Сталь для изготовления железнодорожных колёс

Авторы патента:

Бройтман Олег Аркадьевич (RU)

Терентьев Максим Игоревич (RU)

Савушкин Роман Александрович (RU)

Безобразов Юрий Алексеевич (RU)

Орлова Анна Михайловна (RU)

Кякк Кирилл Вальтерович (RU)

C22C38/46 - с ванадием

Владельцы патента RU 2618033:

РЕЙЛ 1520 АйПи ЛТД (CY)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали для изготовления стальных колёс для рельсового транспорта. Сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод от 0,45 до 0,60, кремний от 0,38 до 0,50, марганец от 0,80 до 1,00, ванадий не более 0,15, хром от 0,80 до 1,00, фосфор не более 0,02, сера не более 0,015, медь не более 0,3, никель не более 0,25, алюминий не более 0,04, железо – остальное. Достигается повышение механических и эксплуатационных свойств стали, предназначенной для изготовления железнодорожных колёс методами обработки металлов давлением и литья.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении стальных железнодорожных колёс для рельсового транспорта.

Известна колёсная сталь (а.с. 451785, C22C39/00, опубл. 30.11.1974), имеющая следующий химический состав компонентов, %:

углерод 0,35–0,70;

кремний 0,20–0,60;

марганец 0,50-1,20;

ванадий 0,08–0,20;

медь 0,30–0,50;

железо – остальное.

Данная известная колёсная сталь имеет недостаточные твёрдость, усталостную прочность и трещиностойкость.

Известен стальной сплав для железнодорожных колёс (US 6663727 В2, C22C38/00, C22C38/40, C21D9/34, опубл. 20.06.2002), принятый за наиболее близкий аналог, который содержит, мас.%:

углерод от 0,40 до 0,77;

кремний от 0,25 до 0,60;

марганец от 0,40 до 1,20;

алюминий до 0,06;

фосфор до 0,03;

сера до 0,03;

никель до 0,35;

хром до 0,35;

кальций до 0,005;

азот до 0,015;

железо и примеси – остальное.

Известный стальной сплав обладает высоким сопротивлением к разрушению обода. Однако сплав характеризуется низкой ударной вязкостью и относительно низкой износостойкостью.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в улучшении механических свойств (прочность, твёрдость, ударная вязкость) и эксплуатационных свойств (износостойкость, трещиностойкость, хладостойкость) стали для изготовления колёс рельсовых транспортных средств.

Достигается указанный технический результат тем, что сталь для изготовления железнодорожных колёс содержит следующие компоненты, мас. %:

углерод от 0,45 до 0,60;

кремний от 0,38 до 0,50;

марганец от 0,80 до 1,00;

ванадий не более 0,15;

хром от 0,80 до 1,00;

фосфор не более 0,02;

сера не более 0,015;

медь не более 0,30;

никель не более 0,25;

алюминий не более 0,04;

железо – остальное.

Химический состав предлагаемой стали подобран на основе следующих предпосылок.

Содержание в предлагаемой стали углерода в пределах (0,45-0,60)% обеспечивает необходимые прочность, твёрдость, износостойкость и трещиностойкость. При содержании углерода менее 0,45% уменьшается количество карбидной фазы, поэтому снижаются прочностные характеристики и износостойкость. При содержании углерода более 0,6 % увеличивается склонность к хрупким разрушениям.

Для обеспечения требуемой прокаливаемости и увеличения твердорастворного упрочнения содержание кремния установлено на уровне (0,38-0,50)% и марганца на уровне (0,80-1,00)%.

Содержание ванадия не более 0,15% обеспечивает более стойкую карбидную фазу VC (карбид ванадия), которая позволяет контролировать размер зерен аустенита. Малый размер и равномерное распределение карбидов ванадия способствуют упрочнению стали и повышению ударной вязкости.

Хром является основным карбидообразующим элементом. Содержание хрома от 0,80 до 1,00% обеспечивает требуемую прокаливаемость стали, сохранение прочности при повышенных температурах, позволяет повысить износостойкость стали благодаря карбидам хрома, а также способствует формированию мелкодисперсной структуры перлита.

Содержание фосфора не более 0,02% и серы не более 0,015% является оптимальным, так как повышенное содержание этих компонентов негативно сказывается на ударной вязкости, особенно при пониженных температурах.

Содержание меди до 0,3% обеспечивает стабильность прочностных характеристик стали при сохранении требуемого уровня ударной вязкости.

Никель с пределом концентрации до 0,25% необходим для повышения ударной вязкости, хладостойкости и сопротивления хрупкому разрушению.

Нитриды алюминия способны активно сдерживать рост зерен аустенита, что способствует формированию мелкодисперсной структуры и, как следствие, увеличению ударной вязкости. Но из-за вторичного окисления струи металла при разливке повышается уровень брака, поэтому содержание алюминия ограничено 0,04%.

Сталь предлагаемого химического состава позволяет производить высокопрочные железнодорожные колёса как методами обработки металлов давлением, так и методами литья. Для изготовления стальных литых железнодорожных колёс высокие характеристики механических и эксплуатационных свойств должны задаваться, в первую очередь, химическим составом стали, её модифицированием, сплошностью литой структуры в отливке, а также последующими операциями термической обработки и дробенаклепа.

Изобретение осуществляют следующим образом на примере изготовления литых железнодорожных колёс.

С помощью аналитических термодинамических методов и методов компьютерного моделирования установлен оптимальный химический состав стали, который обеспечивает необходимый комплекс свойств. Теоретические расчеты подтвердились хорошим совпадением с результатами контроля механических свойств и параметров микроструктуры материала колёс, изготовленных в ходе серии экспериментальных плавок.

Литые колёса из серии опытных плавок с заявленным химическим составом, прошедшие термическую обработку (закалка обода и последующий отпуск), обладают высокими прочностными и эксплуатационными свойствами при сохранении требуемого уровня пластических свойств и ударной вязкости, в том числе:

- твёрдость обода на глубине 30 мм от поверхности катания не менее 330 HB;

- временное сопротивление обода не менее 1050 МПа;

- ударная вязкость в ободе при +20 °С не менее 25 Дж/см²;

- ударная вязкость в диске при +20 °С не менее 32 Дж/см²;

- ударная вязкость в диске при -60 °С не менее 16 Дж/см²;

- твёрдость диска не менее 230 HB;

- временное сопротивление диска не менее 900 МПа.

Сталь для изготовления железнодорожных колёс, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, фосфор, серу, медь, никель, алюминий и железо, отличающаяся тем, что она содержит следующие компоненты, мас.%:

углерод	от 0,45 до 0,60
кремний	от 0,38 до 0,50
марганец	от 0,80 до 1,00
ванадий	не более 0,15
хром	от 0,80 до 1,00
фосфор	не более 0,02
сера	не более 0,015
медь	не более 0,30
никель	не более 0,25
алюминий	не более 0,04
железо	остальное

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных конструкционных сталей, используемых в оборудовании для холодной обработки давлением, в конструкциях летательных аппаратов, в транспортном, горнодобывающем и дорожно-строительном машиностроении, в деталях и механизмах, длительно сопротивляющимся постоянным и знакопеременным нагрузкам в широком диапазоне температур.

Коррозионно-стойкая сталь для бесшовных горячекатаных насосно-компрессорных и обсадных труб повышенной эксплуатационной надежности и трубы, выполненные из нее // 2594769

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким сталям, используемым для производства бесшовных горячекатаных насосно-компрессорных и обсадных труб, работающих в условиях высокой концентрации углекислого газа и сероводорода в составе перекачиваемой углеводородной среды на месторождениях, расположенных в арктических районах.

Высокопрочная коррозионно-стойкая свариваемая сталь // 2586193

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных коррозионно-стойких сталей, используемых для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении, судостроении, авиации и железнодорожном транспорте.

