Ваше задание выглядит не полностью, так как в тексте не представлен конкретный текст для перефразирования.#187;11087″]

Те марки, которые применяются для строительства верхнего слоя железнодорожных путей, имеют схожие химические характеристики, но их свойства в плане твердости, пластичности и других параметров различаются. Давайте обратим внимание на наиболее распространенные из них:

  • К76 - идеальное решение для 75% широких железнодорожных путей.
  • К76Ф - это такой сплав, в состав которого входит 0,03-0,1% ванадия. Это делает его подходящим для использования в путях с большими нагрузками и предусмотренных для индустриального транспорта.
  • Материал К63 включает в свой состав меньшее количество углерода, при этом присутствие никеля и хрома (до 0,3%) улучшает его отпорность коррозии и механическую прочность.
  • К63Ф - содержит добавки ванадия.
  • М54 обладает повышенной ударной вязкостью, поскольку содержит большее количество марганца. Его часто используют для создания соединительных элементов.

Имеется разнообразие методов для выплавки стали.

  • М - это акроним для мартеновского печного процесса.
  • К указывает на конвертерное оборудование.
  • В электрической печи находится буква "Э".

Процесс выплавки определяет степень очистки от примесей и точность смешивания состава. Изучение химической формулы позволяет понять, насколько сплав поддается термическому упрочнению, и исходя из этих данных, изделия классифицируют следующим образом:

  • Применяются термообработаные материалы с твердостью 350 или 370 НВ, которые подвергаются объемной закалке и отпуску, или же применяют дифференцированное укрепление (включая закалку головки со спонтанной отпуском, а также горячую правку).
  • (Жесткость 260, 300 или 320 НВ) не подвержены термоупрочнению.

Продукты, не подвергавшиеся термообработке, подходят для использования в быстроходном пассажирском транспорте и маршрутах общего назначения обычной, улучшенной и высокой устойчивости.

Рельсы, обладающие усиленной низкотемпературной и контактной надежностью, а также улучшенной стойкостью к износу для скомбинированного передвижения (пассажирские и грузовые перевозки), подвергаются термической обработке.

В соответствии с ГОСТ Р 51685-2013, стальные сплавы, используемые для универсальных путей, имеют коды из букв и чисел. Некоторые из этих обозначений включают Э76Ф, М76Т, 76ХСФ, 90ХАФ. Давайте разберемся, как именно интерпретируются эти маркировки.

  • Начальные буквы (М, К, Э) обозначают метод выплавки. Работа с электропечью облегчает контроль температуры, и продукты горения не попадают в расплав, в связи с чем количество примесей в Э76 существенно ниже, чем в К76.
  • Номера (63, 76, 90) отражают средний уровень углерода в сотых долях процента для определенного бренда, так, например, в Э68 он должен находиться в пределах 0,60-0,73%. Величина содержания карбидов напрямую влияет на твердость и устойчивость к износу.
  • Окончания в буквах (Ф, С, Х, Т, А) символизируют процесс легирования с использованием ванадия, кремния, титана, хрома и азота. Однако здесь отражаются не все концентрации, а лишь те, которые приближенно равны 1%.

Производство рельсов для узкоколейных дорог проводится согласно ГОСТ 5876-82, и предписывается использование только трех сортов стали: Н50, Т60, ПТ70. В зависимости от содержания углерода, регулируется следующая классификация:

  • Н - это обычный уровень твердости.
  • Т - это твердые материалы.
  • ПТ — отличается увеличенной прочностью.

Цифровые значения обозначают процентное содержание углерода в единицах сотых долей. Стандарты к таким изделиям не так строги (например, их твердость составляет всего 170-250 НВ), в связи с чем разрешается применение стали с индексами раскисления СП и ПС. Металл содержит больше нежелательных примесей, влияние которых нейтрализуется при добавлении мышьяка, способствующего увеличению износостойкости и твердости.

Требования к процентному содержанию элементов в составе стали для производства рельсов.

Марка стали   Массовая доля элементов %
Углерод  Марганец  Кремний  Ванадий  Титан  Хром  Фосфор  Сера  Алюминий 
 Не более
К78ХСФ >0,76-0,82 0,75-1,05 0,40-0,80 0,05-0,15   0,040-0,60 0,025 0,025 0,005
Э78ХСФ
М76Ф 0,71-0,82 0,25-0,45 0,03-0,15   0,035 0,040 0,020
К76Ф 0,030 0,035
Э76Ф 0,025 0,030
М76Т >0,007-0,025 0,035 0,040
К76Т 0,030 0,035
Э76Т 0,025 0,030
М76 0,035 0,040 >0,025
К76 0,030 0,035
Э76 0,025 0,030

Примечания:

Знаки М, К, Э в марках стали указывают на способ ее выплавки, а числа обозначают средний процент содержания углерода. В то время как буквы Ф, С, Х, Т на буквенном символе стали указывают на легирование этого материала ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Разрешенное количество остаточных элементов, таких как хром (в рельсах класса Т1, Т2, H), никель и медь, не должно превышать 0,15% для каждого из них, при общей массовой доле не более 0,40%.

Состав веществ для Р65К должен быть в соответствии с приведенными данными, кроме процентного содержания углерода, которое обязано составлять от 0,83 до 0,87%. В этом случае числа в маркировке стали меняются на 85.

Материал, из которого изготавливаются рельсы, должен быть устойчив к циклическим нагрузкам, а также обладать необходимой твердостью и пластичностью. Проверочные испытания проводят на рельсах, взятых из начальной и конечной части плавки, отмеченных особым способом.

Оценка механических свойств производится с принимая во внимание параметры изготовленного изделия (такие как толщина металла и данные, полученные в результате термической обработки). Главные атрибуты:

  • Показатель временного сопротивления, составляющий 900 - 1280 Н/мм², демонстрирует крайние напряжения, которые предваряют разрушение под действием различных нагрузок: статических, динамических, сжимающих и растягивающих.
  • Граница текучести составляет 500-870 Н/мм² и определяется как нагрузка, провоцирующая растяжение образца на 0,2%.
  • Импактная вязкость в диапазоне от 15 до 25 Дж/см² является показателем устойчивости материала к ударным нагрузкам без образования трещин. Все типы измерений осуществляются при комнатной температуре, однако для изделий, предназначенных для эксплуатации в холодных условиях, тесты проводятся при температуре -60⁰.
  • Максимальное растягивающее воздействие, которое предшествует разрыву, соответствует относительному удлинению в 8-9%.
  • Разница, составляющая от 14 до 25 процентов, между начальным сечением профиля и сечением, уменьшенным в случае разрыва, называется относительным сужением.

Дизайн профиля включает головку ролика, шейку и подошву. Производство и использование изделия с одинаковыми показателями твердости в каждом его отделе представляет собой сложную задачу, поэтому твердость по шкале Бринелля (НВ) определяют в различных местах:

  • 1 — на верхней части головы ролика;
  • 2 - на вертикальной оси, на глубине 10 мм.
  • 3 и 4 находятся на отметке в 10 мм от края, там где головка становится скругленной.
  • 5 - на расстоянии 22 мм от поверхности вдоль центральной вертикальной линии;
  • 6 - находится в узле, в месте соединения радиусов.
  • 7 и 8 находятся в подошве, внутри металлической толщи.

Максимальная устойчивость наблюдается в точке 1, тогда как минимальная − в 5, причем допустимая дельта между этими показателями не должна превысить 30 НВ. Все эти параметры сосредоточены на рабочих характеристиках: порог усталости, рабочая надежность, устойчивость к циклическому образованию трещин.