Металлы на железной дороге

Обновлено: 18.05.2024

Железнодорожный транспорт в России является основным в системе транспорта страны.

Железнодорожный транспорт является лидером в России по перевозке грузов, и занимает второе место после автомобильного по перевозке пассажиров: выполнение железнодорожным транспортом 40% пассажирооборота и примерно 80% грузооборота транспорта.

У каждого из нас железная дорога ассоциируется с металлом. Без металлов не было бы железной дороги. Стали и сплавы: рельсы, крепеж, рама локомотива и вагонов; медь и сплавы: реле, датчики и т. д.

1 место – высоколегированная сталь – рельсы;

2 место – сталь Ст3 - подвижной состав на 90% из нее сделан;

3 место – чугун (много литья на вагонах - тележки, автосцепки, распределители);

4 место медь – контактная сеть и все по чему бежит ток (трансформаторы, тяговые двигатели, вспомогательная аппаратура);

5 место – электроника - золото, серебро, и пр. цветмет.

Цель проекта: Изучить расширение сферы применения сплавов металлов на железной дороге.

Первые попытки создания более совершенных колейных дорог были предприняты в древние времена. Так, в Древнем Египте, Греции и Римской империи существовали колейные дороги, предназначенные для транспортировки тяжелых грузов. Они имели две параллельные углубленные борозды, по которым катились колеса повозок.

В средневековых рудниках появились дороги, по деревянным рельсам которых передвигались деревянные вагоны с деревянными колесами. В XV—XVI вв. в копях и рудниках Западной Европы прокладывались деревянные лежни для вагонеток.

На заводских дворах России использовались лежневые пути, по которым перемещались вагонетки, называемые «собаками» за громкий лязгающий звук, издаваемый ими при движении.

В XVI веке на рудниках использовались гладкие деревянные рельсы, зарытые в землю. Телега или вагонетка по таким рельсам, по сравнению с обычной дорогой, катилась легче, и лошадь могла везти значительно больше груза.

Однако поверхность деревянных брусьев, очень быстро изнашивающаяся, становилась неровной, поэтому люди стали применять металл для изготовления рельсов, а затем искать замену мускульной энергии машинами.

Железные дороги являются крупными потребителями металла.

Металлы – это химические элементы, отличительными признаками которых являются непрозрачность, специфический блеск, электро- и теплопроводность, хорошая ковкость. Все металлы делятся на две большие группы – черные и цветные.

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Основными конструкционными материалами являются сплавы. Они обладают более ценными комплексами механических, физических и технологических свойств, чем чистые металлы.

Сплавы могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

Твердые растворы — это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Они обычно образуются элементами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решетках.

В технике используется большое разнообразие сплавов, имеющих различный химический состав, структуру и свойства. Основные из них – железо-углеродистые сплавы – стали и чугуны, а также цветные сплавы на основе алюминия, меди, олова, свинца и др.

Широкое применение в вагоностроении нашли низколегированные стали в виде стандартного проката, специальных гнутых профилей, а также листов для изготовления элементов рам, кузовов вагонов и котлов цистерн общего назначения. Эти стали обладают хорошей свариваемостью, достаточной высокой прочностью и большей коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества. Котлы цистерн для перевозки кислот, ядохимикатов и других агрессивных грузов изготовляют из коррозионностойких и двухслойных сталей.

Основным легирующим элементом коррозионностойких сталей является хром. От коррозии сталь предохраняет тонкая плотная пленка оксидов хрома, которая образуется на поверхности изделия. Содержание хрома должно быть не менее 13 %, иначе пленка не будет сплошной. Кроме хрома в состав коррозионностойких сталей вводится никель. Хромоникелевые стали имеют большую коррозионную стойкость, чем хромистые, но их стоимость высока, поэтому по возможности их стараются заменить сталями, в которых часть никеля заменена марганцем.

Высокоуглеродистые стали, микролегированные ванадием с повышенным содержанием марганца, применяются при производстве рельсов. Добавки легирующих элементов (титана, хрома, кремния) улучшают структуру и качество рельсовой стали.

