Сталь повышенного качества
Владельцы патента RU 2371510:
Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу стали повышенного качества, предназначенной для производства цельнокатаных колес колесных пар тележек пассажирских вагонов магистральных железных дорог. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, фосфор, серу, никель, хром, медь, титан и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,48-0,54, марганец 0,80-1,20, кремний 0,45-0,65, ванадий 0,08-0,20, ниобий 0,02-0,05, фосфор не более 0,030, сера не более 0,020, никель не более 0,25, хром не более 0,25, медь не более 0,25, титан до 0,01, железо - остальное. Повышаются механические свойства, усталостная прочность, износостойкость и трещиностойкость цельнокатаных колес. 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу стали повышенного качества, и предназначено для использования в производстве цельнокатаных колес для колесных пар тележек пассажирских вагонов магистральных железных дорог.
Известна колесная сталь, содержащая, мас.%: углерод - 0,35-0,70; кремний - 0,20-0,60; марганец - 0,50-1,20; ванадий - 0,08-0,2; медь - 0,3-0,5; железо - остальное (см. SU №451785, С22С 39/00, 1974).
Известна также сталь для изготовления железнодорожных цельнокатаных колес и бандажей, содержащая, мас.%: углерод - 0,35-0,70; кремний - 0,20-0,60; марганец - 0,50-1,20; цирконий - 0,05-0,15; железо - остальное. В качестве примесей сталь может содержать фосфор не более 0,035% и серу не более 0,040% (см. SU №673665, С22С 38/14, 1979).
Недостатком известных сталей является очень широкий диапазон содержания углерода, вследствие чего сложно обеспечить стабильность твердости и механических свойств при массовом производстве колес. Кроме того, в стали, помимо ванадия и циркония, не регламентируются другие легирующие элементы, что не позволяет обеспечить оптимальный комплекс механических свойств, заключающийся в соотношении высокого временного сопротивления, твердости с необходимой пластичностью и вязкостью.
Наиболее распространенной и близкой по составу к стали согласно изобретению является сталь для изготовления цельнокатаных колес марки 1 по ГОСТ 10791-2004.
Известная сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод - 0,44-0,52; марганец - 0,80-1,20; кремний - 0,40-0,65; ванадий - 0,08-0,15; сера - не более 0,030; фосфор - не более 0,035; никель - не более 0,30; хром - не более 0,30; медь - не более 0,30; молибден - не более 0,08.
Однако в условиях увеличения интенсивности пассажирских перевозок и скоростей движения, сопровождающихся повышением динамической нагруженности колес и возрастанием напряжений на поверхности катания обода и в диске, к колесной стали предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и стойкости к эксплуатационным повреждениям в течение заданного ресурса. Известная сталь не удовлетворяет указанным требованиям в необходимой степени.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение металлургического качества, механических свойств (временного сопротивления, твердости, пластичности, ударной вязкости), усталостной прочности колесной стали, что обеспечивает увеличение износостойкости, контактно-усталостной прочности и трещиностойкости цельнокатаных колес.
Указанный технический результат достигается в техническом решении согласно изобретению, в котором сталь повышенного качества для цельнокатаных колес пассажирских вагонов включает, мас.%:
| Углерод | 0,48-0,54 |
| Марганец | 0,80-1,20 |
| Кремний | 0,45-0,65 |
| Ванадий | 0,08-0,20 |
| Ниобий | 0,02-0,05 |
| Фосфор | не более 0,030 |
| Сера | не более 0,020 |
| Никель | не более 0,25 |
| Хром | не более 0,25 |
| Медь | не более 0,25 |
| Титан | до 0,01 |
| Железо | остальное |
При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.
Повышения механических свойств стали можно достичь двумя основными способами: за счет увеличения содержания углерода или добавления в большом объеме легирующих элементов. Однако для колес, являющихся массовыми и в то же время высокоответственными изделиями, использование какого-либо способа по отдельности нецелесообразно, так как легирование заметно повышает стоимость колес и снижает их конкурентоспособность, а повышенное содержание углерода приводит к снижению ударной вязкости, надежности стали по отношению к хрупким разрушениям и обрабатываемости, что важно с точки зрения технического содержания колес в эксплуатации. Таким образом, необходимо альтернативное решение, обеспечивающее улучшение свойств стали и позволяющее избежать недостатков перечисленных способов.
