Дисперсионно-твердеющая перлитная колесная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к перлитным дисперсионно-твердеющим сталям, используемым для изготовления железнодорожных колес. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,55-0,75, кремний 0,25-0,65, марганец 0,30-0,82, медь 0,36-1,40, хром - не более 0,1, фосфор - не более 0,030, серу - не более 0,020, железо и неизбежные примеси - остальное. Содержания марганца (Mn) и меди (Cu) связаны следующей зависимостью: . Обеспечивается достижение требуемых твердости и прочности колес. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям, используемым для изготовления железнодорожных колес.

В настоящее время одним из требований, предъявляемых к колесам, является высокая твердость обода в сочетании с его перлитной структурой, поскольку структура перлита обеспечивает более высокое сопротивление износу и контактно-усталостным и термическим повреждениям, чем структура бейнита или мартенсита при одинаковой твердости.

Современная технология производства колес с перлитной структурой предполагает отпуск при ~500°С для снятия внутренних напряжений, что приводит к снижению твердости, достигаемой после закалки.

Известна колесная сталь, содержащая, мас. %: углерод 0,60-0,78, кремний 0,27-0,35, марганец 0,80-0,95, ванадий 0,07-0,12, хром 0,05-0,30, 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.

Механические свойства стали после нагрева колес в кольцевой печи до 820-850°С, прерывистого охлаждения водой поверхности ободьев колес и последующего отпуска при 450°С следующие: σв 112-130 кгс/мм2; δ 14,5-19,0%; ψ 32-40%; ударная вязкость KCU при температуре 20°С 4,0-5,5 Дж/см2, твердость НВ 320-360 (патент RU 2368693, МПК С22С 38/46, опубл. 27.09.2009 г.).

Недостатком этой стали является разупрочнение колес при эксплуатации при повышении температуры на поверхности катания обода выше температуры 450°С, при которой колесо подвергали отпуску.

Известна сталь для колес, содержащая, мас. %: углерод 0,36-0,49, ванадий 0,26-0,40, иттрий 0,20-0,70, медь 1,10-1,72, никель 2,10-2,50, хром <0,3, марганец <0,5, сера <0,035, фосфор <0,03, алюминий <0,01, кремний 0,17-0,37, железо - остальное (патент RU 2369790, МПК F16H 55/32, С22С 38/52, 22С 38/46, С22С 38/30, опубл. 27.09.2009 г.).

Механические свойства стали следующие:

Временное сопротивление σВ, МПа 1720-1790
Предел текучести σ0,2, МПа 1420-1450
Относительное удлинение δ, % 14,0-14,8
Относительное сужение ψ, % 38-45
Ударная вязкость KCU, Дж/см2 28-30

Недостатком этой стали является то, что после закалки сталь приобретает не перлитную, а мартенсито-бейнитную структуру. Об этом свидетельствует низкое содержание углерода, не обеспечивающее получение заметных количеств перлита, а также высокое содержание легирующих элементов, в частности никеля и ванадия, задерживающих перлитное превращение.

Введение меди в эту сталь также способствует формированию мартенситной структуры при закалке.

Полученные механические свойства, особенно высокие прочностные свойства, подтверждают неперлитную структуру стали.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является колесная сталь, содержащая, мас. %: углерод 0,60-0,72, марганец 0,50-1,00, кремний 0,22-0,65, ванадий - не более 0,15, сера 0,005-0,030, фосфор - не более 0,035, никель - не более 0,30, медь - не более 0,30, хром - не более 0,50, молибден - не более 0,08. титан - до 0,03, ниобий - до 0,01, железо - остальное. Наличие в составе стали карбонитридообразующих элементов, таких как ванадий, хром, титан, ниобий и молибден, дает возможность реализовать процесс дисперсионного упрочнения за счет выделения дисперсных частиц карбонитридов.

Сталь обеспечивает твердость НВ 320-360 и имеет высокие механические свойства, определенные на образцах, изготовленных из металла обода: σв 1020-1180 Н/мм2; δ - не менее 9%; ψ - не менее 16%; ударная вязкость KCU при температуре 20°С - не менее 16 Дж/см2 (патент RU 2369658, МПК С22С 38/50, опубл. 10.10.2009 г. - прототип).

Недостатком этой стали является то, что для получения заявленной твердости предложен состав, в котором до 0,5% хрома, что при закалке колес не гарантирует получение перлитной структуры, а наоборот, обусловливает большую вероятность образования мартенсито-бейнитной структуры. Оговоренный в прототипе процесс дисперсионного твердения за счет выделения карбонитридов неэффективен при технологическом отпуске в интервале температур 450-500°С, поскольку реализуется при более высоких температурах (~600°С). Также не реализуется процесс дисперсионного упрочнения за счет выделения частиц меди из-за малого (до 0,3%) ее содержания в стали.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание колес с твердостью НВ≥340 и прочностью σв=1100-1300 Н/мм2.

Техническим результатом изобретения является состав колесной стали, обеспечивающий получение при закалке перлитной структуры и эффект дисперсионного упрочнения при технологическом отпуске с достижением поставленной цели.

