СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ЛИТОЙ КОРПУС СЦЕПКИ ИЗ СТАЛИ
STEEL FOR MANUFACTURING CAST PARTS OF RAILWAY ROLLING STOCK AND CAST COUPLING CASE MADE OF STEEL

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления литых корпусов сцепок железнодорожного подвижного состава из низкоуглеродистой микролегированной стали.
Известен литой корпус сцепки, включающий в себя хвостовик и голову для размещения механизма сцепления, изготовленный из стали марки 20ГЛ, предназначенной для изготовления корпусов автосцепок железнодорожного подвижного состава и содержащей следующие компоненты, мас. %: углерод 0,17-0,25, марганец 1,10-1,40, кремний 0,30-0,50, хром не более 0,30, никель не более 0,30, медь не более 0,30 (см. ГОСТ 22703-2012 «Детали литые сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия». Москва, Стандартинформ, введён в действие с 1 марта 2013 г.).
2
После окончательной термической обработки механические свойства корпуса сцепки имеют значения не менее следующих значений: предел текучести от 450 до 500 МПа, временное сопротивление 560 МПа, относительное удлинение 15 %, относительное сужение 30 %, ударная вязкость KCV-60°С 15 Дж/см.
Технической проблемой, которая не решается известным техническим решением, является недостаточная надёжность корпусов сцепок, изготавливаемых из стали.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эксплуатационной надёжности литого корпуса сцепки железнодорожного подвижного состава за счёт повышения стабильности механических свойств стали.
Достигается указанный технический результат за счёт того, что литой корпус сцепки железнодорожного подвижного состава, изготовленный из стали и включающий в себя хвостовик и голову для размещения механизма сцепления, согласно изобретению, изготовлен из стали, содержащей следующие компоненты, мас.%: углерод от 0,17 до 0,25, марганец от 1,10 до 1,40, кремний от 0,30 до 0,50, хром не более 0,30, никель не более 0,30, медь не более 0,30, алюминий от 0,02 до 0,06, сера не более 0,04, фосфор не более 0,04, ванадий от 0,01 до менее 0,03, железо – остальное, при этом после термической обработки, включающей в себя закалку в воду с последующим высоким отпуском, он содержит равномерно распределённые в объёме стали карбонитриды ванадия размером не более 100 нм.
2
В частных случаях реализации литой корпус сцепки имеет следующие минимальные значения механических свойств: предел текучести 460 МПа, временное сопротивление 620 МПа, относительное удлинение 15 %, относительное сужение 30 %, ударная вязкость KCV-60°С 15 Дж/см.
2
В частных случаях реализации литой корпус сцепки имеет следующие средние значения механических свойств: предел текучести 519 МПа, временное сопротивление 696 МПа, относительное удлинение 15 %, относительное сужение 34 %, ударная вязкость KCV-60°С 36 Дж/см.
Количественное содержание ванадия в стали выбрано таким образом, чтобы после его введения сталь для изготовления литых корпусов сцепок содержала в своём химическом составе ванадия менее, чем нижнее граничное значение содержания ванадия в стали марки 20Г1ФЛ, составляющее 0,06 мас. %, с учётом допускаемого отклонения, составляющего ±0,03%. Таким образом, в составе стали для изготовления корпусов сцепок железнодорожного подвижного состава ванадий содержится в количестве от 0,01 % и до менее 0,03 %, то есть, не включая верхнее граничное значение данного интервала. Допускаемые отклонения содержания остальных элементов в стали для изготовления корпусов сцепок приведены в ГОСТ 22703-2012. Введение в известную сталь марки 20Г1ФЛ микродобавки ванадия в предлагаемых количествах обеспечивает повышение стабильности механических свойств стали.
Помимо введения микродобавки ванадия в химический состав, механические свойства предлагаемой стали формируются также за счёт условий последующей термической обработки. Режимы термической обработки соответствуют указанным ранее стандартам. Так, литые корпуса сцепок должны быть подвергнуты закалке в воду и высокому отпуску.
Микродобавка ванадия в сталь 20ГЛ в указанных предлагаемых количествах и последующая соответствующая термическая обработка деталей обеспечивают формирование сложных карбонитридов ванадия конфигурации V (C, N), содержание ванадия в которых не менее 80 %. Данные карбонитриды имеют малый размер (до 100 нм) и равномерно распределены по объёму металла, что в совокупности обеспечивает повышение стабильности механических свойств стали и, в конечном счёте, оказывает упрочняющее действие на детали, изготавливаемые из стали соответствующего химического состава.
В рамках серийного производства выполнен сравнительный анализ плавок, включающий в себя более 2500 плавок для корпуса сцепки без микролегирования ванадием и с добавкой ванадия для изготовления корпуса сцепки с наименьшим количеством, составляющим 0,01 %, и наибольшим количеством, составляющим менее 0,03 %.
Сравнительные характеристики свойств сталей с ванадием и без ванадия представлены в таблице.
Таблица
Механические свойства стали с ванадием и без ванадия в корпусах сцепок
Механические свойства
Сталь
Свойства выборки
Размах выборки
Среднее значение
Стандартное отклонение
Предел текучести, МПа
С ванадием
200
519
29
Без ванадия
235
488
31
Временное сопротивление, МПа
С ванадием
180
696
27
Без ванадия
220
674
31
Относительное удлинение, %
С ванадием
15
15
2
Без ванадия
17
17
4
Относительное сужение, %
С ванадием
34
34
4
Без ванадия
35
36
5
Ударная вязкость, KCV-60°С, Дж/см<sup>2</sup>
С ванадием
59
36
7
Без ванадия
64
40
9
В сталях с добавкой ванадия происходит повышение предела текучести на 30-35 МПа, повышение временного сопротивления на 15-20 МПа при сохранении уровня пластических характеристик и ударной вязкости. При этом сокращается размах выборки и уменьшается стандартное отклонение механических свойств стали (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость).
Сравнительные характеристики, представленные в таблице, показывают, что при введении в сталь 20ГЛ предлагаемого количества микродобавок ванадия и последующей термической обработке достигается повышение стабильности механических свойств стали. При этом обеспечивается повышение эксплуатационной надёжности литого корпуса сцепки железнодорожного подвижного состава. Указанное повышение надёжности обеспечивается за счёт общего повышения средних значений механических свойств, а также за счёт снижения разброса значений механических свойств, что означает сокращение объёма отбраковки отливок по причине несоответствия механических свойств и экономичность в связи с отсутствием необходимости проведения повторной термической обработки.