Как производят железнодорожные рельсы?

Основные требования к рельсовой стали

Вне зависимости от того, из какой стали делают рельсы, к сырью предъявляются обеспечивающие качество и безопасность железнодорожных путей требования. ГОСТом Р51685-2013 определяются допустимая загрязненность стали неметаллическими включениями, допустимые внутренние дефекты и показатели качества:

• Диаметр каждого из шести шаровидных включений не должен превышать 30 мкм, а их усредненный диаметр должен быть не более 20 мкм.
• Нитеобразные шаровидные включения не должны превышать длину для специальных рельс 353 мкм (усредненный 300 мкм) и для общих 705 мкм (усредненный 500 мкм).
• Максимальный коэффициент отдельных и нитеобразных шаровидных включений – 30 мкм2/мм2.

В структуре стали должны отсутствовать внешние и внутренние трещины, пятнистые разделения составляющих, расслойки, корочки, шлаки, инородные включения. Не допускаются к использованию рельсы, у которых при ультразвуке выявлены дефекты с амплитудами, превышающими установленные приложениями ГОСТ показатели.

Химический состав

Железо – основной компонент железнодорожного металлопроката. Кроме него в составе изделий находится и ряд других элементов, процентное соотношение которых закреплено в ГОСТ Р554 97-2013. В стали присутствуют:

• От 0,03 до 0,07% азота. Примесь, образующая неспособные термоупрочняться нитриды ванадия.
• От 0,08 до 0,012% ванадия. Увеличивают устойчивость сплава к нагрузкам. Повышают прочность и износостойкость рельс, связываясь с углеродом.
• От 0,18 до 0,40% кремния. Нужен для улучшения кристаллической структуры сплавов. Удаляет остатки кислорода из металлических заготовок, предупреждает неоднородность их структуры. В 1,5 раза увеличивает срок службы железнодорожного полотна.
• От 0,25 до 1,05% марганца. Увеличивает ударную вязкость на 20 – 30 %. Предупреждает снижение пластичности сплава.
• До 0,045% серы. Превышение этого показателя увеличивает риск образования трещин на поверхности рельс.
• От 0,71 до 0,82% углерода. Связывает молекулы железа, образуя карбиды. Увеличивает твердость и предел прочности в 2 раза.
• До 0,035% фосфора. Из-за этого вещества сплав становится хрупким. Появляется риск разлома рельсов.

Механические свойства

Разобравшись, из чего делают рельсы и каков химический состав сплава, можно оценить их механические свойства. Пластичность у металлопроката умеренная. Рельсы можно производить горячим способом, так как относительное сужение не превышает 25%. Прочность при растяжении определяется временным сопротивлением на разрыв. В зависимости от типа рельс показатели соответствуют таким данным:

• Р65 и Р75, выполненные из мартеновской стали - 900 МПа (90 кгс/мм2);
• Р50 из сплавов, изготовленных в мартеновских печах - 880 МПа (88 кгс/мм2);
• Р43 из стали конвертерного производства - 770 МПа (77 кгс/мм2);
• Рельсы для трамвайных путей, углеродистая или среднемарганцовистая сталь - 800 МПа (80 кгс/мм2).

Металл, из которого изготовлены рельсы, выдерживает напряжение сжатия до 1000 МПа (100 кгс/мм2) и изгиб подошвы до 250 Мпа (кгс/мм2). Поверхность металлических балок начинает деформироваться при нагрузках от 600 до 810 Мпа.

Ударная вязкость балок должна быть не менее 25 Дж/см2. Она выявляется при снижении температурных показателей до -60 °С, если это рельсы ОТ350НН и ДТ350НН, и при комнатной температуре у других типов изделий.

Виды и марки рельсовой стали

Классификация рельсовой стали зависит от количества нагрузок, которые она способна выдержать, и сферы применения. Узнав, из какого металла делают рельсы, можно определить насколько они подходят для прокладки конкретных путей. На производстве чаще используют следующие марки стали:

• М54. Материал с вязкостью, повышенной за счет большого содержания марганца. Балки из него используются для накладки в местах стыков и стрелочных переводов.
• М68. Прочный сплав, востребованный для прокладки верхних строений путей.
• К63. Содержит около 0,3% никеля. Обладает увеличенной твердостью и устойчивостью к коррозии. Выдерживает критические нагрузки. Используется для прокладки крановых путей.
• К63Ф. В состав добавлен вольфрам, увеличивающий устойчивость к циклическим нагрузкам.
• 76. Сфера применения – прокладка ширококолейных путей для промышленного транспорта. Используется для изготовления рельс РП 50 и 65.
• 76Ф. Сталь с добавлением вольфрама. Рельсы, изготовленные из нее, обладают увеличенной пропускной способностью.

Особенности рельсовой стали

Для изготовления рельс используется сталь следующих типов:

• Конверторная. Относительное удлинение составляет 17,3 – 22%, поперечное сужение 59 – 62%, а ударная вязкость – 4,8 – 7,7 кг м/см2
• Мартеновская. Обладает относительным удлинением, схожим с конверторной сталью. Поперечное сужение не превышает 57,7%, а ударная вязкость не более 5,9 кг м/см2.
• Электросталь. Относительное удлинение находится в пределах 17 – 32%, процентное соотношение сужения – 30 – 59%, а вязкость варьируется от 3 до 10,2 кг м/см2.

Микроструктура трамвайных рельс более неоднородная, чем у железнодорожных. Это связано с различием конфигурации. Части металлической балки для трамвайных путей обрабатывают под воздействием разных температур, а обжатие происходит неравномерно. Привести микроструктуру к однородным показателям у железнодорожных рельс помогает глубокое травление при помощи серной кислоты. Далее изучается микроструктура рельса. В ней не должно быть отделения легкоплавких веществ от трудноплавких.

Состав рельсовой стали

В состав стали входит углерод и примеси, улучшающие характеристики рельс. Марганец повышает вязкость металла и его устойчивость к механическому воздействию. Увеличить срок эксплуатации деталей железнодорожного пути и повысить их твердость помогают кремний, ванадий, титан, цирконий. Чрезмерное количество серных и фосфорных добавок может привести к появлению трещин.