Крепка как рельсовая сталь. О преимуществах применения лопат из рельсовой стали. Химический состав и требования к качеству рельсовой стали

Современный железнодорожный транспорт не похож на тот, что был 100 лет назад. Скорость поездов с того времени увеличилась почти в 5 раз, а грузоподъемность в 8-10. Такие количественные изменения не могли не затронуть и рельсы, по которым перемещается локомотив. Их износостойкость, прочность и твердость также достигли нового уровня своих значений. В нынешнее время рельсовая сталь обладает целом рядом функциональных особенностей.

Химический состав

Рельсовая сталь - это группа сталей, которых объединяет общий способ применения. А именно, изготовление рельсовых путей сообщения для железнодорожного транспорта. В основе фазовой структуры сплава лежит мелко игольчатый перлит. Для выплавки металла используют либо конверторные, либо обычные дуговые сталеплавильные печи.

Рельсовые марки стали подразделяются на 2 группы в зависимости от вида применяемых раскислителей:

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 рельсы полностью регулируется государственным стандартом ГОСТ Р 554 97- 2013. Согласно ему, помимо основного компонента железа, сплав должен включать в себя следующий набор элементов:

• 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.

В зависимости от содержания серы и фосфора рельсовые стали подразделяются 2 сорта. Первый сорт имеет в своем составе меньший процент данных вредных примесей. Он более предпочтителен и применяется на более ответственных участках железнодорожного пути.

Механические свойства

Рельсовые марки стали отличаются повышенной стойкостью к циклическим нагрузкам. Их предел прочности в зависимости от марки колеблется в пределах от 800 до 1000 МПа. Деформироваться рельсовая сталь начинает в промежутке от 600 до 810 МПа. Опять же, это зависит от того соотношения легирующих элементов в составе стального сплава

Сталь хорошо справляется с ударной нагрузкой. Значение ударной вязкости составляет 2,5 кг/см2. Твердость сплава находится в прямой зависимости от качества проведения термической обработки. Объемная закалка способно увеличить данный параметр до 60 единиц по шкале Роквелла.

Рельсовая марка обладает умеренной пластичностью. Относительное сужение для нее равняется 25%, что позволяет прокатывать рельсы горячим способом. Предварительно нагрев их до температуры 900-1000 ºC.

Применение и марки рельсовой стали

Как уже было сказано ранее, основное назначение данного металла — это изготовление рельс железнодорожного пути. Ниже приведен список тех марок, которые наиболее активно применяются для этой цели:

• 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 марка стали сегодня является одним из ключевых материалов, применяемых при изготовлении железнодорожного полотна. Это стало благодаря оптимальным значениям механических характеристик и, что не менее важно, низкой стоимостью такого рода рельс. Но до сих пор, процесс по поиску оптимального химического состава стали данной группы продолжается. Кто знает какие решения будут приняты через год, и как они повлияют на долговечность железнодорожных путей.

Рельсовую сталь (∼0,60–0,80 % С), и аналогичную ей по составу кордовую, выплавляют в кислородных конвертерах и в дуговых печах. Наиболее сложной задачей производства этой стали является получение достаточно низкого содержания фосфора за время окисления углерода до заданной в стали концентрации. Для решения этой задачи принимаются специальные меры соответственно особенностям плавки в конвертере или дуговой печи.

В кислородном конвертере с верхним дутьем или комбинированным дутьем сверху и снизу, как было показано выше, дефосфорация начинается с первых минут продувки. Однако при высоком содержании фосфора в чугуне для получения допустимого содержания фосфора в стали при остановке на заданном высоком содержании углерода степень дефосфорации недостаточна. Как при содержании углерода ∼0,6–0,9 % по ходу плавки содержание фосфора стабилизируется или даже начинает повышаться; понижение содержания фосфора происходит далее при значительно более низком содержании углерода. Это вызывает трудность дефосфорации при производстве высокоуглеродистой стали. В случае плавки с остановкой процесса на заданном высоком содержании в стали углерода она при-водит к необходимости промежуточных повалок конвертера для смены шлака путем его скачивания и наводки нового. Это усложняет процесс, вызывает понижение производительности, повышение рас-хода шлакообразующих и чугуна.

Повалку конвертера для смены шлака производят на разных за-водах при содержании углерода 1,2–2,5 %. При высоком содержании фосфора в чугуне (0,20–0,30 %) шлак сменяют дважды при содержании углерода 2,5–3,0 % и при 1,3–1,5 %. После скачивания шлака новый наводят из свежеобожженой извести. Содержание FeO в шлаке на уровне 12–18 % поддерживают, изменяя уровень фурмы над ванной. По ходу плавки для разжижения шлака присаживают плавиковый шпат – 5–10 % массы извести. В результате дефосфорации к концу продувки до заданного в готовой стали содержания углерода получают содержание фосфора в металле ≤ 0,010–0,020 %. На выпуске в ковш металл раскисляют присадками ферросилиция и алюминия. При этом очень важной операцией является отсечка конвертерного шлака. Попадание его в ковш вызывает рефосфорацию в процессе раскисления и особенно при внепечной обработке восстановительным шлаком для десульфурации.