Помимо рельсов, легированные стали применяются при изготовлении следующего оборудования и изделий:

цилиндрических пружин и рессор тележек вагонов и локомотивов;
литые детали тележек грузовых вагонов и автосцепных устройств;
маятниковые подвески;
центрирующие балочки и ударные розетки;
горловины фрикционных поглощающих аппаратов;
крестовины стрелочных переводов и некоторые детали электровозов производят из износостойкой стали марки;
ролики и кольца подшипников буксовых узлов вагонов и локомотивов;
шестерни тяговых зубчатых передач электровозов, тепловозов и мотор-вагонных секций, венцы тяговых зубчатых передач;
коленчатые валы компрессоров тепловозов, шатуны;
клапаны тепловозных двигателей.

Чугун на железной дороге

"По рельсам чугунные стуки

Отбивают стальные копыта."

А вы когда-нибудь задумывались над тем, почему железную дорогу иногда называют «чугункой»? Особенно часто такое слово можно услышать в старых художественных кинофильмах или в рассказах писателей. Ответ кроется в самом названии, думаю, уже догадались какой.

Правильно, название это произошло от того, что рельсы делали из чугуна.

Чугун – черный металл, представляющий собой сплаву железа с углеродом (более 2 %) и некоторым количеством марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Основная доля получаемого в доменных печах чугуна предназначается для передела в сталь и такой чугун называют передельным. Кроме того, выплавляется литейный чугун и ферросплавы — специальные чугуны с увеличенным содержанием кремния, алюминия, хрома, ванадия, никеля, титана. Ферросплавы применяются для раскисления и легирования сталей.

Тормозные колодки, они же накладки, представляют собой важнейший элемент тормозной системы поезда. От их качества зависит скорость и эффективность торможения.

На сегодняшний день все тормозные колодки для поездов принято разделять на две большие группы: чугунные и композиционные. Чугунные колодки широко применяются в пассажирских вагонах, которые развивают скорость не более 120 километров в час. Главными преимуществами подобных колодок являются хорошее отведение тепла при торможении и высокую устойчивость к воздействию влаги. Если говорить о недостатках, то тут, в первую очередь, следует отметить нестабильный коэффициент трения.

Литейные сплавы нашли широкое применение на железнодорожном транспорте. Серый чугун марок СЧ20 и СЧ25 используется при изготовлении блоков цилиндров, головок цилиндров и картеров дизельного оборудования рефрижераторных вагонов секций ЦВ-5, БМЗ-5 и АРВ. Серый чугун обладает лучшими литейными свойствами. У него высокая жидкотекучесть и малая усадка (0,9— 1,3 %). Однако он хрупкий и не применяется для получения литых деталей, работающих под ударными нагрузками.

Коленчатые валы дизелей тепловозов отливают из высокопрочного чугуна. Чугунное литье идет на изготовление крышек и блоков цилиндров, составных поршней дизелей тепловозов.

Для производства арматуры контактной сети электрифицированных железных дорог используют литье из ковкого и серого чугунов.

Цветные металлы — особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Сюда входят олово, медь, цинк, никель, серебро, золото. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. Они отличаются прочностью и долговечностью, поскольку формируют на своей поверхности защитную оксидную пленку и проявляют устойчивость к негативным факторам внешней среды.

Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже черных, и, когда это возможно, их заменяют черными металлами, пластмассами и другими более дешевыми материалами. Однако цветные металлы имеют свойства, которые делают их применение в технике незаменимым. Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью.

Для крепления и стыковки контактных проводов и тросов во всех узлах, предназначенных для прохождения тока, применяют детали из цветного литья:

латунного, бронзового и медного — для медных, сталемедных, бронзовых проводов и тросов;
алюминиевого — для алюминиевых и сталеалюминевых проводов.

Алюминиевые сплавы используют для отливки поршней блоков и картеров двигателей, крышек и картеров коробок передач и редукторов, гарнитуры (ручки, полочки, крючки и т.п.) пассажирских вагонов и т.п.

Дюралюминий на железнодорожном транспорте его использование ограничивается экспериментальным вагоностроением.

Медь и ее сплавы применяется для обмоток электрических устройств и для разного вида теплообменников (радиаторы, калориферы и т.п.).

Из латуней изготавливают подшипники, водо- и паропроводную арматуру, листовая латунь идет на изготовление радиаторов, теплообменников и используется в электроаппаратуре в качестве электропроводящих элементов.

