КОЛЕСНАЯ СТАЛЬ Российский патент 2009 года по МПК C22C38/46 

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

углерод0,25-0,40кремний0,25-0,45марганец1,5-2,0хром2,2-3,0ванадий0,1-0,25серадо 0,035фосфордо 0,035железо- 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.%):

углерод0,4-0,77кремний0,25-0,60марганец0,4-1,2ванадий≤0,1хром≤0,35никель≤0,35медь≤0,35азот0,0015-0,015кальций≤0,005сера≤0,030фосфор≤0,030алюминий0,003-0,06кислород0,0005-0,003водород≤0,00025железо- 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.%)

углерод0,60-0,73кремний0,27-0,35марганец0,80-1,05ванадий0,07-0,12хром0,60-0,90никель0,03-0,30медь0,03-0,30азот0,012-0,020кальцийот более 0,005 до 0,008серане более 0,020фосфорне более 0,020алюминийне более 0,005кислородне более 0,0025водородне более 0,0002железо- 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.%СоставСSiMnVCrNiCuСаNAISРOНFe10,600,270,800,070,600,030,030,00030,0120,0050,0200,0200,00250,0002ост20,630,290,820,120,760,180,090,0050,0180,0050,0090,0180,00200,0001ост30,660,330,880,090,750,250,080,00130,0190,0030,0080,0100,00200,0002ост40,690,320,900,110,650,290,230,00210,0180,0040,0120,0120,00200,0001ост50,710,290,930,100,880,200,290,00060,0160,0030,0120,0120,00120,0002ост60,730,351,050,120,900,300,300,0080,0200,0050,0180,0180,00150,0001 прототип0,25-0,400,25-0,451,5-2,00,1-0,252,2-3,0 0,3-0,5 - <0,035<0,035  ост

Таблица 2Механические свойства сталиСоставσ_в, кгс/мм²δ, %ψ, %KCU⁺²⁰CKCU^-20CKCU^-60CHBСтруктура11121426531320перлит21151630640,5330перлит31161832531335перлит41191630452345перлит51201234643357перлит61281535653360перлитпрототип130153074---

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.

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.%:

углерод0,60-0,73кремний0,27-0,35марганец0,80-1,05ванадий0,07-0,12хром0,60-0,90никель0,03-0,30медь0,03-0,30азот0,012-0,020кальцийот более 0,005 до 0,008серане более 0,020фосфорне более 0,020алюминийне более 0,005кислородне более 0,0025водородне более 0,0002железоостальное