Указанный технический результат достигается тем, что сталь для колес, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,55-0,75, кремний 0,25-0,65, марганец 0,30-0,82, медь 0,36-1,40, хром - не более 0,1, фосфор - не более 0,030, сера - не более 0,020, железо и неизбежные примеси - остальное. При этом содержание марганца (Mn) и меди (Cu) связано следующей зависимостью: .

В настоящее время медь является неизбежной примесью в сталях массового назначения (автомобильных, трубных, колесных и др.) и ее содержание достигает 0,2% и более, что является следствием использования в металлургическом производстве железного лома с высоким содержанием меди.

Медь имеет повышенную растворимость в α-железе (в феррите): от 1,4% Cu при 850°С до 0,3% Cu при комнатной температуре. Поэтому в стали, содержащей свыше 0,3% Cu, при отпуске в интервале температур 450-650°С, из твердого раствора выделяются частицы меди размером до 20 нм, приводящие к упрочнению стали (эффект дисперсионного твердения). Степень упрочнения определяется двумя факторами: размером частиц и их объемной долей: чем мельче частицы и больше их объемная доля, тем выше прочность стали. При содержании меди менее 0,36% эффект дисперсионного твердения в перлитной стали практически не проявляется. При содержании меди более 1,4% медь не полностью растворяется при нагреве под закалку и сохраняется в чистом виде в форме крупных частиц на границах зерен, что приводит к охрупчиванию стали.

Марганец в колесной стали повышает стабильность аустенита и при закалке способствует снижению температуры перлитного превращения и получению благоприятной структуры тонкопластинчатого перлита. Однако в случае совместного легирования стали марганцем и медью повышается риск получить при закалке структуру бейнита и даже мартенсита вместо тонкопластинчатого перлита. Поэтому содержание марганца в стали должно зависеть от содержания меди по соотношению

,

так что сталь с содержанием меди в пределах 0,36-1,4% должна содержать марганец соответственно в пределах 0,82-0,3%.

Содержание углерода в заявляемой стали ограничено в пределах 0,55-0,75%. При содержании углерода менее 0,55% в структуре перлитных колес образуется большая доля свободного феррита (более 10-15%), что снижает твердость и сопротивление контактно-усталостному растрескиванию. При содержании в стали заявленного состава углерода более 0,75% в структуре может образоваться свободный цементит на границах зерен, что приведет к снижению пластичности и вязкости стали.

Содержание хрома в стали допускается не более 0,10%. Хром существенно влияет на замедление кинетики перлитного превращения, что в стали заявленного состава может привести к переохлаждению аустенита при закалке и к возникновению бейнито-мартенситной структуры, не допустимой в перлитных колесах.

Содержание кремния в заявленной стали ограничено в пределах 0,25-0,65%. В заявленной стали кремний не используется для упрочнения и является технологической присадкой, необходимой для раскисления.

Ограничение содержания серы и фосфора обусловлено их негативным влиянием на механические свойства стали и на эксплуатационные характеристики колес.

Примеры реализации изобретения представлены ниже.

Состав опытных плавок сталей показан в таблице 1, содержание Mn и Cu соответствует заявленной зависимости.

Образцы для механических испытаний и исследования структуры обработаны на структуру тонкопластинчатого перлита, и часть их подвергнута отпуску при 500°С для проявления эффекта дисперсионного упрочнения.

В таблице 2 представлены механические свойства и твердость сталей в перлитном состоянии до и после отпуска.

Из таблицы 2 следует, что:

1. В стали по изобретению имеет место проявление эффекта дисперсионного твердения (упрочнения), сопровождающегося увеличением твердости с НВ 325-335 после закалки до НВ 341-345 после отпуска и предела прочности σв с 993 Н/мм2 до 1112 Н/мм2 (у плавки стали №1) и σв с 1288 Н/мм2 до 1311 Н/мм2 (у плавки стали №2).

2. Полученные значения предела прочности σв у стали по изобретению превышают таковые для прототипа: σв=1112-1311 Н/мм2 у стали по изобретению против σв=1080-1125 Н/мм2 у прототипа.

Величина твердости стали по изобретению выше, чем у стали по прототипу: НВ 345 против НВ 325-341.

Фиг. 1 иллюстрирует структуру плавки стали 1 после отпуска и содержит дисперсные (~20 нм) частицы меди в зерне свободного феррита (С.Ф.) и в колонии перлита (П).

Источники информации

1. Гудремон Э. Специальные стали, М., 1960, т. 2, 1638 с.

2. ГОСТ 10791-2011. «Колеса цельнокатаные».

Колесная перлитная дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,55-0,75, кремний 0,25-0,65, марганец 0,30-0,82, медь 0,36-1,40, хром не более 0,1, фосфор не более 0,030, сера не более 0,020, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом содержание марганца (Mn) и меди (Cu) связано следующей зависимостью:



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к твердому припою для высокотемпературной пайки нержавеющей стали. Порошок твердого припоя на железохромовой основе для высокотемпературной пайки основного материала из нержавеющей стали содержит, мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к твердому припою на железохромовой основе с превосходной характеристикой смачивания на материале на основе нержавеющей стали, причем твердый припой образует паяное соединение с высокой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству горячекатаной полосы толщиной 4-9 мм повышенной прочности, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки и профилирования.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к термической обработке колец подшипников качения, которые эксплуатируются на железнодорожном транспорте, и может быть использовано в подшипниковой промышленности при производстве деталей подшипников, в частности внешних колец.

