Эти жд рельсы служат несущим элементом колеи, воспринимают статические и ударные нагрузки, удерживают колесные пары и направляют движение подвижного состава. Оптимальное сочетание прочности, вязкости и контактной усталостной стойкости формируется в ходе тщательного технологического цикла.

Стандарты и регламенты

В России применяются ГОСТ 51685-2013, ГОСТ Р 51694-2000 и СП 326-2011. Европейские магистрали руководствуются EN 13674-1, а сети Северной Америки — AREMA Chapter 4. Документы задают геометрию профиля, предельные отклонения, механические свойства и порядок испытаний. Допустимые значения твердости по Бринеллю находятся в диапазоне 260–400 HB в зависимости от категории линии. Химический состав ограничивает содержание серы и фосфора до 0,020 %, марганец удерживается на уровне 0,90–1,30 % для повышения износостойкости, а для крановых путей часто применяют рельсы кр70.

Типы профилей

Промышленные комбинаты выпускают основные типоразмеры: Р50, Р65 и Р75 для магистральных перевозок, Р43 для малоинтенсивных участков, КР120 и КР140 для мостовых кранов, LG и QU для рудничных дорог. Высота, ширина головки и подошвы варьируются в широком диапазоне, что влияет на несущую способность и массу одного погонного метра. Для скоростных линий востребованы специальные профили 60E1 и 60E2 с увеличенной площадью контакта колеса и головки. В тяжеловесном сегменте применяется профиль NP115 с массой 60 кг/м и толщиной шейки 16 мм, рассчитанный на суммарную нагрузку свыше 30 тс на ось.

Термическая обработка

Термический упрочняющий участок расположен сразу за станом. После прокатки рельс проходит высокоскоростное водяное охлаждение головки, затем отправилсяускается в печи при 520 °С. Такой режим формирует мелкодисперсный мартенсит и повышает твердость поверхности до 350–390 HB без чрезмерного роста остаточных напряжений. При целевой технологии используется комбинированный метод закалки токами высокой частоты и сжатым воздухом. Подошва остаётся с феррито-перлитной структурой и выполняет роль демпфера. На практике повреждение головки откладывается на 30–40 %, а глубина растрескивания сокращается почти вдвое.

После охлаждения профиль проходит правку на пресс-станке, финишное шлифование и непрерывный ультразвуковой контроль длиной волны 2–5 МГц. Система выбраковывает участки с поперечными трещинами, осевыми расслоениями и включениями длиной свыше 1,5 мм. Допуск по стрелке прогиба не превышает 0,5 мм на семиметровой мерной длине. Геометрия шлифуется на автоматах с ЧПУ до шероховатости Ra 6,3 мкм. Во время маркировки наносится информация о плавке, номере печи и дате выпуска.

Готовые изделия соединяются в плети 200–800 м термитной или электроконтактной сваркой. Для непрерывной колеи сварные швы шлифуются под профиль колеса. В районе стыков иногда добавляется промежуточный рельс с промежуточной твердостью для снижения перепада механических свойств.

В эксплуатации рельс подвергается циклическому изгибу, контактному смятию и абразивному действию песка. Главные причины выхода из строя: вертикальный и боковой износ, усталостные раковины, наклёп, венчики, коренные трещины. Для поддержания профиля колейное хозяйство применяет шлифовку и фрезерование через каждые 15–25 млн брутто-тонн. Лубрикация на кривых снижает коэффициент трения до 0,25 и замедляет развитие бокового износа.

Средний ресурс магистральных рельсов оценивается в 800–1200 млн брутто-тонн, что эквивалентно 15–25 годам при пассажирском трафике и 8–12 лет при тяжеловесном. Поворотные участки колеи и мостовые входы служат меньше из-за концентрации напряжений. Ограничение ресурса устанавливается при вертикальном износе 12–16 мм, боковом 7–10 мм, глубине поверхностных дефектов свыше 4 мм и по параметрам внутренних трещин, зафиксированных дефектоскопией.

