КОЛЕСНАЯ СТАЛЬ Российский патент 2016 года по МПК C22C38/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к колесной стали и, более конкретно, к колесной стали, предпочтительно стали для имеющих высокую твердость колес для рельсового транспорта, превосходных в отношении износостойкости, усталостной прочности в зоне контакта качения и устойчивости к скалыванию.

[0002] Скалывание представляет собой явление, при котором поверхность качения колеса, будучи нагретой и быстро охлажденной при экстренном торможении или тому подобном, преобразуется в хрупкий мартенсит, называемый белым слоем, трещина распространяется от белого слоя как источника, и происходит хрупкий излом, вызывая отслоение. Иногда скалывание называют «термическим растрескиванием».

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] В недавние годы, с возрастанием в глобальном масштабе расстояний передвижения и грузоподъемности перевозок, существует потребность в колесах для рельсового транспорта (далее также называемых «колесами»), имеющих более длительную эксплуатационную долговечность, чем традиционные колеса.

[0004] Факторы, обуславливающие повреждение поверхности качения колеса, главным образом включают три явления, которые представляют собой (i) износ, (ii) усталость в зоне контакта качения и (iii) скалывание, и, в особенности, в недавние годы увеличилось число колес, которые повреждены в результате износа, связанного с возрастанием дистанций перевозок, и усталости в зоне контакта качения, вызванной повышением грузоподъемности. Усталость в зоне контакта качения иногда называют «шелушением». Хотя трещину, которая обусловлена скалыванием, иногда также называют «шелушением», в настоящем документе образование трещины вследствие образования белого слоя определяется как «скалывание».

[0005] Высокотемпературная усталость в зоне контакта качения (термомеханическое шелушение, далее называемое «TMS»), которая происходит с ростом температуры колеса во время торможения, в настоящее время считается причиной повреждения колеса. Ввиду этого требуются колеса, обеспечивающие высокотемпературную прочность. Например, для стали Класса-D стандарта AAR (Ассоциации Американских Железных Дорог) предел текучести при температуре 538°С (1000°F) определен составляющим 345 МПа или более.

[0006] В последнее время, чтобы подавить возникновение трещин на поверхности качения колеса, потребовалось обеспечить минимальную пластичность, и в различных странах приняты различные определения. Например, в Российском стандарте ГОСТ 10791, Норма 3, относительное удлинение определяется на уровне 8% или более, в Китайском определении TB/T 2708 CL60 относительное удлинение определяется составляющим 10% или более, в Европейском стандарте EN 13262 ER9 относительное удлинение определяется составляющим 12% или более, в определении AAR для стали Класса-D относительное удлинение определяется составляющим 14% или более, и тому подобное.

[0007] Из практического опыта известно, что износостойкость и усталостная прочность в зоне контакта качения представляют собой характеристики, которые не согласуются с устойчивостью к скалыванию. Существует настоятельная необходимость в разработке колесной стали, которая является превосходной в балансе между износостойкостью, усталостной прочностью в зоне контакта качения и устойчивостью к скалыванию и может обеспечить длительный срок службы колеса.

[0008] Например, имеющие отношение к колесам технологии раскрыты в следующих документах.

[0009] Патентный Документ 1 представляет «сталь для железнодорожного колеса с высокой ударной вязкостью» с добавлением ванадия (V).

[0010] Патентный Документ 2 раскрывает «бандажное или моноблочное колесо для колесной пары железнодорожного подвижного состава», которое является превосходным в отношении износостойкости, усталостной прочности и устойчивости к термическому растрескиванию.

[0011] Патентный Документ 3 представляет «колесо для подвижного состава», в котором устойчивость к шелушению и сопротивление плоскому (скалыванию) как устойчивости к термическому растрескиванию согласованы путем снижения содержания углерода (С), и его поверхность качения имеет бейнитную микроструктуру, микроструктуру мартенсита отпуска или смешанную микроструктуру из бейнита и мартенсита отпуска.

[0012] Патентный Документ 4 раскрывает «высокоуглеродистое колесо для рельсового транспорта, имеющее превосходную износостойкость и устойчивость к термическому растрескиванию», в котором содержание С повышено до величины от 0,85 до 1,20%.

[0013] Патентный Документ 5 представляет «колесо для подвижного состава, превосходное в отношении износостойкости и устойчивости к термическому растрескиванию», которое представляет собой колесо для рельсового транспорта моноблочного типа, сформированное из стали, имеющей химический состав, включающий С: от 0,4 до 0,75%, Si: от 0,4 до 0,95%, Mn: от 0,6 до 1,2%, Cr: от 0 до менее 0,2%, Р: 0,03% или менее, и S: 0,03% или менее, и остальное количество из Fe и примесей, причем область по меньшей мере до глубины 50 мм от поверхности качения колеса сформирована из перлитной микроструктуры, и способ его изготовления.

[0014] Патентный Документ 6 и Патентный Документ 7 раскрывают «колесную сталь для рельсового транспорта», прочность которой повышена благодаря содержанию от 0,01 до 0,12% и от 0,009 до 0,013% ниобия (Nb), соответственно, и улучшены усталостная прочность в зоне контакта качения и устойчивость к скалыванию.

[0015] Патентный Документ 8 представляет колесную сталь, содержащую V или Nb. Согласно изобретению описано, что характеристика усталостной прочности в зоне контакта качения может быть обеспечена без термической обработки.

[0016] Патентный Документ 9 раскрывает высокопрочный рельс с использованием стали с зернами перлита, обработанной с использованием раскисления титаном (Ti). Согласно изобретению описано, что могут быть улучшены пластичность и ударная вязкость.

[0017] Патентный Документ 10 представляет материал, в котором характеристику усталостной прочности в зоне контакта качения улучшают регулированием размера алюминийоксидного кластера.

[0018] Патентный Документ 11 раскрывает колесную сталь с высокой устойчивостью к TMS, в которой высокотемпературную прочность повышают увеличением уровней содержания Si, Cr и Mo.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0019]

[Патентный Документ 1] JP 50-104717 А

[Патентный Документ 2] JP 2001-158940 А

[Патентный Документ 3] JP 2005-350769 А

[Патентный Документ 4] JP 2004-315928 А

[Патентный Документ 5] JP 9-202937 А

[Патентный Документ 6] US 7559999 В

[Патентный Документ 7] US 7591909 В

[Патентный Документ 8] JP 57-143469 А

[Патентный Документ 9] JP 6-279927 А

[Патентный Документ 10] JP 6-279918 А

[Патентный Документ 11] US 6783610 В

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РАЗРЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0020] Сталь, представленная в Патентном Документе 1, имеет низкую износостойкость, поскольку содержание С в ней является низким и составляет от 0,50 до 0,60%. Соответственно этому эта сталь не может быть в достаточной мере пригодной к применению в условиях возрастания грузоподъемности в последние годы.

[0021] Сталь, раскрытая в Патентном Документе 2, имеет низкую износостойкость вследствие низкого содержания С в ней на уровне от 0,45 до 0,55%. Соответственно этому сталь также не может быть в достаточной мере пригодной к применению в условиях возрастания грузоподъемности в последние годы.

