колесная сталь

Формула изобретения

Колесная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, медь, азот, кальций, железо и примеси серы, фосфора, алюминия, кислорода и водорода, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,60-0,73
кремний	0,27-0,35
марганец	0,80-1,05
ванадий	0,07-0,12
хром	0,60-0,90
никель	0,03-0,30
медь	0,03-0,30
азот	0,012-0,020
кальций	от более 0,005 до 0,008
сера	не более 0,020
фосфор	не более 0,020
алюминий	не более 0,005
кислород	не более 0,0025
водород	не более 0,0002
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

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

углерод	0,25-0,40
кремний	0,25-0,45
марганец	1,5-2,0
хром	2,2-3,0
ванадий	0,1-0,25
сера	до 0,035
фосфор	до 0,035
железо	- остальное

Существенными недостатками данной колесной стали являются неоднородность структуры по сечению обода колеса за счет образования игольчатых закалочных структур (бейнит и мартенсит), а также низкие эксплуатационная стойкость железнодорожных колес.

Известна выбранная в качестве прототипа колесная сталь [2], содержащая (в мас.%):

углерод	0,4-0,77
кремний	0,25-0,60
марганец	0,4-1,2
ванадий	0,1
хром	0,35
никель	0,35
медь	0,35
азот	0,0015-0,015
кальций	0,005
сера	0,030
фосфор	0,030
алюминий	0,003-0,06
кислород	0,0005-0,003
водород	0,00025
железо	- остальное

Недостатком данной стали является то, что для достижения требуемого уровня механических характеристик требуется проведение термической обработки колес.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение механических свойств и твердости стали за счет образования однородной структуры пластинчатого перлита без применения термической обработки, а также увеличение эксплуатационной стойкости железнодорожных колес.

Для достижения этого колесная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, медь, азот, кальций, железо и примеси серы, фосфора, алюминия, кислорода и водорода, отличается тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении (в мас.%)

углерод	0,60-0,73
кремний	0,27-0,35
марганец	0,80-1,05
ванадий	0,07-0,12
хром	0,60-0,90
никель	0,03-0,30
медь	0,03-0,30
азот	0,012-0,020
кальций	от более 0,005 до 0,008
сера	не более 0,020
фосфор	не более 0,020
алюминий	не более 0,005
кислород	не более 0,0025
водород	не более 0,0002
железо	- остальное

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Содержание углерода выбрано исходя из обеспечения повышения твердости и контактной прочности стали. При концентрации его в стали менее 0,60% в структуре уменьшается количество высокодисперсной карбидной фазы пластинчатой формы и увеличивается доля зернограничного феррита, что приводит к снижению контактной прочности железнодорожных колес, а при увеличении концентрации углерода более 0,73% повышается склонность их к хрупким разрушениям и образованию термомеханических повреждений.

Соотношение марганца выбрано исходя из того, что при содержании марганца до 1,05% увеличивается прокаливаемость стали, что не требует закалочного водяного охлаждения для обеспечения требуемых механических свойств. Нижний предел выбран исходя из того, что марганец при содержании менее 0,80% слабо оказывает влияние на прокаливаемость стали и соответственно не обеспечивает повышение комплекса механических свойств железнодорожных колес.

Кремний в заявляемых пределах обеспечивает повышение ударной вязкости и хладостойкости стали. При концентрации кремния менее 0,27% не достигается повышения указанных характеристик. При содержании кремния более 0,35% значительно снижается пластичность и вязкость феррита, что увеличивает склонность стали к трещинообразованию.

При содержании хрома от 0,60 до 0,90% достигается повышение твердости, прочности, пластичности, ударной вязкости стали без закалочного водяного охлаждения за счет распада аустенита в области низких температур перлитного превращения. При содержании хрома менее 0,60% наблюдается уменьшение прокаливаемости стали, и как следствие снижение всего комплекса механических свойств.

