ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СЦЕПНЫХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 2024 года по МПК C22C38/42 C22C38/44 C22C38/46 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов, а именно, к легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов, которая может отвечать всем механическим свойствам, требуемым для сцепки AAR, используемой в основном в Корее (т.е. Республике Корея) и Китае (т.е., Китайской Народной Республике), и механическим свойствам, требуемым для сцепки CA-3, используемой в основном в России (т.е. Российской Федерации) и т.п., что позволяет безопасно использовать сцепку для железнодорожных вагонов в железнодорожной системе, соединяющей Россию и другие страны Северо-Восточной Азии.

[0002]

Предпосылки создания изобретения

[0003] Сцепка для железнодорожного вагона - очень важный элемент безопасности, служащий для передачи движущей силы и тормозной силы на железнодорожные вагоны. В связи с необходимостью удлинения железнодорожного транспорта, включая вагоны, в наши дни возрастает важность структурной устойчивости сцепки железнодорожных вагонов.

[0004] Актуальная значимость экономики Северо-Восточной Азии, включая Россию, возрастает, а улучшение транспортной, логистической и связующей способности Северо-Восточной Азии становится одним из двигателей будущего роста.

[0005] Так, активно ведутся исследования по созданию континентальной железной дороги, которая должна соединить Корейский полуостров, Китай, Центральную Азию, Россию и Европу. В частности, в случае с грузовыми вагонами, Корейский полуостров и Китай используют сцепки Ассоциации американских железных дорог (AAR), а страны Содружества независимых государств (СНГ) и Монголия используют сцепки CA-3. Соединить эти два типа сцепок невозможно из-за разной формы их головок. Кроме того, материалы двух типов сцепок должны обладать различными механическими свойствами.

[0006] В связи с этим активно развиваются технологии, связанные с регулируемой сцепкой и адаптером сцепки, способным соединять сцепку AAR и сцепку CA-3, имеющие разные формы головки. При этом недостаточно разработаны материалы, механические свойства которых отвечают требованиям к этим двум типам сцепок.

[0007] Технология предшествующего уровня техники для решения этих проблем раскрыта в патенте Кореи № 10-1931494 в качестве легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов. Основной технический состав этой легированной стали характеризуется включением в качестве основных компонентов углерода (С), марганца (Mn), кремния (Si), хрома (Cr), никеля (Ni), меди (Cu), молибдена (Mo), алюминия (Al), фосфора (P) и серы (S), а в качестве баланса выступает железо (F) и неизбежные примеси.

[0008] То есть, благодаря вышеописанному составу, легированная сталь предшествующего уровня обладает механическими свойствами, применимыми для трансконтинентальных поездов, подверженных сильным климатическим изменениям. Таким образом, в качестве технической характеристики легированная сталь предшествующего уровня может обладать способностью уменьшать износ, вызванный изменениями климата и трением между сцепками железнодорожных вагонов, тем самым повышая долговечность. Однако в случае с легированной сталью предшествующего уровня, рассматривается только то, соблюдаются ли критерии «AAR M201, Gr.E» (далее «AAR M201»), т.е. спецификация механических свойств сцепок AAR. Так, невозможно определить, соблюдены ли критерии российского национального стандарта «ГОСТ 22703, 20 GL» (далее - «ГОСТ 22703»), т.е. технические требования к механическим свойствам сцепок СА-3.

[0009] Кроме того, для континентальной железной дороги, подверженной резким климатическим изменениям, среди механических свойств сцепок, существенное значение имеет твердость в отношении растрескивания, износа и тому подобного. Легированная сталь предшествующего уровня также имеет проблему, заключающуюся в том, что невозможно определить, удовлетворяется ли критерий для условия твердости из числа механических свойств.

[0010] Таким образом, существует острая потребность в разработке легированной стали для сцепки, причем легированная сталь должна соответствовать требованиям AAR M201, т.е. спецификации механических свойств сцепок AAR, и ГОСТ 22703, т.е. спецификации механических свойств сцепок СА-3.

[0011]

Раскрытие предмета изобретения

Техническая задача

[0012] Соответственно, настоящее раскрытие было сделано с учетом вышеуказанных проблем, возникающих в предшествующем уровне техники, и целью настоящего раскрытия является обеспечение легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов, причем легированная сталь может соответствовать как AAR M201, т.е. спецификации механических свойств сцепок AAR, так и ГОСТ 22703, т.е. спецификации механических свойств сцепок CA-3, что позволяет безопасно использовать сцепку железнодорожных вагонов в железнодорожной системе, соединяющей Россию и другие страны Северо-Восточной Азии.

[0013]

Техническое решение

[0014] Для достижения вышеуказанной цели в настоящем раскрытии представлена легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов.

[0015] Легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов может включать углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), фосфор (P), серу (S), хром (Cr), никель (Ni) и медь (Cu) в качестве основных компонентов, и может дополнительно включать наночастицы одного из элементов: нитрида титана (TiN), кубического нитрида бора (cBN), оксида алюминия (Al₂O₃) и диоксида циркония (ZrO₂).