[0022] Колесо, представленное в Патентном Документе 3, имеет поверхность качения, составленную бейнитной микроструктурой, микроструктурой мартенсита отпуска или смешанной микроструктурой из бейнита и мартенсита отпуска. Поэтому, несмотря на высокую прочность колеса, колесо имеет более низкую износостойкость по сравнению с ситуацией, когда поверхность качения сформирована перлитной микроструктурой, и затруднительно получить износостойкость, равную или более высокую, чем устойчивость к износу колесного материала для общеупотребительного грузового вагона. А именно, по сравнению с перлитной микроструктурой, которая является превосходной в отношении характеристики деформационного упрочнения и проявляющей поведение, в котором ее ламели перестраиваются параллельно поверхности по мере величины износа, величина износа становится более высокой в бейнитной микроструктуре и в микроструктуре мартенсита отпуска (например, сравните с работой автора Sadahiro Yamamoto, «Technology for the Improvement of Wear Resistance in Steels by Microstructure Control - Microstructure Control Technology in Wear Resistant Steels with Weldability» («Технология повышения износостойкости сталей путем регулирования микроструктуры - способ регулирования микроструктуры износостойких сталей, имеющих свариваемость»), 161^th и 162^th Nishiyama memorial Seminar, Heisei 8 (1996), под редакцией The Iron and Steel Institute of Japan (Японского института чугуна и стали), стр. 221).

[0023] Колесную сталь, раскрытую в Патентном Документе 4, затруднительно использовать для колес, которые изготовлены необычной для колес обработкой, называемой «способом закалки поверхности качения». В качестве одного примера колеса схематический вид «моноблочного колеса» показан на фигуре 1. В случае колеса, после того как все колесо в целом было нагрето, выполняют термическую обработку для охлаждения его ободовой части от наружной поверхности колеса для создания сжимающего остаточного напряжения в ободовой части. При этой обработке охлаждением быстро охлаждают ближайшее окружение обода, но скорость охлаждения участка ступицы низка. Поэтому, когда колесную сталь, описанную в этом документе, подвергают термической обработке способом закалки поверхности качения, существует возможность образования выделившейся фазы заэвтектоидного цементита на границе аустенитных зерен в ступице. Заэвтектоидный цементит оказывает такое же влияние, как крупные включения, и резко снижает ударную вязкость и усталостную долговечность (например, см. работу автора Yukitaka Murakami: «Influence of micro defects and inclusions (2004)» («Влияние мелких дефектов и включений»), стр. 182, «Yokendo»).

[0024] Колесо, представленное в Патентном Документе 5, в некоторых случаях имеет недостаточную твердость. Соответственно этому колесо не всегда может иметь достаточную работоспособность для соответствия недавнему повышению грузоподъемности.

[0025] Колесная сталь для рельсового транспорта, раскрытая в Патентном Документе 6, содержит молибден не более чем от 0,20 до 0,30% Mo. Поэтому легко образуется микроструктура с низкой износостойкостью, такая как бейнитная микроструктура или вырожденная перлитная микроструктура, и едва ли получается хорошая износостойкость. В дополнение, эта сталь всегда содержит от 0,01 до 0,12% Nb. В стали, содержащей Nb, иногда формируются крупные включения, и это резко снижает ударную вязкость и усталостную долговечность, подобно вышеупомянутому заэвтектоидному цементиту.

[0026] Колесная сталь для рельсового транспорта, представленная в Патентном Документе 7, также всегда содержит от 0,009 до 0,013% Nb. Как описано выше, в стали, содержащей Nb, иногда формируются крупные включения, и это резко снижает ударную вязкость и усталостную долговечность, подобно вышеупомянутому заэвтектоидному цементиту.

[0027] Колесная сталь для рельсового транспорта, раскрытая в Патентном Документе 8, содержит 0,15% или более Cr. В стали с высоким содержанием Cr легко формируется микроструктура с низкой износостойкостью, такая как бейнитная микроструктура, если скорость охлаждения высока. В этом изобретении формирование таких микроструктур предотвращают применением низкой скорости охлаждения с использованием охлаждения сильной струей воздуха или тому подобного в температурном диапазоне от 700°С до 500°С после горячей проковки. Однако при медленном охлаждении не получается достаточная твердость, и сталь не может иметь достаточную работоспособность для соответствия повышению грузоподъемности в недавние годы. Кроме того, когда скорость охлаждения высока, в ободе образуется бейнитная микроструктура, и износостойкость снижается.

[0028] В стали, представленной в Патентном Документе 9, в зависимости от технологии изготовления иногда образуются крупные включения, содержащие титан (Ti). Это резко снижает ударную вязкость и усталостную долговечность, подобно упомянутому выше заэвтектоидному цементиту.

[0029] Сталь, раскрытую в Патентном Документе 10, рассматривают как имеющую достаточную твердость и высокую характеристику сопротивления усталости в зоне контакта качения, но не принимают во внимание устойчивость к скалыванию.

[0030] Колесная сталь, представленная в Патентном Документе 11, содержит 0,08% или более Mo и поэтому имеет высокую высокотемпературную прочность и превосходную устойчивость к TMS, но пластичность не принимается во внимание. Кроме того, добавление чрезмерного количества Mo может приводить к разрушению ламеллярной микроструктуры перлита, и проявляется тенденция к снижению износостойкости. Кроме того, в случае стали, имеющей чрезмерное содержание Mo, затруднительно обеспечить износостойкость, поскольку при этом легко образуется бейнитная микроструктура в ободовой части, если скорость охлаждения является высокой.

[0031] Настоящее изобретение выполнено для разрешения вышеописанных проблем и имеет целью создание колесной стали, которая является превосходной в отношении баланса между износостойкостью, усталостной прочностью в зоне контакта качения и устойчивостью к скалыванию, кроме того, предусматривает как высокий предел текучести при высокой температуре, так и высокую пластичность, и может обеспечивать длительный срок службы колеса.

СРЕДСТВА РАЗРЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

[0032] В результате проведенных авторами настоящего изобретения разнообразных исследований в плане износостойкости, усталостной прочности в зоне контакта качения, устойчивости к скалыванию, высокотемпературной прочности и пластичности были найдены следующие обстоятельства от (а) до (е).

[0033] (а) Износостойкость улучшается в большей степени, когда микроструктура стального материала представляет собой перлитную микроструктуру, и повышается твердость.

(b) Усталостная прочность в зоне контакта качения улучшается в большей степени, когда увеличивается твердость, независимо от микроструктуры.

(с) Устойчивость к скалыванию улучшается в большей степени, когда прокаливаемость является более низкой.

(d) Высокотемпературная прочность улучшается в большей степени, когда уровни содержания Si и V являются более высокими.

(е) Пластичность улучшается в большей степени, когда содержание Si является более высоким, и при меньшем содержании V.

[0034] На основе вышеизложенного авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что для разрешения вышеупомянутых проблем необходимо разработать сталь, в которой перлитная микроструктура получается в результате термической обработки, твердость является высокой, а прокаливаемость низкой, и оптимизированы уровни содержания Si и V.

[0035] Далее будет подробно описан один пример уровней содержания, которые были исследованы авторами настоящего изобретения.

[0036] Во-первых, авторы настоящего изобретения оценили влияния, которые соответствующие элементы оказывают на твердость и прокаливаемость, с использованием метода торцевой закалки по Джомини (далее называемого «тестом Джомини»), который подобен закалке поверхности качения реального колеса в условиях термической обработки.

[0037] Стали 1-24, которые имеют показанные в таблице 1 химические составы, выплавили в вакуумной печи лабораторного масштаба и получили слитки. Из каждого слитка изготовили горячей ковкой круглый стержень с диаметром 35 мм, круглый стержень с диаметром 160 мм и круглый стержень с диаметром 70 мм. Для стали 1 также изготовили круглый стержень с диаметром 220 мм, чтобы приготовить «рельсовый испытательный образец» для испытания на усталость в зоне контакта качения, которое будет описано позже.