Установленный предел концентрации никеля (0,03-0,30%) придает стали высокую пластичность и ударную вязкость. Содержание никеля более 0,30% нецелесообразно из экономических соображений.

Содержание меди в заявляемых пределах обеспечивает повышение предела временного сопротивления разрыву и относительного удлинения без снижения ударной вязкости, при увеличении концентрации меди более 0,30% резко уменьшаются значения ударной вязкости стали.

Содержание алюминия (менее 0,005%) выбрано исходя из исключения образования недопустимых строчечных включений глинозема, увеличивающих склонность железнодорожных колес к образованию контактно-усталостных трещин и выщерблин при эксплуатации.

Совместное введение в сталь карбонитридообразующих элементов - ванадия и азота - предусмотрено для стабилизации зерна аустенита при нагреве под нормализацию (или прерывистую закалку воздухом). Исходя из этого установлено оптимальное содержание ванадия 0,07-0,12% и азота 0,012-0,020%. При меньших концентрациях ванадия и азота не обеспечивается требуемое измельчение аустенитного зерна. Верхний предел концентрации ванадия выбран исходя из экономических соображений. При повышении азота более 0,020% возможны случаи возникновения пятнистой ликвации и образования пузырей в стали в результате «азотного кипения».

Содержание кальция выбрано исходя из обеспечения требуемой концентрации кислорода в стали, при концентрации до 0,005% не обеспечивается требуемая концентрация кислорода, а при увеличении более 0,008 возрастает загрязненность стали неметаллическими включениями.

Ограничение содержания серы, фосфора, кислорода и водорода выбрано исходя из обеспечения качества поверхности и эксплуатационной стойкости железнодорожных колес.

Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в 160-тонных кислородных конвертерах. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ, осуществляли прокатку и термообработку железнодорожных колес. Термическая обработка включала нагрев колес в кольцевой печи до температуры 820-850°С, прерывистое охлаждение воздухом поверхности ободьев колес и последующий самоотпуск при температуре 450°С. Результаты испытаний приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение механических свойств, твердости и износостойкости железнодорожных колес.

Список источников

1. А.с СССР №336336, С22С 39/00.

2. US 6663727 В2, С22С 38/40.

Таблица 1.
Химический состав стали, мас.%
Состав	С	Si	Mn	V	Cr	Ni	Cu	Са	N	AI	S	Р	O	Н	Fe
1	0,60	0,27	0,80	0,07	0,60	0,03	0,03	0,0003	0,012	0,005	0,020	0,020	0,0025	0,0002	ост
2	0,63	0,29	0,82	0,12	0,76	0,18	0,09	0,005	0,018	0,005	0,009	0,018	0,0020	0,0001	ост
3	0,66	0,33	0,88	0,09	0,75	0,25	0,08	0,0013	0,019	0,003	0,008	0,010	0,0020	0,0002	ост
4	0,69	0,32	0,90	0,11	0,65	0,29	0,23	0,0021	0,018	0,004	0,012	0,012	0,0020	0,0001	ост
5	0,71	0,29	0,93	0,10	0,88	0,20	0,29	0,0006	0,016	0,003	0,012	0,012	0,0012	0,0002	ост
6	0,73	0,35	1,05	0,12	0,90	0,30	0,30	0,008	0,020	0,005	0,018	0,018	0,0015	0,0001
прототип	0,25-0,40	0,25-0,45	1,5-2,0	0,1-0,25	2,2-3,0		0,3-0,5		-		<0,035	<0,035			ост

Таблица 2
Механические свойства стали
Состав	в, кгс/мм2	, %	, %	KCU+20C	KCU-20C	KCU-60C	HB	Структура
1	112	14	26	5	3	1	320	перлит
2	115	16	30	6	4	0,5	330	перлит
3	116	18	32	5	3	1	335	перлит
4	119	16	30	4	5	2	345	перлит
5	120	12	34	6	4	3	357	перлит
6	128	15	35	6	5	3	360	перлит
прототип	130	15	30	7	4	-	-	-