Колесная сталь

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали для изготовления железнодорожных колес. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, медь, хром, никель, кальций, азот, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,60-0,73, кремний 0,27-0,35, марганец 0,80-1,05, ванадий 0,07-0,12, хром 0,60-0,90, никель 0,03-0,30, медь 0,03-0,30, азот 0,012-0,020, кальций от более 0,005 до 0,008, в качестве примесей серу - не более 0,020, фосфор - не более 0,020, алюминий - не более 0,005, кислород - не более 0,0025, водород - не более 0,0002, железо остальное. Повышаются механические свойства и твердость стали, а также увеличивается эксплуатационная стойкость железнодорожных колес. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для изготовления железнодорожных колес. Известна колесная сталь [1], содержащая (в мас.%):

углерод	0,25-0,40
кремний	0,25-0,45
марганец	1,5-2,0
хром	2,2-3,0
ванадий	0,1-0,25
сера	до 0,035
фосфор	до 0,035
железо	- остальное

Существенными недостатками данной колесной стали являются неоднородность структуры по сечению обода колеса за счет образования игольчатых закалочных структур (бейнит и мартенсит), а также низкие эксплуатационная стойкость железнодорожных колес.

Известна выбранная в качестве прототипа колесная сталь [2], содержащая (в мас.%):

углерод	0,4-0,77
кремний	0,25-0,60
марганец	0,4-1,2
ванадий	≤0,1
хром	≤0,35
никель	≤0,35
медь	≤0,35
азот	0,0015-0,015
кальций	≤0,005
сера	≤0,030
фосфор	≤0,030
алюминий	0,003-0,06
кислород	0,0005-0,003
водород	≤0,00025
железо	- остальное

Недостатком данной стали является то, что для достижения требуемого уровня механических характеристик требуется проведение термической обработки колес.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение механических свойств и твердости стали за счет образования однородной структуры пластинчатого перлита без применения термической обработки, а также увеличение эксплуатационной стойкости железнодорожных колес.

Для достижения этого колесная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, медь, азот, кальций, железо и примеси серы, фосфора, алюминия, кислорода и водорода, отличается тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении (в мас.%)

углерод	0,60-0,73
кремний	0,27-0,35
марганец	0,80-1,05
ванадий	0,07-0,12
хром	0,60-0,90
никель	0,03-0,30
медь	0,03-0,30
азот	0,012-0,020
кальций	от более 0,005 до 0,008
сера	не более 0,020
фосфор	не более 0,020
алюминий	не более 0,005
кислород	не более 0,0025
водород	не более 0,0002
железо	- остальное

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Содержание углерода выбрано исходя из обеспечения повышения твердости и контактной прочности стали. При концентрации его в стали менее 0,60% в структуре уменьшается количество высокодисперсной карбидной фазы пластинчатой формы и увеличивается доля зернограничного феррита, что приводит к снижению контактной прочности железнодорожных колес, а при увеличении концентрации углерода более 0,73% повышается склонность их к хрупким разрушениям и образованию термомеханических повреждений.

Соотношение марганца выбрано исходя из того, что при содержании марганца до 1,05% увеличивается прокаливаемость стали, что не требует закалочного водяного охлаждения для обеспечения требуемых механических свойств. Нижний предел выбран исходя из того, что марганец при содержании менее 0,80% слабо оказывает влияние на прокаливаемость стали и соответственно не обеспечивает повышение комплекса механических свойств железнодорожных колес.

Кремний в заявляемых пределах обеспечивает повышение ударной вязкости и хладостойкости стали. При концентрации кремния менее 0,27% не достигается повышения указанных характеристик. При содержании кремния более 0,35% значительно снижается пластичность и вязкость феррита, что увеличивает склонность стали к трещинообразованию.

При содержании хрома от 0,60 до 0,90% достигается повышение твердости, прочности, пластичности, ударной вязкости стали без закалочного водяного охлаждения за счет распада аустенита в области низких температур перлитного превращения. При содержании хрома менее 0,60% наблюдается уменьшение прокаливаемости стали, и как следствие снижение всего комплекса механических свойств.

Установленный предел концентрации никеля (0,03-0,30%) придает стали высокую пластичность и ударную вязкость. Содержание никеля более 0,30% нецелесообразно из экономических соображений.

