СТАЛЬ РЕССОРНО-ПРУЖИННАЯ ЭКОНОМНО-ЛЕГИРОВАННАЯ 42 С2 ПВ Российский патент 2005 года по МПК C22C38/42 C21B13/00 

Изобретение относится к металлургии, а именно к рессорно-пружинным сталям, и может быть использовано при изготовлении упругих элементов железнодорожных скреплений, соединяющих рельсы со шпальной решеткой.

Широко известны в металлургии рессорно-пружинные стали, содержащие в качестве основы железо, например сталь 60С2 по ГОСТ 14959-79, содержащая компоненты в следующем отношении в мас.%: углерод 0,57-0,65; кремний 1,5-2,0; марганец 0,6-0,9; хром ≤0,30; никель ≤0,25; медь ≤0,20; сера ≤0,035; фосфор ≤0,035; железо - остальное [1].

Из известных в литературе рессорно-пружинных сталей, используемых для изготовления упругих элементов железнодорожных скреплений, по составу ингредиентов наиболее близкой к заявленной является сталь 40С2 по ТУ 1150-071-01124328-98, содержащая компоненты в следующем отношении в мас.%: углерод 0,35-0,45; кремний 1,5-1,7; марганец 0,65-0,90; хром ≤0,30; никель ≤0,30; медь ≤0,30; сера ≤0,03; фосфор ≤0,03; алюминий ≤0,03; железо - остальное [2 и 3].

Состав этот имеет кристаллическую структуру и следующие физические характеристики:

предел прочности, σ_в, Н/мм²800-1000;глубина обезуглероженного слоя,% от диаметра  на сторону, не более2,0;величина аустенитного зерна, балл, не менее5,0;твердость, НВ, не более250;способ обработкигорячекатаная качественная;точность прокаткиВ - обычная;коррозионная стойкость:  убыль массы, Δ, т. г.0,18;глубина повреждения, мм0,043;хладостоикость- не исследована.

Предел прочности указанной стали не высок, что сдерживает ее использование при изготовлении упругих элементов железнодорожных скреплений, в частности, на кривых участках железнодорожного пути.

Предельно допустимая глубина обезуглероженного слоя в прокате (2%) соответствует техническим требованиям [4], но при изготовлении деталей методом горячего формирования с последующей термообработкой возрастает до 2,5-3% от диаметра на сторону, что не соответствует нормативно-технической документации [5 и 6], вызывает образование трещин и преждевременное разрушение изделий.

Крупное зерно аустенита (балл 5,0) снижает прочность, пластичность и порог хладноломкости, повышает склонность стали к хрупкому разрушению. Отсутствие показателей порога хладноломкости и невысокие значения коррозионной стойкости существенно ограничивают климатические области использования упругих элементов железнодорожных скреплений из этой стали.

Высокий уровень содержания в стали примеси серы (до 0,03%) оказывает отрицательное воздействие на свойства металла. Образующиеся соединения FeS, располагающиеся по границам зерна, при температуре горячего деформирования (950-1200°С) расплавляются, нарушая связь между зернами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики (FeS) возникают надрывы и трещины.

Присутствующий в стали марганец образует с серой тугоплавкие соединения MnS. Эти включения деформируются и оказываются вытянутыми в направлении прокатки или ковки, снижая ударную вязкость и предел выносливости. Кроме этого сера снижает коррозионную стойкость и свариваемость металла, а неметаллические включения, сульфиды, являются центрами зарождения трещин [7].

ТУ 1150-071-01124328 - 98 определен способ обработки проката - горячекатаный, что предполагает наличие на поверхности дефектов, приводящих к зарождению трещин.

Нерегламентированный диапазон содержания хрома, никеля и меди от 0 до 0,3%, алюминия, серы и фосфора от 0 до 0,03% и широкие пределы содержания углерода от 0,35 до 0,45% в рассматриваемой стали не способствуют созданию равномерной структуры, не улучшают прочностные и вязкопластические характеристики и вызывают дестабилизацию процесса термообработки.

Техническим результатом изобретения является получение упругих элементов железнодорожных скреплений различных конструкций с повышенными уровнями служебных характеристик, с требуемыми соответствующими показателями хладостойкости, прочности, качества поверхности, циклической долговечности и релаксационной стойкости по отношению к проседанию под рабочими нагрузками при использовании в различных климатических поясах. При этом минимизированно содержание микролегирующих компонентов.

Для достижения этого технического результата в известную сталь 40С2 ТУ 1150-071-01124328-98 [2 и 3], в состав которой входят железо, углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, сера, фосфор и алюминий, дополнительно внесены оптимальные определяющие пределы содержания химических элементов в следующих соотношениях (мас.%):

Углерод0,39-0,44;Кремний1,6-1,7;Марганец0,6-0,75;Хром0,07-0,15;Никель0,03-0,15;Медь0,04-0,15;Сера≤0,008;Фосфор0,005-0,015;Алюминий0,008-0,015;Азот0,005-0,015;Кислород10-35 ppm;Кальций10-20 ppm;Железоостальное до 100%.

