Сталь для вагонобудування

Сталь для вагонобудування, що містить вуглець, кремній, марганець і залізо, яка відрізняється тим, що вона додатково містить азот, титан і алюміній при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 0,15-0,25 кремній 0,20-0,95 марганець 1,00-1,85 азот 0,008-0,03 титан 0,006-0,10 алюміній 0,015-0,10 залізо решта. Винахід відноситься до металургії, зокрема до сталі для вагонобудування, переважно для виготовлення литих бічних рам, надресорних балок візків залізничних вагонів і автозчепних пристроїв, а також інших виробів рухомого складу. Відома «Сталь для вантажопідйомних хомутів» по [патенту України №73673 С2, МПК С22С38/02; С22С38/04, 2005]. Зазначений аналог містить у мас.%: вуглець 0,08-0,22; марганець 0,50-0,85; кремній 0,10-0,40; домішки хрому, нікелю й міді £0,3 кожного; домішки сірки й фосфору £0,35 кожного; бор 0,0005-0,006; титан 0,02-0,10; залізо - інше. Однак сполука цієї сталі не забезпечує підвищення міцності і експлуатаційних характеристик литих економнолегованих сталей, призначених для виготовлення якісних бічних рам, надресорних балок візків залізничних вагонів і автозчепних пристроїв. Відома сталь 20ГЛ, що призначена для вагонобудування з ОСТу 32.183-2001 «Візки двоосні вантажних вагонів колії 1520 мм. Деталі литі. Рама бічна й балка надресорна». Це технічне рішення прийняте за щонайближчий аналог (прототип). Копія прототипу додається. Сталь для вагонобудування 20 ГЛ, згідно з прототипом, містить умас.%: Вуглець 0,17-0,25 Кремній 0,3-0,5 Марганець 1,1-1,4 Залізо інше При цьому дана сталь може містити невелику кількість елементів хрому й нікелю, не більше 0,30мас.%, міді - не більше 0,60мас.%, сірки й фосфору не більше 0,04мас.%. Ознаками прототипу, що збігаються з істотними ознаками винаходу, яка заявляється, є: вуглець, кремній, марганець і залізо. Недоліком сталі для вагонобудування, по прототипу, є її відносно низька міцність й експлуатаційні характеристики, які не задовольняють сучасним вимогам швидкісних і вантажопідйомних перевезень залізничного транспорту. Виготовлення бічних рам, надресорних балок для візків вагонів і автозчепних пристроїв з відомої сталі, як і ряду інших виробів рухомого складу, уже не відповідає зростаючим вимогам по надійності й довгові (19) UA (11) 84905 (13) C2 (21) a200609085 (22) 16.08.2006 (24) 10.12.2008 (46) 10.12.2008, Бюл.№ 23, 2008 р. (72) РАБІНОВИЧ ОЛЕКСАНДР ВОЛЬФОВИЧ, UA, ТРЕГУБЕНКО ГЕННАДІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ПУЧИКОВ ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ, U A, ПОЛЯКОВ ГЕОРГІЙ АН АТОЛІЙОВИЧ, UA (73) ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "ФЕРОНІТ", U A (56) UA, 73673, C2, 15.08.2005 SU, 1135793, A, 23.011985 SU, 558062, A1, 13.06.1977 RU, 2073739, C1, 20.02.1997 EP, 0709480, A1, 01.05.1996 GB, 1299707, B, 13.12.1972 3 84905 чності у вагонобудуванні. Вводити до складу сталі гостродефіцитний нікель або інші дорогі компоненти економічно недоцільно. Цю проблему вирішує сталь, що є предметом даної заявки. В основу винаходу поставлене задача вдосконалити сталь для вагонобудування, у яку введення нових додаткових компонентів, як азот, титан і алюміній та їхні вагові співвідношення дозволяють підвищити міцність, експлуатаційну надійність і довговічність бічних рам, надресорних балок візків вагонів і автозчепних пристроїв, а також інших виробів рухомого складу. Поставлена задача вирішується тим, що в сталь для вагонобудування, що містить вуглець, кремній, марганець і залізо, відповідно до винаходу, додатково введені азот, титан і алюміній при наступному співвідношенні компонентів умас.