Цельнокатаное колесо из стали

Авторы патента:

Брюнчуков Григорий Иванович (RU)

Хоменко Денис Юрьевич (RU)

Беспамятных Александр Юрьевич (RU)

Щербинин Андрей Владимирович (RU)

Шведов Константин Николаевич (RU)

Трощенков Никита Михайлович (RU)

C22C38/50 - с титаном или цирконием

Владельцы патента RU 2773729:

Акционерное общество «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ НТМК») (RU)

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.

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:

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 σ_в, 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

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.

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.%:

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству горячекатаного рулонного проката из низколегированной стали для изготовления электросварных насосно-компрессорных труб. Получают непрерывнолитые заготовки из стали со следующим содержанием химических элементов, мас.%: углерод 0,28-0,32, кремний 0,25-0,45, марганец 0,8-1,4, сера не более 0,007, фосфор не более 0,015, хром не более 0,2, никель не более 0,2, медь не более 0,2, алюминий 0,02-0,08, азот не более 0,01, ниобий не более 0,01, титан не более 0,01, ванадий не более 0,01, молибден 0,001-0,01.

Упрочнённая под прессом деталь с высокой стойкостью к замедленному разрушению и способ её изготовления // 2773459

Изобретение относится к области металлургии, а именно к упрочнённой под прессом стальной детали с покрытием, имеющей предел прочности при растяжении TS в диапазоне 1400-2000 МПа и порог стойкости к замедленному разрушению σDF, составляющий σDF≥3×1016×TS-4,345+100, причем покрытие содержит Fex-Aly интерметаллические соединения, образованные в результате диффузии железа в предварительное покрытие, образованное алюминием, или сплавом на основе алюминия, или алюминиевым сплавом.

Высокопрочная горячекатаная сталь, характеризующаяся превосходной сцепляемостью окалины, и способ её изготовления // 2772064

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному горячекатаному стальному листу, используемому для изготовления крупногабаритных промышленных машин. Лист имеет состав, включающий компоненты в мас.%: 0,06 ≤ углерод ≤ 0,18, 0,01 ≤ никель ≤ 0,6, 0,001 ≤ медь ≤ 2, 0,001 ≤ хром ≤ 2, 0,001 ≤ кремний ≤ 0,8, 0 ≤ азот ≤ 0,008, 0 ≤ фосфор ≤ 0,03, 0 ≤ сера ≤ 0,03, 0,001 ≤ молибден ≤ 0,5, 0,001 ≤ ниобий ≤ 0,1, 0,001 ≤ ванадий ≤ 0,5, 0,001 ≤ титан ≤ 0,1, при необходимости по меньшей мере один элемент из: 0,2 ≤ марганец ≤ 2, 0,005 ≤ алюминий ≤ 0,1, 0 ≤ бор ≤ 0,003, 0 ≤ кальций ≤ 0,01 и 0 ≤ магний ≤ 0,010, остальное - железо и неизбежные примеси.

Лист высокопрочной стали, имеющий превосходные низкотемпературную вязкость разрушения и коэффициент удлинения, и способ его изготовления // 2771151

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листу высокопрочной стали толщиной менее 20 мм, имеющему превосходные низкотемпературную вязкость разрушения и коэффициент удлинения, используемому для изготовления трубопроводов. Лист содержит, мас.%: 0,05-0,1 углерода (C), 0,05-0,5 кремния (Si), 1,4-2,0 марганца (Mn), 0,01-0,05 алюминия (Al), 0,005-0,02 титана (Ti), 0,002-0,01 азота (N), 0,04–0,07 ниобия (Nb), 0,05-0,3 хрома (Cr), 0,05-0,4 никеля (Ni), 0,02 или менее фосфора (P), 0,005 или менее серы (S), 0,0005-0,004 кальция (Ca), при необходимости 0,3 или менее молибдена (Мо), остальное железо (Fe) и неизбежные примеси.

Лист из нетекстурированной электротехнической стали и способ его производства // 2771133

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству листа из нетекстурированной электротехнической стали, используемого в качестве материала для изготовления сердечника ротора среднего и большого размера, вращающегося с высокой скоростью, сердечника двигателя. Лист из нетекстурированной электротехнической стали имеет химический состав, содержащий, мас.%: C: не более 0,0050, Si: 3,2-5,0, Mn: не более 2,0, P: не более 0,02, S: не более 0,0050, Al: 0,5-2,0, N: не более 0,0050, Ti: не более 0,0030, Nb: не более 0,0010, V: не более 0,0050, O: не более 0,0050, при условии, что Si + Al ≥ 4,0, при необходимости по меньшей мере один элемент, выбранный из: Sn: 0,005-0,20, Sb: 0,005-0,20, Ca: 0,0005-0,010, Mg: 0,0005-0,010, РЗМ: 0,0005-0,010, Cr: 0,01-5, Cu: 0,01-5, Ni: 0,01-5, Mo: 0,0005-0,1, W: 0,001-0,1, Со: 0,01-5, As: 0,001-0,05 и В: 0,0001-0,005, остальное – Fe и неизбежные примеси.