Бронзы применяют для изготовления втулок и вкладышей подшипников, сепараторов подшипников качения.

Добавки алюминия, никеля и железа повышают жаропрочность бронз, такие бронзы применяют для клапанов компрессоров, направляющих втулок, клапанов турбин и т.п. Бронзы типа ОЦСН применяют для втулок верхней головки шатуна дизеля тепловоза и втулок распределительного вала.

Баббиты являются мягкими антифрикционными сплавами, которыми заливают подшипники скольжения механизмов.

Заключение

Рельсовые пути сыграли немаловажную роль в развитии человеческой цивилизации. За несколько столетий железнодорожная сеть разрослась по всему миру в невероятных масштабах, а скоростной режим увеличился в десятки раз.

Прорыв в значимости железной дороги возник в начале 19 века, когда на рельсы встал первый паровоз. С этого момента перемещение из одной точки в другую значительно увеличилось в скорости, а строительство железнодорожных путей стало основной задачей того времени.

Россия блеснула своими первыми рельсами в 1837 году. Они были проложены от С-Петербурга до Павловска через Царское Село. Дорога была доступна для общего пользования.

Металл остается материальной основой железных дорог. На железной дороге используется большое разнообразие сплавов, имеющих различный химический состав, структуру и свойства. Основные из них – железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, а также цветные сплавы на основе алюминия, меди, олова, свинца и др.

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

ПРИМЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Цветная металлургия – это отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на благородные, тяжелые, легкие и редкие.

К благородным металлам относят металлы с высокой коррозионной стойкостью: золото, платина, палладий, серебро, иридий, родий, рутений и осмий. Их используют в виде сплавов в электротехнике, электровакуумной технике, приборостроении, медицине и т.д.

К тяжелым относят металлы с большой плотностью: свинец, медь, хром, кобальт и т.д. Тяжелые металлы применяют главным образом как легирующие элементы, а такие металлы, как медь, свинец, цинк, отчасти кобальт, используются и в чистом виде.

К легким металлам относятся металлы с плотностью менее 5 грамм на кубический сантиметр: литий, калий, натрий, алюминий и т.д. Их применяют в качестве раскислителей металлов и сплавов, для легирования, в пиротехнике, фотографии, медицине и т.д.

К редким металлам относят металлы с особыми свойствами: вольфрам, молибден, селен, уран и т.д.

К группе широко применяемых цветных металлов относятся алюминий, титан, магний, медь, свинец, олово.

Цветные металлы обладают целым рядом весьма ценных свойств. Например, высокой теплопроводностью (алюминий, медь), очень малой плотностью (алюминий, магний), высокой коррозионной стойкостью (титан, алюминий).

По технологии изготовления заготовок и изделий цветные сплавы делятся на деформируемые и литые.

На основании этого деления различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов.

1. Медь и ее сплавы

Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Медь относится к металлам, известным с глубокой древности.

Технически чистая медь обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью, а также стойкостью против атмосферной коррозии. Позволяет использовать ее в качестве кровельного материала ответственных зданий.

Температура плавления меди 1083°С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94 г/см3 . Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением (из меди можно сделать фольгу толщиной 0,02 мм), плохо резанием.

Литейные свойства низкие из-за большой усадки.

На свойства меди большое влияние оказывают примеси: все, кроме серебра и бериллия ухудшают электропроводность.

Стоимость чистой меди постоянно повышается, а мировые запасы медной руды, по различным оценкам, истощатся в ближайшие 10-30 лет.

Медь маркируют буквой М, после которой стоит цифра. Чем больше цифра, тем больше в ней примесей. Наивысшая марка М00 – 99,99% меди, М4 – 99% меди.

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к –катодная, б – бескислородная, р – раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

В технике применяют 2 большие группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием – сплавами, обрабатываемыми давлением.

Латуни дешевле меди и превосходят ее по прочности, вязкости и коррозионной стойкости. Обладают хорошими литейными свойствами. Латуни, применяются в основном для изготовления деталей штамповкой, вытяжкой, раскаткой, вальцовкой, т.е. процессами, требующими высокой пластичности материала заготовки. Из латуни изготавливаются гильзы различных боеприпасов.