[0038] Следует отметить, что сталь 1 в таблице 1 соответствует стали для колес рельсового транспорта «Класса С» в стандарте М-107/М-207 AAR (Ассоциации Американских Железных Дорог»).

[0039]

[0040] Из круглого стержня с диаметром 35 мм отобрали образец для теста Джомини, после аустенизации при температуре 900°С в течение 30 минут в воздушной атмосфере выполнили торцевую закалку, затем сделали 1,0-миллиметровый параллельный надрез и выполнили измерение твердости по Роквеллу, шкала С (далее также называемое «HRC»).

[0041] Измерили HRC в положении на расстоянии 40 мм от охлажденного водой торца (далее называемом «40-мм твердостью») и оценили влияние, которое каждый из элементов оказывает на полученное значение. В результате было обнаружено, что «40-мм твердость» проявляет линейную взаимосвязь с величиной Fn1, выраженной нижеследующей формулой (1), как показано на фигуре 2. Кроме того, было найдено, что когда значение Fn1 превышает 43, как в стали 23 и стали 24, по меньшей мере частично, формируются бейнитные микроструктуры, и линейная зависимость не соблюдается.

[0042] Следует отметить, что HRC измеряли в положении на расстоянии 40 мм от охлажденного водой торца потому, что колесо изготавливают станочной обработкой непосредственно под поверхностью качения после термической обработки и иногда используют повторную станочную обработку для перепрофилирования после начала эксплуатации, и свойства стали в отношении меньшей твердости внутри, чем на поверхности, оказывают существенное влияние на срок службы колеса.

[0043] На фигуре 2 сталь 1, соответствующая стали «Класса С» по AAR для колес рельсового транспорта, обозначена значком «▲». Следует отметить, что о микроструктуре были сделаны выводы по наблюдению через оптический микроскоп зеркально отполированного участка в положении на расстоянии 40 мм от охлажденного водой торца и после травления с использованием ниталя.

[0044]

Fn1=2,7+29,5×C+2,9×Si+6,9×Mn+10,8×Cr+30,3×Mo+44,3×V ... (1),

причем символы C, Si, Mn, Cr, Mo и V в формуле (1) означают уровни содержания элементов в процентах по массе.

[0045] В таблице 2 обобщены и показаны измеренные значения описанной выше «40-мм твердости» и значения Fn1, выраженного формулой (1).

[0046] Прокаливаемость оценивали измерением расстояния в миллиметровых единицах от охлажденного водой торца, где доля мартенситной микроструктуры составляет 50% (далее называемая «М50%») от твердости по Джомини, на основе твердости в случае доли мартенситной микроструктуры, составляющей 50%, описанной в стандарте ASTM А255. В результате было найдено, что значение «М50%» коррелирует с величиной Fn2, выражаемой нижеприведенной формулой (2), таким образом, как показано на фигуре 3. Следует отметить, что на фигуре 3 сталь 1 обозначена значком «▲».

[0047]

Fn2=exp(0,76) × exp(0,05×C) × exp(1,35×Si) × exp(0,38×Mn) × exp(0,77×Cr) × exp(3,0×Mo) × exp(4,6×V) ...... (2),

причем символы C, Si, Mn, Cr, Mo и V в формуле (2) также означают уровни содержания элементов в процентах по массе. Члены «exp(0,05×C)» и тому подобные означает экспоненциальные выражения, такие как «е^0,05×С». Следует отметить, что буква «е» представляет «число Непера», которое является одной из математических констант, и используется как основание натурального логарифма.

[0048] В таблице 2 упорядочены и показаны измеренные значения описанной выше «М50%» и величины Fn2, выраженной формулой (2).

[0049]

  Fn1=2,7+29,5×C+2,9×Si+6,9×Mn+10,8×Cr+30,3×Mo+44,3×V
Fn2=exp(0,76) × exp(0,05×C) × exp(1,35×Si) × exp(0,38×Mn) × exp(0,77×Cr) × exp(3,0×Mo) × exp(4,6×V)  

[0050] Затем авторы настоящего изобретения исследовали взаимосвязь между усталостной прочностью в зоне контакта качения и износостойкостью, и величиной Fn1, выраженной формулой (1), с использованием сталей 1-24, показанных в таблице 1.

[0051] А именно, для каждой из сталей изготовили испытательный образец, который представлял собой круглый стержень с диаметром 160 мм, который разрезали на куски длиной 100 мм, после этого нагревали при температуре 900°С в течение 30 минут и проводили закалку в масле.

[0052] Для сталей 1-24 из центральных участков приготовленных, как описано выше, испытательных образцов сначала отобрали испытательные образцы с конфигурациями, показанными на фигуре 4(а), в качестве «колесного испытательного образца» для использования в испытании на усталость в зоне контакта качения.

[0053] Для стали 1 изготовили испытательный образец, который представляет собой круглый стержень с диаметром 220 мм, который был разрезан на куски длиной 100 мм, после этого нагревали при температуре 900°С в течение 30 минут, и после этого проводили закалку в масле, и из центральной части испытательного образца также отобрали испытательный образец с конфигурацией, как показано на фигуре 4(b), в качестве «рельсового испытательного образца» для использования в испытании на усталость в зоне контакта качения.

[0054] Подобным образом для сталей 1-24 изготовили испытательные образцы, которые представляли собой круглые стержни с диаметром 70 мм, которые были разрезаны на куски длиной 100 мм, после этого нагревали при температуре 900°С в течение 30 минут и после этого закаливали в масле. Из центральных частей испытательных образцов отобрали испытательные образцы с конфигурацией, как показано на фигуре 5(а), как «колесные испытательные образцы» для использования в испытании на износ.

[0055] Для стали 1 изготовили испытательный образец круглого стержня с длиной 100 мм и диаметром 70 мм, для которого провели термическую обработку, подобную описанным выше образцам для испытания колеса, и из его центральной части также отобрали испытательный образец с конфигурацией, показанной на фигуре 5(b), в качестве «рельсового испытательного образца» для использования в испытании на износ.

[0056] Сначала провели испытание на усталость в зоне контакта качения методом, схематически показанным на фигуре 6, с использованием колесных испытательных образцов, показанных на фигуре 4(а), из сталей 1-24 и рельсового испытательного образца, показанного на фигуре 4(b), из стали 1.

[0057] Условия испытания на усталость в зоне контакта качения были следующими: контактное напряжение по Герцу: 1100 МПа, коэффициент скольжения: 0,28%, частота вращения: 1000 об/мин на колесной стороне и 602 об/мин на рельсовой стороне, и испытание проводили с водяной смазкой. Испытание проводили, отслеживая при этом ускорение с использованием вибрационного акселерометра, и число циклов, при которых детектировали 0,5G, оценивали как усталостную долговечность в зоне контакта качения. Следует отметить, что величина 0,5G была взята за основу потому, что в результате оценки взаимосвязи между детектированным ускорением и состоянием повреждения, проведенной в выполненном заранее испытании, удалось подтвердить явное возникновение отслаивания на контактной поверхности в случае, когда ускорение превышало 0,5G.

[0058] В таблице 2 дополнительно показана усталостная долговечность в зоне контакта качения. Кроме того, на фигуре 7 показана взаимосвязь между усталостной долговечностью в зоне контакта качения и величиной Fn1, выраженной формулой (1).

