СТАЛЬ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТАЯ, НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА, СЦЕПНОГО И АВТОСЦЕПНОГО УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 2023 года по МПК C22C38/58 C22C38/46 B61G9/00 

Группа изобретений относится к области металлургии и машиностроения, в частности сталям и может быть использована для изготовления корпуса поглощающего аппарата, а также корпусов сцепного или автосцепного устройств, используемых в подвижном железнодорожном составе, подверженных высоким нагрузкам и требующих высокой износостойкости.

Внутренняя поверхность корпуса поглощающего аппарата является частью «пары трения» в работе фрикционного узла. В процессе эксплуатации поглощающих аппаратов в вагонах железнодорожного транспорта они подвергаются сильному ударному воздействию, действию продольных растягивающих и сжимающих усилий, воздействию атмосферы в различных климатических зонах. Поэтому к материалам, используемым для изготовления корпусов поглощающих аппаратов, предъявляется ряд специальных требований. Корпус поглощающего аппарата должен иметь хорошие фрикционные свойства, а также высокую прочность, стойкость к трещинообразованию.

Наиболее близким аналогом для заявленной стали и корпуса поглощающего аппарата, изготовленного из нее, является углеродистая сталь для подвижного состава железнодорожного транспорта и корпус поглощающего аппарата, изготовленный из нее, раскрытые в ГОСТе 22253-76 «Аппараты поглощающие пружинно-фрикционные для подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм» (1). Сталь для корпуса поглощающего аппарата (например, 30ГСЛ-Б) содержит, мас.%: углерод — 0,25-0,35; марганец- 1,20-1,60; кремний-0,20-0,50; хром- не более 0,30; никель- не более 0,30; медь- не более 0,30; сера- не более 0,40; фосфор- не более 0,40; железо- остальное. Недостатками известной стали по (1), а соответственно и корпуса поглощающего аппарата, изготовленного из нее, являются недостаточно высокая прочность, низкая стойкость к трещинообразованию, протиранию и излому. Следовательно, изложенные в указанном ГОСТе 22253-76 механические свойства и твердость стали для корпусов аппаратов поглощающих пружинно-фрикционных, не отвечают всем требованиям, предъявляемым к корпусам поглощающих аппаратов.

Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка стали для корпуса поглощающего аппарата (а также в том числе и корпусов сцепного и автосцепного устройств) железнодорожного транспорта с высокими и стабильными эксплуатационными характеристиками.

Техническим результатом является обеспечение повышения твердости и износостойкости за счет улучшения и стабилизации характеристик и механических свойств стали после термической обработки, а соответственно и свойств корпуса поглощающего аппарата, изготовленного из нее, что в конечном счете позволит организовать производство их в крупном масштабе и с высокой производительностью.

Указанный технический результат достигается тем, что предложена сталь для корпуса поглощающего аппарата для подвижного состава железнодорожного транспорта, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, сера, медь, никель, и дополнительно содержащая молибден и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод – 0,25-0,35;

кремний – 0,3-0,6;

марганец – 1,00-1,5;

хром – 0,25-0,90;

фосфор – не более 0,04;

сера – не более 0,04;

медь – не более 0,3;

никель – не более 0,3;

молибден – не более 0,12;

ванадий – не более 0,12;

железо – остальное,

и имеющая балл аустенитного зерна не ниже 5. После закалки и высокого отпуска сталь имеет твердость 255..364 HB и однородную троостосорбитную структуру, обеспечивающую получение оптимальных для корпуса поглощающего аппарата твердости и механические свойства, в частности временного сопротивления разрыву, предела текучести и ударной вязкости.

Так как размер зерна влияет на свойства стали такие как прочность, пластичность, порог хладноломкости, а также коррозионную стойкость, то заявленный химический состав стали позволит получить оптимальный размер аустенитного зерна.

Интервал содержания углерода обеспечивает необходимые прочность и прокаливаемость. При содержании углерода менее 0,25 мас.% не обеспечивается требуемый уровень прочности, пластичности, а при содержании углерода свыше 0,40 мас.% снижается ударная вязкость.