После демонтажа рельс разрезается на секции, удаляются зоны с трещинами, затем металл поступает на переплавку или вторичную прокатку, где из него изготавливают распорки, арматуру и комплектующие стрелочных переводов.

Новые решения включают микролегирование ниобием, вакуумную дегазацию для снижения водорода, бесконечное литьё-прокатку и встроенные датчики акустической эмиссии, фиксирующие зарождение трещин в реальном времени. Ожидается переход к интеллектуальным рельсам с электронными паспортами на базе блокчейна.

Железнодорожный путь опирается на рельсы, принимающие динамическую нагрузку от колёсных пар и распределяющие её на шпалы. Состав стали, технология проката и режимы охлаждения формируют ключевые характеристики изделия — твёрдость, пластичность, устойчивость к контактной усталости.

Сырьё и сплавы

Рельсовая сталь относится к перлитному классу с содержанием углерода 0,7–0,82 %. Марганец повышает износостойкость, кремний задаёт прочность, хром с ванадием стабилизируют структуру зерна. Прокатная заготовка поступает в блюминги в форме непрерывнолитой заготовки, что снижает расслоение и газонасыщенность.

Горячий прокат проходит три-четыре клети с суммарной степенью деформации до 90 %. В калибре формируется головка, шейка и подошва. На финише используется водо-воздушное охлаждение, обеспечивающее закалку по градиенту: наиболее твёрдая зона расположена в 4–8 мм от поверхности головки, сердцевина остаётся более вязкой.

Термическая обработка продолжается в печах нормализации при 550–600 °C. Контролируемое охлаждение устраняет остаточные напряжения. Полученный перлит с межпластинчатым расстоянием 0,14–0,18 мкм обеспечивает контактную выносливость не менее 10⁸ циклов.

Стандарты и контроль

Российский ГОСТ Р 51685-2013 регламентирует профиль типов Р50, Р65, Р75, химический состав и глубину закалки. Европейский EN 13674-1 разделяет классы R260, R350HT, R400HT. Геометрия контролируется трёх-координатными измерителями, твёрдость — дюрометрами с интервалом 10 м. Непрерывная ультразвуковая дефектоскопия фиксирует внутренние расслоения свыше 0,3 мм, магнитопорошковая обработка выявляет повеповерхностные трещины длиной от 1 мм.

Ключевой этап — сварка. Для магистралей высокой скорости применяется термитно-электродуговое соединение со сдвигом, обеспечивающее растягивающее сопротивление > 900 МПа. На участках с грузовым трафиком используется контактная сварка оплавлением. Шлифовка головки устраняет волны и «гелевую» усталость, стабилизируя контакт колеса и рельса.

Эксплуатация и износ

Срок службы зависит от напряжённости трафика, радиуса кривых и климата. На прямых участках интенсивного грузового хода ресурс достигает 800 млн брутто-тонн, в узких кривых с оборотной смазкой — 400 млн. Регулярная выправка пути сохраняет проектное положение шейки, а динамический шлифовальный поезд снимает 0,1–0,3 мм металла за проход, сдвигая начало усталостных трещин.

Дефект № 21-А (поперечный разрыв от внутренней усталости) устраняется вырезкой фрагмента длиной в установленный шаблоном интервал с последующей термитной вставкой. Прогноз ресурса опирается на акустическую эмиссию и статистику проходов. При остаточной высоте головки < 12 мм сегмент списывается.

Монтаж ведётся на упругих клеммных скреплениях типа FASTCLIP или КПП-5. При температурной сварке выдерживается тепловое зазеркаливание для компенсации линейного расширения: таблица приведения определяет оптимальную длину разрядки. Верхний уровень обслуживания включает очистку стыков, подтяжку клемм, измерение сопротивления заземления.

Комплекс мер продлевает срок службы до 35 лет на пассажирских коридорах и до 25 лет на грузовых направлениях. После списания рельсы отправляются в дробильные установки: полученная стружка идёт в дуговые печи для нового цикла превращения в высококачественную рельсовую сталь.