Рельсовая сталь. Сталь – это самый распространенный сплав в промышленности

Сталь – это самый распространенный сплав в промышленности

Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.

Что такое сталь

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.

Но сталь – это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу – повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.

Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.

Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.

Классификация сталей по качеству

Все стали по качеству подразделяют на:

– сталь обыкновенного качества;

– сталь повышенного качества;

Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества – для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные – в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.

Марки рессорно-пружинной стали, применяемые в промышленности

Пружинная сталь, марки которой применимы в изготовлении тугих изделий, характеризующихся восстановлением первоначальной формы, при сильном изгибе и значительном скручивании.

Важнейшие детали в производстве механизмов, которые испытывают переменную, повторяющуюся нагрузку, под действием которой происходит сильная деформация. Как только нагрузка прекращается, эти элементы принимают первоначальную форму. В работе этих деталей есть особенность, которая не допускает остаточной деструкции, она должна быть только упругой. К рессорно-пружинным сталям предъявляются завышенные требования при выработке. Разберемся, из какой стали делают рессоры?

Для чего вырабатывают пружинный сплав?

Для выработки деталей могут использовать как легированную сталь, так и углеродистую, они обладают повышенной упругостью, вязкостью, выносливостью и пластичностью. Благодаря свойствам этих видов стали ограничивается упругая деструкция.

Рессорно-пружинные стали доступные, технологичные, имеющие высокий предел релаксационной стойкости.

Интересно: для получения качественных изделий из углеродистой и легированной стали ее закаливают при температуре 420-520 градусов, при этом получается эффект структуры троостита.

Рессорно-пружинные стали сопротивляются непрочному разрушению, и отличаются повышенной пластичностью. Их применяют для выработки изделий с высокой стойкостью к износу, например:

зажимные цанги;
тормозной прокат;
кромки;
пружины и рессоры;
упорные шайбочки;
торсы подшипников;
фрикционные диски;
шестеренки.

Марки стали по ГОСТу 14959–79

Это стали с высоким содержанием углерода, но с малым легированием. Госстандарт 14959 обозначает – легированный сплав следующих марок:

3К-7 – применяется в выработке проволоки холоднотянутым способом, из которой изготавливают пружины, незакаливаемые;
50ХГ – производят рессоры для автомашин и пружины для жд. составов;
50ХГА – назначение в производстве как у предыдущей марки рессорно пружинной стали;
50ХГФА – выпускают особенные пружины и рессорные детали для машин;
50ХСА – пружины специального назначения и небольшие детали для механизмов часов;
50ХФА – изготавливают детали с повышенной нагрузкой, с требованиями высочайшей устойчивости и прочности, которые действуют при больших температурах – до 300 градусов.
51ХФА – для пружинной проволоки;
55С2 — для производства пружинных механизмов и рессор, используемых в тракторостроении, машиностроении, для подвижных составов на ж/д;
55С2А – производят авторессоры, пружины для поездов;
55С2ГФ – для выработки очень прочных пружин специального направления, авторессор;

55ХГР – производят полосовую сталь пружинную, толщина которой варьируется от 3 до 24 мм;
60Г – для выработки круглых и гладких пружин, колечки и прочие выработки пружинного типа, обладающих высокой стойкостью к изнашиванию и упругостью, например, скобы, втулки, тамбурины для тормозящих систем, применяемые в тяжелом машиностроении;

Интересно: торсионная сталь, марки 60С2 – пружины высокой нагрузки, фрикционные диски, пружинные шайбочки;

60С2А – производят те же изделия, что из стали предыдущего типа;
60С2Г – тип рессорной стали, из которой производят тракторные и авторессоры;
60С2Н2А – производят ответственные рессоры с высокой нагрузкой на сплав;
60С2ХА – для выработки высоконагруженных пружинных продуктов, на которые производится постоянная нагрузка;
60С2ХФА – это круглая сталь с элементами калибровки, из которой производят пружины и пластины рессор с высокой ответственностью;
65 – изготавливают детали с повышенной прочностью и упругостью, которые эксплуатируются при большом давлении при высоких статистических нагрузках и сильной вибрации;
65Г – изготавливают детали, которые будут работать без ударных нагрузок;
65ГА – проволока для пружин, прошедшая закалку;
рессорная сталь марки — 65С2ВА, высоконагруженные рессорные пласты и пружины;
68А – закаленная проволока для производства пружинных приспособлений калибром 1.2-5,5 мм;
70 – детали для машиностроения, от которых необходима повышенная износоустойчивость;
70Г – для пружинных элементов;
70Г2 — производят землеройные ножи и пружины для разных отраслей промышленной индустрии;
70С2ХА – пружинные элементы для часовых устройств и большие пружины специального назначения;
70С3А – пружины с большой нагрузкой;
марка рессорно пружинной стали 70ХГФА – проволока для выработки пружинных элементов с термообработкой;
75 – любые пружинные и другие детали, используемые в машиностроении, на которые оказывается большая нагрузка вибрациями;
80 – для выработки плоских деталей;
85 – износостойкие детали;
SH, SL, SM, ДН, ДМ – машинные пружины, работающие при статистических нагрузках;
КТ-2 – для выработки холоднотянутой проволоки, которая навивается без термической обработки.

