СТАЛЬ ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ
STEEL OF UPGRADED HARDNESS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу стали повышенной твердости, и предназначено для использования в производстве цельнокатаных колес для колесных пар грузовых вагонов и путевых машин магистральных железных дорог.
Известна колесная сталь, содержащая в вес. %: углерод - 0,35-0,70; кремний - 0,20-0,60; марганец - 0,50-1,20; ванадий - 0,08-0,2; медь - 0,3-0,5; железо - остальное (см. SU, №451785, С22С 39/00, 1974).
Известна также сталь для изготовления железнодорожных цельнокатаных колес и бандажей, содержащая в вес. %: углерод - 0,35-0,70; кремний - 0,20-0,60; марганец - 0,50-1,20; цирконий - 0,05-0,15; железо - остальное. В качестве примесей сталь может содержать фосфор не более 0,035% и серу не более 0,040% (см. SU, №673665, С22С 38/14, 1979).
Недостатками известных сталей являются широкий диапазон содержания углерода, вследствие чего сложно обеспечить стабильность твердости и механических свойств при массовом производстве колес. Кроме того, в стали, помимо ванадия и циркония, не регламентируются другие легирующие элементы, что не позволяет обеспечить оптимальный комплекс механических свойств, заключающийся в соотношении высокой твердости и прочности с необходимой пластичностью и вязкостью.
Наиболее распространенной и близкой по составу является сталь для изготовления цельнокатаных колес по ГОСТ 10791-2004.
Известная сталь содержит следующие компоненты, в мас.%: углерод - 0,55-0,65; марганец - 0,50-0,90; кремний - 0,22-0,45; ванадий - не более 0,10; сера - не более 0,030; фосфор - не более 0,035; никель - не более 0,30; медь - не более 0,30; хром - не более 0,30; молибден - не более 0,08.
Однако в условиях постоянного увеличения интенсивности перевозок, роста осевых нагрузок и массы поездов к колесной стали предъявляются повышенные требования по уровню механических свойств и твердости (320-360 НВ), которые должны обеспечивать требуемую эксплуатационную стойкость колес в течение заданного ресурса. Известная сталь не удовлетворяет указанным требованиям.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение механических свойств и твердости колесной стали, что обеспечивает увеличение прочности и износостойкости колес.
Указанный технический результат достигается в техническом решении согласно изобретению, в котором сталь повышенной твердости для цельнокатаных колес содержит в мас.%:
Углерод
0,60-0,72
Марганец
0,50-1,00
Кремний
0,22-0,65
Ванадий
не более 0,15
Сера
0,005-0,030
Фосфор
не более 0,035
Никель
не более 0,30
Медь
не более 0,30
Хром
не более 0,50
Молибден
не более 0,08
Титан
до 0,03
Ниобий
до 0,01
Железо
остальное
При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.
Повышения механических свойств и твердости колесной стали можно достичь двумя основными способами: за счет увеличения содержания углерода или добавления в большом объеме легирующих элементов. Однако для колес, являющихся массовыми и в то же время высокоответственными изделиями, использование какого-либо способа по отдельности нецелесообразно, так как легирование заметно повышает стоимость колес и снижает их конкурентоспособность, а повышенное содержание углерода приводит к снижению ударной вязкости, надежности стали по отношению к хрупким разрушениям и обрабатываемости, что важно с точки зрения технического обслуживания при эксплуатации. Таким образом, необходимо было найти альтернативное решение, обеспечивающее повышение механических свойств и твердости колесной стали и позволяющее избежать недостатков перечисленных способов.
Оптимальным решением для повышения механических свойств и твердости колес при сохранении пластичности и вязкости является комплексный подход, включающий умеренное повышение содержания углерода и микролегирование. Основными механизмами повышения твердости стали являются твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение и измельчение зерна. Последнее приводит также к увеличению пластичности и вязкости стали.
Основными элементами, упрочняющими твердый раствор, являются углерод, а так же кремний и хром. На чертеже показана зависимость величины твердости перлито-ферритной колесной стали от содержания в ней углерода.
Углерод и хром являются основными карбидоообразующими элементами. Установлено, что для повышения механических свойств и твердости до требуемого уровня максимальное содержание углерода должно быть увеличено до 0,72%, а хрома до 0,50%.
Воздействие марганца и кремния на механические свойства колес проявляются как через упрочнение твердого раствора, так и через влияние на раскисляемость и прокаливаемость колесной стали. Для улучшения указанных характеристик верхние пределы содержания марганца и кремния повышены соответственно на 0,1% и 0,2% по сравнению с известной сталью.
Высокое содержание серы более 0,030% способствует охрупчиванию стали и увеличению количества неметаллических включений. Чрезмерно низкое содержание также неблагоприятно, так как из-за уменьшения количества сульфидных включений, сдерживающих движение свободных атомов водорода, повышается флокеночувствительность стали. В связи с этим минимально допустимое содержание серы ограничено на уровне 0,005%.
В сталь добавляется никель до 0,30% в качестве элемента, повышающего сопротивление хрупкому разрушению.
Для дисперсионного упрочнения и измельчения зерна за счет понижения температуры перлитного превращения и предотвращения рекристаллизационных процессов необходимы микродобавки карбонитридообразующих элементов, таких как ванадий (до 0,15%), и дополнительное введение ниобия (до 0,01%) и титана (до 0,03%).
В таблице представлены сравнительные данные по механическим свойствам и твердости стали согласно изобретению и известной стали.
Таблица
№
Наименование параметра
Сталь согласно изобретению
Сталь согласно изобретению при оптимальных значениях компонентов
Известная сталь по прототипу
1
Временное сопротивление металла обода σ<sub>В</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
1020-1180
1080-1125
910-1110
2
Относительное удлинение металла обода δ, %, не менее
9
11-16
8
3
Относительное сужение металла обода ψ, %, не менее
16
24-36
14
4
Ударная вязкость KCU металла обода при температуре 20°С, Дж/см<sup>2</sup>, не менее
16
16-30
20
5
Ударная вязкость KCU металла диска при температуре 20°С, Дж/см<sup>2</sup>, не менее
18
18-28
20
6
Твердость на глубине 30 мм от поверхности катания обода, НВ
320-360
325-341
не менее 255
Использование перечисленных приемов позволяет повысить механические свойства и твердость колесной стали до 320-360 НВ без интенсификации закалочного процесса и избежать возникновения высоких остаточных напряжений, что обеспечивает необходимую конструктивную прочность колеса.