Получила некоторое распространение и технология выплавки рельсовой и кордовой стали в конвертерах с продувкой до низкого содержания углерода (0,03–0,07 %) с последующим науглероживанием в ковше специально приготовленными твердыми карбюризаторами (нефтяным коксом, антрацитом) Окончательную корректировку содержания углерода в стали производят на установке вакуумной обработки.

Продувка металла в конвертере до низкого содержания углерода обеспечивает глубокую дефосфорацию. Необходимо лишь на выпуске обеспечить надежную отсечку шлака для предупреждения возможности попадания его в ковш и, как следствие, рефосфорации.

Применение технологии выплавки стали в конвертере с продувкой до низкого содержания углерода с последующим науглероживанием в ковше требует использования чистых по содержанию вредных примесей и газов карбюризаторов, что вызывает необходимость их специальной подготовки и создает подчас значительные трудности. Вызывает сложности и получение нужного содержания углерода в узких пределах. Это ограничивает применение такой технологии.

Не нашла широкого применения используемая на некоторых заводах плавка в конвертере с последующим науглороживанием чугуном, предварительно залитым в ковш перед выпуском плавки из конвертера. Для этого требуется чугун, достаточно чистый по содержанию фосфора. Окончательное науглероживание раскисленного металла, с целью надежного получения содержания углерода в требуемых пределах, проводят твердыми карбюризаторами в процессе вакуумной обработки.
В дуговых печах рельсовую и кордовую сталь выплавляют по обычной, описанной выше технологии, применяя меры для интенсивного удаления фосфора из металла – присадки железной руды в завалку и в начале короткого окислительного периода, с непрерывным сходом шлака и его обновлением присадками извести. Обязательно также предупреждение попадания шлака в сталеразливочный ковш.

Вследствие низкого содержания кислорода в высокоуглеродистой рельсовой стали высокая степень чистоты ее по оксидным включениям может быть достигнута и без применения относительно сложной внепечной обработки вакуумом или в коше-печи. Для достижения такой цели достаточна продувка металла в коше инертным газом. Но при этом поступающий в ковш печной шлак, во избежание вторичного окисления им металла, не должен быть окислительным. Поэтому, перед такой внепечной обработкой выплавку рельсовой стали в ДСП производят с предварительным раскислением металла в печи кремнием и марганцем, присаживаемых в виде ферросилиция и ферромарганца или силикомарганца. Шлак перед выпуском раскисляют порошком кокса или электро-дов и гранулированным алюминием, а иногда и порошком ферросилиция. Следует, однако, иметь в виду, что при раскислении шлака, тем более кремнием, вызывающим образование SiO2, происходит восстановление фосфора. Поэтому такая операция допустима лишь после достаточно глубокой дефосфорации со сменой шлака и удалением фосфора из ванны. Окончательное раскисление стали кремнием и алюминием производят в ковше во время выпуска. Затем металл в ковше продувают инертным газом для его гомогенизации и, главным образом, для удаления хотя бы части скоплений (кластеров) включений Al2O3, вызываю-щих расслоения в рабочей части головок рельсов во время их эксплуатации. Следствием этого расслоения может быть полное отделение от-слоенных пластинок на головке рельса и преждевременный выход его из строя.

Более эффективным способом предупреждения образования расслоений в рельсовой стали, выплавленной как в конвертерах, так и в дуговых печах, является обработка жидкого металла в ковше кальцием. Как было показано, это производится введением в жидкий металл порошка силикокальция, плакированного в проволоку, или вдуваемого в токе несущего газа.

Лопата является неотъемлемой частью домашнего быта. Сфера использования данного инструмента широка. И поскольку инструмент используется часто, к нему выдвигаются определенные требования.

Она должна быть крепкой, прочной, удобной в использовании, обладать высоким сопротивлением коррозии и долговечностью. Неплохо зарекомендовали по этим пунктам на рынке лопаты из рельсовой стали.

1 Технология создания

Основным материалом для таких лопат выбрана рельсовая сталь, насыщенная углеродом. Материал отличается высокой прочностью при небольшом весе, что является оптимальным вариантом для рабочего инструмента. Часто в таких целях используются старые рельсы, или рельсы, не отвечающие необходимым кондициям. Полученный металл фасуют, после чего он проходит обработку.