Читать еще: GUF (Гуф) — Биография, личная жизнь, Версус, Птаха, фото. Гуф и сольная карьера

Первыми цифрами обозначается среднее содержание углерода в конкретной стали и обозначается она в процентном эквиваленте. После цифр идет литера, обозначающая конкретные легирующие присадки добавлены в сплав, а последнее число – это содержание добавок. Стоит отметить, что если легирующего связующего меньше 1,5%, то число не пишется, содержание больше чем 2,5% обозначается тройкой, промежуточное значение между двумя первыми значениями – прописывается цифрой 2.

Пружинный прокат будь то некорродирующая полоса, листы, шестигранники или квадраты, подразделяются на группы с некоторыми характеристиками:

химический состав – первоклассная нержавеющая листовая спецсталь, которая нормируется по значениям от 1 до 4Б;
способ обработки – горячекатаная полоса, поверхность которой обтачивается или шлифуется, калиброванный прокат, кованный, специально отделанный прокат.

Сталь 60с2а пружинная

Нержавеющая пружинная сталь – дешевая, с большой упругостью, выносливостью к износу, при этом у нее нет отпускной хрупкости. Этот сплав не деформируется от механических нагрузок. Эффективно эксплуатируется при повышенной влажности, так как имеет нержавеющее покрытие. Ее применяют при температуре не более 250 градусов, используется для производства изделий из металлопроката.

Из нержавеющей стали производят оборудования в морской промышленности, в медицине, и пищевом производстве. Ее применение в этих отраслях обусловлено коррозиеустойчивой сплава.

Интересно: устойчивость связана с большим содержанием молибдена и хрома. Сплав имеет хорошую сопротивляемость к образованию трещин под большой нагрузкой.

Марка нержавеющей жаропрочной стали используется при выработке тонколистовой прокатки, цельнотянутых труб и различных инструментов пищевой и химической индустрии.

Специфики пружинных сплавов

Высоко- и среднеуглеродистые виды этих сплавов упрочняются путем тонкой хладной деструкции, допускающей внедрение дробеструйных и гидроабразивных способов. При данном виде воздействия усилия остаточного сжатия наводят на плоскость изделий.

Фактически любая рессорная сталь (некорродирующая, без особых противокоррозионных свойств) должна пройти операцию сильного накаливания по сквозистой методике. Поэтому готовая металлопродукция по своему разрезу будет обладать структурой троостита.

Масленое закаливание при температуре 830–880 градусов, совмещаемая с отпуском при 410–480 градусах гарантирует повышения рубежа упругости – главнейшего рабочего свойства вышеперечисленных сталей. Зачастую употребляется и изотермическое закаливание, обеспечивающее не только высокую упругость, но еще и увеличенные данные пластичности, стабильности и вязкости вещества.

Некорродирующая лента и проволока из сплавов 70 и 65 в наибольшей степени часто употребляются для создания машинных пружин. В автотранспортной сфере также динамично используются кремниевые рессорные стали марки пружинной прокатки – 60С2А, 70С3А и 55С2. Они предрасположены к обезуглероживанию, что понижает характеристики их упругости и выносливости. Но за счет присадок хрома, ванадия и определенных составляющих все эти возможные опасности нивелируются.

Сферы применения рессорной прокатки самых ходовых марок стали:

пружины для любых устройств и агрегатов Машино- и автомобиле-строительной областей – 55С2, 50ХГ, 50ХГА;
тяжелонагруженные пружины – 60 С2Г, 60С2, 65С2ВА,60С2Н2А;
износоустойчивые пружины круглые и плоские (употребляется полоса), действующие при повышенных вибрациях – 80, 75,85.