В зависимости от числа компонентов различают простые (двойные) и специальные (многокомпонентные) латуни.

Специальные латуни содержат от 1 до 8% различных легирующих элементов (Л.Э.), повышающих механические свойства и коррозионную стойкость.

Бронзы – это всякий медный сплав, кроме латуни. Это сплавы меди, в которых цинк не является основным легирующим элементом. Общей характеристикой бронз является высокая коррозионная стойкость и анти-фрикционность. Бронзы отличаются высокой коррозионной устойчивостью и антифрикционными свойствами. Из них изготавливают вкладыши подшипников скольжения, венцы червячных зубчатых колес и другие детали. Высокие литейные свойства некоторых бронз позволяют использовать их для изготовления художественных изделий, памятников, колоколов.

По химическому составу делятся на оловянные бронзы и специальные.

Оловянные бронзы обладают высокими механическими, литейными, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью резанием, но имеют ограниченное применение из-за дефицитности и дороговизны олова.

Специальные бронзы не только служат заменителями оловянных бронз, но и в ряде случаев превосходят их по своим механическим, антикоррозионным и технологическим свойствам:

Алюминий и его сплавы

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 650°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. Алюминий занимает 3 место по распространению в земной коре после кислорода и кремния. Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной окисной пленки. Имеет хорошую тепло- и электропроводность. Хорошо обрабатывается давлением.

Применяется в электропромышленности для изготовления проводников тока, в пищевой и химической промышленности. Алюминий не стоек в кислой и щелочной среде, поэтому алюминиевая посуда не используется для маринадов, солений, кисломолочных продуктов. Применяется в качестве раскислителя при производстве стали, для алитирования деталей с целью повышения их жаростойкости. В чистом виде применяется редко из-за низкой прочности – 50 МПа.

Деформируемые алюминиевые сплавы

В зависимости от возможности термического упрочнения деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Эти сплавы хорошо свариваются, обладают высокими пластическими свойствами и коррозионной стойкостью, но невысокой прочностью, Упрочняются эти сплавы нагартовкой. Сплавы данной группы нашли применение в качестве листового материала, используемого для изготовления сложных по форме изделий, получаемых холодной и горячей штамповкой и прокаткой. Изделия, получаемые глубокой вытяжкой, заклепки, рамы и т.д.

Сплавы, упрочняемые т/о, широко применяются в машиностроении, особенно в самолетостроении, т.к. обладают малым удельным весом при достаточно высоких механических свойствах.

Цинк и его сплавы

Цинк – вязкий металл голубовато-серого цвета. Цинк применяют для горячего и гальванического оцинкования стальных листов, в полиграфической промышленности, для изготовления гальванических элементов. Цинковые сплавы широко применяются в машиностроении и разделяются на сплавы для литья под давлением, в кокиль, для центробежного литья и на антифрикционные сплавы. Основными легирующими компонентами цинковых сплавов являются алюминий, медь и магний. Отливки из цинковых сплавов легко полируются и воспринимают гальванические покрытия.

Магний и его сплавы

Магний – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Отличается низкой плотностью (1,74 г/см3), хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.

Магний химически активный металл, легко окисляется на воздухе. Его используют в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

Более высокими технологическими и механическими свойствами Магниевые сплавы подвергаются следующим видам термической обработки: Т1 – старение, Т2 – отжиг, Т4 – гомогенизация и закалка на воздухе, Т6 – гомогенизация, закалка на воздухе и старение, Т61 – гомогенизация, закалка в воду и старение.

Большое значение имеет применение алюминия на железнодорожномтранспорте. Тяжелые условия эксплуатации подвижного состава железной дороги (длительный срок службы и способность выдерживать ударные нагрузки) выдвигают особые требования к конструкционным материалам.

Основные характеристики алюминия и его сплавов, раскрывающие целесообразность применения их в железнодорожном транспорте, высокая удельная прочность, небольшая сила инерции, коррозионная стойкость. Внедрение алюминиевых сплавов при изготовлении сварных емкостей повышает их долговечность при перевозке ряда продуктов химической и нефтехимической промышленности.