[0016] В качестве основных компонентов легированная сталь может дополнительно включать молибден (Mo), ванадий (V) и алюминий (Al).

[0017] Кроме того, в качестве основных компонентов может быть включено, по весу, 0,240% C, 0,380% Si, 1,160% Mn, 0,014% P, 0,006% S, 0,250% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,180% Mo, 0,020% V и 0,020% Al, а остальное - железо (Fe) и примеси.

[0018] Кроме того, легированная сталь, включающая основные компоненты и наночастицы, может быть сначала подвергнута термообработке при 870 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе, второй термообработке при 870 °C в течение 4 часов с последующим водяным охлаждением и третьей термообработке при 570 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

[0019] Кроме того, среди основных компонентов содержание Ni может составлять от 0,25% до 0,30% по весу, содержание Mo может составлять от 0,15% до 0,25% по весу, а содержание V может составлять от 0,01% до 0,02% по весу.

[0020] Основные компоненты могут включать, по весу, 0,233% C, 0,427% Si, 1,222% Mn, 0,006% P, 0,012% S, 0,261% Cr, 0,260% Ni, 0,042% Cu, 0,175% Mo, 0,019% V и 0,022% Al, остальное - Fe, примеси и наночастицы.

[0021] Согласно другому варианту реализации изобретения, предлагается легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов.

[0022] Легированная сталь может включать углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), фосфор (P), серу (S), хром (Cr), никель (Ni) и медь (Cu) в качестве основных компонентов, и может дополнительно включать наночастицы одного из элементов: оксид магния (MgO) или смесь материалов, состоящая, по весу, из 99% оксида кремния (SiO₂) и 1% карбида кремния (SiC).

[0023] В качестве основных компонентов легированная сталь может дополнительно включать молибден (Mo), ванадий (V) и алюминий (Al).

[0024] Кроме того, основные компоненты могут включать, по весу, 0,240% C, 0,380% Si, 1,160% Mn, 0,014% P, 0,006% S, 0,250% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,180% Mo, 0,020% V и 0,020% Al, а остальное - железо (Fe), примеси и наночастицы.

[0025] Кроме того, легированная сталь, включающая основные компоненты и наночастицы, может быть подвергнута первой термической обработке при 870 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе, второй термической обработке при 870 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением в воде и третьей термической обработке при 580 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

[0026] Кроме того, основные компоненты могут включать, по весу, 0,220% C, 0,430% Si, 1,200% Mn, 0,016% P, 0,006% S, 0,260% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,150% Mo, 0,020% V и 0,030% Al, а остальное - железо (Fe), примеси и наночастицы.

[0027] Кроме того, легированная сталь, включающая основные компоненты и наночастицы, может подвергаться термообработке при температуре 580 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

[0028]

Полезные эффекты

[0029] Согласно настоящему раскрытию, наночастицы, способные снижать твердость легированной стали, и наночастицы, способные повышать прочность легированной стали, выборочно добавляются в легированную сталь для сцепки железнодорожных вагонов согласно настоящему раскрытию, как описано выше, в дополнение к компонентам, включенным в качестве основных компонентов в сцепки AAR и сцепки CA-3, таким образом, достигается превосходный эффект, который заключается в том, что могут быть удовлетворены как спецификации механических свойств сцепок AAR, так и спецификации механических свойств сцепок CA-3.

[0030] Кроме того, согласно настоящему раскрытию, легированная сталь может соответствовать критериям механических свойств для двух типов сцепок, наиболее широко используемых в мире. Преимуществом является то, что легированная сталь в соответствии с настоящим раскрытием может быть применима в большинстве стран мира и безопасно использоваться в железнодорожной системе, которая в настоящее время создается для соединения России и других стран Северо-Восточной Азии.

[0031]

Лучший вариант

[0032] Здесь и далее будут подробно описаны иллюстративные варианты легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов в соответствии с настоящим раскрытием.

[0033]

[0034] Настоящее раскрытие относится к легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов, а именно, к легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов, которая позволяет сцепке железнодорожных вагонов соответствовать всем механическим свойствам, требуемым для сцепки AAR, используемой в основном в Корее (т.е. Республике Корея) и Китае (т.е., Китайской Народной Республике), и механическим свойствам, требуемым для сцепки СА-3, используемой в основном в России (т.е. Российской Федерации) и т.п., что позволяет безопасно использовать сцепки железнодорожных вагонов, изготовленные из легированной стали, в железнодорожных системах, соединяющих Россию и другие страны Северо-Восточной Азии. Во-первых, спецификация AAR M201, определяющая механические свойства, необходимые для сцепок AAR, и спецификация ГОСТ 22703, определяющая механические свойства, необходимые для сцепок CA-3, приведены в таблице 1 ниже. Содержание химических компонентов в таблице 1 ниже указано в весовых процентах.