[0059] Следует отметить, что выражение «2.Е+06» на фигуре 7 и тому подобные означает «2,0×10⁶» и тому подобные. На фигуре 7 сталь 1 также обозначена значком «▲».

[0060] Как показано на фигуре 7, было найдено, что усталостная долговечность в зоне контакта качения коррелирует с величиной Fn1, выраженной формулой (1), и если Fn1 составляет 32 или более, усталостная долговечность в зоне контакта качения может быть такой, как для стали 1, соответствующей стали «Класса С» по AAR, или более.

[0061] Кроме того, провели испытание на износ методом, схематически показанным на фигуре 8, с использованием колесных испытательных образцов, показанных на фигуре 5(а), из сталей 1-24 и рельсового испытательного образца, показанного на фигуре 5(b), из стали 1. Следует отметить, что в испытании на износ использовали прибор для измерения износа типа Nishihara.

[0062] Конкретные условия испытания были следующими: контактное напряжение по Герцу: 2200 МПа, коэффициент скольжения: 0,8%, и частота вращения: 776 об/мин на колесной стороне и 800 об/мин на рельсовой стороне, и испытание проводили в сухих условиях. После того как испытание провели до достижения числа 5×10⁵ циклов, определили величину износа по разности массы испытательного образца до и после испытания.

[0063] В таблице 2 дополнительно показана величина износа. Кроме того, на фигуре 9 показана взаимосвязь между величиной износа и величиной Fn1, выраженной формулой (1). На фигуре 9 сталь 1 обозначена значком «▲».

[0064] Было обнаружено, что в такой мере, насколько микроструктура представляет собой перлитную микроструктуру, величина износа сокращается пропорционально величине Fn1, выраженной формулой (1), и если значение Fn1 составляет 32 или более, величина износа может быть сделана такой, как для стали 1, или менее, как показано на фигуре 9.

[0065] Когда значение Fn1 превышает 43, формируется бейнитная микроструктура, по меньшей мере частично, как описано выше. Удалось подтвердить, что когда содержится бейнитная микроструктура, то величина износа не снижается, даже если величина Fn1 возрастает, и износостойкость является худшей по сравнению с ситуацией с микроструктурой, в которой преобладает перлит.

[0066] Авторы Ying JIN и др. в издании Railway Technical Research Institute Report, том 19 (2005), № 9, стр. 17, сообщают, что когда увеличивается толщина закаленного слоя, называемого белым слоем, возрастает глубина трещины, и становится вероятным возникновение скалывания (здесь означающего «скалывание», хотя в известных решениях упомянутого как «отслаивание»).

[0067] Таким образом, авторы настоящего изобретения также подробно исследовали влияние, которое прокаливаемость оказывает на скалывание.

[0068] Из сообщения авторов Ying JIN и др. прогнозируется, что по мере того, как прокаливаемость становится выше, толщина белого слоя возрастает, происходит растрескивание, и скалывание сокращает срок службы, и поэтому была исследована взаимосвязь между прокаливаемостью и сроком службы до возникновения трещины в случае, где был сформирован белый слой.

[0069] Более конкретно, использовали «колесные испытательные образцы» с конфигурацией, показанной на фигуре 4(а), из стали 1, стали 2, стали 5, стали 11, стали 12 и стали 14, описанных в таблице 1, и «рельсовый испытательный образец» с конфигурацией, показанной на фигуре 4(b), из стали 1. Толстый белый слой, ведущий к скалыванию, сформировали на испытательных поверхностях «колесного испытательного образца» с помощью YAG-лазера, и после этого провели испытание на усталость в зоне контакта качения, и исследовали срок службы до возникновения трещины (устойчивость к скалыванию). Условия нагревания YAG-лазером были следующими: выходная мощность лазера: 2500 Вт, и скорость подачи: 1,2 м/мин, и белый слой охлаждали на воздухе после нагревания лазером.

[0070] Следует отметить, что условия испытания на усталость в зоне контакта качения были следующими: контактное напряжение по Герцу: 1100 МПа, коэффициент скольжения: 0,28%, частота вращения: 100 об/мин на колесной стороне и 60 об/мин на рельсовой стороне, и испытание проводили с водяной смазкой. Следует отметить, что испытание останавливали через каждые 200 циклов, пока число циклов не достигало 2000 циклов качения, и через каждые 2000 циклов, когда число циклов качения превышало 2000 циклов, и присутствие и отсутствие растрескивания на поверхностях испытательных образцов проверяли визуально.

[0071] В результате было найдено, что толщина белого слоя возрастает с увеличением значения Fn2, выраженного формулой (2), которое коррелирует с величиной «М50%», которая является показателем прокаливаемости, и соответственно этому внезапно сокращается срок службы до возникновения трещины, как показано на фигурах 10 и 11.

[0072] Кроме того, было обнаружено, что, когда величина Fn2 превышает 25, срок службы до возникновения трещины предельно сокращается до такой степени, что растрескивание может быть заметным уже при первом визуальном обследовании (а именно, при визуальном обследовании в момент, когда число циклов качения достигает 200 раз).

[0073] Из вышеописанных результатов авторы настоящего изобретения заключили, что, если химический состав стали выдержан так, что величина Fn2, выраженная формулой (2), составляет 25 или менее, можно предотвратить резкое сокращение срока службы до образования трещины, то есть продолжительность службы до возникновения скалывания.

[0074] Затем авторы настоящего изобретения выплавили сталь 1 и стали 25-36 из таблицы 1 в вакуумной печи лабораторного масштаба, получили слитки, способом горячей ковки из соответствующих слитков изготовили круглые стержни с диаметром 70 мм, проводили нагрев и закалку в масле круглых стержней и из внутренних частей с перлитной микроструктурой отобрали образцы для испытания на растяжение при высоких температурах, имеющие диаметр 6 мм и рабочую длину (GL, Gauge length) 25 мм, в соответствии со стандартом ASTM E8 и образцы для испытания на растяжение при нормальной температуре, имеющие диаметр 12,5 мм и GL 50 мм, в соответствии со стандартом ASTM E370.

[0075] С использованием этих испытательных образцов провели испытание на растяжение при температуре 538°С (1000°F) в соответствии со стандартом ASTM Е21 и исследовали влияния, которые компоненты оказывают на предел текучести при высоких температурах. Кроме того, провели испытание на растяжение при нормальной температуре в соответствии со стандартом ASTM Е370. Результаты их показаны в таблице 3. Кроме того, фигуры 12 и 13 соответственно показывают графики, в которых результаты предела текучести при высокой температуре и относительного удлинения при нормальной температуре соотнесены с уровнями содержания ванадия (V).

[0076]

[0077] Как показано в таблице 3 и на фигурах 12 и 13, предел текучести при высокой температуре повышается с ростом содержания V, и относительное удлинение при нормальной температуре улучшается по мере снижения содержания V. Было найдено, что, в частности, сталь с содержанием Si, составляющим 0,4% или более (описанным в чертежах как «высокое содержание Si»), проявляет более высокие значения как предела текучести при высокой температуре, так и относительного удлинения при нормальной температуре, чем сталь с содержанием Si менее 0,4% (указанным в чертежах как «низкое содержание Si»).

[0078] Из вышеуказанного исследования следует, что для получения достаточных предела текучести при высокой температуре и относительного удлинения при нормальной температуре является эффективным содержание Si на уровне 0,4% или более и содержание V в диапазоне от 0,02% до 0,12%.