Алюминий и его сплавы используются при изготовлении кузова и рамы вагона. Для вагона рекомендованы свариваемые сплавы средней прочности марок АМг3, AMr5, Амг6 и 1915. Перспективными сплавами для рефрижераторных вагонов являются алюминиевые сплавы. В зависимости от продуктов химической промышленности выбирается марка свариваемого материала для котлов цистерны.

В США из свариваемых сплавов серии 6ххх, серии 5ххх и сплава 7005 изготавливают подвижной состав с получением оптимальных прочностных характеристик и высокой коррозионной стойкости сварных элементов.

Цветные металлы и их сплавы нашли широкое применение в строительстве благодаря своей прочности, легкости, высокой антикоррозийной стойкости. Они подразделяются на легкие и тяжелые.

Цветная металлургия является одной из наиболее конкурентоспособных отраслей промышленности России, причем российские компании в ряде подотраслей входят в группу мировых лидеров. Достижения участников рынка в мировом масштабе стало возможным благодаря активной инвестиционной политике предприятий отрасли.

Список использованных источников

1.Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 2013.

2.Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. // 2-е изд. – М.: Машиностроение, 2012.

3.Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 2014 .

4.Материалы будущего: Пер. с нем./ Под ред. А. Неймана. – Л.: Химия, 2013.

Описание рельсовых сталей

Описание рельсовых сталей и их марок весьма поучительно не только для людей, интересующихся рельсовым транспортом, но и для торгующих металлургической продукцией либо производящих ее. Важно разобраться, из каких сталей делают железнодорожные рельсы Р65 и Р43.

Также весьма актуальны характеристики и состав, коэффициент температурного расширения и другие практические параметры.

Состав

Железнодорожные пути существенно изменились по сравнению с теми, что были даже 50 лет назад, не говоря уже о вековой давности. Заметно выросли и скорость движения поездов, и нагрузка от них. Потому и к рельсовой стали на ЖД предъявляют куда более высокие требования. Необходимые параметры выдерживаются во многом благодаря тщательно подобранному химическому составу. Надо понимать, что рельсовый сплав — это не одна сталь, а целая группа, и их изготовление проводится различными путями. В любом случае фазовая структура вещества основана на перлите с мелкоигольчатым строением.

Производство этого материала для путевого хозяйства делится на 2 варианта сообразно применяемому металлургами раскислителю. Один вариант — использование ферромарганца либо ферросилиция. Но иногда необходимый продукт изготавливают при помощи алюминиевых окислителей. Именно сталь такого типа берут гораздо охотнее. Она ценится за меньшее количество неметаллических веществ в составе.

Как бы то ни было, рельсы должны полностью отвечать положениям ГОСТ 2013 года. Важно понимать, что конкретно делают добавки того или иного вещества. Базовым компонентом без всяких колебаний стоит назвать углерод. В составе рельсовых сталей его доля варьируется от 0,71 до 0,82%. Этот элемент связывает железные молекулы и повышает общую прочность. Мало того, в присутствии углерода металл при повышенной температуре становится крепче.

Доля марганца варьируется в гораздо более широких пределах – от 0,25 до 1,05%. Его задача — улучшить ударную вязкость (она может быть повышена на 20 или даже на 30%). За счет марганца растут также твердость и сопротивляемость износу. Но преимущество его перед углеродом состоит в том, что этот эффект достигается без потери пластических качеств. А подобное обстоятельство крайне важно именно для путевого хозяйства. Концентрация кремния варьируется от 0,18 до 0,4%. При реакциях с ним устраняется кислород, что позволяет оптимизировать кристаллическую решетку.

Введение кремния позволяет сократить химическую неоднородность разных участков рельса. В итоге срок эксплуатации магистрали повышается как минимум на 30%. Доля ванадия невелика — от 0,08 до 0,012%. Но все же этот компонент весьма важен — он позволяет добиться контактной прочности изделия. Ванадий немедленно вступает в реакцию с углеродом и образует с ним прочную химическую связь (профессионалы выделяют различные карбиды ванадия). Классификация этих карбидов — целая отдельная тема. Куда важнее то, что они обеспечивают оптимальные показатели износостойкости и плотности. Как следствие, минимальная выносливость сплава возрастает. В составе рельсовых сталей иногда присутствует 0,03 — 0,07% азота. Это уже не сознательно вводимый компонент, а вредная примесь.