[0035]

Таблица 1 Классификация AAR M201 СПЕЦ. ГОСТ 22703 СПЕЦ. Спецификация общего материала, подлежащего разработке Хим. состав ^{* 1} C Макс 0,32 0,17~0,25 0,17~0,25 Si Макс 1,50 0,30~0,50 0,30~0,50 Mn Макс 1,85 1,10~1,40 1,10~1,40 P Макс 0,04 Макс 0,04 Макс 0,04 S Макс 0,04 Макс 0,04 Макс 0,04 Cr Макс 0,30 Макс 0,30 Ni Макс 0,30 Макс 0,30 Mo - V - Cu Макс 0,30 Макс 0,30 Al - Мех. св-ва^*2 Предел текучести (Н/мм²) Мин. 689,0 Мин. 500,0 Мин. 689,0 Прочность на разрыв (Н/мм²) Мин. 826,8 Мин. 600,0 Мин. 826,8 Удлинение (%) Мин. 14 Мин. 12 Мин. 14 Уменьшение площади (%) Мин. 30 Мин. 25 Мин. 30 Ударная прочность
(J) Ударная вязкость (-40 °C)
Мин. 27 Ударная вязкость (-40 °C)
Мин. 15 Ударная вязкость (-40 °C) Мин. 15 Твердость по Бриннелю 241~311 192~262 241~262 Примечание)
*1: Химический состав
*2: Механические свойства

[0036] Как показано в таблице 1 выше, можно обнаружить, что стандарт AAR M201 в отношении химического состава сцепки не является строгим и определяет только максимальные значения углерода (C), кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P) и серы (S). В отличие от этого, стандарт ГОСТ 22703 в отношении химического состава сцепки является относительно строгим и дополнительно указывает максимальные значения хрома (Cr), никеля (Ni) и меди (Cu), а также определяет диапазоны содержания C, Si и Mn.

[0037] Стандарт AAR M201 и стандарт ГОСТ 22703 также имеют различные спецификации механических свойств. В России, где применяется стандарт ГОСТ 22703, железнодорожные транспортные средства должны быть способны работать в условиях относительно низкой температуры. Таким образом, может оказаться, что требования к пределу текучести (Y/P), прочности на разрыв (T/S) и твердости (HB) относительно низкие, а для обеспечения хладостойкости дополнительно требуется ударная прочность при -60°C.

[0038] Поскольку целью настоящего раскрытия является соответствие химических компонентов, т.е. химического состава, и механических свойств, требуемых стандартом AAR M201 и стандартом ГОСТ 22703, настоящее раскрытие может соответствовать химическому составу и механическим свойствам, показанным в крайнем правом столбце Таблицы 1 выше.

[0039] Описанная более подробно, легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов в соответствии с настоящим раскрытием представляет собой легированную сталь, включающую химические компоненты, требуемые стандартом AAR M201 и стандартом ГОСТ 22703, т.е. углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), фосфор (P), серу (S), хром (Cr), никель (Ni) и медь (Cu) в качестве основных компонентов. Легированная сталь характеризуется тем, что дополнительно включает наночастицы одного из элементов: нитрида титана (TiN), кубического нитрида бора (cBN), оксида алюминия (Al₂O₃) и диоксида циркония (ZrO₂).

[0040] TiN, cBN, Al₂O₃ и ZrO₂, описанные выше, могут быть включены в легированную сталь для снижения ее твердости, и могут быть включены в легированную сталь в виде наночастиц для получения эффекта снижения твердости даже в незначительном количестве.

[0041] То есть, согласно результатам испытаний, можно было легко удовлетворить целевые условия для некоторых механических свойств, таких как удлинение (El), уменьшение площади (R/A) и ударная прочность, из числа целевых условий для механических свойств, показанных в крайнем правом столбце таблицы 1 выше, путем регулирования содержания C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni и Cu. Однако достижение целевых условий для остальных механических свойств, т.е. предела текучести (Y/P), прочности на разрыв (T/S) и твердости (HB), путем регулирования содержания основных компонентов было ограничено.

[0042] Описанная более подробно, проблема заключалась в том, что, когда целевые условия для предела текучести (Y/P) и прочности на разрыв (T/S) легированной стали были выполнены, твердость (HB) превышала целевое условие, а когда целевое условие для твердости (HB) легированной стали было выполнено, выполнялось также либо целевое условие для предела текучести (Y/P,) либо целевое условие для прочности на разрыв (T/S).

[0043] Таким образом, наночастицы одного из элементов: TiN, cBN, Al₂O₃ и ZrO₂ могут быть включены в легированную сталь таким образом, чтобы уменьшить твердость (HB) легированной стали при минимальном изменении предела текучести (Y/P) и прочности на разрыв (T/S) легированной стали.

[0044] Таблица 2 ниже иллюстрирует результаты испытаний, касающиеся изменения твердости легированной стали с твердостью HB 203 при добавлении в легированную сталь наночастиц TiN и наночастиц cBN. Мы видим, что твердость HB была снижена на 3,94% и 6,4%, соответственно, в ответ на добавление наночастиц TiN и наночастиц cBN.