Изобретение относится к области металлургии. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката в прутках, круглого, диаметром 100 мм, из рессорно-пружинной стали. .

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству низколегированных сталей различных классов прочности, и может быть использовано для производства готовых листов, используемых в качестве исходной заготовки для прямошовных электросварных труб большого диаметра.
Изобретение относится к области металлургии. .

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству штрипса из стали класса прочности К65-К70 толщиной до 35 мм для труб магистральных трубопроводов диаметром до 1420 мм.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных листов из стали класса прочности К56 для изготовления электросварных прямошовных труб сейсмостойкого исполнения С2 для магистральных нефтепроводов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам износостойких сплавов на основе железа, используемых для изготовления деталей, работающих в условиях трения и повышенного износа.

Сталь // 2609155
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемых для изготовления изделий методом холодной объемной штамповки. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,03-0,04, кремний 0,03-0,04, марганец 0,03-0,04, церий 0,05-0,15, иттрий 0,05-0,15, кальций 0,001-0,003, алюминий 0,3-0,4, титан 0,001-0,003, бор 0,03-0,05, никель 0,1-0,15, медь 0,2-0,25, серебро 0,003-0,005, бериллий 0,003-0,005, железо - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным мартенситным сталям, применяемым при изготовлении высоконагруженных изделий криогенной техники, например резервуаров и трубопроводов сжиженных газов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу стали, используемой в сварных конструкциях. Сталь содержит, в мас.%: С: от 0,015 до 0,045, Si: от 0,05 до 0,20, Mn: от 1,6 до 2,5, Ni: от 0,1 до 1,0, Ti: от 0,005 до 0,015, В: от 0,0003 до 0,0015, N: от 0,002 до 0,006, O: от 0,0015 до 0,0035, Р: 0,008 или менее, S: 0,005 или менее, Al: 0,004 или менее, Nb: 0,004 или менее, Cu: 0,5 или менее, V: 0,02 или менее, остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к способу получения электротехнических текстурированных стальных лент или листов, в котором температуру тонкого сляба, изготовленного из стали с содержанием мас.%: Si 2-6,5%, С 0,02-0,15%, S 0,01-0,1%, Cu 0,1-0,5%, при этом соотношение между процентными содержаниями меди и серы %Cu/%S составляло более 4, Mn до 0,1%, при этом соотношение между процентными содержаниями марганца и серы Mn/S составляло менее 2,5, и необязательно N, Al, Ni, Cr, Mo, Sn, V, Nb.
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству нового высокоэффективного вида металлопродукции - толстолистовому прокату из низколегированной атмосферостойкой стали для мостостроения.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству горячекатаного проката из низкоуглеродистой низколегированной конструкционной стали для изготовления горячекатаных автомобильных компонентов.

Сталь // 2563569
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам сталей, используемых в машиностроении. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,1-0,3, кремний 0,05-0,15, марганец 0,04-0,08, рений 0,002-0,006, скандий 0,0005-0,001, никель 0,5-1,0, кобальт 0,5-1,0, алюминий 1,0-1,5, медь 1,5-2,0, железо - остальное.

Сталь // 2557850
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам сталей, используемых в машиностроении. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,17-0,23; марганец 0,9-1,1; кремний 0,8-1,4; вольфрам 1,0-1,4; бор 0,04-0,06; кобальт 0,8-1,2; медь 0,8-1,2; теллур 0,0006-0,0008; железо - остальное.

Сталь // 2556440
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам стали, используемой для изготовления изделий методом штамповки. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,05-0,1, кремний 0,01-0,02, марганец 0,3-0,8, никель 1,5-3,5, ванадий 0,06-0,18, алюминий 0,5-1,5, стронций 0,004-0,006, титан 0,035-0,045, медь 1,4-2,0, железо - остальное.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к составам спеченных антифрикционных материалов на основе железа, используемых для работы в несущих или направляющих узлах. Антифрикционный материал содержит, мас. %: дисульфид молибдена 2,0-4,0, медь 3,0-5,0, никель 6,0-8,0, кобальт 2,0-3,0, кальций 0,002-0,004, железо - остальное. Повышается прочность материала. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к перлитным дисперсионно-твердеющим сталям, используемым для изготовления железнодорожных колес. Сталь содержит, мас.: углерод 0,55-0,75, кремний 0,25-0,65, марганец 0,30-0,82, медь 0,36-1,40, хром - не более 0,1, фосфор - не более 0,030, серу - не более 0,020, железо и неизбежные примеси - остальное. Содержания марганца и меди связаны следующей зависимостью:. Обеспечивается достижение требуемых твердости и прочности колес. 1 ил., 2 табл.

Наверх