Транспортные стали (ТРС) – класс конструкционных нелегированных или низколегированных материалов с содержанием углерода не более 1%, а серы и фосфора не более 0,07%. Они могут иметь несколько легирующих элементов (ванадий, марганец, хром) с массовой долей не более 1,5%.
В зависимости от назначения ТРС делятся на рельсовые, колёсные, бандажные, осевые и др.
Стали для рельсов. Рельсы подразделяются на 4 основные типа: Р50, Р65, Р65К (аналогично Р65, но для наружных нитей кривых участков пути) и Р75 (Существуют также в ограниченном количестве облегчённые рельсы типов Р43 и Р38). Они имеют различные категории качества:
- В – рельсы термоупрочнённые высшего качества,
- Т1 – термоупрочнённые первого класса,
- Т2 – термоупрочнённые второго класса,
- Н – нетермоупрочнённые.
Бывают рельсы с болтовыми отверстиями на обоих концах, на одном и без отверстий. Их изготавливают либо из слитков, либо из непрерывно-литых заготовок. Для повышения качества рельсов, снижения их флокеночувствительности стали подвергают вакуумированию, контрольному охлаждению или изотермической выдержке. Основные геометрические характеристики рельсов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Основные размеры рельсов
| Наименование | Значение размера для типа
рельсов, мм |
|||
| Р50 | Р65 | Р65К | Р75 | |
| Высота | 152 | 180 | 181 | 192 |
| Ширина рабочей части
(головки) |
72 | 75 | 75 | 75 |
| Ширина основания
(подошвы) |
132 | 150 | 150 | 150 |
| Ширина узкой части
(шейки) |
16 | 18 | 18 | 20 |
Для производства рельсов рекомендуется применять специальные марки сталей. Обозначение таких марок состоит из двух цифр и нескольких букв.
Буква впереди характеризует способ выплавки:
- М – мартеновская сталь,
- К – конвертерная,
- Э – электропечная.
Две цифры – среднее содержание в стали углерода в процентах, умноженное на 100.
Последующие буквы относятся к легирующим элементам для данной марки.
Перечень марок и их химический состав приведены в табл. 2.
Отметим, что термическое упрочнение является одним из основных способов повышения эксплуатационной стойкости и надёжности рельсов, поэтому механические свойства сталей связаны с качеством обработки сталей (см. табл. 3). Термоупрочнённые стали должны обеспечивать рельсам необходимую по нормам твёрдость (см. табл. 4).
Для использования высокопрочных рельсов (категория В) на наиболее загруженных участках пути требуется повысить твёрдость сталей до 450–480 НВ, а σв до 1700–1800 Н/мм2, это позволит достичь предела контактной выносливости в головке рельса порядка 1600 Н/мм2. Марку применяемой стали рекомендуется вставлять в условное обозначение рельса. В обозначении сведения приводятся в следующей последовательности: тип рельса, категория качества, марка стали, длина рельса, число болтовых отверстий, число концов рельса с отверстиями, наименование регламентирующего стандарта (желательно).
Например:
Рельс Р65–Т1–М76Т–25–3/2. Гост Р 51685– 2000.
Рельс типа Р65, категория Т1, из стали марки М76Т, длиной 25 м, с тремя отверстиями на обоих концах, в соответствии с российским стандартом 51685–2000.
Рельс Р75–Т2–Э76Ф–12,5–0.
Рельс типа Р75, категория Т2, из стали марки Э76Ф, длиной 12,5 м, без отверстий.
Таблица 2. Химический состав рельсовых сталей
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| С | Si | Mn | S | P | Cr | V | Ti | Al | |
| К78ХСФ | 0,74-0,82 | 0,4-0,8 | 0,75-1,05 | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 | 0,4-0,6 | 0,05-0,15 | — | ≤ 0,005 |
| Э78ХСФ | 0,74-0,82 | 0,4-0,8 | 0,75-1,05 | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 | 0,4-0,6 | 0,05-0,15 | — | ≤ 0,005 |
| М76Ф | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,04 | ≤ 0,035 | ≤ 0,15 | 0,03-0,15 | — | ≤ 0,02 |
| К76Ф | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,035 | ≤ 0,03 | ≤ 0,15 | 0,03-0,15 | — | ≤ 0,02 |
| Э76Ф | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,03 | ≤ 0,025 | ≤ 0,15 | 0,03-0,15 | — | ≤ 0,02 |
| М76Т | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,04 | ≤ 0,035 | ≤ 0,15 | — | 0,007-0,025 | ≤ 0,02 |
| К76Т | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,035 | ≤ 0,03 | ≤ 0,15 | — | 0,007-0,025 | ≤ 0,02 |
| Э76Т | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,03 | ≤ 0,025 | ≤ 0,15 | — | 0,007-0,025 | ≤ 0,02 |
| М76 | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,04 | ≤ 0,035 | ≤ 0,15 | — | — | ≤ 0,025 |
| К76 | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,035 | ≤ 0,03 | ≤ 0,15 | — | — | ≤ 0,025 |
| Э76 | 0,71-0,82 | 0,25-0,45 | 0,75-1,05 | ≤ 0,03 | ≤ 0,025 | ≤ 0,15 | — | — | ≤ 0,025 |
Примечания .