[0045]

Таблица 2 Добавка из наночастиц Без добавления Нитрид титана (TiN) Нитрид бора (cBN) Твердость HB 203 195 190

[0046] Кроме того, в аналогичном испытании было обнаружено, что наночастицы Al₂O_{3 и} наночастицы ZrO₂ смогли снизить твердость на 27% и 38% соответственно. Таким образом, в соответствии с величиной твердости легированной стали, подлежащей уменьшению, один из элементов: TiN, cBN, Al₂O₃ и ZrO₂ может быть выбран для включения в легированную сталь в виде наночастиц.

[0047] Кроме того, в легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов согласно другому варианту осуществления настоящего раскрытия, наночастицы, включенные в легированную сталь, включая основные компоненты, могут быть изготовлены из одного из элементов: оксид магния (MgO) или смесь материалов, состоящая, по весу, из 99% оксида кремния (SiO₂) и 1% карбида кремния (SiC). Эти два материала используются в ситуации, когда либо предел текучести (Y/P), либо прочность на разрыв (T/)S легированной стали не соответствуют заданному условию, в то время как заданное условие для твердости (HB) легированной стали выполнено.

[0048] То есть, для повышения прочности легированной стали используется MgO и смесь материалов, состоящая, по весу, из 99% SiO₂ и 1% SiC. Когда эти материалы включены в легированную сталь даже в очень небольшом количестве, может быть получен эффект усиления прочности.

[0049] Более подробно описано, что при добавлении наночастиц MgO в углеродистую сталь можно получить эффект улучшения предела текучести (Y/P) примерно на 22,4% и эффект улучшения прочности на разрыв (T/S) примерно на 53,1% в зависимости от количества введенных наночастиц, как видно из таблицы 3 ниже.

[0050]

Таблица 3 Массовая доля (%) наночастиц MgO 0 0,01 0,03 0,05 0,07 Предел текучести (МПа) 232 233 264 294 284 Прочность на разрыв (МПа) 293 425 427 448 441

[0051] Кроме того, когда наночастицы, изготовленные из смеси материалов, состоящей из 99% SiO₂ и 1% SiC по весу, добавляются к углеродистой стали, эффект повышения прочности до примерно 60% может быть получен без значительного изменения твердости (HB), как можно увидеть из Таблицы 4 ниже.

[0052]

Таблица 4 Вес модификатора (г) 0 77 120 460 Твердость HB 185 - 210 210 220 190 Прочность (МПа) 168 - 180 270 240 200

[0053] Как описано выше, в настоящем раскрытии можно уменьшить твердость (HB) легированной стали, включающей C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni и Cu, или улучшить прочность, т.е. предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) легированной стали путем добавления наночастиц в стальной сплав. Для снижения твердости (HB) в легированную сталь добавляют наночастицы одного из элементов: TiN, cBN, Al₂O₃ и ZrO₂. В целях повышения прочности в легированную сталь добавляют наночастицы, состоящие из MgO и смеси материалов, состоящей, по весу, из 99% SiO₂ и 1% SiC. Кроме того, первые образцы, отлитые из материала, включающего химические компоненты, соответствующие как стандарту AAR M201, так и стандарту ГОСТ 22703, описанным выше, были подвергнуты термообработке в различных условиях термообработки, а затем были испытаны их механические свойства. Результаты теста проиллюстрированы в Таблице 5 ниже.

[0054]

Таблица 5 Классификация Спецификации, подлежащие разработке Результат испытаний Корейского научно-исследовательского института железных дорог 1-й образец, 1-й раз 2-й образец, 2-й раз Хим. состав ^{* 1} C 0,17~0,25 0,226 0,226 Si 0,30~0,50 0,472 0,472 Mn 1,10~1,40 1,227 1,227 P Макс 0,04 0,006 0,006 S Макс 0,04 0,014 0,014 Cr Макс 0,30 0,244 0,244 Ni Макс 0,30 0,240 0,240 Mo - 0,026 0,026 V - 0,001 0,001 Cu Макс 0,30 0,037 0,037 Al - 0,024 0,024 Мех. св-ва^*2 Предел текучести (Н/мм²) Мин. 689,0 438,0 684,0 Прочность на разрыв (Н/мм²) Мин. 826,8 726,0 872,0 Удлинение (%) Мин. 14 8,0 17,2 Уменьшение площади (%) Мин. 30 15,4 45,0 Ударная прочность (J) Ударная вязкость (-60 °C) Мин. 15 19,7 10,9 Твердость по Бриннелю 241~262 235 255 Примечание)
*1: Химический состав
*2: Механические свойства

[0055] Хотя прочность на разрыв (T/S), удлинение (El), уменьшение площади (R/A) и твердость (HB) были улучшены до соответствия целевым условиям механических свойств, можно заметить, что предел текучести (Y/P) и ударная прочность были меньше целевых значений.

[0056] Кроме того, легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов в соответствии с настоящим раскрытием может дополнительно включать молибден (Mo), ванадий (V) и алюминий (Al), в дополнение к вышеописанным основным компонентам. Во-первых, алюминий (Al) обычно входит в состав легированной стали и используется для повышения пластичности легированной стали.