%: Вуглець 0,15-0,25 Кремній 0,20-0,95 Марганець 1,00-1,85 Азот 0,008-0,03 Титан 0,006-0,10 Алюміній 0,015-0,10 Залізо інше Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу й те хнічним результатом, що досягається, забезпечується наступним. Мікролегування сталей для вагонобудування азотом, титаном і алюмінієм значно подрібнює зерно, поліпшуючи цим механічні й експлуатаційні властивості металів. Створюється можливість підвищити зміст кремнію до 0,95мас.%. При цьому кремній, який підвищує коефіцієнт активності азоту і його дифузійну рухливість, сприяє поліпшенню термодинамічних і кінетичних умов утворення нітридів титану й алюмінію. Нижній рівень кремнію в сталі 0,20мас.% обраний з умов забезпечення достатньої міцності металу, а також одержання глибоко розкисленої сталі й формування щільної (безпористої) стр уктури виливків. Легування вуглецем і марганцем також забезпечує підвищення міцності сталі. При цьому нижній рівень змісту вуглецю 0,15мас.% і марганцю 1,00мас.% обумовлений необхідною міцністю металу. Максимальний зміст вуглецю 0,25мас.% і марганцю 1,85мас.% обмежені їхнім негативним впливом на пластичні властивості сталі та її зварюваність. Слід зазначити, що максимальний рівень змісту марганцю в пропонованій сталі 1,85мас.% вище, ніж у прототипі, завдяки її мікролегуванню азотом, титаном і алюмінієм, що приводить до здрібнювання зерна й поліпшенню пластичних властивостей металу. Спільне введення до складу сталі азоту й титану в пропонованих співвідношеннях забезпечує зменшення розміру зерна литої сталі за рахунок її модифікування нітридами титану, що підвищує міцність й експлуатаційні властивості виробів. При цьому мінімальний зміст у сталі азоту 0,008мас.% і титану 0,006мас.% обумовлено тим, що при їхньому введенні в метал нижче зазначених величин не відбувається утворення в достатній кількості карбонидів титану й не забезпечується здрібнювання 4 первинної структури литої сталі. Крім того, мінімальний зміст титану повинен забезпечувати зв'язування всього вільного азоту, щоб не допусти ти утворення газової пористості у виливках. Максимальний зміст азоту 0,03мас.% і титану 0,10мас.% пов'язане з різким погіршенням ударної в'язкості та пластичних характеристик металу. Введення до складу сталі алюмінію в пропонованих співвідношеннях забезпечує підвищення механічних І експлуатаційних власти востей сталі за рахунок додаткового здрібнювання зерна, пов'язаного з утворенням нітридів алюмінію при охолодженні виливків і нормалізації. Мінімальний зміст алюмінію в сталі 0,015мас.% обумовлено тим, що при його введенні в метал нижче зазначеної величини не відбувається додаткове зв'язування азоту твердого розчину в нітриди алюмінію. Максимальний зміст алюмінію в сталі 0,10мас.% пов'язане з погіршенням плинності рідини, зменшенням пластичних властивостей і ударної в'язкості стали. З метою оцінки властивостей сталі, яка заявляється для вагонобудування й порівняння з позамежними сполуками та її прототипом, були виплавлені в індукційній печі опитні плавки, хімічний склад компонентів яких приведений у таблиці 1. Розкислення сталі проводили алюмінієм. Розливання металу здійснювали в пробитрефри, з яких, після нормалізації, виготовлялися зразки для оцінки механічних і експлуатаційних властивостей. Результати випробувань які приведені в таблиці 2, показали, що сталь, яка заявляється, має більш високу міцність, чим сталь у прототипі. Порівняння комплексу механічних властивостей плавок №1 і №3, а також №2 і №4, що мають близький хімічний склад по базових елементах, показало, що