|
|||||||||
Таблица 3. Механические свойства рельсовых сталей
| Категория качества | σ0,2, Н/мм2 | σв, Н/мм2 | δ, % | Ψ, % | КСU, Дж/см2 |
| В | 850 | 1290 | 12 | 35 | 15 |
| Т1 | 800 | 1180 | 8 | 25 | 25 |
| Т2 | 750 | 1100 | 6 | 25 | 15 |
| Н | – | 900 | 5 | – | – |
Таблица 4. Твёрдость сталей
| Место | Твёрдость сталей для категорий, НВ | ||
| В | Т1 | Т2 | |
| На рабочей поверхности головки рельса | 363–401 | 341–401 | 321–401 |
| Внутри головки | ≥ 341 | 321–341 | 300–321 |
| В шейке и подошве | ≤ 388 | ≤ 388 | ≤ 388 |
Колёсные стали. Согласно отечественным стандартам колёса изготавливаются из сталей двух марок:
- – для пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов электро- и дизель- поездов;
- – для грузовых вагонов.
Химический состав этих сталей приведён в табл. 5. Механические свойства сталей ободьев колёс, подвергнутых упрочняющей термической обработке, должны соответствовать нормам, указанным в табл. 6.
Таблица 5. Химический состав колёсных сталей по ГОСТ 10791-89
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||
| С | Si | Mn | S | P | V | |
| 1
2 |
0,44–0,52
0,55–0,65 |
0,4–0,6
0,22–0,45 |
0,8–1,2
0,5–0,9 |
≤ 0,04
≤ 0,04 |
≤ 0,035
≤ 0,035 |
0,08–0,15
— |
| Примечание. Содержание Ni, Cr и Cu не более 0,25% каждого. | ||||||
Таблица 6. Механические свойства сталей ободьев колёс
| Категория качества | σв, Н/мм2 | δ, % | Ψ, % | НВ |
| 1
2 |
882–1078
911–1107 |
12
8 |
21
14 |
248
255 |
При этом ударная вязкость сталей дисков колёс должна быть достаточно велика, для марки 1 не менее 30 Дж/см2, а для марки 2 – 20 Дж/см2.
Однако согласно ГОСТ 10791-89 допускается применение в России катаных, кованых или цельнолитых колёс, изготовленных в соответствии с международным стандартом ISO 1005-6-82. Согласно этому стандарту стали бывают двух видов: если они используются для изготовления катаных или кованых колёс, то это марки R1, R2, R3, R6, R7, R8, R9, если же они применяются в цельнолитых колёсах, это марки RС1, RС2, RС3, RС6, RС7, RС8, RС9 (латинская буква С – сокращение от Cast – литой).
Первые три марки каждой группы применяются либо без термообработки, либо после нормализации с отпуском. Для остальных обязательна поверхностная упрочняющая обработка изделий в состоянии поставки или объёмная закалка с отпуском. Химический состав марок приведён в табл. 7.
Таблица 7. Химический состав колёсных сталей согласно стандарту ISO
| Марка стали | Массовая доля элементов, % (не более) | |||||||||||||||
| С | Si | Mn | S | P | Cr | Cu | Mo | Ni | V | |||||||
| R1, RC1 | Не оговорено | 0,5 | 1,2 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| R2, RC2 | Не оговорено | 0,5 | 1,2 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| R3, RC3 | 0,7 | 0,5 | 0,9 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| R6, RC6 | 0,48 | 0,4 | 0,75 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| R7, RC7 | 0,52 | 0,4 | 0,8 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| R8, RC8 | 0,56 | 0,4 | 0,8 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| R9, RC9 | 0,6 | 0,4 | 0,8 | 0,04 | 0,04 | 0,3 | 0,3 | 0,08 | 0,3 | 0,05 | ||||||
| Примечание. Суммарное содержание примесей по хрому,
никелю и молибдену должно быть не более 0,6%. |
||||||||||||||||
Требования к механическим свойствам для первых трёх марок каждой группы слегка отличаются в зависимости от того, нормализована сталь или нет (табл. 8).