[0057] Затем добавляется молибден (Мо) для повышения ударной прочности, т.е. величины амортизации легированной стали. Эту характеристику можно найти в Таблице 6 ниже.

[0058] Таким образом, в таблице 6 ниже показаны результаты, полученные при термообработке вторых образцов, отлитых из материала, дополнительно включающего молибден (Mo), в дополнение к химическим компонентам, соответствующим стандарту AAR M201 и стандарту ГОСТ 22703, в различных условиях термообработки, а затем при испытании механических свойств вторых образцов. Было обнаружено, что когда термообработка выполняется таким образом, что твердость (HB) находится в заданном диапазоне, большинство механических свойств соответствуют заданным диапазонам.

[0059] В частности, может быть обнаружено, что, хотя ударная прочность была улучшена в два раза или более за счет добавления молибдена (Мо), предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) были снижены так, что прочность на разрыв (T/S) не соответствовала заданному значению.

[0060]

[0061]

Таблица 6 Классификация Спецификации, подлежащие разработке Результат испытаний Корейского научно-исследовательского института железных дорог 2- й образец, 1-й раз 2-й образец, 2-й раз Хим. состав ^{* 1} C 0,17~0,25 0,243 0,243 Si 0,30~0,50 0,482 0,482 Mn 1,10~1,40 1,271 1,271 P Макс 0,04 0,011 0,011 S Макс 0,04 0,012 0,012 Cr Макс 0,30 0,297 0,297 Ni Макс 0,30 0,288 0,288 Mo - 0,194 0,194 V - 0,001 0,001 Cu Макс 0,30 0,044 0,044 Al - 0,025 0,025 Мех. св-ва^*2 Предел текучести (Н/мм²) Мин. 689,0 866,0 706,0 Прочность на разрыв (Н/мм²) Мин. 826,8 954,0 812,0 Удлинение (%) Мин. 14 13,2 16,0 Уменьшение площади (%) Мин. 30 33,3 48,5 Ударная прочность (J) Ударная вязкость (-40 °C) Мин. 15 21,8 26,3 Твердость по Бриннелю 241~262 285 255 Примечание)
*1: Химический состав
*2: Механические свойства

[0062]

[0063] Далее добавляется ванадий (V) для повышения прочности легированной стали, и эта характеристика может быть найдена из таблицы 7 ниже.

[0064] То есть, в таблице 7 ниже показаны результаты, полученные при термообработке третьих образцов, отлитых из материала, дополнительно включающего молибден (Mo) и ванадий (V), в дополнение к химическим компонентам, соответствующим стандарту AAR M201 и стандарту ГОСТ 22703, в различных условиях термообработки, а затем при испытании механических свойств вторых образцов. Можно обнаружить, что, хотя предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) были улучшены до целевых значений благодаря добавлению ванадия (V), твердость (HB) также была пропорционально улучшена до превышения целевого значения, а ударная прочность была снижена, тем самым не достигнув целевого значения.

[0065]

Таблица 7 Классификация Спецификации, подлежащие разработке Результат испытаний Корейского научно-исследовательского института железных дорог 3-й образец, 1-й раз 3-й образец, 2-й раз Хим. состав ^{* 1} C 0,17~0,25 0,222 0,222 Si 0,30~0,50 0,496 0,496 Mn 1,10~1,40 1,228 1,228 P Макс 0,04 0,012 0,012 S Макс 0,04 0,013 0,013 Cr Макс 0,30 0,240 0,240 Ni Макс 0,30 0,168 0,168 Mo - 0,213 0,213 V - 0,052 0,052 Cu Макс 0,30 0,035 0,035 Al - 0,027 0,027 Мех. св-ва^*2 Предел текучести (Н/мм²) Мин. 689,0 811,0 748,0 Прочность на разрыв (Н/мм²) Мин. 826,8 905,0 842,0 Удлинение (%) Мин. 14 15,6 15,0 Уменьшение площади (%) Мин. 30 38,5 43,5 Ударная прочность (J) Ударная вязкость (-40 °C) Мин. 15 10,1 9,5 Твердость по Бриннелю 241~262 285 269 Примечание)
*1: Химический состав
*2: Механические свойства

[0066] Согласно результатам испытаний, описанных выше, можно обнаружить, что ударная прочность была улучшена путем добавления молибдена (Mo) к указанным основным компонентам легированной стали, а предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) были улучшены путем добавления ванадия (V) к основным компонентам.

[0067] Однако, в случае молибдена (Мо), предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) были снижены в результате термической обработки, предназначенной для соответствия диапазону твердости (HB). При добавлении ванадия (V) для решения проблемы уменьшения, ударная прочность также снизилась. Таким образом, чтобы преодолеть эти проблемы, необходимо ограничить содержание молибдена (Mo) и ванадия (V).

