Сталь для монорельсов шахтных монорельсовых дорог

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для производства монорельсов шахтных монорельсовых дорог. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, алюминий, азот, железо и в качестве примесей серу и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,21-0,37, марганец 0,80-0,90, кремний 0,05-0,15, хром 0,05-0,20, никель 0,05-0,20, медь 0,03-0,20, алюминий 0,005-0,030, ванадий 0,01-0,06, азот 0,005-0,025, сера - не более 0,020, фосфор - не более 0,025, железо - остальное. Повышаются эксплуатационная стойкость и механические свойства. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для производства монорельсов шахтных монорельсовых дорог. Известна сталь Ст5Гпс [1], содержащая (в мас. %):

углерод	0,22-0,30
марганец	0,80-1,20
кремний	0,05-0,15
медь	до 0,40
хром	до 0,35
никель	до 0,35
сера	не более 0,050
фосфор	не более 0,050
железо	остальное

Существенными недостатками данной стали являются низкие прочностные свойства и ударная вязкость стали, а также связанная с этим низкая эксплуатационная стойкость профилей, изготовленных из данной стали. Известна выбранная в качестве прототипа сталь Ст5пс [1], содержащая (в мас. %):

углерод	0,28-0,37
марганец	0,50-0,80
кремний	0,05-0,15
сера	не более 0,050
фосфор	не более 0,040
железо	остальное

Существенными недостатками данной стали являются низкие механические свойства и низкая эксплуатационная стойкость монорельса для шахтных монорельсовых дорог, изготовленных из данной стали.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются повышение эксплуатационной стойкости и механических свойств монорельса для шахтных монорельсовых дорог.

Для достижения этого сталь для монорельсов шахтных монорельсовых дорог, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, железо и в качестве примесей серу и фосфор, дополнительно содержит ванадий, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

углерод	0,21-0,37
марганец	0,80-0,90
кремний	0,05-0,15
хром	0,05-0,20
никель	0,05-0,20
медь	0,03-0,20
алюминий	0,005-0,030
ванадий	0,01-0,06
азот	0,005-0,025
железо	остальное,

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%.

Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок.

Содержание углерода выбрано исходя из обеспечения достаточных прочностных свойств стали. При концентрации его в стали менее 0,21% предел текучести и временное сопротивление разрыву снижаются, а при увеличении концентрации углерода более 0,37% значения указанных характеристик превышают допустимые пределы.

Соотношение марганца выбрано исходя из того, что при содержании марганца до 0,90% обеспечивается повышение прочностных характеристик, ударной вязкости и хладостойкости, а также сопротивляемости стали трещинообразованию. Нижний предел выбран исходя из того, что марганец при содержании менее 0,80% не обеспечивает требуемый предел прочностных характеристик.

Кремний в заявляемых пределах обеспечивает повышение относительного удлинения и ударной вязкости. При концентрации кремния менее 0,05% не обеспечивается требуемая раскисленность стали, что приводит к увеличению брака по поверхностным дефектам. При содержании кремния более 0,15% повышается прочность феррита, тем самым снижаются пластические свойства и ударная вязкость стали.

Хром, никель и медь в заданных пределах обеспечивают прочностные характеристики стали. При меньшем содержании указанных элементов в сочетании с выбранными концентрационными пределами углерода, марганца и кремния не достигается требуемое соотношение пределов текучести и временного сопротивления разрыву. Увеличение концентрации хрома, никеля и меди в стали более 0,20% приводит к значительному снижению пластических свойств и ударной вязкости, способствует повышению чувствительности стали к старению.

Содержание алюминия (0,005-0,030%) выбрано исходя, с одной стороны, из необходимости получения мелкого действительного зерна, с другой, из исключения образования недопустимых глиноземистых неметаллических включений, приводящих к образованию усталостных трещин при эксплуатации монорельса.

Содержание ванадия в заданных пределах обеспечивает связывание азота в необходимое количество труднорастворимых нитридов, способствующих образованию мелкого зерна аустенита, обеспечивая тем самым получение мелкозернистой структуры и, как следствие, повышение хладостойкости и ударной вязкости как при комнатной температуре, так и после механического старения. Введение в сталь ванадия в количестве менее 0,01% не приводит к образованию мелкозернистой структуры и соответственно повышению ударной вязкости. При увеличении содержания ванадия более 0,06% в стали возрастает количество несвязанного в нитриды ванадия, который приводит к упрочнению феррита, тем самым увеличивая склонность стали к хрупкому разрушению.

Концентрация азота менее 0,005% не приводит к образованию нитридов, необходимых для измельчения действительного зерна, и, как следствие, снижает ударную вязкость при положительных и отрицательных температурах. При повышении азота более 0,025% возможны случаи возникновения пятнистой ликвации и образования пузырей в стали в результате «азотного кипения».

Ограничение содержания серы и фосфора выбрано исходя из обеспечения качества поверхности.

Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в дуговых печах ДСП-100Н10. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку монорельса требуемого профиля. Испытания проводили согласно требованиям [2]. Результаты испытаний приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости и механических свойств монорельса для шахтных монорельсовых дорог.

Таблица 1
Химический состав стали для монорельсов шахтных монорельсовых дорог, мас.%
Состав	С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	AI	V	N	Fe
1	0,21	0,03	0,82	0,005	0,015	0,05	0,03	0,05	0,005	0,03	0,003	ост
2	0,25	0,14	0,90	0,008	0,019	0,10	0,07	0,08	0,016	0,04	0,008	ост
3	0,30	0,10	0,88	0,016	0,019	0,07	0,09	0,17	0,018	0,06	0,010	ост
4	0,31	0,08	0,85	0,005	0,028	0,15	0,05	0,12	0,006	0,06	0,013	ост
5	0,27	0,10	0,90	0,020	0,020	0,09	0,16	0,09	0,009	0,05	0,022	ост
6	0,37	0,15	0,87	0,017	0,018	0,05	0,20	0,20	0,025	0,06	0,025
прототип	0,28-0,37	0,05-0,15	0,50-0,80	≤0,050	≤0,040	≤0,35	≤0,35	≤0,40	-	-	-	ост

Таблица 2
Механические свойства стали для монорельсов шахтных монорельсовых дорог
Состав	Временное сопротивление, Н/мм2	Предел текучести, Н/мм2	Относительное удлинение, %	Изгиб до параллельности сторон (а -толщина, d -диаметр оправки)	Ударная вязкость, KCU, Дж/см2
При +20°С	При -20°С	После механического старения
1	450	290	30	уд	150	100	70
2	500	310	28	уд	100	50	50
3	520	370	26	уд	100	55	60
4	560	300	29	уд	120	70	60
5	570	350	30	уд	120	70	80
6	580	320	26	уд	115	75	100
прототип	450-590	≥285	≥20	d=3a	98	49	49

Источники информации

1. ГОСТ 380-88. «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки».

2. ГОСТ 535-88. «Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия».

Сталь для монорельсов шахтных монорельсовых дорог, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, железо и в качестве примесей серу и фосфор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,21-0,37
марганец	0,80-0,90
кремний	0,05-0,15
хром	0,05-0,20
никель	0,05-0,20
медь	0,03-0,20
алюминий	0,005-0,030
ванадий	0,01-0,06
азот	0,005-0,025
железо	остальное,

при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,020%, фосфор - не более 0,025%.