1.1 Процесс производства (видео)

1.2 Преимущества лопаты из рельсовой стали

Из преимуществ лопат из рельсовой стали следует отметить такие:

Высокая прочность и сбалансированная упругость. Эти качества обеспечивает прочный материал и особый способ закалки. Причем упругость металлической основы позволяет лопате немного изгибаться под нагрузкой, а после возвращаться в первоначальное положение. Значит, деформация такому инструменту не грозит.

Небольшой вес. Не смотря на прочность и плотность материала, высокое содержание углерода делает лопату легче, чем инструмент из кованой стали. Это увеличивает комфорт при работе.

Стойкость к износу и коррозии. Стойкость к коррозийным процессам обеспечивается не только спецификой материала, но и антикороззийными покрытиями, которыми покрывается большая часть лопат из рельсовой стали.

Невысокие ценовые показатели. Лопаты из рельсовой стали на рынке по ценовым показателям немногим дороже лопат из кованой стали и нержавейки.

Самозаточка в процессе эксплуатации. Лопаты из рельсовой стали, благодаря структуре, не теряют остроту даже при работе с твердыми типами грунта, корнями, подмерзшей землей. А корректировка заточки проводится во время работы.

2 Выбор лопаты из рельсовой стали

Выбирая лопату, основными моментами, на которые следует обратить внимание, являются общая конструкция полотна и эргономичность инструмента. Что касается общей конструкции полотна, то лучше всего подбирать лопату с дополнительными ребрами жесткости. Такой инструмент намного тяжелее сломать или погнуть в процессе работы.

Что касается эргономичности лопаты, то основной нюанс это уступы для ноги. Они должны иметь правильный угол изгиба. Слишком приподнятый вверх край будет резать ногу при работе, слишком опущенный приведет к соскальзыванию ног. Удобным дополнением является также и ручка на конце черенка. Она облегчает работу с сыпучими материалами или рубку корней.

2.1 Уход за инструментом

Каким бы ни было качество инструмента, чтобы он исправно функционировал на протяжении многих лет, за ним нужно правильно следить и обслуживать:

1. После окончания работы, лопату нужно сразу же очистить от остатков грунта.
2. Хранить инструмент лучше в сухих, хорошо вентилируемых местах без доступа влаги.
3. Черенок лучше окрашивать, причем делать это нужно периодически. Это увеличит срок службы.
4. Постоянно следить за качеством соединения черенка и рабочего полотна. ни в коем случае не должен шататься. В этом случае его сразу же нужно подбить и закрепить по-новому.

Назначение:

- направлять колеса ПС в движении;

Воспринимать упруго перерабатывать и передавать нагрузки от колес на подрельсовое основание;

На участках с а/б служить проводником сигнального тока, а при электротяге – обратного силового.

Классификация:

Рельсы подразделяются:

А) по типам Р50, Р65, Р65к, Р75 (тип рельса определяется массой одного метра рельса, округленное значение кt подставляется после буквы Р).

Р65к – прокатываются для укладки в наружные нити кривых с R≤550 м.

Б) по категории качества: В-высшего; Т1 и Т2 – термоупрочненные; Н- нетермоупрочненные; (Категория зависит от частоты рельсовой стали, ее твердости, структуры, прямолинейности рельсов при изготовлении и т.д.) ,СС – для совмещенного скоростного движения; НЭ – низкотемпературной надежности; ИЭ – рельсы повышенной износостойкости.

В) по наличию болтовых отверстий: с отверстиями на обоих концах (2-3) или без отверстий.

Г) по способу выплавки стали: М - из мартеновской стали, К - из конвертерной стали; Э - из электростали.

Д) по виду исходных заготовок: из слитков; из непрерывно-литых заготовок (НЛЗ).

Требования:

- Прочность: иметь достаточный момент инерции (I см 4) и момент сопротивления (W см 3), чтобы возникающие в рельсах напряжения изгиба и кручения не превышали допустимых величин.

-Долговечность: Рельсовая сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, и вязкостью.

- Высокая контакто-усталостная выносливость.

Масса рельса, его очертание (профиль) качество рельсовой стали и особенности изготовления находятся между собой в тесной связи и зависимости от нагрузок колесных пар на рельс, скоростей движения и грузонапряженности.

Рельсовая сталь: Химический состав приведен в таблице. В марках стали буквы М,К,Э – способы выплавки стали, цыфры- среднюю массовую долю углерода в сотых долях%. Буквы Ф,С,Х,Т – лигированые стали ванадий, кремний, хром, титан соответственно.

Химический состав рельсовой стали:

98% железа; Углерод – увеличивает прочность рельса при изгибе; марганец – твердость, вязкость, износостойкость; Кремний – твердость, износостойкость; Фосфор – хладноломкость; сера – красноломкость.