СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЁС Российский патент 2017 года по МПК C22C38/46 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении стальных железнодорожных колёс для рельсового транспорта.

Известна колёсная сталь (а.с. 451785, C22C39/00, опубл. 30.11.1974), имеющая следующий химический состав компонентов, %:

углерод 0,35–0,70;

кремний 0,20–0,60;

марганец 0,50-1,20;

ванадий 0,08–0,20;

медь 0,30–0,50;

железо – остальное.

Данная известная колёсная сталь имеет недостаточные твёрдость, усталостную прочность и трещиностойкость.

Известен стальной сплав для железнодорожных колёс (US 6663727 В2, C22C38/00, C22C38/40, C21D9/34, опубл. 20.06.2002), принятый за наиболее близкий аналог, который содержит, мас.%:

углерод от 0,40 до 0,77;

кремний от 0,25 до 0,60;

марганец от 0,40 до 1,20;

алюминий до 0,06;

фосфор до 0,03;

сера до 0,03;

никель до 0,35;

хром до 0,35;

кальций до 0,005;

азот до 0,015;

железо и примеси – остальное.

Известный стальной сплав обладает высоким сопротивлением к разрушению обода. Однако сплав характеризуется низкой ударной вязкостью и относительно низкой износостойкостью.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в улучшении механических свойств (прочность, твёрдость, ударная вязкость) и эксплуатационных свойств (износостойкость, трещиностойкость, хладостойкость) стали для изготовления колёс рельсовых транспортных средств.

Достигается указанный технический результат тем, что сталь для изготовления железнодорожных колёс содержит следующие компоненты, мас. %:

углерод от 0,45 до 0,60;

кремний от 0,38 до 0,50;

марганец от 0,80 до 1,00;

ванадий не более 0,15;

хром от 0,80 до 1,00;

фосфор не более 0,02;

сера не более 0,015;

медь не более 0,30;

никель не более 0,25;

алюминий не более 0,04;

железо – остальное.

Химический состав предлагаемой стали подобран на основе следующих предпосылок.

Содержание в предлагаемой стали углерода в пределах (0,45-0,60)% обеспечивает необходимые прочность, твёрдость, износостойкость и трещиностойкость. При содержании углерода менее 0,45% уменьшается количество карбидной фазы, поэтому снижаются прочностные характеристики и износостойкость. При содержании углерода более 0,6 % увеличивается склонность к хрупким разрушениям.

Для обеспечения требуемой прокаливаемости и увеличения твердорастворного упрочнения содержание кремния установлено на уровне (0,38-0,50)% и марганца на уровне (0,80-1,00)%.

Содержание ванадия не более 0,15% обеспечивает более стойкую карбидную фазу VC (карбид ванадия), которая позволяет контролировать размер зерен аустенита. Малый размер и равномерное распределение карбидов ванадия способствуют упрочнению стали и повышению ударной вязкости.

Хром является основным карбидообразующим элементом. Содержание хрома от 0,80 до 1,00% обеспечивает требуемую прокаливаемость стали, сохранение прочности при повышенных температурах, позволяет повысить износостойкость стали благодаря карбидам хрома, а также способствует формированию мелкодисперсной структуры перлита.

Содержание фосфора не более 0,02% и серы не более 0,015% является оптимальным, так как повышенное содержание этих компонентов негативно сказывается на ударной вязкости, особенно при пониженных температурах.

Содержание меди до 0,3% обеспечивает стабильность прочностных характеристик стали при сохранении требуемого уровня ударной вязкости.

Никель с пределом концентрации до 0,25% необходим для повышения ударной вязкости, хладостойкости и сопротивления хрупкому разрушению.

Нитриды алюминия способны активно сдерживать рост зерен аустенита, что способствует формированию мелкодисперсной структуры и, как следствие, увеличению ударной вязкости. Но из-за вторичного окисления струи металла при разливке повышается уровень брака, поэтому содержание алюминия ограничено 0,04%.

Сталь предлагаемого химического состава позволяет производить высокопрочные железнодорожные колёса как методами обработки металлов давлением, так и методами литья. Для изготовления стальных литых железнодорожных колёс высокие характеристики механических и эксплуатационных свойств должны задаваться, в первую очередь, химическим составом стали, её модифицированием, сплошностью литой структуры в отливке, а также последующими операциями термической обработки и дробенаклепа.

Изобретение осуществляют следующим образом на примере изготовления литых железнодорожных колёс.

С помощью аналитических термодинамических методов и методов компьютерного моделирования установлен оптимальный химический состав стали, который обеспечивает необходимый комплекс свойств. Теоретические расчеты подтвердились хорошим совпадением с результатами контроля механических свойств и параметров микроструктуры материала колёс, изготовленных в ходе серии экспериментальных плавок.

Литые колёса из серии опытных плавок с заявленным химическим составом, прошедшие термическую обработку (закалка обода и последующий отпуск), обладают высокими прочностными и эксплуатационными свойствами при сохранении требуемого уровня пластических свойств и ударной вязкости, в том числе:

- твёрдость обода на глубине 30 мм от поверхности катания не менее 330 HB;

- временное сопротивление обода не менее 1050 МПа;

- ударная вязкость в ободе при +20 °С не менее 25 Дж/см²;

- ударная вязкость в диске при +20 °С не менее 32 Дж/см²;

- ударная вязкость в диске при -60 °С не менее 16 Дж/см²;

- твёрдость диска не менее 230 HB;

- временное сопротивление диска не менее 900 МПа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали для изготовления стальных колёс для рельсового транспорта. Сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод от 0,45 до 0,60, кремний от 0,38 до 0,50, марганец от 0,80 до 1,00, ванадий не более 0,15, хром от 0,80 до 1,00, фосфор не более 0,02, сера не более 0,015, медь не более 0,3, никель не более 0,25, алюминий не более 0,04, железо – остальное. Достигается повышение механических и эксплуатационных свойств стали, предназначенной для изготовления железнодорожных колёс методами обработки металлов давлением и литья.

Сталь для изготовления железнодорожных колёс, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, фосфор, серу, медь, никель, алюминий и железо, отличающаяся тем, что она содержит следующие компоненты, мас.%:

углерод от 0,45 до 0,60 кремний от 0,38 до 0,50 марганец от 0,80 до 1,00 ванадий не более 0,15 хром от 0,80 до 1,00 фосфор не более 0,02 сера не более 0,015 медь не более 0,30 никель не более 0,25 алюминий не более 0,04 железо остальное