Оптимальным решением для повышения прочности и твердости колес при сохранении пластичности и вязкости является комплексный подход, включающий умеренное повышение содержания углерода и микролегирование. В этом случае основными механизмами повышения твердости стали являются твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение и измельчение зерна. Последнее обеспечивает также увеличение пластичности и вязкости стали.
Углерод и хром являются основными карбидоообразующими элементами, упрочняющими твердый раствор. Для обеспечения временного сопротивления и твердости на требуемом уровне диапазон содержания сдвинут в сторону увеличения до 0,48-0,54%, при этом максимальное содержание хрома установлено на уровне 0,25%.
Воздействие марганца и кремния на механические свойства колес проявляются как через упрочнение твердого раствора, так и через влияние на раскисляемость и прокаливаемость колесной стали. Для обеспечения указанных характеристик содержание марганца сохранено на уровне, установленном для известной стали (0,80-1,20%), а нижнее значение по кремнию увеличено до 0,45%.
Высокое содержание серы способствует охрупчиванию стали и увеличению количества неметаллических сульфидных включений, являющихся концентраторами напряжений в стали. В связи с этим ее содержание ограничено на уровне 0,020%.
Фосфор также является вредной примесью, приводящей к ослаблению межкристаллических связей за счет выделения включений хрупкой фосфидной эвтектики, поэтому его максимально допустимое содержание снижено по сравнению с известной сталью до 0,030%.
В сталь добавляется никель до 0,25% в качестве легирующего элемента, повышающего ударную вязкость, хладостойкость и сопротивление хрупкому разрушению.
Для дисперсионного упрочнения (повышения механической прочности) и измельчения зерна (повышения вязкости) за счет понижения температуры перлитного превращения и предотвращения рекристаллизационных процессов осуществляется введение микролегирующих добавок карбонитридообразующих элементов, таких как ванадий (0,08-0,20%), ниобий (0,02-0,05%) и титан (до 0,01%). Подобное микролегирование позволяет обеспечить содержание углерода на среднем уровне (0,48-0,54%), что положительно сказывается на стойкости колесной стали к тепловым воздействиям при эксплуатации.
Использование перечисленных приемов обеспечивает повышение прочностных свойств и твердости колесной стали без интенсификации закалочного процесса, что позволяет избежать возникновения высоких остаточных напряжений и обеспечить необходимую конструктивную прочность колеса. Кроме того, повышается металлургическое качество (чистота по неметаллическим включениям, структура), вязкость и трещиностойкость стали.
В таблице представлены сравнительные данные по механическим свойствам стали согласно изобретению и известной стали.
| Таблица | ||||
| № | Наименование параметра | Сталь согласно изобретению | Сталь согласно изобретению при оптимальных значениях компонентов | Известная сталь по прототипу |
| 1 | Временное сопротивление металла обода σВ, Н/мм2 |
931-1128 | 1030-1100 | 880-1080 |
| 2 | Относительное удлинение металла обода δ, %, не менее | 12 | 14-18 | 12 |
| 3 | Относительное сужение металла обода ψ, %, не менее | 21 | 28-36 | 21 |
| 4 | Ударная вязкость KCU металла обода при температуре 20°С, Дж/см2, не менее | 30 | 32-38 | 30 |
| 5 | Ударная вязкость KCU металла диска при температуре 20°С, Дж/см2, не менее | 30 | 35-42 | 30 |
| 6 | Твердость на глубине 30 мм от поверхности катания обода, НВ | 280-320 | 295-310 | не менее 248 |
Сталь для цельнокатаных колес колесных пар тележек пассажирских вагонов магистральных железных дорог, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, фосфор, серу, никель, хром, медь и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,48-0,54 |
| марганец | 0,80-1,20 |
| кремний | 0,45-0,65 |
| ванадий | 0,08-0,20 |
| ниобий | 0,02-0,05 |
| фосфор | не более 0,030 |
| сера | не более 0,020 |
| никель | не более 0,25 |
| хром | не более 0,25 |
| медь | не более 0,25 |
| титан | до 0,01 |
| железо | остальное |
