Результат интеллектуальной деятельности: СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЁС

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.