[0068] Соответственно, четвертый и пятый образцы, отлитые с ограничением содержания молибдена (Mo) и ванадия (V) от 0,15% до 0,25% и от 0,01% до 0,02% по весу, и установлением содержания никеля (Ni), обладающего превосходной ударной прочностью, из числа основных компонентов, указанных в стандарте AAR M201 и стандарте ГОСТ 22703, от 0,25% до 0,30% по весу, были подвергнуты термообработке в различных условиях термообработки, а затем были испытаны их механические свойства. Результаты теста проиллюстрированы в Таблице 8 ниже.

[0069]

Таблица 8 Классификация Спецификации, подлежащие разработке Результат испытаний Корейского научно-исследовательского института железных дорог 4-^й образец 5-^й образец Хим. состав^{* 1} C 0,17~0,25 0,24 0,233 Si 0,30~0,50 0,38 0,427 Mn 1,10~1,40 1,16 1,222 P Макс 0,04 0,014 0,006 S Макс 0,04 0,006 0,012 Cr Макс 0,30 0,25 0,261 Ni Макс 0,30 0,25 0,260 Mo - 0,18 0,175 V - 0,02 0,019 Cu Макс 0,30 0,03 0,042 Al - 0,02 0,022 Мех. св-ва^*2 Предел текучести (Н/мм²) Мин. 689,0 724,0 825,6 Прочность на разрыв (Н/мм²) Мин. 826,8 932,0 939,8 Удлинение (%) Мин. 14 16,0 16,0 Уменьшение площади (%) Мин. 30 44,0 48,16 Ударная прочность (J) Ударная вязкость (-40 °C) Мин. 15 23,3 22,5 Твердость по Бриннелю 241~262 291 277 Примечание)
*1: Химический состав
*2: Механические свойства

[0070] Сначала отлили четвертый образец, ограничив содержание Ni, Mo и V до 0,25%, 0,18%, 0,02% по весу, соответственно, при соблюдении содержания основных компонентов, указанных в стандарте AAR M201 и стандарте ГОСТ 22703, после чего провели термическую обработку. Результаты показали, что четвертый образец соответствовал заданным значениям для всех механических свойств, за исключением твердости (HB).

[0071] Затем был отлит пятый образец с ограничением содержания Ni, Mo и V до 0,260%, 0,175% и 0,019% по весу при соблюдении содержания основных компонентов, указанных в стандарте AAR M201 и стандарте ГОСТ 22703, после чего была проведена термическая обработка. Также можно отметить, что пятый образец соответствовал заданным значениям для всех механических свойств, за исключением твердости (HB).

[0072] То есть, было показано, что как четвертый образец, так и пятый образец соответствуют заданным условиям для всех механических свойств, т.е. предел текучести (Y/P), прочность на разрыв (T/S), удлинение (El), уменьшение площади (R/A) и ударная прочность, за исключением твердости (HB). Как описано выше, твердость (HB) может быть уменьшена путем добавления наночастиц одного из элементов: TiN, cBN, Al₂O₃ и ZrO₂. Таким образом, путем добавления наночастиц можно изготовить углеродистую сталь, механические свойства которой соответствуют как стандарту AAR M201, так и стандарту ГОСТ 22703.

[0073] Кроме того, механические свойства вышеописанной легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов в соответствии с настоящим раскрытием могут изменяться в зависимости от условий термической обработки. В таблице 9 ниже показаны результаты испытаний механических свойств образцов легированной стали, имеющих тот же состав, что и четвертый образец, показанный в таблице 8, дважды испытанных Корейским научно-исследовательским институтом (KTR) и Корейским научно-исследовательским институтом железных дорог (KRRI), и результаты испытаний механических свойств образцов легированной стали, соответственно, имеющих новый состав, по весу, 0,220% C, 0,430% Si, 1,200% Mn, 0,016% P, 0,006% S, 0,260% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,150% Mo, 0,020% V и 0,030% Al, испытанных KTR, вместе с условиями термической обработки.

[0074]

Таблица 9 Классификация Спецификации, подлежащие разработке Результат испытаний KTR Результат испытаний KRRI Результат испытаний KTR 1-е 2-е 1-е 2-е Хим. состав ^{* 1} C 0,17~0,25 0,240 0,240 0,220 Si 0,30~0,50 0,380 0,380 0,430 Mn 1,10~1,40 1,160 1,160 1,200 P Макс 0,04 0,014 0,014 0,016 S Макс 0,04 0,006 0,006 0,006 Cr Макс 0,30 0,250 0,250 0,260 Ni Макс 0,30 0,250 0,250 0,250 Mo - 0,180 0,180 0,150 V - 0,020 0,020 0,020 Cu Макс 0,30 0,030 0,030 0,030 Al - 0,020 0,020 0,030 Мех. св-ва^*2 Предел текучести (Н/мм²) Мин. 689,0 780 667 763 774,1 646 Прочность на разрыв (Н/мм²) Мин. 826,8 899 836 861 878 793 Удлинение (%) Мин. 14 19 16 14,6 23 18 Уменьшение площади (%) Мин. 30 46 38 33,69 60,49 53 IS^*3 (J) Ударная вязкость (-40 °C) Мин. 15 39/43 28/27 - - 30/26 Твердость по Бриннелю 241~262 271 256 269 275 252 1-^е H^*4 870 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 870 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 870 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 870 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 2-^е HT^{* 5} 870 °C, 4 часа, Водяное охлаждение 870 °C, 4 часа, Водяное охлаждение 870 °C, 4 часа, Водяное охлаждение 870 °C, 4 часа, Водяное охлаждение 3-^е HT^*6 570 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 580 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 570 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 580 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение 580 °C, 4 часа; Воздушное охлаждение Примечание)
*1: Химический состав
*2: Механические свойства
*3: Ударная прочность
*4: Термическая обработка (нормализация)
*5: Термическая обработка (закалка)
*6: Термическая обработка (отпуск)

