Исследования неметаллических включений в рельсах из электросталей, легированных хромом

На основании металлографических (с помощью микроскопа OLYMPUS GX-51») и спектральных (с использованием спектрометра «ARL iSpark», метод «Spark-DAT») исследований определены вид, относительная концентрация и размеры наиболее характерных неметаллических включений по элементам (головка, шейка) железнодорожных рельсов из электростали марок Э76ХФ и Э90ХАФ. Установлено, что наибольшую относительную концентрацию имеют сульфиды марганца (MnS) – 30,8 – 43,4 ppm. При этом 60 – 100 % включений указанного типа имеют малые (менее 4 мкм) размеры. Это не позволяет их обнаружить при стандартном металлографическом анализе со 100-кратным увеличением. Выявленная высокая относительная концентрация сульфидных включений напрямую коррелирует с установленной положительной ликвацией по сере в рассматриваемых элементах рельса, составляющей до 40 %. Несмотря на высокую концентрацию сульфидов марганца их влияние на качество рельсов можно признать не опасным, с учетом их высокой пластичности при горячей деформации и установленного преобладания включений данного типа малого (менее 4 мкм) размера. Среди включений силикатного типа значимую концентрацию имеют включения SiO₂ (3,4 – 14,9 ppm). Все выявленные включения этого типа имеют размер, не превышающий 4 мкм. Установлено, что концентрация сложных включений, имеющих в своем составе глинозем (Al₂O₃ – CaO – MgO, Al₂O₃– CaO – MgO – CaS, Al₂O₃– CaO, Al₂O₃– MgO), незначительна: суммарно не превышает 3,1 ppm и 1,6 ppm для отдельных видов. Концентрация корунда (Al₂O₃) также незначительна и не превышает 0,3 ppm. При этом преобладают глиноземистые включения малого (менее 4 мкм) размера. В связи с низкой (с учетом относительной концентрации и размеров включений) загрязненностью непластичными силикатными и глиноземистыми неметаллическими включениями их влияние на качество рельсов не является значимым. Это подтверждается отсутствием дефектов, выявленных при ультразвуковом контроле.

1. Zhang H., Liu C., Lin Q., Wang B., Liu X., Fang Q. Formation of plastic inclusions in U71Mnk high-speed heavy-rail steel refined by CaO–SiO2–Al2O3–MgO slag // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2019. Vol. 50. No. 1. P. 459 – 470.

2. Kalisz D., Gerasin S., Bobrowski P., Zak P.L., Skowronek T. Computer simulation of microsegregation of sulphur and manganese and formation of MnS inclusions while casting rail steel // Archives of Metallurgy and Materials. 2016. Vol. 61. No. 4. P. 1939 – 1944.

3. Zhao K.-w., Zeng J.-h., Wang X.-h. Nonmetallic inclusion control of 350 km/h high speed rail steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2009. Vol. 16. No. 3. P. 20 – 26.

4. Garber A.K., Arsenkin A.M., Grigorovich K.V., Shibaev S.S., Kushnarev A.V., Petrenko Yu.P. Analysis of various versions of the deoxidation of rail steel at OAO NTMK // Russian Metallurgy (Metally). 2009. Vol. 2009. No. 7. P. 581 – 586.

5. Григорович К.В., Шибаев С.В. Влияние технологии выплавки на чистоту стали по неметаллическим включениям. – В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали: сб. науч. тр. – Екатеринбург: изд. УИМ, 2005. С. 74 – 86.

6. Добужская А.Б., Смирнов Л.А., Мухранов Н.В., Фомичев М.С., Белокурова Е.В. Изучение состава неметаллических включений в рельсах // Сталь. 2015. № 5. С. 82 – 86.

7. Yurʹev A.B., Godik L.A., Devyatkin Yu.D., Kozyrev N.A., Tokarev A.V. Reduction of rail steel by calcium carbonate // Steel in Translation. 2008. Vol. 38. No. 4. P. 312 – 314.

8. Dhua S.K., Ray A., Sen S.K., Prasad M.S., Mishra K.B., Jha S. Influence of nonmetallic inclusion characteristics on the mechanical properties of rail steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2000. Vol. 9. No. 6. P. 700 – 709.

9. Григорович К.В., Арсенкин А.М., Трушникова А.С. Неметаллические включения: оценка и прогноз эксплуатационной стойкости рельсов. – В кн.: Неметаллические включения в рельсовой стали: сб. науч. тр. – Екатеринбург: изд. УИМ, 2005. С. 102 – 115.

10. Добужская А.Б., Дерябин А.А., Семенков В.Е., Рейхарт В.А. Исследование состава и источников поступления неметаллических включений, вызывающих образование контактно-усталостных дефектов в рельсах производства нижнетагильского металлургического комбината // Черная металлургия. Бюл. инта «Черметинформация». 2006. № 10. С. 33 – 36.

11. Козырев Н.А. Основные направления развития производства рельсов низкотемпературной надежности // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. Т. 54. № 4. С. 31 – 34.

12. Юрьев А.Б., Годик Л.А., Нугуманов Р.Ф., Козырев Н.А., Корнева Л.В. Производство и качество рельсов из стали марки Э90АФ // Изв. вуз. Черная металлургия. 2009. Т. 52. № 8. С. 34 – 37.

13. Godik L.A., Kozyrev N.A., Korneva L.V. Optimizing the oxygen content in rail steel // Steel in Translation. 2009. Vol. 39. No. 3. P. 240 – 242.

14. Yurʹev A.B., Godik L.A., Kozyrev N.A., Korneva L.V., Shcheglova A.B. 90AΦ STEEL RAIL // Steel in Translation. 2008. Vol. 38. No. 7. P. 589 – 591.

15. Уманский А.А., Головатенко А.В., Темлянцев М.В., Дорофеев В.В. Экспериментальные исследования пластичности и сопротивления деформации хромистых рельсовых сталей // Черные металлы. 2019. № 6. С. 24 – 28.

16. Уманский А.А., Головатенко А.В., Симачев А.С., Осколкова Т.Н., Дорофеев В.В. Экспериментальные исследования пластичности и сопротивления деформации хромистых рельсовых сталей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 60. № 6. С. 452 – 460.

17. Umansky A.A., Kozyrev N.A., Boykov D.V., Dumova L.V. Improvement of the extra-furnace rail steel processing on the “ladle-furnace” unit in order to increase the operational stability of railway rails // IOP Conference. Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 411. No. 012078.

18. Козырев Н.А., Протопопов Е.В., Уманский А.А., Бойков Д.В. Совершенствование технологии раскисления и внепечной обработки рельсовой электростали с целью повышения качества рельсового проката // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 10. С. 721 – 727.

19. Kuss H., Lüngen S., Müller G. Comparison of spark OES methods for analysis of inclusions // Anal. Bioanal. Chem. 2002. Vol. 374. No. 11. P. 1242 – 1249.

20. Kuss H.M., Mittelstaedt H., Mueller G. Inclusion mapping and estimation of inclusion contents in ferrous materials by fast scanning laser-induced optical emission spectrometry // Anal. At. Spectrom. 2005. Vol. 20. No. 5. P. 730 – 735.

21. Бокк Д.Н., Лабусов В.А., Зарубин И.А. Определение неметаллических включений в металлических сплавах методом атомно-эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением // Заводская лаборатория. 2015. Т. 81. № 1. C. 92 – 97.