RU2371510C1

RU2371510C1 - Steel of improved quality

Info

Publication number: RU2371510C1
Application number: RU2008135506/02A
Authority: RU
Inventors: Андрей Сергеевич Разумов (RU); Андрей Сергеевич Разумов; Алексей Владимирович Сухов (RU); Алексей Владимирович Сухов; Георгий Анатольевич Филиппов (RU); Георгий Анатольевич Филиппов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2009-10-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy field, particularly to content of steel of increased quality, provided for manufacturing of solid-rolled wheel of wheel pairs of passenger-car trucks of main-line railways. Steel contains carbon, silicon, manganese, vanadium, niobium, phosphorus, sulphur, nickel, chrome, copper, titanium an iron at following correlation of components, wt %: carbon 0.48-0.54, manganese 0.80-1.20, silicon 0.45-0.65, vanadium 0.08-0.20, niobium 0.02-0.05, phosphorus not more than 0.030, sulphur not more than 0.020, nickel not more than 0.25, chrome not more than 0.25, copper not more than 0.25, titanium up to 0.01, iron is the rest.

EFFECT: there are increased mechanical properties, fatigue strength, wear resistance and fracture strength of solid-rolled wheel.

1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу стали повышенного качества, и предназначено для использования в производстве цельнокатаных колес для колесных пар тележек пассажирских вагонов магистральных железных дорог.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the composition of high-quality steel, and is intended for use in the production of seamless-rolled wheels for wheelsets of bogies of passenger railroad cars.

Известна колесная сталь, содержащая, мас.%: углерод - 0,35-0,70; кремний - 0,20-0,60; марганец - 0,50-1,20; ванадий - 0,08-0,2; медь - 0,3-0,5; железо - остальное (см. SU №451785, С22С 39/00, 1974).Known wheel steel, containing, wt.%: Carbon - 0.35-0.70; silicon - 0.20-0.60; Manganese - 0.50-1.20; vanadium - 0.08-0.2; copper - 0.3-0.5; iron - the rest (see SU No. 451785, C22C 39/00, 1974).

Известна также сталь для изготовления железнодорожных цельнокатаных колес и бандажей, содержащая, мас.%: углерод - 0,35-0,70; кремний - 0,20-0,60; марганец - 0,50-1,20; цирконий - 0,05-0,15; железо - остальное. В качестве примесей сталь может содержать фосфор не более 0,035% и серу не более 0,040% (см. SU №673665, С22С 38/14, 1979).Steel is also known for the manufacture of railway solid-rolled wheels and tires, containing, wt.%: Carbon - 0.35-0.70; silicon - 0.20-0.60; Manganese - 0.50-1.20; zirconium - 0.05-0.15; iron is the rest. As impurities, steel may contain phosphorus not more than 0.035% and sulfur not more than 0.040% (see SU No. 673665, C22C 38/14, 1979).

Недостатком известных сталей является очень широкий диапазон содержания углерода, вследствие чего сложно обеспечить стабильность твердости и механических свойств при массовом производстве колес. Кроме того, в стали, помимо ванадия и циркония, не регламентируются другие легирующие элементы, что не позволяет обеспечить оптимальный комплекс механических свойств, заключающийся в соотношении высокого временного сопротивления, твердости с необходимой пластичностью и вязкостью.A disadvantage of known steels is a very wide range of carbon content, which makes it difficult to ensure stability of hardness and mechanical properties in the mass production of wheels. In addition, in steel, in addition to vanadium and zirconium, other alloying elements are not regulated, which does not allow to provide the optimal complex of mechanical properties, which consists in the ratio of high temporary resistance, hardness with the necessary ductility and toughness.

Наиболее распространенной и близкой по составу к стали согласно изобретению является сталь для изготовления цельнокатаных колес марки 1 по ГОСТ 10791-2004.The most common and close in composition to steel according to the invention is steel for the manufacture of seamless-rolled wheels of grade 1 according to GOST 10791-2004.

Известная сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод - 0,44-0,52; марганец - 0,80-1,20; кремний - 0,40-0,65; ванадий - 0,08-0,15; сера - не более 0,030; фосфор - не более 0,035; никель - не более 0,30; хром - не более 0,30; медь - не более 0,30; молибден - не более 0,08.Known steel contains the following components, wt.%: Carbon - 0.44-0.52; Manganese - 0.80-1.20; silicon - 0.40-0.65; vanadium - 0.08-0.15; sulfur - not more than 0,030; phosphorus - not more than 0.035; nickel - not more than 0.30; chrome - not more than 0.30; copper - not more than 0.30; molybdenum - not more than 0.08.