[0075] Прежде всего, в образцах легированной стали, имеющих тот же состав, что и четвертый образец, т.е. состав, включающий по весу 0,240% C, 0,380% Si, 1,160% Mn, 0,014% P, 0,006% S, 0,250% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,180% Mo, 0,020% V и 0,020% Al, было проведено в общей сложности три термообработки. В первом испытании, проведенном KTR, а также в первом и втором испытаниях, проведенных KRRI, термическая обработка проводилась в тех же условиях. Во втором испытании KTR термообработка проводилась путем изменения температурных условий третьей термообработки.

[0076] А именно, в первом испытании KTR и первом и втором испытаниях KRRI первая термическая обработка, соответствующая нормализации, проводилась при температуре 870 °C в течение 4 часов, после чего следовало воздушное охлаждение. При второй термообработке, соответствующей закалке, термообработка проводилась при температуре 870 °C в течение 4 часов таким же образом, как описано выше, с последующим охлаждением водой. При третьей термической обработке, соответствующей отпуску, термообработка проводилась при температуре 570 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе. После этого были измерены механические свойства образцов.

[0077] В результате было установлено, что все требования к механическим свойствам, кроме твердости (HB), т.е. предел текучести (Y/P), прочность на разрыв (T/S), удлинение (El), уменьшение площади (R/A) и ударная прочность, были удовлетворены в трех испытаниях. В первом испытании KTR твердость (HB) превышала целевой диапазон примерно на 3,4%. В первом и втором испытаниях KRRI твердость (HB) превышала целевой диапазон примерно на 2,7% и примерно на 5,0% соответственно.

[0078] Таблица 2 показала, что твердость (HB) может быть снижена на 3,94% и 6,4% при добавлении наночастиц TiN и наночастиц нитрида бора (cBN), соответственно. Таким образом, при селективном добавлении наночастиц TiN и наночастиц нитрида бора (cBN) к легированной стали, включающей по весу 0,240% C, 0,380% Si, 1,160% Mn, 0,014% P, 0,006% S, 0,250% Cr, 0. 250% Ni, 0,030% Cu, 0,180% Mo, 0,020% V и 0,020% Al, может быть изготовлена легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов, способная удовлетворять заданным условиям по всем механическим свойствам, включая твердость (HB).

[0079] Кроме того, во втором испытании KTR для легированной стали, имеющей тот же состав, что и выше, термообработка проводилась в тех же условиях, что и вышеуказанные три термообработки, за исключением изменения температуры третьей термообработки, соответствующей отпуску, до 580 °C, а затем были измерены ее механические свойства.

[0080] В результате было установлено, что целевые условия для всех механических свойств, за исключением предела текучести (Y/P), были выполнены. Было установлено, что предел текучести (Y/P) меньше заданного значения примерно на 3,2%.

[0081] Таблицы 3 и 4 показали, что предел текучести(Y/P) может быть улучшен путем добавления наночастиц MgO или наночастиц, изготовленных из смеси материалов, содержащей, по весу, 99% SiO₂ и 1% SiC. В ситуации, когда температура третьей термической обработки составляет 580 °C, когда наночастицы MgO и наночастицы, изготовленные из смеси материалов, состоящей из 99% SiO₂ и 1% SiC по весу, выборочно добавляются в легированную сталь, может быть изготовлена легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов, способная удовлетворять заданным условиям для всех механических свойств, кроме предела текучести (Y/P).

[0082] Далее, в легированной стали, включающей по весу 0,220% C, 0,430% Si, 1,200% Mn, 0,016% P, 0,006% S, 0,260% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,150% Mo, 0,020% V и 0,030% Al, после термообработки, соответствующей отпуску, чтобы уменьшить время термообработки и предотвратить выход твердости (HB) за пределы заданного диапазона, были измерены механические свойства. Термообработка проводилась при температуре 580 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

[0083] Результаты показали выполнение целевых условий для механических свойств, за исключением предела текучести (Y/P) и прочности на разрыв (T/S). Было установлено, что предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) меньше заданных значений примерно на 6,2% и примерно на 4,1%, соответственно.

