Высоконагружаемое дисковое цельное колесо и колесный бандаж для самодвижущихся подвижных составов и вагонов и способ их термической обработки

 

Изобретение относится к высоконагружаемым дисковым колесам и колесным бандажам для самодвижущихся подвижных составов и вагонов из ковкой, катаной легированной стали в полностью улучшенном состоянии. На основе известных случаев поломки колес и проводимых в связи с ними исследованиях материалов для определения причин поломок было, кроме всего прочего, выявлено, что одной из причин поломок являются недостаточные свойства вязкости качественных сталей согласно уровню техники. Поэтому была создана новая сталь, имеющая следующий химический состав: углерод 0,38 - 0,42, кремний не более 0,25, марганец 0,40 - 0,60, фосфор не более 0,012, сера - не более 0,005, хром 1,00 - 1,5, молибден 0,30 - 0,60, никель 0,7 - 1,2, алюминий 0,015 - 0,040, азот не более 0,008, железо - остальное. Колеса и бандажи подвергают термической обработке: закалке с высоким отпуском. Нагревают до 850^oC, охлаждают в воде или масле при комнатной температуре (около 20^oC), а затем нагревают до 600^oC, охлаждают на воздухе при комнатной температуре (около 20^oC). После термообработки сталь приобретает значительно более высокий потенциал вязкости при сохранении прочностных свойств, например стали Р7 согласно IC-кодексу, благодаря чему прежде всего снижается повреждение колес при длительных торможениях. 2 с. и 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к высоконагружаемым дисковым цельным колесам и колесным бандажам для самодвижущихся подвижных составов и вагонов из ковкой, катаной легированной стали в полностью улучшенном состоянии.

Дисковые цельные колеса и колесные бандажи для железнодорожных транспортных средств до сих пор изготавливались и применялись из сталей на базе углерода с содержанием 0,48 0,52% и марганца с содержанием 0,75 0,80% [1] Прочность на расстояние R_m для наиболее употребительной стали R7 составляет 820 940 H/мм², прочность на разрыв A₅ по меньшей мере 14% и ударная вязкость (KU) на ISO-U-образцах по меньшей мере 15 Нм. Все значения определены при температуре 20^oC (комнатная температура).

Сталь R7 применяется предпочтительно для дисковых цельных колес с колодочным тормозом для железнодорожных вагонов с высокими нагрузками на ось.

Из ставших известными поломок колес и проводимых в связи с ними исследованиями материалов для выявления причин поломок у сталей с таким качеством было установлено, что в качестве причин поломок следует учитывать недостаточно высокие свойства вязкости у сталей [1] Колесами из стали R7 оснащаются также железнодорожные средства транспорта [1] движущиеся с высокими скоростями. Более высокие нагрузки вследствие повышенных нагрузок на оси, более высокие скорости, более высокие нагрузки на тормозе могут привести к поломкам колес, в особенности при длительных торможениях на гористой местности [2] Поэтому задачей изобретения является создание стали для изготовления высоконагруженных дисковых цельных колес и колесных бандажей для самодвижущихся подвижных составов и вагонов такого качества, которое обеспечивается значительно более высокими параметрами вязкости при одинаковых свойствах прочности по сравнению с ранее применявшимися сталями, например сталью R7, которое позволяет снизить прежде всего поломки колес, в том числе при длительных торможениях.

Решение этой задачи осуществляется за счет средств, указанных в формуле изобретения.

За счет выбора химического состава, выражающегося в массовых частях основных и легирующих элементов, а также сопровождающих элементов, специально согласованных друг с другом, обеспечивается получение стали высокой чистоты и с высоким постоянством свойств. Кроме того, в результате термообработки согласно изобретению обеспечивается получение такой структуры, которая отличается очень высокими свойствами вязкости при одновременной высокой прочности, и в особенности также высокой усталостной прочностью.

Таким образом, изобретение относится к получению специального материала нового типа для дисковых цельных колес и колесных бандажей, которые могут применяться для изготовления дисковых цельных колес и колесных бандажей железнодорожных транспортных средств, и к термообработке дисковых цельных колес и колесных бандажей, изготовленных из этого материала.

Существенные признаки пунктов 1 и 2 формулы изобретения отличаются, таким образом, составом, который благодаря особому согласованному друг с другом содержанию углерода, хрома и никеля при ограничении содержания кремния, сведении до минимума содержания серы и фосфора после улучшения материала, заключающегося в закалке и отпуске, придает дисковым цельным колесам и колесным бандажам такое состояние, которое до сих пор достигалось свойствами прочности преимущественно использовавшейся стали R7 или превосходящее их при значительно улучшенных свойствах вязкости, в особенности прочности на сопротивление разрыву.