Сталь для производства железнодорожных бандажей // 2580764

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу конструкционной стали повышенной прочности и трещиностойкости, используемой для изготовления высоконагруженных бандажей колес тягового подвижного состава железных дорог.

Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса // 2576773

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионностойким сталям переходного класса, используемым для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении и судостроении, работающих в условиях воздействия коррозионной среды.

Труба из стали, стойкой к коррозии в среде углеводорода и углекислого газа // 2564191

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению труб для добычи нефти и газа, которые могут эксплуатироваться как в обычных условиях, так и в условиях коррозионного воздействия со стороны добываемого флюида в присутствии сероводорода (H2S) и углекислого газа (CO2).

Высокопрочная хладостойкая сталь // 2562734

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве толстолистового проката из стали высокой прочности, хладостойкости и улучшенной свариваемости для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении.

Труба нефтяная горячедеформированная // 2555309

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к горячедеформированным насосно-компрессорным трубам и муфтам к ним, изготавливаемым из конструкционных сталей.

Двухслойный стальной листовой прокат и изделие, выполненное из него // 2532755

Изобретение относится к области металлургии, а именно к двухслойному листовому прокату толщиной 10-50 мм, состоящему из слоя износостойкой стали и слоя свариваемой стали, для изготовления сварных конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу и работающих при температуре до -40°C.

Сталь // 2532662

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высококачественным легированным конструкционным сталям, применяемым для изготовления силовых деталей, шестерен и валов, поверхности которых упрочняют азотированием.

Металл сварного шва и сварная конструкция с его использованием // 2623527

Изобретение относится к области металлургии, а именно к металлу сварного шва, применяемому в сварных конструкциях. Металл сварного шва, содержащий в мас. %: С от 0,02 до 0,10, Si от 0,10 до 0,60, Mn от 0,90 до 2,5, Ni от 0,20 до 2,00, Cr от 0,05 до 1,0, Мо от 0,10 до 1,50, Ti от 0,040 до 0,15, В от 0,0010 до 0,0050, О от 0,030 до 0,100, и N 0,015 или менее, железо и неизбежные примеси – остальное. Средний диаметр эквивалентной окружности карбидов, имеющих диаметр эквивалентной окружности 0,40 мкм или более, среди присутствующих на границах зерен металла сварного шва карбидов, составляет 0,75 мкм или менее. Металл сварного шва имеет высокие значения низкотемпературной ударной вязкости при более низких температурах, прочности после SR-отжига, а также при применении дуговой сварки в защитном газе с использованием проволоки с флюсовой сердцевиной. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 табл., 1 пр.

Сплав на основе железа // 2630916

Изобретение относится к области металлургии, а именно к атмосферостойкой стали, используемой для изготовления высокопрочных болтов, гаек и шайб. Сталь содержит углерод, марганец, фосфор, серу, кремний, хром, никель, медь, молибден, ванадий, титан и железо при следующем соотношении, мас.%: углерод от более 0,3 до 0,42, марганец 0,4-1,4, фосфор не более 0,02, сера не более 0,02, кремний 0,15-0,37, хром 0,3-1,0, никель 0,2-0,8, медь 0,2-0,6, молибден 0,15-0,25, ванадий 0,1-0,18, титан не более 0,05, железо остальное. Повышается стойкость к замедленному хрупкому разрушению и к коррозионному растрескиванию. 1 табл.

Литая штамповая сталь // 2647954

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к литым штамповым сталям. Может использоваться для изготовления инструмента горячего деформирования. Литая штамповая сталь содержит, мас. %: углерод 0,2-0,3; кремний 0,5-1,0; марганец 0,8-1,2; хром 6,5-7,0; никель 2,0-2,5; молибден 0,35-0,45; ванадий 0,8-1,2; барий 0,002-0,004; сурьма 0,002-0,004; серебро 0,02-0,04; медь 1,0-1,6; алюминий 0,2-0,25; железо - остальное. Сталь обладает высокой теплостойкостью. 1 табл.