В присутствии азота ванадий не может качественно легировать сталь. Вместо этого образуются вещества с низкими механическими свойствами. Термическое упрочнение оказывается невозможно. Фосфора в составе рельсовой стали может быть не более 0,035%. Этот неметалл понижает хрупкость готового изделия, что грозит растрескиванием и даже последующим разрушением рельсовых путей. Концентрация серы не может превышать 0,045%. Ее присутствие грозит падением технологических характеристик материала. При горячей обработке сернистой стали она оказывается неподатлива, растет и опасность появления трещин.

Почти все рельсы такого происхождения бракуются при сколько-либо тщательном техническом контроле. На самые загруженные пути отпускают рельсы с наименьшей концентрацией фосфора и серы.

Основные свойства

Среди ключевых характеристик марок стали для железной дороги обязательно стоит назвать особенную стойкость к циклически прилагаемым нагрузкам. Абсолютный предел прочности у разных типов металла варьируется от 800 МПа до 1 ГПа. Но первые признаки разрушения материала обнаруживаются уже в диапазоне от 600 до 810 МПа. Конкретные показатели зависят от вводимых улучшающих добавок и усталости конкретного образца. Структура рельсового сплава идеально отвечает требованиям защиты от ударных нагрузок. Вязкость при соударении с другими телами будет равна 2,5 кг на 1 кв. см. Показатель твердости по Роквеллу в значительной мере зависит от уровня термообработки. Если выполнить объемную закалку как следует, можно поднять этот показатель до 60 базовых единиц.

Длина железнодорожных путей достигает десятков и даже сотен километров. Потому особое значение для их использования приобретает коэффициент температурного расширения. У качественного продукта, соответствующего нормам ГОСТ, такой показатель принимается равным 0,00001118. В отношении материала могут действовать разные стандарты, выбираемые с учетом химического состава сплава.

При разборе механических свойств надо обязательно упомянуть умеренную пластичность.

Так как относительное сужение металла не превышает 1/4, вполне можно прокатывать разогретые рельсы. Температура обработки (отправки на прокатный стан) составляет от 900 до 1000 градусов. Модуль упругости качественного изделия принимается равным 210 ГПА. Нормируются также:

временное сопротивление;
предел по текучести;
удлинение и сокращение длины в относительном исчислении.

Все эти свойства определяются целевой категорией рельсов. В основном ключевые параметры задаются ГОСТ 2013 года. В 2020-м началось обсуждение проекта более продвинутого стандарта. Он позволит применять металлы ряда новых марок и улучшить качество продукции. Однако перспективы введения актуальной редакции документа пока туманны. Единого ответа на вопрос о температуре плавления железнодорожных рельсов нет. Имеет значение химический состав конкретного сплава. Это обстоятельство придется учитывать не только металлургам, но и тем, кто собирается выполнять сварку. Уровень свариваемости зависит уже не только от металла. Его определяют с учетом применяемых электродов.

Стыки высокоуглеродистых конструкций (а именно таковы рельсы) при превышении допустимой температуры накапливают избыточные напряжения внутри. Это со временем может привести к образованию трещин и иных деформаций, способных даже привести к аварии. Нормальная сварка выполнима лишь на качественном оборудовании с использованием флюсов. После завершения сварочных работ шов должен быть дополнительно обработан.

Группы

Речь идет о градации рельсового металла по способам получения и применяемому исходному сырью. Первая категория вырабатывается из спокойной стали, обрабатываемой внутри ковша комплексными раскислителями. Такие составы не содержат алюминия либо иных веществ, провоцирующих появление опасных включений. Вторая категория продуктов также представляет собой заготовки из спокойной стали. Она раскисляется алюминием либо сплавом алюминия с марганцем.

Дополнительно стоит упомянуть деление на сорта. В первый сорт записывают лишь то, что полностью отвечает технологическим нормативам. При незначительных отклонениях с химической и физической точек зрения продукт относят ко второму сорту. Необходимо учитывать также повышенные требования к рельсовому материалу, используемому к востоку от Урала. Там допускается применять только первоклассный объемно-закаливаемый металл, в состав которого входят ниобий, ванадий и бор; улучшение свойств (легирование) производится при помощи азотированных ферросплавов.