Для достижения очень высоких свойств вязкости в дополнение ко всему составу заявляются также условия нагрева и охлаждения при закалке и отпуске согласно признакам способа по пункту 3 формулы изобретения, которые обеспечивают их достижение и одновременно придают дисковым цельным колесам и колесным бандажам, по крайней мере, такую же прочность, какую имеют колеса из стали R7 согласно UIC-кодексу.

Применяющиеся до сих пор ферритно-перлитные углеродисто-марганцовистые стали согласно UIC-кодексу не дают возможности существенно изменить их свойства вязкости. Поэтому основополагающие улучшения следует осуществлять за счет состава стали, причем, естественно, следует обращать особое внимание на более высокую степень чистоты, гомогенность и, по возможности, на изотропность свойств.

Поэтому соответствующие свойства прочности на разрыв требуются с учетом сохраняемой минимальной прочности при переходе от ферритно-перлитных сталей к стали с хорошей улучшаемостью с мелкозернистой гомогенной улучшенной структурой. Определенное содержание стабильных карбидов положительно влияет на чувствительность материала к перегреву.

Желательная высокая в течение длительного времени контактная прочность и незначительная чувствительность к усталостному износу обеспечивается комбинацией состояния структуры, прочности и вязкости. Это следует из химического состава согласно изобретению и соответствующей термообработки.

Содержание Cr до 1,50 мас. содержание Mo до 0,60 мас. и содержание Ni до 1,20% в легированной стали может колебаться в определенном допуске. Однако содержание Cr, Mo и Ni, указанное в пункте 2 формулы изобретения, должно по возможности соблюдаться.

Способы закалки с последующим отпуском с целью улучшения сами по себе в принципе известны. Они служат прежде всего для улучшения свойств вязкости при определенных значениях свойств прочности. Специальная термообработка колес и колесных бандажей оказывает дополнительное положительное влияние на контактную прочность, усталостную прочность и чувствительность к перегреву готового колеса и колесного бандажа.

В соответствии с этим следует обращать внимание на достаточно высокую температуру в температурном диапазоне гомогенной гамма-фазы кристаллической структуры смеси, на резкое охлаждение от температуры закалки, предпочтительно в воде, и последующий нагрев до сравнительно высоких температур отпуска. В качестве необходимых параметров термообработки действуют следующие данные: закалка: 850-950^oC с последующим резким охлаждением в воде или масле при комнатной температуре (около 20^oC), отпуск: 600-680^oC с последующим медленным охлаждением на воздухе при комнатной температуре (около 20^oC).

Установление параметров термообработки в отдельных случаях зависит также от размеров детали и поэтому в отдельных случаях они могут изменяться.

Механико-технологические свойства материала согласно изобретению после проведенной термообработки при комнатной температуре должны достигать следующих значений: предел текучести при растяжении (02 предела прочности) R_Po.2 - по меньшей мере 590 H/мм, предел прочности на растяжение R по меньшей мере 850 H/мм, предел удлинения при разрыве A по меньше мере 16% ударная вязкость (ISO-V-образец) A_v по меньшей мере 34 Н/м,
относительное удлинение при разрыве по меньшей мере 100 MH·м^-3/2,
ударная вязкость в верхнем слое A_vn должна достигать по меньшей мере 65 Hм при еще подлежащей определению температуре.

Формула изобретения

1. Высоконагружаемое дисковое цельное колесо и колесный бандаж для самодвижущихся подвижных составов и вагонов, выполненные из кованой, катаной легированной стали в улучшенном состоянии, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, железо, отличающиеся тем, что сталь дополнительно содержит хром, молибден, никель, алюминий, азот при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,38 0,42
Кремний Не более 0,25
Марганец 0,4 0,6
Фосфор Не более 0,012
Сера Не более 0,005
Хром 1,0 1,5
Молибден 0,3 0,6
Никель 0,7 1,2
Алюминий 0,015 0,04
Азот Не более 0,008
Железо Остальное
2. Колесо и колесный бандаж по п.1, отличающиеся тем, что они выполнены из стали, содержащей, мас.

Хром 1,0 1,3
Молибден 0,3 0,5
Никель 0,7 1,0
3. Способ термической обработки дисковых цельных колес и колесных бандажей из стали, включающий закалку с охлаждением в воде и высокий отпуск, отличающийся тем, что обработке подвергают колеса и бандажи из стали, содержащей следующие компоненты, мас.

Углерод 0,38 0,42
Кремний Не более 0,25
Марганец 0,4 0,6
Фосфор Не более 0,012
Сера Не более 0,005
Хром 1,0 1,5
Молибден 0,3 0,6
Никель 0,7 1,2
Алюминий 0,015 0,04
Азот Не более 0,008
Железо Остальное
нагрев под закалку ведут до 850 900^oС, охлаждают в воде или масле при около 20^oС, отпуск проводят при 600 680^oС с охлаждением на воздухе при около 20^oС.