[0079] Настоящее изобретение было выполнено на основе вышеописанных обнаруженных фактов, и его сущность заключается в колесной стали, показанной в нижеследующих пунктах (А) и (В).

[0080] (А) Колесная сталь, включающая, в % по массе: С: от 0,65 до 0,84%; Si: от 0,4 до 1,0%; Mn: от 0,50 до 1,40%; Cr: от 0,02 до 0,13%; S: 0,04% или менее, и V: от 0,02 до 0,12%, в которой величина Fn1, выраженная нижеследующей формулой (1), составляет от 32 до 43, и величина Fn2, выраженная нижеследующей формулой (2), составляет 25 или менее, причем остальное количество составляют Fe и примеси, и Р, Cu и Ni в примесях содержатся в количествах Р: 0,05% или менее, Cu: 0,20% или менее, и Ni: 0,20% или менее:

Fn1=2,7+29,5×C+2,9×Si+6,9×Mn+10,8×Cr+30,3×Mo+44,3×V .... (1)

Fn2=exp(0,76) × exp(0,05×C) × exp(1,35×Si) × exp(0,38×Mn) × exp(0,77×Cr) × exp(3,0×Mo) × exp(4,6×V) .... (2),

где каждый символ элемента в формулах (1) и (2) означает содержание (% по массе) каждого элемента.

[00810] (В) Колесная сталь согласно пункту 1, включающая, в % по массе, Mo: 0,07% или менее, вместо части Fe, и совокупное содержание V и Mo составляет от 0,02 до 0,12%.

[0082] «Примеси» имеют отношение к компонентам, которые примешиваются в стальной материал из сырьевых материалов, таких как руды и скрап, и т.д., или другими путями, когда стальной материал получают в промышленности.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0083] Колесная сталь согласно настоящему изобретению является превосходной в отношении баланса между износостойкостью, усталостной прочностью в зоне контакта качения и устойчивостью к скалыванию и может обеспечить длительный срок службы колеса. По сравнению с колесом из стали для железнодорожного колеса «Класса С» по AAR, колесо из колесной стали согласно настоящему изобретению обеспечивает величину износа такого же уровня или менее и снижает ее максимум на 30%, и усталостную долговечность в зоне контакта качения, эквивалентную или более высокую, и повышенную максимум в 3,2 раза, и имеет низкую вероятность возникновения скалывания. Кроме того, колесная сталь согласно настоящему изобретению имеет как высокотемпературную прочность, так и пластичность, и поэтому проявляет низкую вероятность возникновения TMS и растрескивания на поверхности качения. Соответственно этому колесная сталь согласно настоящему изобретению исключительно благоприятна для применения в качестве колес рельсового транспорта, которые используются в очень суровых условиях окружающей среды, где увеличены расстояния перевозок и повышены грузоподъемности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0084] Фигура 1 представляет схематический вид, разъясняющий «моноблочное колесо» как один пример колеса.

Фигура 2 представляет график, обобщающий и показывающий взаимосвязь между «40-мм твердостью», которая представляет собой твердость по Роквеллу, шкала С, в положении на расстоянии 40 мм от охлажденного водой торца, и величиной «Fn1», выраженной формулой (1), в отношении сталей 1-24. «Бейнит» в чертеже показывает, что частично образуется бейнитная микроструктура.

Фигура 3 представляет график, обобщающий и показывающий взаимосвязь между величиной «М50%», которая представляет расстояние в миллиметровых единицах от охлажденного водой торца, где доля мартенситной микроструктуры составляет 50%, и величиной «Fn2», выраженной формулой (2), в отношении сталей 1-24.

Фигура 4 представляет вид, показывающий конфигурации «колесного испытательного образца» и «рельсового испытательного образца», использованных в испытании на усталость в зоне контакта качения. (а) в чертеже показывает «колесный испытательный образец», и (b) показывает «рельсовый испытательный образец». Следует отметить, что единица размеров в чертеже приведена в «мм».

Фигура 5 представляет вид, показывающий конфигурации «колесного испытательного образца» и «рельсового испытательного образца», использованных в испытании на износ. (а) в чертеже показывает «колесный испытательный образец», и (b) показывает «рельсовый испытательный образец». Следует отметить, что единица размеров в чертеже приведена в «мм».

Фигура 6 представляет схематический вид для разъяснения метода испытания на усталость в зоне контакта качения с использованием колесного испытательного образца, показанного на фигуре 4(а), и рельсового испытательного образца, показанного на фигуре 4(b).

Фигура 7 представляет график, обобщающий и показывающий взаимосвязь между усталостной долговечностью в зоне контакта качения и величиной «Fn1», выраженной формулой (1). «Бейнит» в чертеже показывает, что частично образуется бейнитная микроструктура.

Фигура 8 представляет схематический вид, разъясняющий метод испытания на износ с использованием колесного испытательного образца, показанного на фигуре 5(а), и рельсового испытательного образца, показанного на фигуре 5(b).

Фигура 9 представляет график, обобщающий и показывающий взаимосвязь между величиной износа и величиной «Fn1», выраженной формулой (1). «Бейнит» в чертеже показывает, что частично образуется бейнитная микроструктура.

Фигура 10 представляет график, обобщающий и показывающий взаимосвязь между толщиной белого слоя и величиной «Fn2», выраженной формулой (2), в отношении каждой из стали 1, стали 2, стали 5, стали 11, стали 12 и стали 14.

Фигура 11 представляет график, обобщающий и показывающий взаимосвязь между сроком службы до возникновения трещины и величиной «Fn2», выраженной формулой (2), в отношении каждой из стали 1, стали 2, стали 5, стали 11, стали 12 и стали 14.

Фигура 12 представляет график, соотносящий величину предела текучести при высокой температуре с содержанием V.

Фигура 13 представляет график, соотносящий величину относительного удлинения при нормальной температуре с содержанием V.

Фигура 14 представляет вид, разъясняющий устройство, использованное в примере для выполнения так называемой «закалки поверхности качения» на колесе.

Фигура 15 представляет вид, разъясняющий положение измерения твердости по Бринелю колеса, изготовленного в примере.

Фигура 16 представляет вид, разъясняющий положение, в котором исследовали микроструктуру ободовой части колеса, изготовленного в примере.

Фигура 17 представляет вид для разъяснения положения, в котором исследовали микроструктуру в области ступицы колеса, изготовленного в примере.

Фигура 18 представляет вид, разъясняющий положение, где образец для испытания на износ, образец для испытания на усталость в зоне контакта качения и образец для теста Джомини были отобраны из колеса, изготовленного в примере. Образец для испытания на износ, образец для испытания на усталость в зоне контакта качения и образец для теста Джомини были отобраны из положений, показанных в чертеже обозначениями «а», «b» и «с» соответственно.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0085] Далее будут подробно описаны соответственные требования настоящего изобретения. Следует отметить, что символ «%» в отношении содержания каждого элемента означает «% по массе».

[0086] С: от 0,65 до 0,84%

Углерод (С) повышает твердость и улучшает износостойкость и усталостную прочность в зоне контакта качения. Кроме того, С в этом диапазоне оказывает малое влияние на прокаливаемость и может повышать твердость без какого-нибудь снижения устойчивости к скалыванию. Когда содержание С составляет ниже 0,65%, достаточная твердость не может быть получена, и возрастает доля площади феррита, и снижается износостойкость. Когда содержание С превышает 0,84%, в области ступицы колеса формируется крупнозернистый заэвтектоидный цементит, и иногда резко сокращается ударная вязкость и усталостная долговечность, что является неблагоприятным в отношении надежности. Поэтому содержание С регулируют на величину от 0,65 до 0,84%. Содержание С предпочтительно регулируют на 0,68% или более и предпочтительно на 0,82% или менее.