Чтобы убедиться, что диск колеса не затронут поверхностной обработкой, исследуются его механические свойства. В этом случае необходимо выполнение следующих условий (табл. 9.).
Таблица 8. Механические свойства сталей ободьев колёс согласно стандарту ISO
| Марка стали | σв, Н/мм2 | δ, % (не менее) | КСU, Дж/см2 |
| R1, RC1 | 600–720 | 12 | Не нормируется |
| R1N, RC1N | 600–720 | 18 | ≥ 30 |
| R2, RC2 | 700–840 | 9 | Не нормируется |
| R2N, RC2N | 700–840 | 14 | ≥ 20 |
| R3, RC3 | 800–940 | 7 | Не нормируется |
| R3N, RC3N | 800–940 | 10 | ≥ 20 |
| R6, RC6 | 770–890 | 15 | ≥ 30 |
| R7, RC7 | 820–940 | 15 | ≥ 30 |
| R8, RC8 | 860–980 | 13 | ≥ 30 |
| R9, RC9 | 900–1050 | 12 | ≥ 20 |
| Примечание. N означает проведение нормализации стали. | |||
Таблица 9. Механические свойства сталей дисков колёс согласно стандарту ISO
| Марка стали | σв, Н/мм2 (не более) | δ, % (не менее) |
| R6, RC6 | 740 | 16 |
| R6, RC6 | 760 | 16 |
| R6, RC6 | 820 | 16 |
| R6, RC6 | 880 | 14 |
Осевые стали. Колёсная пара, состоящая из оси и двух колёс, является наиболее ответственной частью вагона, так как воспринимает его вес, направляет движение вагона, выдерживает большие и разнообразные по направлению удары от неровностей пути. Для изготовления осей локомотивов, электропоездов, вагонов железных дорог и метрополитена применяется качественная углеродистая сталь ОС.
Стали для бандажей. Бандажи изготовляются из спокойных углеродистых сталей, выплавленных в мартеновских, электрических печах или конвертерным способом. В отличие от рельсовых сталей это в обозначении сталей никак не отражается.
В настоящее время существуют две марки ТРС, применяемых для бандажей:
- 2 – основная, она используется для пассажирских, грузовых и маневровых локомотивов, моторных вагонов, дизельных поездов и вагонов метрополитена и по химсоставу аналогична стали 2 для колёс;
- 3 – она используется по согласованию с потребителем для грузовых и маневровых локомотивов.
Химический состав сталей приведён в табл. 10.
После прокатки и правки бандажи подвергаются термической обработке – закалке отдельным нагревателем с последующим отпуском. Механические свойства, которые приобретают бандажные стали после такого процесса, даны в табл. 11.
Таблица 10. Химический состав бандажных сталей
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||||
| С | Si | Mn | S | P | Cr | V | Mo | Ni | Cu | |
| 2 | 0,57–0,65 | 0,22–0,45 | 0,6–0,9 | ≤0,04 | ≤0,035 | ≤0,2 | ≤0,15 | ≤0,08 | ≤0,25 | ≤0,3 |
| 3 | 0,60–0,68 | 0,22–0,45 | 0,6–0,9 | ≤0,04 | ≤0,035 | ≤0,2 | 0,06–0,15 | ≤0,08 | ≤0,25 | ≤0,3 |
Примечания .
|
||||||||||
Таблица 11. Механические свойства бандажных сталей после термообработки
| Марка стали | σв, Н/мм2 | δ, % | Ψ, % | КСU, Дж/см2 | НВ |
| 2 | 930–1110 | 10 | 14 | 25 | 269 |
| 3 | 1000–1270 | 8 | 12 | 20 | 275 |
Для получения высококачественных бандажей возможно применение особой технологии термического упрочнения сталей, включая их подстуживание после горячего деформирования, нагрев до температуры аустенитизации с последующим контролируемым охлаждением и отпуск. В этом случае удаётся повысить σв на 40–120 Н/мм2, твёрдость на 30–40 НВ, предел выносливости на 100–140 Н/мм2.
Стали для подкладок. Для железобетонных шпал применяют металлические подкладки нормальной и повышенной точности.
Они обеспечивают раздельное скрепление на самом пути и стрелочных переводах. Изготавливаются подкладки из углеродистых сталей обыкновенного качества Ст4 и Ст3 различных видов, у которых выполняются условия: углерод – в пределах 0,18–0,30%, мышьяк не более 0,15%. Допускается использование сталей при C ≥ 0,16%, если при этом C+Mn/4 ≥ 0,28%.