Однако в условиях увеличения интенсивности пассажирских перевозок и скоростей движения, сопровождающихся повышением динамической нагруженности колес и возрастанием напряжений на поверхности катания обода и в диске, к колесной стали предъявляются высокие требования по обеспечению надежности и стойкости к эксплуатационным повреждениям в течение заданного ресурса. Известная сталь не удовлетворяет указанным требованиям в необходимой степени.However, in conditions of increasing passenger traffic intensity and driving speeds, accompanied by an increase in dynamic wheel loading and an increase in stresses on the surface of the rim and in the disk, high demands are placed on the wheel steel to ensure reliability and resistance to operational damage during a given resource. Known steel does not meet the specified requirements to the necessary extent.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение металлургического качества, механических свойств (временного сопротивления, твердости, пластичности, ударной вязкости), усталостной прочности колесной стали, что обеспечивает увеличение износостойкости, контактно-усталостной прочности и трещиностойкости цельнокатаных колес.The technical result to which the invention is directed is to increase metallurgical quality, mechanical properties (temporary resistance, hardness, ductility, toughness), fatigue strength of wheel steel, which provides increased wear resistance, contact fatigue strength and crack resistance of seamless-rolled wheels.

Указанный технический результат достигается в техническом решении согласно изобретению, в котором сталь повышенного качества для цельнокатаных колес пассажирских вагонов включает, мас.%:The specified technical result is achieved in the technical solution according to the invention, in which high-quality steel for solid-rolled wheels of passenger cars includes, wt.%:

УглеродCarbon 0,48-0,540.48-0.54 МарганецManganese 0,80-1,200.80-1.20 КремнийSilicon 0,45-0,650.45-0.65 ВанадийVanadium 0,08-0,200.08-0.20 НиобийNiobium 0,02-0,050.02-0.05 ФосфорPhosphorus не более 0,030no more than 0,030 СераSulfur не более 0,020no more than 0,020 НикельNickel не более 0,25no more than 0.25 ХромChromium не более 0,25no more than 0.25 МедьCopper не более 0,25no more than 0.25 ТитанTitanium до 0,01up to 0.01 ЖелезоIron остальноеrest

При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.When establishing the necessary ratio of components, we proceeded from the following premises.

Повышения механических свойств стали можно достичь двумя основными способами: за счет увеличения содержания углерода или добавления в большом объеме легирующих элементов. Однако для колес, являющихся массовыми и в то же время высокоответственными изделиями, использование какого-либо способа по отдельности нецелесообразно, так как легирование заметно повышает стоимость колес и снижает их конкурентоспособность, а повышенное содержание углерода приводит к снижению ударной вязкости, надежности стали по отношению к хрупким разрушениям и обрабатываемости, что важно с точки зрения технического содержания колес в эксплуатации. Таким образом, необходимо альтернативное решение, обеспечивающее улучшение свойств стали и позволяющее избежать недостатков перечисленных способов.Improving the mechanical properties of steel can be achieved in two main ways: by increasing the carbon content or adding a large amount of alloying elements. However, for wheels, which are massive and at the same time highly responsible products, the use of any method separately is impractical, since alloying significantly increases the cost of the wheels and reduces their competitiveness, and the increased carbon content leads to a decrease in toughness and reliability of steel in relation to brittle fracture and machinability, which is important from the point of view of the technical content of the wheels in operation. Thus, an alternative solution is needed to improve the properties of steel and to avoid the disadvantages of the above methods.

Оптимальным решением для повышения прочности и твердости колес при сохранении пластичности и вязкости является комплексный подход, включающий умеренное повышение содержания углерода и микролегирование. В этом случае основными механизмами повышения твердости стали являются твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение и измельчение зерна. Последнее обеспечивает также увеличение пластичности и вязкости стали.The optimal solution to increase the strength and hardness of the wheels while maintaining ductility and viscosity is an integrated approach that includes a moderate increase in carbon content and microalloying. In this case, the main mechanisms for increasing the hardness of steel are solid solution hardening, precipitation hardening, and grain refinement. The latter also provides an increase in ductility and toughness of steel.

Углерод и хром являются основными карбидоообразующими элементами, упрочняющими твердый раствор. Для обеспечения временного сопротивления и твердости на требуемом уровне диапазон содержания сдвинут в сторону увеличения до 0,48-0,54%, при этом максимальное содержание хрома установлено на уровне 0,25%.Carbon and chromium are the main carbide-forming elements that strengthen the solid solution. To ensure temporary resistance and hardness at the required level, the content range is shifted upwards to 0.48-0.54%, while the maximum chromium content is set at 0.25%.

Воздействие марганца и кремния на механические свойства колес проявляются как через упрочнение твердого раствора, так и через влияние на раскисляемость и прокаливаемость колесной стали. Для обеспечения указанных характеристик содержание марганца сохранено на уровне, установленном для известной стали (0,80-1,20%), а нижнее значение по кремнию увеличено до 0,45%.The effect of manganese and silicon on the mechanical properties of wheels is manifested both through hardening of the solid solution and through the effect on the deoxidizability and hardenability of wheel steel. To ensure these characteristics, the manganese content is maintained at the level established for the known steel (0.80-1.20%), and the lower value for silicon is increased to 0.45%.