[0087] Si: от 0,4 до 1,0%

Кремний (Si) представляет собой элемент, который повышает твердость в результате сокращения промежутков между ламелями перлита и упрочнения твердого раствора ферритной фазы в перлитной микроструктуре и дополнительно повышает высокотемпературную прочность и пластичность. Когда содержание Si составляет ниже 0,4%, вышеупомянутые эффекты являются недостаточными, и затруднительно получить высокотемпературную прочность и пластичность. Когда содержание Si превышает 1,0%, снижается ударная вязкость, кроме того, повышается прокаливаемость, и также сокращается устойчивость к скалыванию. Поэтому содержание Si регулируют на величину от 0,4 до 1,0%. Однако, чтобы повысить твердость, высокотемпературную прочность и пластичность с помощью Si, содержание его предпочтительно регулируют, в частности, на 0,5% или более и более предпочтительно устанавливают на 0,65% или более. Между тем Si повышает прокаливаемость, и поэтому содержание его предпочтительно регулируют на 0,90% или менее.

[0088] Mn: от 0,50 до 1,40%

Марганец (Mn) представляет собой элемент, который повышает твердость в результате сокращения промежутков между ламелями перлита и упрочнения твердого раствора ферритной фазы в перлитной микроструктуре. Mn также проявляет действие, состоящее в образовании MnS для связывания серы (S) в стали, и подавляет охрупчивание по границам зерен. Когда содержание Mn составляет менее 0,50%, вышеупомянутые эффекты, прежде всего эффект связывания S, становятся недостаточными. Когда содержание Mn превышает 1,40%, образуется бейнитная микроструктура, снижая износостойкость, дополнительно возрастает прокаливаемость, и также снижается устойчивость к скалыванию. Поэтому содержание Mn регулируют на величину от 0,50 до 1,40%. Содержание Mn предпочтительно составляет 1,20% или менее.

[0089] Cr: от 0,02 до 0,13%

Хром (Cr) проявляет действие, состоящее в значительном повышении твердости перлита благодаря сокращению промежутков между ламелями перлита. Когда содержание Cr составляет менее 0,02%, эти эффекты являются недостаточными. Когда содержание Cr превышает 0,13%, затрудняется растворение карбидов в аустените во время нагрева, и в зависимости от условий нагрева возникает возможность формирования нерастворенных карбидов, что снижает твердость, ударную вязкость, усталостную прочность и тому подобное. Кроме того, когда изготавливают термически обработанное колесо, непосредственно под поверхностью качения легко образуется бейнитная микроструктура с низкой износостойкостью. Кроме того, возрастает прокаливаемость, и снижается устойчивость к скалыванию. Поэтому содержание Cr регулируют на величину от 0,02 до 0,13%. Содержание Cr предпочтительно устанавливают на 0,05% или более и предпочтительно на 0,12% или менее.

[0090] S: 0,04% или менее

Сера (S) представляет собой загрязняющую примесь, обычно содержащуюся в стали, оказывает незначительное влияние на твердость и прокаливаемость, но проявляет действие, состоящее в улучшении обрабатываемости резанием. Поэтому присутствие S может быть позитивным, но чрезмерное количество S снижает ударную вязкость стали. Поэтому содержание S регулируют на 0,04% или менее. Содержание S предпочтительно регулируют на 0,03% или менее. Следует отметить, что эффект улучшения обрабатываемости резанием становится заметным, когда содержание S составляет 0,005% или более.

[0091] V: от 0,02 до 0,12%

Ванадий (V) образует выделившуюся фазу на феррите в перлите в виде карбида ванадия и проявляет эффект значительного повышения твердости перлита. Кроме того, V оказывает действие, состоящее в повышении предела текучести при высокой температуре. Когда содержание V составляет менее 0,02%, эти эффекты недостаточны. Когда V содержится в количестве, превышающем 0,12%, снижается относительное удлинение при нормальной температуре, в дополнение к чему увеличивается прокаливаемость, и снижается устойчивость к скалыванию. Поэтому, когда присутствует V, его содержание регулируют на величину от 0,02 до 0,12%. Содержание V предпочтительно устанавливают на 0,07% или менее и более предпочтительно на 0,05% или менее.

[0092] Fn1 (относится к формуле (1)): от 32 до 43

Когда значение Fn1 составляет менее 32, износостойкость и усталостная прочность в зоне контакта качения едва ли улучшаются по сравнению с вариантом применения стали «Класса С» по AAR для колес рельсового транспорта, и в зависимости от ситуации износостойкость и усталостная прочность в зоне контакта качения становятся ниже, чем для стали «Класса С». Поэтому сталь с величиной Fn1 ниже 32 затруднительно использовать в качестве колеса рельсового транспорта, применяемого в очень суровых условиях окружающей среды, в которых возрастают расстояния перевозок и грузоподъемности. Когда значение Fn1 превышает 43, становится затруднительным получение микроструктуры, состоящей главным образом из перлита, и снижается износостойкость. Кроме того, слишком сильно возрастает твердость, и тем самым снижаются пластичность и ударная вязкость. Поэтому значение Fn1 должно быть отрегулировано на диапазон от 32 до 43. Предпочтительно Fn1 составляет 37 или менее и более предпочтительно 36 или менее.

[0093] Fn2 (относится к формуле (2)): 25 или менее

Когда значение Fn2 превышает 25, становится высокой прокаливаемость, что ведет к снижению устойчивости к скалыванию. Величина Fn2 предпочтительно составляет 20 или менее и более предпочтительно 15 или менее.

[0094] Следует отметить, что когда значение Fn2 составляет менее 3, затруднительно выдержать величину Fn1, выраженную формулой (1), на уровне 32 или более. Поэтому значение Fn2 предпочтительно составляет 3 или более.

[0095] Одна из сталей для колеса согласно настоящему изобретению содержит вышеописанные элементы, остальное количество составляют Fe и примеси, и уровни содержания Р, Cu и Ni как примесей должны быть ограничены определенным диапазоном. Диапазон уровней содержания соответствующих элементов и обоснование ограничения являются следующими.

[0096] Р: 0,05% или менее

Фосфор (Р) представляет собой загрязняющую примесь, содержащуюся в стали. Когда содержание Р превышает 0,05%, снижается ударная вязкость. Соответственно этому содержание Р в примесях регулируют на 0,05% или менее. Содержание Р, которое является более предпочтительным, составляет 0,025% или менее.

[0097] Cu: 0,20% или менее

Медь (Cu) представляет собой примесь, содержащуюся в стали. Когда содержание Cu превышает 0,20%, возрастает число поверхностных дефектов, возникающих во время изготовления, кроме того, возрастает прокаливаемость, и снижается устойчивость к скалыванию. Соответственно этому содержание Cu в примесях регулируют на 0,20% или менее. Содержание Cu, которое является более предпочтительным, составляет 0,10% или менее.

[0098] Ni: 0,20% или менее

Никель (Ni) представляет собой примесь, содержащуюся в стали. Когда содержание Ni превышает 0,20%, возрастает прокаливаемость, и снижается устойчивость к скалыванию. Соответственно этому содержание Ni в примесях регулируют на 0,20% или менее. Содержание Ni, которое является более предпочтительным, составляет 0,10% или менее.

