колесная сталь
Классы МПК: | C22C38/46 с ванадием |
Автор(ы): | Павлов Вячеслав Владимирович (RU), Корнева Лариса Викторовна (RU), Годик Леонид Александрович (RU), Козырев Николай Анатольевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Новокузнецкий металлургический комбинат" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-03-01 публикация патента:
27.09.2009 |
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали для изготовления железнодорожных колес. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, медь, хром, никель, кальций, азот, железо и примеси серы, фосфора, алюминия, кислорода и водорода при следующем соотношении компонентов в мас.%: углерод 0,60-0,78, кремний 0,27-0,35, марганец 0,80-0,95, ванадий 0,07-0,12, хром 0,05-0,30, 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. Повышаются механические свойства и твердость стали, а также увеличивается эксплуатационная стойкость железнодорожных колес. 2 табл.
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 | 0,60-0,78 |
кремний | 0,27-0,35 |
марганец | 0,80-0,95 |
ванадий | 0,07-0,12 |
хром | 0,05-0,30 |
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 | 0,35-0,70 |
кремний | 0,2-0,6 |
марганец | 0,5-1,2 |
ванадий | 0,08-0,2 |
медь | 0,3-0,5 |
железо | - остальное |
Существенными недостатками данной колесной стали являются низкие механические свойства и твердость, а также низкая 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 недостаточный уровень механических характеристик колес из-за пониженного содержания кальция.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение механических свойств и твердости стали, 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 | 0,60-0,78 |
кремний | 0,27-0,35 |
марганец | 0,80-0,95 |
ванадий | 0,07-0,12 |
хром | 0,05-0,30 |
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 0,78% повышается склонность их к хрупким разрушениям и образованию термомеханических повреждений.
Соотношение марганца выбрано исходя из того, что при содержании марганца до 0,95% увеличивается прокаливаемость и обеспечивается повышение пределов прочности и текучести стали. При содержании марганца менее 0,80% не достигается требуемая прокаливаемость и твердость стали.
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 0,05 до 0,30% увеличивается прокаливаемость стали, и при выбранном режиме термообработки обеспечивается высокодисперсная структура пластинчатого перлита без образования нежелательных закалочных структур (бейнита и мартенсита). При содержании хрома менее 0,05 % наблюдается уменьшение прокаливаемости стали, и следовательно, снижение твердости по глубине обода железнодорожного колеса. При содержании хрома выше установленных пределов возрастают вероятность образования нежелательных закалочных структур и высоких остаточных напряжений, и, как следствие, больше опасность хрупких разрушений.
Установленный предел концентрации никеля (0,03-0,30%) придает стали прочность, 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 закалку, что позволит уменьшить устойчивость переохлажденного аустенита, предотвратив тем самым распад его на продукты бейнитного и мартенситного превращений. 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 образованию 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 водой поверхности ободьев колес и последующий отпуск 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 информации
1. А.с. СССР № 451785, С22С 39/00.
2. US 6663727 B2, C22С 38/40.