Если сталь плавили в электрических печах, то даже при температуре ниже — 60 градусов она будет иметь вдвое большую ударную стойкость, чем полученная мартеновским способом. Маркировка продукции очень важна для правильной отгрузки. В ходе обработки на прокатном стане металл получает основную маркировку. Ее наносят посредством клеймения. Дополнительные обозначения создаются при помощи краски.

Эти виды обозначений показывают, соответственно, исполняемые стандарты и специфику каждого отдельного рельса.

Марки и их применение

Наиболее часто на отечественных железных дорогах используется рельс из сплава 76. На его основе делают профильную продукцию из линейки Р50 и для рельсов Р65. На эти две категории приходится не менее 75% всех опор ширококолейных магистралей. Довольно частым вариантом сейчас выступает и сплав 76Ф. Это улучшенный вариант, который за счет ванадия приобрел увеличенный ресурс.

Именно прокат 76Ф оптимален для высокоскоростных и тяжелогруженых поездов. Рельсы с маркировкой Р43 в основном делают из СТ76. Иногда в ход идут улучшенные сплавы 76Ф и 76Ц. Продукция категории К63 легируется никелем в количестве до 0,3%. Такой материал тверд и стоек к коррозии, позволяет создавать крановые рельсы.

Также могут использоваться:

К63Ф (включающий вольфрам);
М54 (материал, улучшенный марганцем и отличающийся превосходной вязкостью);
М68 (марка, подходящая для отдельных конструкций верхнего строения пути).

Обработка

Термическая закалка — не единственный возможный вариант. Для улучшения продукта применяют:

изотермический режим охлаждения;
закаливание по краям через подачу высокочастотного тока;
нормализацию;
закаливание за счет нагрева при прокатке.

Именно применение некоторой части тепла прокатного подогрева считается наиболее перспективным решением. Прокатанный металл сразу прогревают в индукторе. После этого его форсированно остужают. Следующей стадией работы оказывается самоотпуск на охладительном элементе. Объемная закалка рельсовой продукции в масле, применяемая еще на ряде предприятий, имеет серьезные недочеты:

Железнодорожный металлолом

Рельсовый лом и прочие отходы ж/д транспорта составляют обособленную категорию вторичного сырья черных металлов. Это сказывается как на цене железнодорожного металлолома, так и на высокой ответственности при его приемке.

Основные типы ж/д лома

Весь железнодорожный металлолом можно разделить на три категории:

Прочий жд лом – это могут быть элементы крепления, рессоры, костыли и т.д.

К последней группе можно отнести изношенные подшипники, металлические канаты, любые металлические узлы списанного ж/д оборудования.

Типичный железнодорожный лом, кроме грейфера, пожалуй

Элементы железнодорожных путей в качестве вторичного металла

Рельсовый лом является наиболее дорогой категорией металлолома и принимается аналогично соответствующим категориям металлолома марок 3А и 5А:

3АР – габаритные отходы, ограниченные максимальными размерами 1500 мм в длину и 500/500 мм в сечении. Также в эту категорию входят различные элементы верхнего строения пути. Габаритными отходами считаются составляющие колесных пар – диски и оси.

5АР – негабаритные железнодорожные отходы черных металлов.

Несмотря на название категории, 5АР также предъявляет определенные ограничительные лимиты по длине рельс, определяемые их типом.

Так пределы длины негабаритного лома рельс типов до Р-38 установлены: от полутора метров до 12,5 м.

Для марок от Р-43 длина сдаваемых конструкций должна быть практически в два раза меньше, не превышая шести метров.

Технические требования при приемке категорий 3АР и 5АР устанавливают, что не допускаются непрямые рельсовые конструкции, то есть: погнутые, сваренные различным способом. Поверхность вторичных рельс должна быть свободна от посторонних предметов. Иначе такой лом могут принять дешевле, например, как категорию 3А или 5А. Необходимо открепить все компоненты верхнего строения пути. Убрать крепежные элементы и контактные провода. Дополнительно, рельсовую поверхность необходимо очистить до металла при наличие на ней загрязнений, следов мазута.