В завершение немного о недостатках

нехорошей свариваемостью;
трудность резки.

Рельсовая сталь: марка и характеристики железнодорожных ЖД путей

Длительная и беспроблемная эксплуатация элементов ВСП возможна лишь тогда, когда они выполнены из подходящего материала. И сегодня мы посмотрим, из какой стали изготавливают рельсы железнодорожные, почему выбран именно этот металл, какими свойствами он обладает. Информация поможет вам правильно выбрать подходящие прокатные изделия для непосредственного строительства колеи.

Важно учитывать специфику современности. За почти 100 лет грузоподъемность ЖД-транспорта увеличилась в 8-10 раз, а скорость его передвижения по полотну возросла в 5 раз. Получается, что опорные конструкции испытывают совсем другие нагрузки. Поэтому необходимо, чтобы они были более прочными, твердыми и износостойкими, чем век назад.

Рельсовая сталь

Объединяет в себе сразу несколько типов сходных металлов, аналогичных по способу применения – используемых для изготовления элементов ВСП (верхнего строения пути). Мелкоигольчатый перлит составляет основу фазовой структуры для всех вариантов, выплавляемых в конверторных или дуговых печах. После термической обработки он становится максимально однородным, приобретая вязкость, достаточную твердость и высокое сопротивление износу.

По раскислителям делится на 2 принципиальные группы:

I – вредные примеси убираются с помощью ферромарганца или ферросилиция;

II – для удаления кислорода применяются алюминиевые включения (считающиеся более предпочтительными из-за их природы).

Основные материалы для изготовления рельсов

Многое зависит от того, в какой сфере будут использоваться прокатные изделия. Из конвертерной стали исполняются элементы ВСП, укладываемые в ЖД-путь и формирующие широкую или узкую колею. А вот крановым опорным металлоконструкциям уже необходимо выдерживать совсем другие нагрузки, поэтому для их выпуска заводы берут высокоуглеродистые сплавы.

Читать еще: Рассказ о композиторе эдварде григе. Общая характеристика творчества эдварда грига

Совсем другой случай – так называемые контактные, монтируемые для создания полотна метрополитена. Они не принимают огромные напряжения, зато должны эффективно снимать ток, поэтому их делают из сравнительно мягких металлов.

Химический состав и его преимущества

Для основных марок стали ЖД рельса он регламентирован ГОСТом Р 554 97-2013. Данный межгосударственный стандарт устанавливает, что основной компонент – это железо, но помимо него в сплав обязан входить еще ряд элементов – в следующих массовых долях:

Углерод (карбон) – от 0,71 до 0,82%, усиливает механические свойства примерно вдвое. Его частицы связывают ферро-молекулы, превращая их в карбиды, которые гораздо прочнее и крупнее. И высокотемпературные воздействия становятся не настолько критичными.
Марганец – от 0,25 до 1,05%, улучшает ударную вязкость (на четверть-треть), а также износостойкость и твердость. Причем пластичность не ухудшается, что самым положительным образом влияет на технологичность готового прокатного изделия.
Кремний – от 0,18 до 0,4%, требуется для удаления кислородных примесей, а значит и для оптимизации внутренней кристаллической структуры материала. С такой добавкой существенно уменьшается вероятность появления ликвационных пятен, а долговечность повышается примерно в 1,4 раза.
Ванадий – от 0,012 до 0,08%, в зависимости от конкретной марки стали для изготовления рельсов. Важен для обеспечения достаточной контактной прочности. В соединении с углеродом образует карбиды, повышающие предел выносливости (а именно нижний его порог).

Механические свойства

Сопротивляемость ударным воздействиям – твердость легированного добавками материала после объемной закалки достигает 60 HRC по шкале Роквелла, вязкость – 2,5 кг/см2. Благодаря этому уже уложенные металлоконструкции сложно случайно повредить.
Стойкость к циклическим нагрузкам – жд металлопрокат изготавливают из стали, потому что предел его прочности доходит до 1000 МПа. В климатических условиях наших широт они не деформируются в течение десятилетий (особенно при грамотном уходе).
Умеренная пластичность – изделие горячего проката при производстве можно нагревать до температуры в 1000 градусов Цельсия. Показатель его относительного сужения не выйдет за пределы 25%. Получается профиль без пустот и мелких дефектов, которые в процессе эксплуатации могли бы быстро превратиться в серьезные изъяны.

