СТАЛЬ ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА
STEEL OF IMPROVED QUALITY

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу стали повышенного качества, и предназначено для использования в производстве цельнокатаных колес для колесных пар тележек пассажирских вагонов магистральных железных дорог.
Известна колесная сталь, содержащая, мас.%: 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, мас.%: 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).
Недостатком известных сталей является очень 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 высокого временного сопротивления, твердости с необходимой пластичностью и вязкостью.
Наиболее распространенной и близкой по составу к стали согласно изобретению является сталь для изготовления цельнокатаных колес марки 1 по ГОСТ 10791-2004.
Известная сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод - 0,44-0,52; марганец - 0,80-1,20; кремний - 0,40-0,65; ванадий - 0,08-0,15; сера - не более 0,030; фосфор - не более 0,035; никель - не более 0,30; хром - не более 0,30; медь - не более 0,30; молибден - не более 0,08.
Однако в условиях увеличения интенсивности пассажирских перевозок и скоростей движения, сопровождающихся повышением динамической нагруженности колес и возрастанием напряжений на поверхности катания обода и в диске, к колесной стали предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и стойкости к эксплуатационным повреждениям в течение заданного ресурса. Известная сталь не удовлетворяет указанным требованиям в необходимой степени.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение металлургического качества, механических свойств (временного сопротивления, твердости, пластичности, ударной вязкости), усталостной прочности колесной стали, что обеспечивает увеличение износостойкости, контактно-усталостной прочности и трещиностойкости цельнокатаных колес.
Указанный технический результат достигается в техническом решении согласно изобретению, в котором сталь повышенного качества для цельнокатаных колес пассажирских вагонов включает, мас.%:
Углерод
0,48-0,54
Марганец
0,80-1,20
Кремний
0,45-0,65
Ванадий
0,08-0,20
Ниобий
0,02-0,05
Фосфор
не более 0,030
Сера
не более 0,020
Никель
не более 0,25
Хром
не более 0,25
Медь
не более 0,25
Титан
до 0,01
Железо
остальное
При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.
Повышения механических свойств 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 содержания колес в эксплуатации. Таким образом, необходимо альтернативное решение, обеспечивающее улучшение свойств стали и позволяющее избежать недостатков перечисленных способов.
Оптимальным решением для повышения прочности и твердости колес при сохранении пластичности и вязкости является комплексный подход, включающий умеренное повышение содержания углерода и микролегирование. В этом случае основными механизмами повышения твердости стали являются твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение и измельчение зерна. Последнее обеспечивает также увеличение пластичности и вязкости стали.
Углерод и хром являются основными карбидоообразующими элементами, упрочняющими твердый раствор. Для обеспечения временного сопротивления и твердости на требуемом уровне диапазон содержания сдвинут в сторону увеличения до 0,48-0,54%, при этом максимальное содержание хрома установлено на уровне 0,25%.
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 обеспечения указанных характеристик содержание марганца сохранено на уровне, установленном для известной стали (0,80-1,20%), а нижнее значение по кремнию увеличено до 0,45%.
Высокое содержание серы способствует охрупчиванию стали и увеличению количества неметаллических сульфидных включений, являющихся концентраторами напряжений в стали. В связи с этим ее содержание ограничено на уровне 0,020%.
Фосфор также является вредной примесью, приводящей к ослаблению межкристаллических связей за счет выделения включений хрупкой фосфидной эвтектики, поэтому его максимально допустимое содержание снижено по сравнению с известной сталью до 0,030%.
В сталь добавляется никель до 0,25% в качестве легирующего элемента, повышающего ударную вязкость, хладостойкость и сопротивление хрупкому разрушению.
Для дисперсионного упрочнения (повышения механической прочности) и измельчения зерна (повышения вязкости) за счет понижения температуры перлитного превращения и предотвращения рекристаллизационных процессов осуществляется введение микролегирующих добавок карбонитридообразующих элементов, таких как ванадий (0,08-0,20%), ниобий (0,02-0,05%) и титан (до 0,01%). Подобное микролегирование позволяет обеспечить содержание углерода на среднем уровне (0,48-0,54%), что положительно сказывается на стойкости колесной стали к тепловым воздействиям при эксплуатации.
Использование перечисленных приемов обеспечивает повышение прочностных свойств и твердости колесной стали без интенсификации закалочного процесса, что позволяет избежать возникновения высоких остаточных напряжений и обеспечить необходимую конструктивную прочность колеса. Кроме того, повышается металлургическое качество (чистота по неметаллическим включениям, структура), вязкость и трещиностойкость стали.
В таблице представлены сравнительные данные по механическим свойствам 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 ободаσ<sub>В</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
931-1128
1030-1100
880-1080
2
Относительное удлинение металла обода δ, %, не менее
12
14-18
12
3
Относительное сужение металла обода ψ, %, не менее
21
28-36
21
4
Ударная вязкость KCU металла обода при температуре 20°С, Дж/см<sup>2</sup>, не менее
30
32-38
30
5
Ударная вязкость KCU металла диска при температуре 20°С, Дж/см<sup>2</sup>, не менее
30
35-42
30
6
Твердость на глубине 30 мм от поверхности катания обода, НВ
280-320
295-310
не менее 248