спільне мікролегування сталі азотом, титаном і алюмінієм у пропонованих співвідношеннях забезпечує здрібнювання зерна на 1 бал, підвищення границі текучості на 30-35МПа, межі міцності на 40МПа при збереженні пластичних характеристик й ударної в'язкості практично на тім же рівні. На підставі результатів випробувань зразків від плавок №№13-27 (позамежні сполуки), визначено, що вони мають значно гірший комплекс механічних властивостей, чим пропонована сталь. Так, сполуки №№13, 15, 16, 21, 23, 25 мають більше низький рівень міцності. Сполуки №№ 14-18, 21, 24 не мають необхідний рівень ударної в'язкості, а сполуки №№14, 17, 18, 21, 24, 26, 27 мають недостатньо високе значення пластичних характеристик. Литі сталі для вагонобудування повинні мати, крім усього, і досить великий запас по циклічній довговічності. Результати випробувань показали, що значення циклічної довговічності в 1,5-2,5 рази більше, ніж у прототипу. Сталь для вагонобудування, за даною заявкою, забезпечує підвищення міцності і експлуатаційних властивостей литих економнолегованих сталей, призначених для виготовлення рам бічних, балок надресорних для візків залізничних вагонів і автозчепних пристроїв, а також інших виробів рухомого складу. 5 84905 6 Таблиця 1 Номер сполуки сталі Зміст елементів,мас.% С Si 1 2 0.23 0.2 0.45 0.25 3** 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.24 0.2 0.21 0.16 0.25 0.17 0.2 0.15 0.19 0.21 0.47 0.26 0.52 0.53 0.42 0.33 0.41 0.95 0.78 0.2 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 0.2 0.19 0.24 0.22 0.18 0.21 0.2 0.19 0.21 0.22 0.2 0.23 0.14 0.26 0.22 0.29 0.47 0.68 0.38 0.24 0.39 0.34 0.38 0.47 0.43 0.19 0.96 0.36 0.48 0.53 Mn N Відома сталь (прототип) 1.32 0.006* 1.37 0.006* Пропонована сталь 1.34 0.015 1.39 0.015 1.5 0.016 1.21 0.018 1.3 0.017 1.0 0.03 1.33 0.014 1.37 0.013 1.35 0.008 1.85 0.015 Позамежні сполуки 1.3 0.013 1.36 0.02 1.81 0.007 1.39 0.007 1.06 0.031 1.24 0.031 1.36 0.015 1.42 0.017 1.32 0.019 1.37 0.018 1.29 0.013 1.45 0.014 0.99 0.015 1.53 0.012 1.86 0.015 Ті Аl 0.025* 0.024* 0.015 0.013 0.021 0.046 0.025 0.1 0.02 0.012 0.006 0.021 0.038 0.05 0.019 0.072 0.021 0.015 0.052 0.049 0.043 0.1 0.005 0.11 0.016 0.002 0.071 0.11 0.042 0.023 0.015 0.022 0.018 0.026 0.017 0.029 0.032 0.031 0.052 0.062 0.023 0.085 0.024 0.014 0.11 0.035 0.016 0.025 0.037 0.042 0.024 0.044 Примітка: * мікролегування спеціально не проводилось. ** плавка проводилась в дослідницько-промислових умовах Таблиця 2 Номер сполуки сталі 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Характеристики міцності Пластичні характеристики Ударна в'я- Бал зкість KCU зерна межа плинності тимчасов. опір Відносне подовж. Відносне звуження Y при - 60°С. за дет sТ sВ sS Дж/см 2 5639-82 МПа МПа % % Відома сталь (прототип) 360 570 31 62 92 7-8 360 540 25 51 51 7-8 Пропонована сталь 395 610 28 53 86 8-9 390 580 27 52 85 8-9 440 620 24 41 48 8-9 385 580 26 49 60 8-9 440 630 22 38 31 8-9 385 610 21 39 31 8-9 400 600 28 53 72 8-9 440 620 22 37 53 8-9 425 640 25 42 42 8-9 415 620 22 45 83 8-9 7 84905 8 Продовження таблиці 2 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 355 375 360 360 460 465 395 400 205 405 340 475 335 415 425 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 560 610 560 570 670 680 610 600 390 610 550 650 540 630 630 Позамежні сполуки 30 14 18 20 15 16 19 18 11 18 34 15 31 17 16 Підписне 52 34 37 49 30 33 38 36 22 39 65 29 58 34 33 89 20 23 14 14 20 32 31 11 29 96 22 93 38 40 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8 8-9 8 7-8 7-8 8-9 8 8-9 8-9 8 8-9 8-9 8-9 8-9 8-9