[0099] Колесная сталь согласно настоящему изобретению может содержать Mo вместо части Fe, сообразно необходимости. Диапазон содержания Mo и обоснование ограничения являются следующими.

[0100] Mo: 0,07% или менее

Молибден (Mo) проявляет действие, которое состоит в повышении твердости перлита, и имеет эффект повышения предела текучести при высокой температуре, подобно V. Когда содержание Mo превышает 0,07%, облегчается формирование бейнитной микроструктуры непосредственно под поверхностью качения, снижая износостойкость, когда изготавливают термически обработанное колесо, дополнительно возрастает прокаливаемость, и сокращается устойчивость к скалыванию. Поэтому, когда присутствует Mo, его содержание регулируют на 0,07% или менее. Содержание Mo предпочтительно устанавливают на 0,02% или более.

[0101] В особенности, когда содержатся как V, так и Mo, совокупное содержание (V+Mo) регулируют на величину от 0,02 до 0,12%. Верхний предел, который является более предпочтительным, составляет 0,07%, и верхний предел, который гораздо более предпочтителен, составляет 0,05%.

[0102] Колесная сталь согласно настоящему изобретению может содержать Al, сообразно необходимости. Диапазон содержания Al и обоснование ограничения являются следующими.

[0103] Al: 0,20% или менее

Алюминий (Al) может содержаться, поскольку Al оказывает действие, состоящее в измельчении зерен для улучшения ударной вязкости. Однако, если содержание Al превышает 0,20%, возрастает количество крупных включений, и снижаются ударная вязкость и усталостная прочность. Соответственно этому, когда Al присутствует, его содержание регулируют на 0,20% или менее. Содержание Al предпочтительно устанавливают на 0,08% или менее. Эффект улучшения ударной вязкости является заметным, когда содержание Al составляет 0,002% или более. В частности, содержание Al предпочтительно регулируют на 0,011% или более.

[0104] Микроструктура колеса из колесной стали согласно настоящему изобретению желательно имеет 90% или более доли площади перлитной микроструктуры в отношении ободовой части и наиболее желательно имеет 100% перлитной микроструктуры. Причина этого состоит в том, что иная микроструктура, нежели перлит, такая как микроструктуры феррита и бейнита, имеет низкую износостойкость, и поэтому совокупная доля площади иных микроструктур, нежели микроструктура перлита, желательно составляет 10% или менее. Кроме того, желательна микроструктура, в которой не выделяется заэвтектоидный цементит. Причина этого состоит в том, что выделение заэвтектоидного цементита снижает ударную вязкость.

[0105] В отношении участка ступицы желательной является микроструктура, подобная микроструктуре участка обода, хотя особых проблем не возникает, если доля площади иных микроструктур, нежели перлит, превышает 10%. Однако желательна микроструктура, в которой не выделяется заэвтектоидный цементит. Причина этого состоит в том, что имеет место ситуация, в которой выделение заэвтектоидного цементита ведет к резкому снижению ударной вязкости и усталостной долговечности, и по меньшей мере нужно избегать формирования заэвтектоидного цементита, который можно наблюдать с использованием оптического микроскопа.

[0106] Колесо, в котором используют колесную сталь согласно настоящему изобретению, может быть изготовлено последовательным выполнением обработок, описанных, например, в нижеследующих пунктах <1>-<3>. После обработки согласно пункту <3> может быть выполнена обработка для отпуска.

[0107] <1> Выплавка и разливка стали

После того как сталь выплавлена в электрической печи, конвертере или тому подобном, сталь разливают в слиток. Следует отметить, что слиток может представлять собой любой из отливки, полученной непрерывным литьем, или слитка, полученного литьем в форму.

[0108] <2> Формование в колесо

Для формования стали в колесо предварительно заданной конфигурации сталь формуют надлежащим способом, таким как горячая ковка или станочная обработка, непосредственно из слитка или после того, как слиток был переработан в конечные заготовки колеса. Следует отметить, что сталь может быть непосредственно сформована в конфигурацию колеса литьем, но желательным является выполнение горячей ковки.

[0109] <3> Закалка

Используют способ закалки, создающий сжимающее остаточное напряжение в ободовой части, такой как «способ закалки поверхности качения». Следует отметить, что температуру нагрева в случае закалки предпочтительно регулируют на величину от точки Ас₃ до (точки Ас₃+250°С). Когда температура нагрева составляет ниже точки Ас₃, структура не превращается в аустенит, и в некоторых случаях перлит с высокой твердостью не может быть получен охлаждением после нагрева, тогда как, если температура нагрева превышает уровень (точки Ас₃+250°С), укрупняются зерна, и в некоторых случаях снижается ударная вязкость, что является неблагоприятным в отношении технических характеристик колеса.

[0110] Охлаждение после нагрева предпочтительно выполняют с помощью подходящего способа, такого как охлаждение водой, охлаждение в масле, охлаждение туманом или воздушное охлаждение, чтобы получить желательную микроструктуру, описанную выше для колеса, принимая во внимание размер колеса, габариты оборудования и тому подобное.

[0111] Далее настоящее изобретение будет описано более конкретно согласно примерам, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.

ПРИМЕРЫ

[0112] После того как стали 37-63 в таблице 4 были выплавлены в электрической печи, стали были разлиты в литейные формы с диаметром 513 мм для получения слитков, причем каждый из соответствующих слитков был разрезан на куски длиной 300 мм и был нагрет до температуры 1200°С, после чего соответствующие слитки были подвергнуты горячей ковке обычным способом для получения колес с диаметром 965 мм. Каждое колесо имело конфигурацию «AAR TYPE: B-38», описанную в стандарте М-107/М-207 AAR.

[0113]

  Fn1=2,7+29,5×C+2,9×Si+6,9×Mn+10,8×Cr+30,3×Mo+44,3×V
Fn2=exp(0,76) × exp(0,05×C) × exp(1,35×Si) × exp(0,38×Mn) × exp(0,77×Cr) × exp(3,0×Mo) × exp(4,6×V)  

[0114] Затем, после выполнения нагрева при температуре 900°С в течение 2 часов, соответствующие колеса были подвергнуты термической обработке методом, в котором с использованием показанного на фигуре 14 устройства колеса охлаждают набрызгиванием воды из сопел в то время, как колеса вращаются (так называемый «способ закалки поверхности качения»). После термической обработки выполнили обработку для отпуска (обработку с охлаждением колес в воздушной атмосфере после выдерживания колес при температуре 500°С в течение 2 часов).

[0115] В отношении колес, изготовленных таким образом, провели испытание твердости ободовых частей, исследование микроструктуры ободовых частей и участков ступицы, испытание на износ, испытание на усталость в зоне контакта качения и тест Джомини. Результаты показаны в таблице 5. Для соответственных испытаний результат испытания стали 37, которая соответствует стали железнодорожного колеса «Класса С» AAR, использовали в качестве контрольного.

[0116]

[1] Испытание твердости ободовых частей

Для каждой из сталей, как показано на фигуре 15, измерили твердость по Бринелю (далее обозначаемую как «HBW») в положении на расстоянии 40 мм от поверхности качения в центральной части поверхности качения ободовой части.