Содержание меди в заявляемых пределах обеспечивает повышение предела временного сопротивления разрыву и относительного удлинения без снижения ударной вязкости, при увеличении концентрации меди более 0,30% резко уменьшаются значения ударной вязкости стали.

Содержание алюминия (менее 0,005%) выбрано исходя из исключения образования недопустимых строчечных включений глинозема, увеличивающих склонность железнодорожных колес к образованию контактно-усталостных трещин и выщерблин при эксплуатации.

Совместное введение в сталь карбонитридообразующих элементов - ванадия и азота - предусмотрено для стабилизации зерна аустенита при нагреве под нормализацию (или прерывистую закалку воздухом). Исходя из этого установлено оптимальное содержание ванадия 0,07-0,12% и азота 0,012-0,020%. При меньших концентрациях ванадия и азота не обеспечивается требуемое измельчение аустенитного зерна. Верхний предел концентрации ванадия выбран исходя из экономических соображений. При повышении азота более 0,020% возможны случаи возникновения пятнистой ликвации и образования пузырей в стали в результате «азотного кипения».

Содержание кальция выбрано исходя из обеспечения требуемой концентрации кислорода в стали, при концентрации до 0,005% не обеспечивается требуемая концентрация кислорода, а при увеличении более 0,008 возрастает загрязненность стали неметаллическими включениями.

Ограничение содержания серы, фосфора, кислорода и водорода выбрано исходя из обеспечения качества поверхности и эксплуатационной стойкости железнодорожных колес.

Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в 160-тонных кислородных конвертерах. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ, осуществляли прокатку и термообработку железнодорожных колес. Термическая обработка включала нагрев колес в кольцевой печи до температуры 820-850°С, прерывистое охлаждение воздухом поверхности ободьев колес и последующий самоотпуск при температуре 450°С. Результаты испытаний приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств, твердости и износостойкости железнодорожных колес.

Список источников

1. А.с СССР №336336, С22С 39/00.

2. US 6663727 В2, С22С 38/40.

Таблица 1.
Химический состав стали, мас.%
Состав	С	Si	Mn	V	Cr	Ni	Cu	Са	N	AI	S	Р	O	Н	Fe
1	0,60	0,27	0,80	0,07	0,60	0,03	0,03	0,0003	0,012	0,005	0,020	0,020	0,0025	0,0002	ост
2	0,63	0,29	0,82	0,12	0,76	0,18	0,09	0,005	0,018	0,005	0,009	0,018	0,0020	0,0001	ост
3	0,66	0,33	0,88	0,09	0,75	0,25	0,08	0,0013	0,019	0,003	0,008	0,010	0,0020	0,0002	ост
4	0,69	0,32	0,90	0,11	0,65	0,29	0,23	0,0021	0,018	0,004	0,012	0,012	0,0020	0,0001	ост
5	0,71	0,29	0,93	0,10	0,88	0,20	0,29	0,0006	0,016	0,003	0,012	0,012	0,0012	0,0002	ост
6	0,73	0,35	1,05	0,12	0,90	0,30	0,30	0,008	0,020	0,005	0,018	0,018	0,0015	0,0001
прототип	0,25-0,40	0,25-0,45	1,5-2,0	0,1-0,25	2,2-3,0		0,3-0,5		-		<0,035	<0,035			ост

Таблица 2
Механические свойства стали
Состав	σв, кгс/мм2	δ, %	ψ, %	KCU+20C	KCU-20C	KCU-60C	HB	Структура
1	112	14	26	5	3	1	320	перлит
2	115	16	30	6	4	0,5	330	перлит
3	116	18	32	5	3	1	335	перлит
4	119	16	30	4	5	2	345	перлит
5	120	12	34	6	4	3	357	перлит
6	128	15	35	6	5	3	360	перлит
прототип	130	15	30	7	4	-	-	-

Колесная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, медь, азот, кальций, железо и примеси серы, фосфора, алюминия, кислорода и водорода, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,60-0,73
кремний	0,27-0,35
марганец	0,80-1,05
ванадий	0,07-0,12
хром	0,60-0,90
никель	0,03-0,30
медь	0,03-0,30
азот	0,012-0,020
кальций	от более 0,005 до 0,008
сера	не более 0,020
фосфор	не более 0,020
алюминий	не более 0,005
кислород	не более 0,0025
водород	не более 0,0002
железо	остальное