Сочетание настолько практичных свойств также обуславливает постоянную популярность и повсеместное использование двутавровых направляющих именно из рассматриваемого сплава.

Применение и марки рельсовой стали

Основная сфера использования металла (что ясно из его названия) – выпуск прокатных изделий для укладки ВСП.

Теперь рассмотрим самые востребованные вариации сплавов:

76 – самая популярная. Из нее изготавливаются профили серий Р50 и Р65, составляющие 3/4 всех опорных конструкций ширококолейных ЖД-полотен.
76Ф – уже усиленная ванадием, с повышенным ресурсом. Поэтому используется для производства проката, который в дальнейшем будет укладываться в линии для высокоскоростного движения локомотивов и другого быстрого транспорта.
К63 – легирована никелем (до 0,3%), отличается впечатляющей твердостью и лучшей коррозионной стойкостью. Из нее выполняются крановые рельсы, марка стали позволяет выдерживать нагрузки, в других случаях ставшие критическими.
К63Ф – с добавками вольфрама, а значит с еще более высокой циклической прочностью.
М54 – обогащенная марганцем и за счет этого обладающая хорошей вязкостью. Нашла свое применение при выпуске накладок для мест стыка и стрелочных переводов.
М68 – актуальная при производстве специфических элементов верхнего строения пути.

Необходимость механических свойств в различных сочетаниях и определила такое разнообразие вариантов. Добавьте сюда сравнительно малый вес и низкую стоимость, и получите очень практичную конструкцию для строительства транспортных линий и узлов развязки.

Указывается тип рельсовой стали на маркировке, которая может быть как постоянной, так и временной. В первом случае она наносится клеймением, во втором – краской. В числе прочих обозначений – соответствие прокатного изделия ГОСТу, а также дополнительные его особенности (укороченная длина, сорт, расположение технических отверстий и тому подобное).

Эксплуатировать профили можно вплоть до истечения срока наработки, указанного заводом-производителем и исчисляемого по пропущенному тоннажу. Возможен и преждевременный выход элементов ВСП из строя, вызванный появлением дефектов. Тогда их нужно менять или ремонтировать. О различных видах дефектах вы можете прочитать в этой статье.

Читать еще: Отношение к любви. Дуэли творца Онегина и вполне уместные параллели

Итак, мы выяснили, что для железнодорожного полотна марка стали это 76 и 76Ф, с высоким содержанием углерода и с добавками ванадия (во втором случае). Выплавляется в конвертерных и дуговых печах, с раскислением ферросилицием и алюминием, с последующей дефосфорацией и обновлением шлака, с вакуумной и термической обработкой. При таком подходе готовый прокат отличается высокой степенью чистоты и низкой склонностью к появлению изъянов.

Сходным образом заводы-производители выпускают не только конструкции для формирования полотна, но и другие важные элементы используемые на ЖД-объектах. Взглянем на них подробнее.

Колесные стали – для железнодорожных колес

Ободья подвижных частей транспорта просто обязаны быть износостойкими (иначе все прочностные преимущества верхнего строения пути будут сведены к нулю). Поэтому они и производятся из тех типов рассматриваемого нами металла, которые обогащены карбидами. Тогда они реже выходят из строя, а значит меньше провоцируют возникновение аварийных ситуаций, а в долгосрочной перспективе еще и удешевляют стоимость эксплуатации локомотивов и вагонов.

Внимание, ошибочно считать, что все риски нивелируются подходящими примесями. Даже полезные добавки должны вводиться в сплав умеренно – сейчас объясним почему.

Углерод в колесных сталях

Анализируя химический состав, мы сделали вывод, что включения карбона усиливают сопротивление металла к износу, но они же и повышают восприимчивость к критическим температурам. В случае с ободьями особенно важно сделать их несклонными к термическим повреждениям. Нужно помнить, что преждевременный износ (тем более при халатном обслуживании) способен привести к тому, что движущийся на внушительной скорости транспорт сойдет с пути.

Поэтому нет смысла ориентироваться исключительно на высокоуглеродистые сплавы – их прочность в данном случае вполне способна сыграть во вред. Для выпуска колес может не подойти обычная рельсовая сталь, марка для их изготовления обязана соответствовать следующим стандартам:

AAR M-107/M-208 – американский;
EN 13262 – европейский;
JIS E 5402-1 – японский;
ГОСТ 10791-2011 – межотраслевой.