Кремний не только раскисляет сталь, но также упрочняет ее и повышает предел упругости, что увеличивает релаксационную стойкость. При содержании до 0,40 мас.% кремний не оказывает влияния на эксплуатационные свойства стали. При содержании кремния выше 0,8 мас.% резко повышается окалийность.

Марганец не только раскисляет сталь, но повышает ее прочность, упругость, износостойкость и долговечность. При содержании марганца свыше 0,80 мас.% увеличивается прокаливаемость, возрастает твердость, устойчивость к износу и удароустойчивость.

Хром повышает прочность материала, повышает стойкость к коррозии, к истиранию, трещиностойкость. Стали содержащие в своем составе хром применяются в машиностроении в качестве фрикционного материала. Но увеличение содержание хрома выше 1,0 мас.% снижает ударную вязкость.

Фосфор, выделяясь по границам зерен, снижает ударную вязкость, вследствие чего сталь хрупко разрушается за счет ослабления межзеренного сцепления. Поэтому содержание фосфора ограничено 0,04 мас.%.

Сера присутствует в стали в виде тугоплавкого сульфидного включения MnS, приводящего к анизотропии механических свойств. Поэтому содержание серы ограничено 0,04 мас.%.

Действие меди основано на том, что она кристаллизуется в последнюю очередь, концентрируясь по границам зерен, снижая вероятность пережога. Поэтому увеличивается пластичность стали. К тому же медь увеличивает коррозионную стойкость стали, но ее действие на коррозионную стойкость не ощутимо при содержании менее 0,15 мас.%. При содержании меди свыше 0,30 мас.% хрупкие фазы меди приведут к растрескиванию по границам зерен при деформации.

Ванадий даже при содержании до 0,12 мас.% измельчает зерно, поэтому микролегирование ванадием не приведет к значительному удорожанию.

Молибден-повышает прочность при растяжении, упругость, устойчивость к окислению при высоких температурах. Так как температура на поверхностях трения особо тяжело нагруженных фрикционных узлов может кратковременно достигать даже +1200°С, то микролегирование молибденом улучшает фрикционные свойства

Примеры.

Опытные плавки получения заявленной стали производили по известной технологии. Перед разливкой сталь раскисляли и модифицировали для обеспечения размера аустенитного зерна не ниже 5. Химический состав заявленной стали в пределах заявленного диапазона компонентов приведен в табл.1.

Табл. 1 Химический состав образцов разных плавок

№ пл-ки,
№ кор-са Химический состав, мас. % C Si Mn Cr P S Cu Mо V Ni Fe 1 0,25 0,37 1,25 0,31 0,021 0,020 0,135 0,052 0,035 0,190 Ост. 2 0,35 0,41 1,41 0,42 0,024 0,030 0,199 0,080 0,10 0,112 Ост. 3 0,28 0,30 1,00 0,80 0,030 0,030 0,111 0,120 0,080 0,230 Ост. 4 0,31 0,60 1,30 0,45 0,031 0,031 0,245 0,092 0,110 0,110 Ост. 5 0,30 0,44 1,00 0,30 0,038 0,010 0,080 0,015 0,025 0,185 Ост. 6 0,34 0,31 1,50 0,55 0,030 0,015 0,190 0,60 0,055 0,250 Ост. 7 0,28 0,36 1,20 0,25 0,025 0,025 0,250 0,120 0,085 0,150 Ост. 8 0,35 031 1,40 0,80 0,035 0,035 0,220 0,10 0,050 0,200 Ост. 9 0,28 0,30 1,25 0,30 0,019 0,020 0,089 0,030 0,005 0,11 Ост. 10 0,33 0,60 1,50 0,80 0,038 0,035 0,280 0,12 0,12 0,30 Ост.

Механические свойства образцов среднеуглеродистой низколегированной стали с разным химическим составом приведены в табл.2.

Табл. 2 Механические свойства среднеуглеродистой низколегированной стали образцов разных плавок.