Вагоны, а также их составляющие

Категорию негабаритного ж/д лома дополняют стрелочные переводы, тележки, вагоны. Подвижной состав допускает три варианта сдачи на металлолом:

на своем ходу (многие пункты приемки оборудованы ж/д путями с тупиком);

вызов специалистов из металлоприемки;

демонтаж собственными усилиями, требует специальных навыком и оборудования – смотрите статью Резка вагона.

При сдаче лома своим ходом, необходимо учитывать, что каждый тип вагонов обладает конкретным весом, величина колеблется в интервале: 23 – 27 тонн для грузовых и 46 – 52 – пассажирских. Терять даже одну тонну черного металлолома – убыточно, а взвесить железнодорожный вагон не представляется возможным.

Старый купейный вагон на металлолом

Однако еще более существенные потери кроются в другом. Каждый тип вагона имеет определенное количество колесных пар. Обычно от двух до дюжины. Средний вес одной колесной пары около двух тон. Таким образом, если забыть на чем вагон приехал в пункт приема металла можно потерять более десятка тонн металлолома.

Индивидуальная ответственность

Следующим важным аспектом сдачи железнодорожного лома является требование письменного подтверждения факта его списания. Любой нормальный пункт приемки металлолома, потребует специальные сопровождающие документы от лица, сдающего вторичное сырье. Во многих случаях сдача ж/д лома допускается только его владельцам или официальными представителями.

Частые проверки милиции металлоприемок связаны именно со сдачей железнодорожного лома

При сдаче железнодорожного лома, приемщик с высокой вероятностью пожелает записать ваши паспортные данные, поскольку кража ж/д имущества попадает под уголовную ответственность. Поэтому подготовить к сдаче необходимо не только металлолом, но и документы на него.

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 марки стали изготавливают железнодорожные рельсовые конструкции, почему выбран именно этот металл для рельсов, какими свойствами и характеристиками он обладает. Информация поможет вам правильно выбрать подходящие прокатные изделия для непосредственного строительства колеи.

Рельсовая сталь
Основные материалы для изготовления рельсов
Химический состав и его преимущества
Механические свойства
Применение и марки рельсовой стали
Колесные стали – для железнодорожных колес
Углерод в колесных сталях
Японские колесные стали
Выше углерод в колесах – меньше износ рельсов
Японские колеса на немецкой железной дороге

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.

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 железнодорожных рельсов. Важен для обеспечения достаточной контактной прочности. В соединении с углеродом образует карбиды, повышающие предел выносливости (а именно нижний его порог).

Отдельного рассмотрения заслуживают нежелательные или даже вредные примеси, вычленить которые до конца с помощью современных технологий пока не удается. Это:

Азот – от 0,03 до 0,07%, плох тем, что нейтрализует легирующий эффект. Из-за него в толще профиля образуются нитриды, которые не поддаются термоупрочнению, а значит снижают механические свойства готовых элементов ВСП.
Сера – до 0,045%. Ее включения не дают сплаву быть податливым при горячей обработке под давлением. В результате после проката может получиться изделие, склонное к образованию трещин, и его придется сразу же отбраковать.
Фосфор – до 0,035. Он тоже повышает хрупкость металлоконструкции. С ним быстро накапливается усталость, что приводит к скорым расслоениям и разломам.

Ради максимальной наглядности представляем химический состав популярных марок стали для железнодорожных рельсов в следующей сводной таблице:

В марках стали буквы М, К, Э – обозначают способ выплавки, цифры – среднюю массовую долю углерода, Буквы Ф, С, Х, Т – легирование стали ванадием, кремнием, хромом и титаном соответственно.

Допускается массовая доля остаточных элементов – хрома (В рельсах категории Т1, Т2, H), никеля и меди не более 0,15% каждого, при суммарной массовой доле не более 0,40%.

Химический состав для Р65К должен соответствовать указанному, за исключением массовой доли углерода, которая должна быть 0,83 – 0,87%. При этом цифры в марке стали заменяют на 85.

Как видите, дополнительно указаны еще два компонента – титан и хром. Мы не будем их подробно описывать, так как они присутствуют далеко не всегда, но первый из них является полезной примесью, чей положительный эффект сводится к повышению прочности, а второй – остаточным элементом. Также стоит обратить внимание на наличие алюминия, помогающего снизить вес без ухудшения других качественных показателей.

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.

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.

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

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 сырья 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.

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.

Читайте также: