RU2773729C1 - Цельнокатаное колесо из стали - Google Patents

Цельнокатаное колесо из стали Download PDF

Info

Publication number
RU2773729C1
RU2773729C1 RU2021118906A RU2021118906A RU2773729C1 RU 2773729 C1 RU2773729 C1 RU 2773729C1 RU 2021118906 A RU2021118906 A RU 2021118906A RU 2021118906 A RU2021118906 A RU 2021118906A RU 2773729 C1 RU2773729 C1 RU 2773729C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
content
wheel
strength
carbon
Prior art date
Application number
RU2021118906A
Other languages
English (en)
Inventor
Константин Николаевич Шведов
Денис Юрьевич Хоменко
Александр Юрьевич Беспамятных
Никита Михайлович Трощенков
Андрей Владимирович Щербинин
Григорий Иванович Брюнчуков
Original Assignee
Акционерное общество «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ НТМК»)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ НТМК») filed Critical Акционерное общество «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ НТМК»)
Application granted granted Critical
Publication of RU2773729C1 publication Critical patent/RU2773729C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к цельнокатаному стальному колесу для колесных пар грузовых вагонов и путевых машин магистральных железных дорог. Цельнокатаное колесо выполнено из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод от более 0,73 до 0,78, марганец 0,60-1,00, кремний 0,22-0,65, ванадий 0,05-0,15, хром 0,2-0,4, сера 0,005-0,015, фосфор не более 0,02, никель не более 0,35, медь не более 0,25, молибден не более 0,08, титан не более 0,03, ниобий не более 0,01, железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,00015% - остальное. Колесо обладает высокими механическими свойствами и твердостью до 360-400 НВ на глубину 30 мм от поверхности катания и до не менее 330 НВ на глубину 50 мм от поверхности катания без интенсификации закалочного процесса, что способствует избежать возникновения высоких остаточных напряжений. 2 ил., 3 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу стали повышенной твердости и прочности, предназначенной для производства цельнокатаных колес колесных пар грузовых вагонов и путевых машин магистральных железных дорог.
Известна сталь повышенной твердости [1] (патент на изобретение РФ №2369658, МПК8 С22С 38/50, опубл. 10.10.2009, бюл. №28), содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, ниобий, фосфор, серу, никель, хром, медь, титан, молибден и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,60-0,72, марганец 0,50-1,80, кремний 0,22-0,65, ванадий не более 0,15, ниобий до 0,01, фосфор не более 0,035, сера 0,005-0,030, никель не более 0,30, хром не более 0,50, медь не более 0,30, титан до 0,03, молибден не более 0,08, железо остальное.
Недостатком колес, производимых из данной стали, является невозможность стабильного получения твердости не менее 360 НВ на глубине 30 мм от поверхности катания, твердости не менее 330 НВ на глубине 50 мм от поверхности катания, из за более низкого углеродного эквивалента и содержания углерода максимум - 0,72%, как следствие для стали предъявляются более низкие требования по механическим свойствам и твердости, такая характеристика как ударная вязкость на сравнительной стали совсем не оговаривается. Содержание водорода в сравнительной стали выше, что делает ее более чувствительной к образованию флокенов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является «Сталь и цельнокатаное колесо, изготовленное из нее» [2] (патент на изобретение РФ №2615425, МПК С22С 38/50, опубл. 04.04.2017), содержащая следующие компоненты, мас. %: углерод 0,73-0,77, кремний 0,30-0,50, хром не более 0,25, ванадий от более 0,1 до 0,15, сера 0,005-0,015, молибден не более 0,08, фосфор не более 0,020, медь не более 0,35, азот 0,005-0,020, никель 0,21-0,35, титан не более 0,03, ниобий не более 0,01, марганец, количество которого определяется из условия (углерод + 1/4 марганца) = 0,92-0,95, алюминий, количество которого определяется соотношением алюминий/азот = 1,5-2,0, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,0002.
Недостатком такой стали является то, что данная сталь применима лишь для производства колес с твердостью 320-360 НВ, при одновременном получении однородной перлитной структуры разной степени дисперсности, без мартенсита и бейнита. Интенсификация процесса закалки, с целью повышения твердости колес, неизбежно приводит к получению в ободе колеса промежуточных бейнитных структур, а также мартенсита, что приводит к ухудшению пластических характеристик колес, кроме того, при интенсификации режимов термообработки возникают высокие остаточные напряжения, которые нарушают необходимую конструктивную прочность колес.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание стали повышенной твердости и прочности для производства цельнокатаных колес, колесных пар грузовых вагонов и путевых машин магистральных железных дорог, которая обеспечивает повышение механических свойств и твердости колес до 360-400 НВ на глубину 30 мм от поверхности катания колеса и до не менее 330 НВ на глубину 50 мм от поверхности катания, без интенсификации закалочного процесса, что способствует избежать возникновение высоких остаточных напряжений, что в конечном итоге приведет к необходимому конструкционному прочности колеса.
Указанный технический результат достигается тем, что сталь повышенной твердости и прочности и цельнокатаное колесо, изготовленное из нее, содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, сера, фосфор, никель, медь, молибден, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод от более 0,73 до 0,78, марганец 0,60-1,00, кремний 0,22-0,65, ванадий 0,05-0,15, хром 0,20-0,40, сера 0,005-0,015, фосфор не более 0,020, никель не более 0,35, медь не более 0,25, молибден не более 0,08, титан не более 0,03, ниобий не более 0,01, железо и неизбежные примеси остальное, при этом содержание водорода в стали не более 0,00015%. При этом сталь может подбираться по углеродному эквиваленту, рассчитанному по формуле:
Figure 00000001
Где: С, Si, Mn, Cr, Мо - процентные содержания элементов.
При этом должно выполняться следующее условие: Сэкв=[0,875÷4,3].
Пределы содержания компонентов в заявляемой стали, получены опытно-экспериментальным путем.
Основными отличительными признаками заявляемого изобретения по сравнению с прототипом является: увеличение содержания углерода до от более 0,73 до 0,78 мас. %, хрома до 0,20-0,40 мас. %, меди не более 0,25 мас. %, ограничение содержания водорода не более 0,00015% и новое соотношение компонентов, а также выполнение условий по соотношению кремния, марганца, хрома, молибдена по углеродному эквиваленту от 0,875 до 1,3.
Основными элементами, упрочняющими твердый раствор, являются углерод, а также кремний и хром.
Углерод и хром являются основными карбидообразующими элементами.
Содержание углерода в пределах от более 0,73 до 0,78%, при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности определяет ее прочность. Снижение содержания углерода 0,73% или менее приводит к образованию большой доли свободного феррита (10-15%), что снижает твердость и сопротивление контактно-усталостному растрескиванию. При содержании углерода сверх 0,78% в структуре может образовываться свободный цементит на границах зерен, что приводит к снижению пластичности и ударной вязкости стали.
Содержание хрома в пределах от 0,20 до 0,40%, при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности определяет ее прочность. При содержании хрома ниже 0,20% прочность снижается. При превышении его предела в 0,40% снижаются пластические характеристики и ударная вязкость стали.
Содержание кремния в пределах от 0,22 до 0,65%, при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, необходимо для повышения прочности. При содержании кремния менее 0,22%, не происходит требуемого раскисления стали, сталь становится полуспокойной. Увеличение содержания кремния более 0,65% приводит к снижению ударной вязкости и свариваемости.
Содержание марганца в пределах от 0,60 до 1,00%, при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, вводится в состав стали, так как положительным образом влияет на прокаливаемость и закаливаемость стали. При содержании марганца менее 0,60% требуемые прочностные характеристики недостижимы. Увеличение содержания марганца свыше 1,00% снижает пластичность и ударную вязкость.
Содержание фосфора меньше или равное 0,020% (≤0,020%), при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, является вредной примесью в стали, в количестве более 0,020% резко ухудшает ударную вязкость стали. Поэтому содержание такой вредной примеси как фосфор снижено, по сравнению с аналогом, почти в два раза и ограничено содержанием не более 0,020%.
Содержание серы в пределах от 0,005-0,015%, при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, является вредной примесью в стали. При содержании серы меньше 0,005% неблагоприятно, т.к уменьшается количество сульфидных включений, сдерживающих движение свободных атомов водорода, в количестве более 0,015% способствует охрупчиванию стали и увеличению количества неметаллических включений.
Содержание меди меньше или равное 0,25% (≤0,25), при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, является сопутствующим элементом, при ее количестве выше 0,25% положительного влияния на сталь не оказывает, но увеличивает своей массовой долей углеродный эквивалент.
Содержание ванадия в пределах от 0,05 до 0,15%, ниобий не более 0,01% и титан не более 0,03% при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, являются микродобавками карбонитридообразующих элементов, способствующими дисперсионному упрочнению и измельчению зерна за счет понижения температуры перлитного превращения и предотвращения рекристаллизационных процессов.
Содержание ванадия повышает прочностные характеристики стали, способствует измельчению зерна. При содержании ниже 0,05% необходимого повышения прочности не происходит, содержании выше 0,15% является не целесообразным из-за высокой стоимости легирующего элемента.
Хром, никель, ванадий и молибден являются легирующими элементами, способствующими повышению прочностных характеристик. В данном патенте выбрано наилучшее соотношение их массовых долей для максимального повышения прочности.
Содержание никеля не более 0,35%, при заявляемом соотношении других компонентов стали повышенной твердости и прочности, оказывает положительное влияние на сопротивление хрупкому разрушению и вязкости и положительным образом влияет на ударную вязкость стали, однако при содержании никеля менее 0,35%, эффект его положительного влияния снижается ниже необходимого уровня, а превышение более 0,35% существенно увеличивается себестоимость.
Содержание молибдена не более 0,08% необходимо для повышения прочности. Содержания молибдена в стали более 0,08% не целесообразно из-за существенного увеличения себестоимости.
Для исключения образования в колесах флокенов, содержание водорода в стали ограничено не более 0,00015%.
Колеса, изготовленные из стали заявленного состава, имеют твердость стали обода на глубине 30 мм от поверхности катания колеса не менее 360 НВ, твердость стали обода на глубине 50 мм от поверхности катания колеса не менее 330 НВ, ударную вязкость KCU стали обода при температуре 20°С не менее 18 Дж/см2, ударная вязкость KCU стали диска при температуре 20°С не менее 18 Дж/см2, ударная вязкость KCU стали диска при температуре -60°С не менее 15 Дж/см2, временное сопротивление стали обода на глубине 30 мм σв, Н/мм2 не менее 1020 МПА при относительном удлинении не менее 9%, относительном сужении не менее 16%.
Содержание кремния, марганца, хрома, молибдена устанавливается в зависимости от углеродного эквивалента, который рассчитывается по формуле
Figure 00000002
Где: С, Si, Mn, Cr, Мо - процентные содержания элементов.
Исходя из необходимости выполнения условия Сэкв в пределах 0,875÷1,3.
На фиг. 1 показана зависимость величины твердости феррито-перлитной колесной стали от содержания в ней углерода.
На фиг. 2 приведено влияние химических элементов на прокаливаемость стали.
Пример конкретного применения:
Для изготовления цельнокатаных железнодорожных колес диаметром 957 мм была выплавлена опытная плавка, химический состав которой соответствует данному изобретению. Химический состав опытной плавки приведен в таблице 1.
Из заявляемой стали были изготовлены колеса диаметром 957 мм. Производство колес включало в себя следующие технологические операции:
После проката колеса подвергались термической обработке, после нагрева до температуры аустенизации (860°С) колеса подвергались закалке на закалочных машинах спрейерного типа. Охладитель для закалки обода подавался через блок клапанов, открываемых по заданному режиму охлаждения на один контур водяного охлаждения и один контур воздушного охлаждения. Тем самым обеспечивалось плавное регулируемое увеличение расхода охладителя от начального значения до оптимального. После закалки колеса подвергались охлаждению на воздухе во время транспортировки их к отпускным печам и отпуску при оптимальной температуре.
Полученные результаты испытаний приведены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что заявляемая сталь по сравнению с прототипом позволяет повысить механические свойства и твердость колес до 360-400 НВ на глубине 30 мм от поверхности катания колеса, и до не менее 330 НВ на глубине 50 мм от поверхности катания, без интенсификации закалочного процесса и избежать возникновения высоких остаточных напряжений, что обеспечивает необходимую конструкционную прочность колеса. Введение значения эквивалента (Сэкв=0,875÷,3) по углероду позволяет варьировать химический состав стали и добиваться оптимальных механических характеристик стали.
Микроструктура колес, произведенных из предлагаемой марки стали, представляет собой сорбидообразный перлит на глубину до 30 мм от поверхности катания. При содержании остаточного феррита не более 0,5% на глубине 50 мм.
Сравнение требований по механическим свойствам и твердости, предъявляемых к стали по прототипу и предлагаемому изобретению стали, приведены в таблице 3.
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005

Claims (2)

  1. Цельнокатаное колесо из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, ванадий, серу, фосфор, никель, медь, хром, молибден, титан, ниобий, железо и неизбежные примеси, отличающейся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
  2. углерод от более 0,73 до 0,78 марганец 0,60-1,00 кремний 0,22-0,65 ванадий 0,05-0,15 хром 0,2-0,4 сера 0,005-0,015 фосфор не более 0,02 никель не более 0,35 медь не более 0,25 молибден не более 0,08 титан не более 0,03 ниобий не более 0,01 железо и неизбежные примеси, в том числе водород не более 0,00015% остальное
RU2021118906A 2021-06-29 Цельнокатаное колесо из стали RU2773729C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2773729C1 true RU2773729C1 (ru) 2022-06-08

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1476586B1 (de) * 2002-02-20 2005-08-03 Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH Stahl, vollrad und radreifen für schienenfahrzeuge und verfahren zur herstellung derartiger bauelemente
RU2369658C1 (ru) * 2008-12-18 2009-10-10 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" Сталь повышенной твердости

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1476586B1 (de) * 2002-02-20 2005-08-03 Bochumer Verein Verkehrstechnik GmbH Stahl, vollrad und radreifen für schienenfahrzeuge und verfahren zur herstellung derartiger bauelemente
RU2369658C1 (ru) * 2008-12-18 2009-10-10 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" Сталь повышенной твердости

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОСТ 10791-2011, Межгосударственный стандарт, Колеса цельнокатаные. Технические условия, М.: Стандартинформ, 2011 г., марка стали Т. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110846580B (zh) 一种高Mo高性能Mn-Cr系风电输出齿轮用钢及其生产方法
CN111479945B (zh) 具有优秀硬度和冲击韧性的耐磨损钢及其制造方法
CN111748739B (zh) 一种抗拉强度>2100MPa耐热弹簧钢及其生产方法
CN108588580A (zh) 一种高纯净贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法
CN114622126A (zh) 超高强度钢丝用弹簧钢盘条及其制造方法
US8652273B2 (en) High tensile steel for deep drawing and manufacturing method thereof and high-pressure container produced thereof
CN108474089B (zh) 具有优异的低温韧性和抗氢致开裂性的厚钢板及其制造方法
CN113061815B (zh) 一种800MPa级全截面冲击性能稳定的调质态高强钢及其生产方法
CN111511952B (zh) 具有优异的硬度和冲击韧性的耐磨钢及其制造方法
CN110462083B (zh) 高硬度并且韧性优异的钢
KR100999676B1 (ko) 인장강도 및 피로강도가 우수한 밸브스프링용 선재 및 그의제조방법
RU2773729C1 (ru) Цельнокатаное колесо из стали
CN114134387B (zh) 一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法
CN114929923B (zh) 超高强度弹簧用线材、钢丝及其制造方法
KR20200021668A (ko) 인성 및 부식피로특성이 향상된 스프링용 선재, 강선 및 이들의 제조방법
CN111566249A (zh) 高强度钢板及其制造方法
KR20160149640A (ko) 초고강도 강재 및 그 제조방법
CN110172636A (zh) 一种低碳热成形钢及其制备方法
KR102174416B1 (ko) 강도 및 충격인성이 우수한 냉간압조용 저탄소 베이나이트 비조질강 및 그 제조 방법
JP3536687B2 (ja) 高耐食性および高強度を有する低C高Cr合金鋼及びその製造方法
KR101140911B1 (ko) 조질합금강급 V-Free비조질강의 제조방법
CN114207168B (zh) 用于高强度弹簧的线材和钢丝及其制造方法
KR20100046989A (ko) 고강도 비조질강 및 그 제조방법
KR102208165B1 (ko) 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재
US20240052467A1 (en) High-strength wire rod for cold heading with superior heat treatment characteristics and resistance of hydrogen-delayed fracture characteristics, heat-treated component, and method for manufacturing same