[0084] Как описано выше, при добавлении в легированную сталь наночастиц MgO или наночастиц, изготовленных из смеси материалов, состоящей, по весу, из 99% SiO₂ и 1% SiC, предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S) могут быть улучшены без значительного изменения твердости (HB). Так, например, при термообработке легированной стали, включающей, по весу, 0,220% C, 0,430% Si, 1,200% Mn, 0,016% P, 0,006% S, 0,260% Cr, 0,250% Ni, 0,030% Cu, 0,150% Mo, 0,020% V и 0,030% Al, и далее включая наночастицы MgO или наночастицы, изготовленные из смеси материалов, состоящей из 99% SiO₂ и 1% SiC, при температуре 580 °C в течение 4 часов, может быть изготовлена легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов, способная удовлетворять заданным условиям по всем механическим свойствам, включая предел текучести (Y/P) и прочность на разрыв (T/S).

[0085] Таким образом, поскольку наночастицы, способные снижать твердость легированной стали, и наночастицы, способные повышать прочность легированной стали, выборочно добавляются в легированную сталь для сцепки железнодорожных вагонов в соответствии с настоящим раскрытием, как описано выше, в дополнение к компонентам, включенным в качестве основных компонентов в сцепки AAR и сцепки CA-3, могут быть удовлетворены как спецификации механических свойств сцепок AAR, так и спецификации механических свойств сцепок CA-3. Следовательно, легированная сталь согласно настоящему раскрытию может соответствовать критериям механических свойств для двух типов сцепок, наиболее широко используемых в мире. Преимуществом является то, что легированная сталь в соответствии с настоящим раскрытием может быть применима в большинстве стран мира и безопасно использоваться в железнодорожной системе, которая в настоящее время создается для соединения России и других стран Северо-Восточной Азии.

[0086]

[0087] Хотя вышеописанные варианты реализации изобретения были описаны в отношении большинства иллюстративных примеров настоящего раскрытия, специалистам в данной области будет очевидно, что настоящее раскрытие не ограничивается этим, и возможны различные модификации без отхода от технического принципа настоящего раскрытия.

[0088]

Промышленная применимость

[0089] Настоящее изобретение относится к легированной стали для сцепки железнодорожных вагонов. В частности, настоящее изобретение относится к легированной сталью для сцепки железнодорожных вагонов, которая может отвечать всем механическим свойствам, требуемым для сцепки AAR, используемой в основном в Корее (т.е. Республике Корея) и Китае (т.е., Китайской Народной Республике), и механическим свойствам, требуемым для сцепки CA-3, используемой в основном в России (т.е. Российской Федерации) и т.п., что позволяет безопасно использовать сцепку для железнодорожных вагонов в железнодорожной системе, соединяющей Россию и другие страны Северо-Восточной Азии.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к легированной стали для изготовления сцепки железнодорожных вагонов. Легированная сталь содержит в качестве основных компонентов, в мас.%: 0,240 углерода (C), 0,380 кремния (Si), 1,160 марганца (Mn), 0,014 фосфора (P), 0,006 серы (S), 0,250 хрома (Cr), 0,250 никеля (Ni), 0,030 меди (Cu), 0,180 молибдена (Mo), 0,020 ванадия (V) и 0,020 алюминия (Al), а также наночастицы одного из элементов: нитрида титана (TiN), кубического нитрида бора (cBN), оксида алюминия (Al₂O₃), диоксида циркония (ZrO₂), оксида магния (MgO) или смеси, состоящей по весу из 99% оксида кремния (SiO₂) и 1% карбида кремния (SiC). Сталь обладает требуемыми механическими свойствами, что позволяет безопасно использовать изготовленную из нее сцепку для железнодорожных вагонов в железнодорожной системе, соединяющей Россию и страны Северо-Восточной Азии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 табл.

1. Легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов, содержащая по весу 0,240% углерода (C), 0,380% кремния (Si), 1,160% марганца (Mn), 0,014% фосфора (P), 0,006% серы (S), 0,250% хрома (Cr), 0,250% никеля (Ni), 0,030% меди (Cu), 0,180% молибдена (Mo), 0,020% ванадия (V) и 0,020% алюминия (Al) в качестве основных компонентов,

а также наночастицы одного из элементов: нитрида титана (TiN), кубического нитрида бора (cBN), оксида алюминия (Al₂O₃) и диоксида циркония (ZrO₂).

2. Легированная сталь по п. 1, содержащая основные компоненты и наночастицы, отличающаяся тем, что подвергается первой термообработке при 870 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе, второй термообработке при 870 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением в воде и третьей термообработке при 570 °C в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.

3. Легированная сталь для сцепки железнодорожных вагонов, содержащая по весу 0,240% углерода (C), 0,380% кремния (Si), 1,160% марганца (Mn), 0,014% фосфора (P), 0,006% серы (S), 0,250% хрома (Cr), 0,250% никеля (Ni), 0,030% меди (Cu), 0,180% молибдена (Mo), 0,020% ванадия (V) и 0,020% алюминия (Al) в качестве основных компонентов,

а также наночастицы одного из элементов: оксида магния (MgO) или смеси, состоящей по весу из 99% оксида кремния (SiO₂) и 1% карбида кремния (SiC).