[0117]

[2] Исследование микроструктуры ободовых частей

Для каждой из сталей, как показано на фигуре 16, исследовали микроструктуру в положении на расстоянии 40 мм от поверхности качения в центральной части поверхности качения ободовой части. Следует отметить, что центральное положение поверхности качения протравили ниталем и микроструктуру наблюдали с использованием оптического микроскопа с 400-кратным увеличением и идентифицировали.

[0118] Следует отметить, что когда микроструктура содержит ферритную или бейнитную микроструктуру, измерили долю их площади, и когда микроструктура составляет 5% или более ферритной или бейнитной микроструктуры, ее рассматривали как микроструктуру, которая содержит феррит и бейнит. Когда микроструктура содержит феррит или бейнит, то где содержался феррит или бейнит, в описанной ниже таблице 5 это указано как «P+F» или «P+B».

[0119]

[3] Исследование микроструктуры в области ступицы

Для каждой из сталей, как показано на фигуре 17, исследовали микроструктуру в положении в центре области ступицы. Следует отметить, что участок ступицы протравили ниталем и микроструктуру наблюдали таким же путем, как в ободовой части.

[0120]

[4] Испытание на износ

Для каждой из сталей, как показано на фигуре 18, отобрали «колесный испытательный образец» для использования в испытании на износ (конфигурация показана на фигуре 5(а)), из положения на расстоянии 40 мм от поверхности качения в центральной области поверхности качения ободовой части (положение, обозначенное «а» в чертеже), в качестве контрольного образца. С использованием этих «колесных испытательных образцов» и «рельсового испытательного образца» из стали 1 провели испытание на износ в следующих условиях: контактное напряжение по Герцу: 2200 МПа, коэффициент скольжения: 0,8%, и частота вращения: 776 об/мин на колесной стороне и 800 об/мин на рельсовой стороне, с использованием прибора для измерения износа типа Nishihara, и испытание проводили в сухих условиях. После того как испытание провели до числа циклов 5×10⁵, определили величину износа по разности массы испытательного образца до и после испытания.

[0121]

[5] Испытание на усталость в зоне контакта качения

Для каждой из сталей, как показано на фигуре 18, отобрали «колесный испытательный образец» для использования в испытании на усталость в зоне контакта качения (конфигурация показана на фигуре 4(а)), из положения на расстоянии 40 мм от поверхности качения в центральной области поверхности качения ободовой части (положение, обозначенное «b» в чертеже), в качестве контрольного образца. С использованием этих «колесных испытательных образцов» и «рельсового испытательного образца» из стали 1 провели испытание на усталость в зоне контакта качения в следующих условиях: контактное напряжение по Герцу: 1100 МПа, коэффициент скольжения: 0,28%, и частота вращения: 1000 об/мин на колесной стороне и 602 об/мин на рельсовой стороне, и при водяной смазке, и число циклов, при котором с помощью акселерометра регистрировали 0,5G, оценивали как усталостную долговечность в зоне контакта качения.

[0122]

[6] Тест Джомини

Для каждой из сталей, как показано на фигуре 18, отобрали образец для теста Джомини из положения на расстоянии 40 мм от поверхности качения в центральной области поверхности качения ободовой части (положение, обозначенное «с» в чертеже) в качестве контроля и подвергли аустенизации при температуре 900°С в течение 30 минут в воздушной атмосфере, после чего выполнили торцевую закалку, затем выполнили 1,0-миллиметровый параллельный надрез, измерили распределение твердости до положения на расстоянии 50 мм от охлажденного водой торца и определили значение «М50%».

[0123]

[7] Испытание на растяжение при высокой температуре

Для каждой из сталей, в соответствии со стандартом ASTM E21, провели испытание на растяжение при температуре 538°С (1000°F) и измерили предел текучести при высокой температуре.

[0124]

[8] Испытание на растяжение при нормальной температуре

Для каждой из сталей провели испытание на растяжение при нормальной температуре в соответствии со стандартом ASTM E370 и измерили относительное удлинение при нормальной температуре.

[0125]

[0126] Как показано в таблице 5, стали 37-39, 42, 45-47, 56, 57, 60 и 63, которые не удовлетворяют определенным в настоящем изобретении условиям, были худшими по сравнению со сталями 40, 41, 43, 44, 48-55, 58, 59, 61 и 62, которые удовлетворяют заданным в настоящем изобретении условиям, в любом одном или более испытаниях из испытания на износ, испытания на усталость в зоне контакта качения, теста Джомини, испытания на растяжение при высокой температуре и испытания на растяжение при нормальной температуре.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0127] Колесная сталь согласно настоящему изобретению является превосходной в отношении баланса между износостойкостью, усталостной прочностью в зоне контакта качения и устойчивостью к скалыванию и может обеспечить длительный срок службы колеса. Колесо с использованием колесной стали согласно настоящему изобретению имеет величину износа, сниженную максимум на 30%, и усталостная долговечность в зоне контакта качения становится более длительной максимум в 3,2 раза, и снижен риск возникновения скалывания по сравнению с колесом, для которого применяют сталь «Класса С» по AAR для колес рельсового транспорта. Кроме того, колесо с использованием колесной стали согласно настоящему изобретению имеет как высокотемпературную прочность, так и пластичность, и поэтому низок риск возникновения TMS и растрескивания на поверхности качения. Соответственно этому колесная сталь согласно настоящему изобретению исключительно предпочтительна для применения в колесах рельсового транспорта, которые используются в чрезвычайно суровых условиях окружающей среды, в которых увеличены расстояния перевозок и повышены грузоподъемности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к колесной стали для рельсового транспорта. Сталь содержит, в мас.%: С: от 0,65 до 0,84, Si: от 0,4 до 1,0, Mn: от 0,50 до 1,40, Cr: от 0,02 до 0,13, S: 0,04 или менее, V: от 0,02 до 0,12, при необходимости Мо: 0,07 или менее, Fe и примеси - остальное. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: Р: 0,05 или менее, Cu: 0,20 или менее и Ni: 0,20 или менее. Величина Fn1, определяемая по выражению Fn1=2,7+29,5×C+2,9×Si+6,9×Mn+10,8×Cr+30,3×Mo+44,3×V, составляет от 32 до 43, а величина Fn2, определяемая по выражению Fn2=exp(0,76) × exp(0,05×C) × exp(1,35×Si) × exp(0,38×Mn) × exp(0,77×Cr) × exp(3,0×Mo) × exp(4,6×V), составляет 25 или менее. Обеспечивается требуемый баланс между износостойкостью, усталостной прочностью в зоне контакта качения и устойчивостью к скалыванию, а также высокий предел текучести при высокой температуре и высокая пластичность. 1 з.п. ф-лы, 18 ил., 5 табл.

1. Колесная сталь, содержащая, мас.%:
С: от 0,65 до 0,84
Si: от 0,4 до 1,0
Mn: от 0,50 до 1,40
Cr: от 0,02 до 0,13
S: 0,04 или менее
V: от 0,02 до 0,12
и, при необходимости, Мо: 0,07 или менее
остальное - Fe и примеси, причем
совокупное содержание V и Мо составляет от 0,02 до 0,12,
в которой величина Fn1, выраженная соотношением (1), составляет от 32 до 43, а величина Fn2, выраженная соотношением (2), составляет 25 или менее,
причем Р, Cu и Ni в примесях составляют:
Р: 0,05 или менее,
Cu: 0,20 или менее и
Ni: 0,20 или менее, где

где каждый символ элемента в соотношениях (1) и (2) означает содержание, мас.%, элемента.

2. Колесная сталь по п. 1, содержащая, мас.%, Al: 0,20 или менее.