№ плавки Закалка 930°С, охлаждение в масле, отпуск 580°С Временное сопротивление σ_в Н/мм² Предел текучести σ_т, Н/мм² Относительное удлинение δ, % Относительное сужение ψ, % Ударная вязкость KC, при
-60ºС Дж/см² Твердость,НВ 1 831 694 10 26 392 272 2 991 872 10 26 392 321 3 787 689 14 25 392 272 4 787 689 14 24 343 309 5 860 689 14 25 392 272 6 827 689 12 24 343 269 7 802 689 10 22 392 278 8 827 720 10 24 392 278 9 920 820 14 24 392 298 10 840 689 14 24 392 266

При изготовлении корпусов поглощающих аппаратов из полученной среднеуглеродистой низколегированной стали отливки корпусов поглощающих аппаратов подвергали предварительной и окончательной термической обработке. Предварительную термическую обработку проводили в Электропечи камерной 2000(АХ00.000СБ). Отливки укладывали на поддоны, поддоны размещали на под печи и закатывали в печь. Температура посадки 400°С. Затем осуществляли нагрев со скоростью 70°С/ч до температуры 650°С и выдерживали в течении 1 часа. После чего осуществляли нагрев со скоростью 100°С/ч до температуры 870-890°С и выдерживали 3 часа. Охлаждали на открытом воздухе. Далее отливки подвергали высокому отпуску при температуре 570-600°, выдержка 3 ч.

Окончательную термическую обработку отливок корпусов поглощающих аппаратов проводли в электропечи ПКМ-500. Осуществляли загрузку отливок в печь при температуре посадки 800°С и нагревали по мощности печи до температуры 930 + 10 °С. Выдержка при заданной температуре составила 1 час. Охлаждение производили в масле И-20Ф ГОСТ 20799 в течение 15 мин, температура масла 40-60 °С. После чего отливки подвергали высокому отпуску в электропечи ПКМ 4.8.4/12,5 при температуре 550-630°С в течение 3-х часов с последующим охлаждением в воде не менее 10 мин.

После предварительной термической обработки – нормализация при температуре 870-890 °С и высокий отпуск при 570-600 °С - сталь имеет аустенитное зерно не ниже 5 баллов.

После окончательной термической обработки – закалка 930°С, охлаждение в масле и высокий отпуск 550-630°С - сталь имеет твердость 255..364 HB и однородную троостосорбитную структуру.

В результате проведенных испытаний установлено, что указанные характеристики заявленной среднеуглеродистой и низколегированной стали и корпусов поглощающих аппаратов, изготовленных из нее, стабильно обеспечиваются во всем диапазоне химического состава. Таким образом, дополнительное введение микроэлементов и ограничение элементов для эффективного взаимодействия между собой приводит к высоким эксплуатационным свойствам корпуса поглощающего аппарата и увеличению его износостойкости и долговечности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к среднеуглеродистой низколегированной стали, используемой для изготовления корпусов поглощающего аппарата и сцепного или автосцепного устройства железнодорожного транспорта. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,25-0,35, кремний 0,3-0,6, марганец 1,00-1,5, хром 0,25-0,90, фосфор не более 0,04, сера не более 0,04, медь не более 0,3, никель не более 0,3, молибден не более 0,12, ванадий не более 0,12, железо остальное. Сталь имеет аустенитное зерно не ниже 5 баллов и после закалки и высокого отпуска имеет твердость 255-364 HB и однородную троостосорбитную структуру. Сталь обладает высоким уровнем эксплуатационных характеристик, в частности твердостью и износостойкостью, а также требуемым уровнем механических свойств после термической обработки, в частности временным сопротивлением разрыву, пределом текучести и ударной вязкостью. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сталь среднеуглеродистая низколегированная для изготовления корпусов поглощающего аппарата и сцепного или автосцепного устройства железнодорожного транспорта, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу, медь, никель и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,25-0,35 кремний 0,3-0,6 марганец 1,00-1,5 хром 0,25-0,90 фосфор не более 0,04 сера не более 0,04 медь не более 0,3 никель не более 0,3 молибден не более 0,12 ванадий не более 0,12 железо остальное,

при этом она имеет аустенитное зерно не ниже 5 баллов и после закалки и высокого отпуска имеет твердость 255-364 HB и однородную троостосорбитную структуру.

2. Корпус поглощающего аппарата железнодорожного транспорта, отличающийся тем, что он выполнен из стали по п. 1 и имеет после закалки и высокого отпуска однородную троостосорбитную структуру.