Высокопрочная стальная пластина для кислотостойкого трубопровода и способ получения стальной пластины, высокопрочная стальная труба, в которой используется высокопрочная стальная пластина для кислотостойкого трубопровода // 2767261

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной стальной пластине, используемой для изготовления кислотостойкого трубопровода. Пластина имеет химический состав, содержащий, мас.%: C: от 0,02 до 0,08, Si: от 0,01 до 0,50, Mn: от 0,50 до 1,80, P: от 0,001 до 0,015, S: от 0,0002 до 0,0015, Al: от 0,01 до 0,08, Mo: от 0,01 до 0,50, Ca: от 0,0005 до 0,005, по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Nb: от 0,005 до 0,1 и Ti: от 0,005 до 0,1, при необходимости по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Cu: 0,50 или менее, Ni: 0,10 или менее, Cr: 0,50 или менее, V: от 0,005 до 0,1, Zr: от 0,0005 до 0,02, Mg: от 0,0005 до 0,02 и РЗМ: от 0,0005 до 0,02, остальное - Fe и неизбежные примеси.

Высокопрочная стальная пластина для кислотостойкого трубопровода, и способ получения стальной пластины, и высокопрочная стальная труба, в которой используется высокопрочная стальная пластина для кислотостойкого трубопровода // 2767260

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной стальной пластине, используемой для изготовления кислотостойкого трубопровода. Пластина имеет химический состав, содержащий в мас.%: C: от 0,02 до 0,08, Si: от 0,01 до 0,50, Mn: от 0,50 до 1,80, P: от 0,001 до 0,015, S: от 0,0002 до 0,0015, Al: от 0,01 до 0,08, Mo: от 0,01 до 0,50, Ca: от 0,0005 до 0,005, по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Nb: от 0,005 до 0,1 и Ti: от 0,005 до 0,1, при необходимости по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Cu: 0,50 или менее, Ni: 0,10 или менее, Cr: 0,50 или менее, V: от 0,005 до 0,1, Zr: от 0,0005 до 0,02, Mg: от 0,0005 до 0,02 и РЗМ: от 0,0005 до 0,02, остальное - Fe и неизбежные примеси.

Стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода со стенкой большой толщины и способ ее получения // 2765963

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стойкой к кислотам и коррозии стали для изготовления толстостенного трубопровода. Сталь содержит следующие компоненты в мас.%: С: 0,01-0,02, Si: 0,10-0,35, Mn: 0,9-1,40, P≤0,012, S≤0,0010, Nb: 0,020-0,070, Ti: 0,006-0,020, Ni≤0,30, Mo: 0,10-0,30, Cr: 0,10-0,30, Cu: 0,10-0,30, Al: 0,015-0,050, Ca: 0,0005-0,0040, при этом остатком является Fe и примеси.

Способ производства высокопрочной особонизкоуглеродистой холоднокатаной стали с отжигом в периодических печах // 2760968

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии производства холоднокатаной полосы, предназначенной для изготовления деталей автомобиля методом штамповки. Выплавляют сталь, содержащую в мас.%: углерод 0,001-0,006, кремний не более 0,3, марганец 0,3-1,6, фосфор не более 0,1, алюминий не более 0,1, титан 0,02-0,12, ниобий не более 0,02, сера не более 0,012, азот не более 0,012, хром не более 0,01, никель не более 0,07, медь не более 0,01, железо и неизбежные примеси остальное.

Способ производства горячекатаного проката из инструментальной стали // 2758716

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству инструментального высокопрочного листового проката для высокоточного машиностроительного оборудования. Осуществляют выплавку стали следующего химического состава, мас.%: углерод 0,4-0,8, кремний 0,4-1,2, марганец 0,1-0,7, сера не более 0,03, фосфор не более 0,03, хром 0,7-1,5, никель 0,001-0,5, медь 0,001-0,04, азот не более 0,012, ванадий 0,001-0,2, титан 0,001-0,15, молибден 0,001-0,3, вольфрам не более 0,2 с последующей ее разливкой.

Высокопрочный низкотемпературный свариваемый арматурный стержень // 2774692

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству из стальных непрерывнолитых высокопрочных свариваемых арматурных стержней диаметром от 12 до 36 мм, используемых в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций, а также конструкций, работающих при низких температурах до минус 170°С. Стержень получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод не более 0,10, марганец 0,60-1,80, кремний 0,05-0,60, никель 0,50-1,30, медь не более 0,40, хром не более 0,40, ванадий не более 0,03, ниобий не более 0,03, молибден не более 0,07, при необходимости титан не более 0,03, мышьяк не более 0,01 и азот не более 0,01, остальное – железо и неизбежные примеси. Стержень имеет значение углеродного эквивалента, рассчитываемое по выражению Сэкв=С+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15, составляющее не более 0,52, микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита. Арматурный стержень обладает повышенными эксплуатационными и механическими свойствами, а именно отношение σв/σт составляет не менее 1,15, значение δр≥14%, при этом при температуре минус 168°С арматурный стержень имеет предел текучести σт не менее 575 МПа, относительное равномерное удлинение δmax не менее 3%, коэффициент чувствительности к надрезу KNSR не менее 1, где δр – относительное равномерное удлинение, %, σв – временное сопротивление разрыву, МПа, σт – предел текучести, МПа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл.