Сталь бейнітна для суцільнокатаних залізничних коліс (варіанти) і спосіб термічної обробки суцільнокатаних залізничних коліс з бейнітної сталі

1. Сталь бейнітна для суцільнокатаних залізничних коліс, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, алюміній, титан, залізо, яка відрізняється тим, що вона додатково містить 2 (19) 1 3 84987 4 їх гартують і відпускають, при цьому гартування охолодження 10 °С/с, після чого проводять відпуск проводять від температури 820-950 °С з швидкістю при температурі 500-525 °С. Винаходи відносяться до чорної металургії, а саме до технології виробництва сталей бейнітних для виготовлення суцільнокатаних залізничних коліс різного призначення. Заявляється складна різнооб'єктна група винаходів, причому головний об'єкт, що входить у груп у, являє собою груп у винаходів - 2 варіанти складів сталей, які використовуються в іншому об'єкті - в способі термічної обробки. Варіанти, що заявляються, пов'язані єдиним загальним винахідницьким задумом, спрямованим на рішення одного й того ж завдання і тим самим шляхом при використанні в іншому об'єкті - способі. При цьому кожний з варіантів є самостійним винаходом, оскільки якісні й кількісні ознаки стосуються вмісту складових компонентів (вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, алюміній, титан, молібден, ванадій і залізо) у кожному з варіантів і не можуть бути узагальнені в одному варіанті. Відома сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, мідь, азот і залізо, що відрізняється тим, що вона додатково містить водень, кисень активний, алюміній кислоторозчинний і титан при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: C -0,03-1,5 Mn - 0,05 - 2,5 Si - 0,001 - 2,5 Cr - 0,01 -0,4 Ni - 0,01 - 0,4 Cu - 0,01 -0,4 N - 0,010 - 0,030 H - 0,0001 - 0,0008 O2 - активний 0,0001 - 0,004 Al - кислоторозчинний 0,005 - 0,050 Ті - 0,001 - 0,050 Fe - решта. [патент України №862, МПК 5 С22С38/50, С22С38/58, С21С5/52, опубл.30.04.93, бюл. «Пром. вл.» №2, 1993]. Ця сталь не містить молібдену й ванадію, які істотно впливають на схильність до бейнітного перетворення й сприяють диспергуванню її структури, тому така сталь не може гарантувати стабільність бейнітного перетворення при безперервному охолодженні. Крім того, підвищена кількість водню, що утримується в ній, може привести до утворення флокенів у колісах. Відома колісна сталь (ДСТУ ГОСТ 10791: 2006), що містить вуглець, марганець, кремній, ванадій, фосфор, сірку при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: C - 0,55 - 0,65 Mn - 0,50 - 0,90 Si - 0,22 - 0,45 V - не більше 0,10 P - не більше 0,035 S -не більше 0,030 Fe - решта. Ця сталь містить незначну кількість ванадію, що не дозволяє їй проявляти схильність до бейнітного перетворення. Ця сталь схильна до появи термічних ушкоджень внаслідок впливу гальм на поверхню катання або внаслідок ковзання колеса. Крім того, ця сталь має недостатньо високий рівень механічних характеристик: твердість - не менш 255HB, межа міцності sв - 910-1110МПа, відносне подовження d - не менш 8%, відносне звуження y - не менш 14%, ударна в'язкість при 20°C KCU - 20Дж/см 2. Найбільш близькою за технічною сутністю складів, що заявляються, яка взята за прототип, є сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, мідь, алюміній, титан, азот, залізо, яка відрізняється тим, що вона додатково містить кальцій при такому співвідношенні компонентів, мас.%: C -0,15-0,40 Mn - 0,20 -1,50 Si - 0,15 -1,20 Cr -0,01-1,00 Ni - 0,01 - 0,60 Cu - 0,005 -0,50 Al - 0,005 - 0,10 Ті - 0,005 - 0,04 N - 0,012 - 0,045 Ca -0,001-0,10 Fe - решта. [Патент України №38010, МПК 7 С22С38/04, С21С5/04, опубл.15.06.04, бюл.«Пром. вл.» №6, 2004]. Ця сталь має істотний недолік, оскільки містить підвищену кількість азоту (0,012-0,045%), що неприпустимо для залізничних коліс, оскільки частина азоту, не зв'язаного у сполуки (нітриди) неминуче приведе до окрихчування коліс в результаті деформаційного старіння в процесі експлуатації. Крім того, ця сталь має межу міцності sв істотно більш низьку (sв=520-810МПа), ніж стандартна колісна сталь марки 2 (ДСТУ ГОСТ 10791:2006sв =910-1110МПа). Відомий спосіб виготовлення зміцнених суцільнокатаних залізничних коліс, у якому з метою підвищення якості коліс шляхом захисту поверхні диску колеса від окислення й зниження витрат на виробництво колеса нагрівають до 1240°C. На нагріту заготовку наносили підсипку на основі бури разом з мідь-вміщуючою добавкою в співвідношенні (1:0,4-0,6) відповідно. Бура, взаємодіючи з окалиною, підвищує змочування поверхні колеса а мідь приварюється до колеса. Потім колеса піддавали деформації, мідь розподілялася по його поверхні - тонким шаром. Другий шар покриття, що складався з алюміній-вміщуючої добавки, наносили щіткою на охолоджені колеса тонким рівномірним шаром. Колесо з покриттям повторно нагрівали до температури 900-920°C протягом 1ч 30хв. 5 84987 6 [авт. св. CPCP №1694666, МКИ C21D9/34, опубл. C - 0,32 - 0,45 30.11.91, бюл. №44, 1991]. Mn - 0,95 -1,3 Недоліком даного способу є його низька проSi - 0,7 - 0,83 дуктивність, крім того, не встановлено, як це вплиCr - 2,0 - 2,3 ває на механічні властивості стали. Ni - 0,01 - 0,02 Найбільш близьким по технічній суті процесу, Al - 0,03 - 0,05 що заявляється, який взятий за прототип, є процес Ti - 0,03 - 0,04 термічної обробки суцільнокатаних коліс, що Mo - 0,26 -1,0 включає їхнє-поетапне охолодження від темпераV -0,01-1,1 Fe - решта. тури прокатки до 300-550°C, у тому числі зі швидЗа наявними в авторів відомостями сукупність кістю 40-70°С/хв на першому етапі, нагрівання до ознак, що заявляються, які характеризують суть 820-860°C, гартування з цієї температури й відскладу сталі бейнітної колісної (варіанти) невідомі пуск, який відрізняється тим, що охолодження від рівні техніки. Таким чином, винаходи, що заявлятемператури прокатки на першому етапі ведуть до ються, відповідають критерію «новизна». 730-810°C, після чого на другому етапі швидкість Інтервали вмісту хімічних елементів у сталі охолодження до 300-550°C установлюють рівній бейнітної колісної обґрунтовуються наступним: 10-20°С/хв, потім безпосередньо з цієї температуВуглець. Вуглець сприяє підвищенню міцносри починають нагрівання під гартування [патент них, зниженню пластичних властивостей й ударної України №27879, МПК 6 C21D9/34, опубл.16.10.00, в'язкості стандартної колісної сталі. Вміст у сталі бюл. «Пром. вл.» №5, 2000]. вуглецю в межах 0,12-0,45% дозволяє одержати Недоліком для даного способу є обов'язкова високі значення пластичних і в'язких характерисоперація поетапного охолодження з різною швидтик, що важливо для усунення схильності коліс до кістю охолодження, що робить процес зміцнення крихкого руйнування. коліс більш трудомістким. Кремній. Кремній підвищує міцносні характеВ основу винаходу поставлена задача підвиристики сталі й практично не впливає на пластичні щення зносостійкості та експлуатаційних характевластивості й ударну в'язкість при його вмісті в ристик (надійності, довговічності коліс, підвищення межах 0,24-0,83%. стійкості проти термопошкоджень при екстреному Марганець. Марганець підвищує міцносні хай тривалому гальмуванні) суцільнокатаних залізрактеристики сталі при збереженні пластичних ничних коліс з бейнітною структурою шляхом завластивостей на досить високому рівні. При цьому безпечення оптимального співвідношення підвимарганець не впливає на температур у переходу щених характеристик твердості, міцності та сталі від в'язкого до крихкого стану при його вмісті в'язкості. Зазначене завдання вирішується розробв межах 0,95-1,5%. Марганець істотно впливає на кою складу сталі бейнітної колісної й процесу її температуру бейнітного перетворення в сталі. термічної обробки. Молібден. Молібден сприяє збільшенню проЗагальною ознакою для всіх варіантів заявлягартовуваності сталі в області бейнітного (проміжємої сталі бейнітної і прототипу є наявність еленого перетворення) і підвищує її стійкість при відментів: вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, пуску. Молібден підвищує міцнісні властивості алюміній, титан, залізо. стали. При його вмісті в межах 0,05-1,2% сталь Відмінною ознакою по першому варіанту є досхильна до бейнітного перетворення при безпередатковий вміст молібдену й ванадію рвному охолодженні. Молібден впливає на темпеЗазначена задача вирішується тим, що в перратур у бейнітного перетворення. шому варіанті відома сталь, що містить вуглець, Хром. Хром сприяє зміцненню сталі, у тому марганець, кремній, хром, нікель, алюміній, титан, числі при безперервному охолодженні на повітрі. залізо, відповідно до винаходу додатково містить Хром впливає на температуру бейнітного перемолібден і ванадій при наступному співвідношенні творення. При його вмісті в інтервалі 0,37-3,5% він компонентів, мас.%: сприяє утворенню легованого цементиту й карбіC -0,12-0,129 дів. Mn -1,02 -1,5 Нікель. Нікель при його вмісті в інтервалі 0,01Si - 0,24 - 0,32 1,95% впливає на стабільність протікання бейнітCr -0,37 -3,5 ного перетворення при безперервному охолоNi - 0,01 -1,95 дженні сталі, а також забезпечує підвищений комAl - 0,03 - 0,05 плекс її міцносних, пластичних і в'язких Ті - 0,03 - 0,04 характеристик. Mo - 0,05 -1,2 Ванадій. Ванадій сприяє зміцненню сталі при V - 0,01 - 0,02 його вмісті 0,01-1,1% у результаті диспергування Fe - решта. структури. Він також сприяє бейнітному перетвоВідмінною ознакою по другому варіанту є доренню при безперервному охолодженні стали. датковий вміст молібдену й ванадію. Титан. Титан сприяє розкисленню сталі, підЗазначена задача вирішується також тим, що вищенню її межі плинності при вмісті 0,03-0,04%. в другому варіанті відома сталь, що містить вуглеАлюміній. Алюміній сприяє розкисленню сталі ць, марганець, кремній, хром, нікель, алюміній, й здрібнюванню її структури при вмісті 0,03-0,05%. титан, залізо, відповідно до винаходу додатково Залізо. Сталь бейнітна колісна є сплавом на містить молібден і ванадій при наступному співвідоснові заліза. ношенні компонентів, мас.%: 7 84987 8 Суть винаходів, що заявляються, не випливає прототипом і стандартною колісною сталлю одерв наявному виді з відомого авторам рівня техніки. жали експериментальні сталі. Сукупність ознак, які характеризують відомі рішенЕкспериментальні бейнітні сталі плавили в доня, не забезпечують досягнення нових властивосслідно-промислових умовах в 60кг-й індукційній тей, і тільки наявність перерахованих відмінних електропечі. Як шихтові матеріали використали: ознак дозволяє одержати новий технічний резульармко-залізо, феромарганець, ферокремній, фетат. Таким чином, винаходи (варіанти), що заяврохром, ферованадій, нікель, молібден, алюміній ляються, відповідають критерію «винахідницький чушковий. Виливку дослідних плавок піддавали рівень». деформації по режиму: температура початку деЗазначена задача технології термічної обробформації 1260°C, температура закінчення дефорки сталі бейнітної вирішується також тим, що у мації 950-900°C, ступені деформації 50 й 90% (що відомому процесі термічної обробки суцільнокатавідповідає режимам одержання відповідно ободу й них коліс, що включає їхнє поетапне охолодження диску суцільнокатаного залізничного колеса). від температури прокатки, нагрівання й гартування Швидкість охолодження на повітрі від температури з відпуском, відповідно до винаходу після прокатки кінця деформації становила 1,5-5°С/с залежно від проводять безперервне охолодження на повітрі до пори року. Після деформації зразки нагрівали під кімнатної температури, потім гартування з відпусгартування до температур 820-950°C у залежності ком, при цьому гартування проводять від темперавід вмісту в сталі вуглецю. Охолодження при гартури 820-950°С з швидкістю охолодження 10°C/c, туванні проводили зі швидкістю 10°С/с, що дозвопісля чого проводять відпуск при температурі 500ляє проводити гартування коліс без відхилень від 525°C. технології, що існує. Після гартування проводили За наявними в авторів відомостями, сукупність відпуск при температурі 500-525°C. ознак, що заявляються, які характеризують сутПісля всіх обробок проводили металографічні ність процесу термічної обробки сталі бейнітної дослідження (оптична й електронна мікроскопія колісної невідомі з рівня техніки. Таким чином, «Неофот-21», JSM-35, ЭМ-125, рентгеноструктурвинаходи, що заявляються, відповідають критерію ний аналіз), вимірювали твердість (твердомір ТБ «новизна». 5004 за ГОСТ 9012-59), а також проводили мехаЗагальною ознакою для способу термічної обнічні випробування на розрив (випробна машина робки, що заявляється, і прототипу є наявність «Іnstron» за ГОСТ 1497-89), ударну в'язкість (на таких операцій, як охолодження після прокатки, маятниковому копрі PSW-5 за ГОСТ 9454-78), знонагрівання під гартування, гартування з відпуском. состійкість (пари тертя «колесо-рейка», випробна Відмітною ознакою є безперервне охолодженмашина СМЦ-2). Оцінювали також схильність доня від температури кінця прокатки з наступними слідних сталей до утворення мартенситу при гартуванням від температури 820-950°C і відпусшвидкому нагріванні й охолодженні в порівнянні зі ком. стандартною колісною сталлю торцевим гартуванПісля прокатки проводиться безперервне охоням по методу Джоміні. лодження сталі на повітрі до кімнатної температуМеталографічні дослідження показали, що дори. Гартування з відпуском проводять додатково слідні сталі після гартування від температури 820після безперервного охолодження коліс на повітрі 950°C (швидкість охолодження 10°С/с) мали дисвід температури кінця прокатки. При цьому інтерперсну бейнітну структур у (бейніт верхній, бейніт вал температур нагрівання під гартування - 820нижній, або суміш верхнього й нижнього бейніту) з 950°C визначається у залежності від вмісту вуглепідвищеною густиною дислокацій і розвиненою цю в сталі (0,12-0,45%), швидкість охолодження комірковою субстр уктурою. 10°С/с близька до швидкості охолодження, що Результати виміру твердості, а також механічреалізується при гартуванні в процесі виробництва них випробувань приведені в таблиці. Пропоновані коліс, тому не вимагає модернізації охолодних сталі бейнітні мають істотно більш високі міцнісні пристроїв. Відпуск після гартування при темперахарактеристики в порівнянні із прототипом. Що турі 500-525°C необхідний для зменшення рівня стосується пластичних характеристик, то вони у гартівних напруг. прототипi значно вище, однак це не є позитивним Суть винаходів, що заявляються, не випливає фактом, оскільки залізничне колесо при експлуав явному виді з відомого авторам рівня техніки. тації відчуває складні навантаження й у різних Сукупність ознак, які характеризують відомі рішенйого елементах (ободі, диску, маточині) виникають ня, не забезпечують досягнення нових властивостермічні, деформаційні й контактні напруги, які тей, і тільки наявність перерахованих відмінних можуть привести до формозміни колеса при заознак дозволяє одержати новий технічний резульнадто високій пластичності сталі. Пропоновані тат. Таким чином, винаходи (варіанти), та спосіб сталі бейнітні мають пластичні властивості, які термообробки суцільнокатаних залізничних колес, близькі до необхідних по ДСТУ ГОСТ 10791: 2006, що заявляються, відповідають критерію «винахідщо забезпечить стабільність форми колеса при ницький рівень». достатньому дотриманні рівня пластичності диска Для оцінки властивостей сталей, що пропонупри експлуатації. ються, й їхнього структурного стану в порівнянні з 9 84987 10 Таблиця Властивості Твердість, HB Межа міцності, sв, МПа Межа текучості sт, МПа Відносне подовження, d, % Відносне звуження y, % Ударна в'язкість, KCU, Дж/см 2 при 20°C Втрата ваги при випробуванні на зносостійкість, г Прототип-патент України, №38010 немає даних 520-810 390-565 20-44 69-77 75-340 не менш 20 27,85-55,6 немає даних немає даних 0,812-0,834 Сукупність характеристик міцносних, пластичних і в'язких властивостей істотно вище, ніж у прототипів і стандартної колісної сталі: твердість у 1,6 разів, межа міцності у 1,4 разів, межа плинності у 2,5 разів, ударна в'язкість у 1,2-2,5 разів. Крім того, значно спрощений спосіб термічної обробки коліс, він істотно менш трудомісткий, ніж у прототип. Комп’ютерна в ерстка В. Мацело Стандартна колісна сталь марки 2, Сталь бейнітна ДСТУ ГОСТ 10791:2006 колісна, дослідна не менш 255 402-460 910-1110 1435-1610 Не обумовлюється 1160-1389 не менш 8 8-13,9 не менш 14 16,8-45,6 Група винаходів, що заявляються, заснованих на теоретичних розробках, які підтверджені експериментальними даними, може бути багаторазово відтворена у виробництві. Таким чином, винаходи, що заявляються, відповідають критерію «промислова придатність». Підписне 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