КОЛЕСНАЯ СТАЛЬ
WHEEL STEEL

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.