Высокое содержание серы способствует охрупчиванию стали и увеличению количества неметаллических сульфидных включений, являющихся концентраторами напряжений в стали. В связи с этим ее содержание ограничено на уровне 0,020%.The high sulfur content contributes to the embrittlement of steel and an increase in the number of non-metallic sulfide inclusions, which are stress concentrators in steel. In this regard, its content is limited at the level of 0.020%.

Фосфор также является вредной примесью, приводящей к ослаблению межкристаллических связей за счет выделения включений хрупкой фосфидной эвтектики, поэтому его максимально допустимое содержание снижено по сравнению с известной сталью до 0,030%.Phosphorus is also a harmful impurity, leading to weakening of intercrystalline bonds due to the isolation of fragile phosphide eutectic inclusions, therefore its maximum permissible content is reduced in comparison with known steel to 0.030%.

В сталь добавляется никель до 0,25% в качестве легирующего элемента, повышающего ударную вязкость, хладостойкость и сопротивление хрупкому разрушению.Nickel is added to steel up to 0.25% as an alloying element that increases toughness, cold resistance and resistance to brittle fracture.

Для дисперсионного упрочнения (повышения механической прочности) и измельчения зерна (повышения вязкости) за счет понижения температуры перлитного превращения и предотвращения рекристаллизационных процессов осуществляется введение микролегирующих добавок карбонитридообразующих элементов, таких как ванадий (0,08-0,20%), ниобий (0,02-0,05%) и титан (до 0,01%). Подобное микролегирование позволяет обеспечить содержание углерода на среднем уровне (0,48-0,54%), что положительно сказывается на стойкости колесной стали к тепловым воздействиям при эксплуатации.For dispersion hardening (increasing mechanical strength) and grinding grain (increasing viscosity) by lowering the temperature of pearlite transformation and preventing recrystallization processes, microalloying additives of carbonitride-forming elements, such as vanadium (0.08-0.20%), niobium (0, 02-0.05%) and titanium (up to 0.01%). Such microalloying allows to ensure the carbon content at an average level (0.48-0.54%), which positively affects the resistance of the wheel steel to thermal effects during operation.

Использование перечисленных приемов обеспечивает повышение прочностных свойств и твердости колесной стали без интенсификации закалочного процесса, что позволяет избежать возникновения высоких остаточных напряжений и обеспечить необходимую конструктивную прочность колеса. Кроме того, повышается металлургическое качество (чистота по неметаллическим включениям, структура), вязкость и трещиностойкость стали.The use of these methods provides an increase in the strength properties and hardness of wheel steel without the intensification of the hardening process, which avoids the occurrence of high residual stresses and provides the necessary structural strength of the wheel. In addition, the metallurgical quality is improved (purity by non-metallic inclusions, structure), the viscosity and crack resistance of steel.

В таблице представлены сравнительные данные по механическим свойствам стали согласно изобретению и известной стали.The table provides comparative data on the mechanical properties of the steel according to the invention and known steel.

ТаблицаTable №No. Наименование параметраParameter Name Сталь согласно изобретениюSteel according to the invention Сталь согласно изобретению при оптимальных значениях компонентовSteel according to the invention at optimum component values Известная сталь по прототипуFamous steel prototype 1one Временное сопротивление металла обода
σ_В, Н/мм² Temporary resistance of a metal of a rim
σ _In , N / mm ² 931-1128931-1128 1030-11001030-1100 880-1080880-1080 22 Относительное удлинение металла обода δ, %, не менееRelative elongation of the rim metal δ,%, not less than 1212 14-1814-18 1212 33 Относительное сужение металла обода ψ, %, не менееRelative narrowing of the rim metal ψ,%, not less 2121 28-3628-36 2121 4four Ударная вязкость KCU металла обода при температуре 20°С, Дж/см², не менееImpact strength KCU of the rim metal at a temperature of 20 ° C, J / cm ² , not less than 30thirty 32-3832-38 30thirty 55 Ударная вязкость KCU металла диска при температуре 20°С, Дж/см², не менееImpact strength KCU of the metal of the disk at a temperature of 20 ° C, J / cm ² , not less than 30thirty 35-4235-42 30thirty 66 Твердость на глубине 30 мм от поверхности катания обода, НВHardness at a depth of 30 mm from the surface of the rim, HB 280-320280-320 295-310295-310 не менее 248not less than 248

Claims

Steel for seamless-rolled wheels of wheelsets of bogies of passenger railroad cars, containing carbon, manganese, silicon, vanadium, phosphorus, sulfur, nickel, chromium, copper and iron, characterized in that it additionally contains niobium and titanium in the following ratio of components, wt .%:
carbon 0.48-0.54 manganese 0.80-1.20 silicon 0.45-0.65 vanadium 0.08-0.20 niobium 0.02-0.05 phosphorus no more than 0,030 sulfur no more than 0,020 nickel no more than 0.25 chromium no more than 0.25 copper no more than 0.25 titanium up to 0.01 iron rest