Химический состав и структура рельсовой стали, применяемой при изготовлении трамвайных и железнодорожных рельсов

Химический состав рельсовой стали

Наиболее распространенной для изготовления трамвайных и железнодорожных рельсов является углеродистая и среднемарганцевистая сталь. Однако применяются и другие сорта стали, например, легированная.

Трамвайные и железнодорожные рельсы изготовлялись из мартеновской или бессемеровской стали. За рубежом применяется также томассовская сталь, из которой ранее изготовляли рельсы и в нашей стране. Рельсы из легированной стали, а также двухслойные рельсы применялись у нас лишь в виде опыта, давшего положительные результаты в части увеличения износоустойчивости рельсов.

Химический состав рельсовой стали и технические условия на изготовление и приемку трамвайных рельсов регламентированы Государственными стандартами.

Химический состав рельсовой стали приведен в табл. 1.

Углеродистыми трамвайные и железнодорожные рельсы называются потому, что качественная характеристика их определяется в основном содержанием углерода в стали.

Чем больше сталь содержит углерода, тем она тверже и тем менее подвержена истиранию, но зато она более хрупкая.

К полезным примесям в рельсовой стали относятся также кремний, который раскисляет и уплотняет металл, а также марганец, придающий стали большую вязкость и увеличивающий ее износоустойчивость. Однако эти полезные примеси полезны только в определенных пределах.

С увеличением содержания марганца в прокатных трамвайных и железнодорожных рельсах должно быть уменьшено содержание углерода в рельсовой стали.

Кроме того, основную рельсовую сталь можно улучшить путем облагораживания ферросплавами – примесью хрома, никеля, ванадия и т. п.

Примеси фосфора и серы являются вредными в рельсовой стали, так как придают ей хрупкость, причем сера вызывает красноломкость металла, т. е. хрупкость в нагретом состоянии, а фосфор придает холодноломкость стали, т. е. хрупкость в холодном и горячем состояниях. Поэтому весьма желательно ограничивать эти примеси до возможного предела.

Структура рельсовой стали

Исследованиями установлено, что рельсы трамвайного типа более неоднородны, чем рельсы железнодорожного типа, причиной этому служит более сложная конфигурация профиля трамвайных рельсов, вызывающая неравномерное обжатие и обработку отдельных частей профиля при различных температурах, доходящих до 980 °C. В то же время лучшая однородная мелкозернистая сталь при ее обработке давлением получается при температуре в 700–860 °C. Однородность структуры рельсовой стали проверяется при помощи макроструктурных и микроструктурных испытаний.

Макроструктура выявляется глубоким травлением образца рельса по всему поперечному сечению. Травление производится обычно серной кислотой (H₂SO₄), а иногда и каким-либо другим способом. После этого протравленный образец фотографируется в натуральную величину. Равномерная мелкозернистая структура соответствует доброкачественному рельсу. Недоброкачественность заключается главным образом в явных признаках отделения легкоплавких веществ от трудноплавких (ликвации). Тогда на образце будут заметны продольные жилы, которые иногда переходят во внутренние трещины.

Для получения микроструктуры из рельса берется небольшой образец, полируется и после протравливания его однопроцентным раствором азотной кислоты в алкоголе фотографируется под микроскопом с увеличением в 100–150 раз. На рис. 1 показана микрофотография структуры рельсовой стали с увеличением в 100 раз. На микрофотографии белым цветом изображается феррит (свободное железо), черным–перлит (железо с углеродом). Структура должна быть перемешанная, зернистая, что указывает на однородность металла рельса.

Рис. 1. Микрофотография рельсовой стали.