Для получения предложенной стали повышенной чистоты применен высокотехнологичный метод прямого восстановления (ПВ) железа из руды, где в сырьевом продукте - металлизированных окатышах содержится около 90% чистого железа. При этом достигается самый низкий предел (до 0,008%) содержания примеси серы, что приводит к практическому исключению сульфидов и, тем самым, образованию трещин в металле.

В применяемом методе комплексного микролегирования хром и никель в присутствии основных легирующих элементов кремния и марганца увеличивают прокаливаемость стали, уменьшают склонность к обезуглероживанию поверхности металлопроката, снижают вероятность графитизации и росту зерна при нагреве, снижают температуру порога хладноломкости и обеспечивают высокое сопротивление хрупкому разрушению. Никель в этой стали уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений [7].

Регламентированное оптимальное содержание в заявленной стали фосфора в присутствии меди повышает сопротивление коррозии [8]. Одновременно происходит увеличение предела прочности и текучести, повышается порог хладноломкости, уменьшается вероятность развития трещин.

Введение в сталь оптимального количества эффективного раскислителя алюминия позволило связать вредные для металла газы - азот и кислород, образовать частицы нитридов и оксидов. После завершения кристаллизации стали и ее охлаждения в структуре выделяются мельчайшие субмикроскопические включения (неметаллическая пыль), которые располагаются по границам зерен и стабилизируют величину аустенитного зерна, препятствуя его рост. Полученная величина аустенитного зерна предлагаемой стали (балл 7-8) 0,31-0,22 мкм значительно меньше, чем в известном аналоге (балл 5) - 0,62 мкм.

Полученная сталь высокой чистоты (ПВ) в отличие от аналога имеет повышенную технологическую пластичность, которая при горячем и холодном деформировании на 20-50% выше, чем у обычного металла. Это обеспечивает осадку в горячем и холодном состоянии до 25% первоначальной высоты. Точность проката по диаметру и по заданной длине снижает расход металла на единицу продукции. Низкая загрязненность стали неметаллическими включениями обеспечивает повышенную долговечность изделий [9]. Высокие показатели по ударной вязкости при отрицательных температурах (до -60°С) открывают широкие перспективы гарантированного использования изделий в различных климатических поясах [10].

Состав полученной стали имеет кристаллическую структуру и следующие физические характеристики:

предел прочности, σ_в, Н/мм²1060 - 1350;глубина обезуглероженного слоя,% от диаметра  на сторону, не более1,5;величина аустенитного зерна, балл, не менее 7,0-8,0;твердость, НВ (закалка с 870°, в воде отпуск при 410°), не более239;способ обработкигорячекалиброванная высококачественная;точность прокаткиА - высокая;коррозионная стойкость:  убыль массы, Δ, т. г.0,1;глубина повреждения, мм0,032;хладостойкость, °С, до- 60.

Сужение по химическому составу пределов содержания углерода и основных легирующих элементов кремния и марганца обеспечивает высокую технологичность при термообработке упругих элементов, позволяет автоматизировать производство и обеспечить заданный уровень эксплуатационных характеристик изделий.

Наиболее высокие и стабильные результаты свойств металла отмечаются при определенном соотношении комплекса кремний - марганец, регламентируемого соотношением элементов 2,48±0,35 и составляющего 2,2-2,45 мас.% в полученной стали при заданных значениях углерода и других элементов в диапазоне установленных границ.

Стабилизацию микроструктуры и свойств полученной стали обеспечивает применяемый способ суммарного комплексного микролегирования с использованием имеющихся в шихте или вводом дополнительно в металл незначительного количества легирующих элементов. Диапазон предельных границ комплекса микролегирования хром - никель - медь - алюминий регламентирован в пределах 0,15-0,50 мас.%, а суммарная примесь сера - фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. Содержание элементов ограничено с учетом их эффективного взаимодействия, чем достигается высокий балл аустенитного зерна (мелкозернистая сталь), низкие показатели глубины обезуглероженного слоя, высокие показатели коррозийной стойкости и ударной вязкости.

Для определения оптимальных параметров было проведено восемь опытно-промышленных плавок, имеющих различное содержание компонентов (в мас.%): углерод 0,40-0,43; кремний 1,61-1,68; марганец 0,64-0,71; хром 0,07-0,15; никель 0,03-0,07; медь 0,04-0,10; сера 0,004-0,007; фосфор 0,005-0,011; алюминий 0,008-0,014; азот 0,005-0,015; кислород 10-35 ppm; кальций 10-20 ppm; железо - остальное и отличающихся друг от друга суммарным содержанием комплекса кремний - марганец, регламентируемого соотношением этих элементов 2,25-2,62 и составляющего 2,24-2,39 мас.%. Кроме этого суммарный комплекс микролегирования хром - никель - медь - алюминий регламентирован в пределах 0,15-0,35 мас.%, а суммарная примесь сера - фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. В зависимости от содержания компонентов в каждой стали каждую смесь до 100% доводили изменением содержания железа.