Отдельного внимания заслуживают проектные решения Страны восходящего солнца. ЖД-сообщение там достаточно сильно развито и сегодня находится на том современном уровне, на который стоит равняться уже не только государствам СНГ. Локомотивы там передовые и движутся на внушительных скоростях. Каким же образом подвижные части этого транспорта выдерживают серьезнейшие нагрузки? Попробуем разобраться.

Японские колесные стали

Примерно 90 лет назад тамошние инженеры и строители столкнулись с глобальной проблемой: специалисты обнаружили, что колеса их транспорта преждевременно изнашиваются, хотя ресурс был рассчитан на годы вперед.

Объяснение было найдено и оказалось простым: в сплаве для выпуска металлических элементов, изготовленным по заимствованным европейским технологиям, содержалось всего 0,5% углерода. Такой массовой доли было явно недостаточно для обеспечения необходимой износостойкости.

Ученые из Японии понимали, что повышение процента карбона в толще профиля может привести и к негативным последствиям (в частности, к появлению склонности к термическим повреждениям). Поэтому были запущены масштабные исследования, целью которых стало нахождение оптимальной концентрации добавки с сохранением всех полезных свойств. В результате остановились на отметке в 0,6-0,75%, которой и соответствует стандарт JIS E 5402-1.

Выше углерод в колесах – меньше износ рельсов

Поиски позволили сделать еще один важный вывод: при балансе примесей и основного металла дольше эксплуатируются не только подвижные части транспорта, но и те элементы ВСП, по которым они едут.

Объяснение данному эффекту тоже нашли: мельчайшие частицы, откалываются от колес, оседают в месте контакта и выходит абразивное воздействие на поверхность катания. В итоге на головке появляются царапины, а со временем и трещины.

Эти результаты побудили инженеров экспериментальным путем повышать содержание углерода – вплоть до того уровня, которым сейчас может похвастать марка стали для JIS E 5402-1 (то есть до 0,75%).

Японские колеса на немецкой железной дороге

В ЖД-сообщении Германии наблюдалась проблема: подвижные части местных поездов (ICE) быстро деформировались, что приводило к их выходу из строя, к потере качества сцепления, к возникновению аварийных ситуаций. Когда специалисты Deutsche Bann узнали, что локомотивы компании Shinkan-sen из Страны восходящего солнца не испытывают подобных сложностей даже при движении на максимально допустимых скоростях, они захотели провести сравнительные испытания.

На немецкие составы установили как европейские колеса, изготовленные из сплава ER7 (с массовой долей карбона до 0,52%), так и японские, выполненные по стандарту JIS E 5402-1. После 6 лет независимых испытаний, с 2003 по 2009 год, второй вариант показал, что он в 1,5 раза эффективнее сопротивляется износу.

Параллельно регулярно проверялись и металлоконструкции, уложенные в колею. Оказалось, что они тоже стираются медленнее – ровно в 1,5 раза. На поверхности контакта остается меньше абразивных частиц. Обогащение материала карбоном дает неплохую прибавку к эксплуатационному ресурсу – спасибо японцам за это открытие.

Преимущества железнодорожных рельсов

Современные их разновидности обладают следующими плюсами (и такой материал, как рельсовая сталь, помогает подчеркнуть эти практические достоинства):

равномерно распределяют испытываемые нагрузки по всей длине полотна;
обеспечивают надежную поверхность для колес транспорта, помогая тому развивать и поддерживать высокую скорость передвижения;
обладают значительным ресурсом (свыше 50 лет), в течение которого стойко выдерживают серьезные напряжения и эффективно сопротивляются износу.

Тем самым они помогают справиться с главной задачей – являются залогом быстрой и безопасной перевозки пассажиров и грузов.

Теперь, когда вы знаете, какой бывает материал для производства железнодорожного металлопроката, его характеристики, химический состав, а также механические свойства, будет проще выбрать конкретную марку, оптимально подходящую для обустройства ЖД-объекта. А компания «ПромПутьСнабжение» всегда поможет быстро получить необходимый объем металлоконструкций по привлекательной цене – обращайтесь для заказа.

Источники:

https://www.syl.ru/article/205882/new_stal—eto-samyiy-rasprostranennyiy-splav-v-promyishlennosti
https://solidiron.ru/steel/ressorno-pruzhinnye-stali-primenyaemye-v-promyshlennosti.html
https://promputsnab.ru/poleznoe/252-relsovaya-stal-marka-i-harakteristiki-zheleznodorozhnyh-zhd-putey.html

голоса

Рейтинг статьи