Полученные сплавы имели следующие характеристики свойств стали (см. таблицу 1).

Плавки проводились в электропечи вместимостью 150 т с трансформатором мощностью 90 МВА, диаметр электродов 610 мм. При выплавке металл продувался аргоном с подачей в него алюминиевой и порошковой (силикокальций и сера) проволоки.

Сталь подвергалась комплексной обработке с помощью агрегатов для ввода в металл порошковой (силикокальций, азотированный марганец и др.) проволоки.

Выплавка стали производилась одношлаковым процессом с использованием в шихте до 100% металлизированных окатышей, содержащих до 90% чистого железа (метод прямого восстановления).

Приведенные в таблице данные подтверждаются сертификатами качества.

Как видно из таблицы 1, величины основных характеристик, в том числе временное сопротивление разрыву, величина обезуглероженного слоя и величина аустенитного зерна значительно превышают те же величины у известной стали.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что определяющее значение в формировании физико-механических свойств металла имеет оптимальное соотношение основных легирующих элементов кремния и марганца, суммарное содержание которых регламентируется соотношением этих элементов 2,48±0,35 и составляет 2,2-2,45 мас.%.

Оптимально минимизированное содержание микролегирующих компонентов регламентировано в пределах 0,15-0,50 мас.%, а суммарная примесь сера - фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. Дальнейшее уменьшение количества этих элементов мало изменяет основные физико-механические свойства металла.

Более высокая хладостойкость и коррозионная стойкость стали позволяет использовать ее в диапазоне всех климатических зон.

Источники информации:

1. СТАЛЬ 60С2 по ГОСТ 14959-79 на "Сталь рессорно-пружинную углеродистую и легированную". М.: Издательство стандартов, 1981, с.4-5.

2. СТАЛЬ 40С2 ТУ 1150-071-01124328-98.

3. Андреева Л.А, Андреенко В.И. и др. Сталь. Патент на изобретение №2203341, 2003 г.

4. СТАЛЬ 60С2 по ГОСТ 14959-79 на "Сталь рессорно-пружинную углеродистую и легированную". М.: Издательство стандартов, 1981, с.11, табл.8, строка 2.

5. Клемма пружинная ЖБР-3. Технические условия ЦП 369 ТУ - 1, М., 1998, п.1.10.

6. Клеммы пружинные прутковые для крепления рельсов. ОСТ 32.156 - 2000, М., п.3.11.

7. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977, с.646.

8. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990, с.528.

9. Журнал. Национальная металлургия. №3, 2001, с. 17 - 24.

10. Винокур Б.Б., Пилюшенко В.Л. - Киев: Наукова думка, 1983, с.284.

Использование: при изготовлении упругих элементов железнодорожных креплений для соединения рельсов со шпальной решеткой. Сущность изобретения: рессорно-пружинная экономно легированная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, в мас.%: углерод 0,40-0,44; кремний 1,6-1,7; марганец 0,6-0,75; хром 0,07-0,15; никель 0,03-0,15; медь 0,04-0,15; сера ≤0,008; фосфор 0,005-0,015; алюминий 0,008-0,015; азот 0,005-0,015; кислород 0,001-0,0035; кальций 0,001-0,002 и железо - остальное. При этом суммарное содержание комплекса кремний-марганец регламентируется соотношением 2,48±0,35 и составляет 2,2-2,45 мас.%. Выплавка стали производится с использованием металлизированных окатышей, полученных прямым восстановлением железа, при этом суммарный комплекс микролегирования хром-никель-медь-алюминий регламентирован в пределах 0,15-0,50 мас.%, а суммарная примесь сера-фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. Техническим результатом изобретения является увеличение прочностных и вязкопластических характеристик, обеспечение стабильной мелкозернистой структуры и чистоты стали. Это гарантирует повышенную эксплуатационную стойкость и долговечность упругих элементов в условиях низких климатических температур до минус 60⁰С. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сталь рессорно-пружинная экономно-легированная, выплавленная с использованием металлизированных окатышей и содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, алюминий и железо, отличающаяся тем, что дополнительно регламентировано содержание азота, кислорода и кальция при следующем соотношении элементов, мас.%:

Углерод0,39-0,44Кремний 1,6-1,7Марганец 0,6-0,75Хром 0,07-0,15Никель 0,03-0,15Медь 0,04-0,15Сера ≤0,008Фосфор 0,005-0,015Алюминий 0,008-0,015Азот 0,005-0,015Кислород 0,001 - 0,0035Кальций 0,001 - 0,002Железо Остальное

при этом суммарное содержание комплекса кремний-марганец, регламентировано соотношением этих элементов 2,48±0,35 и составляет 2,2-2,45 мас.%.