Рейкова сталь

Реферат: UA 77107 U UA 77107 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до галузі чорної металургії, а саме до сплавів на основі заліза, і може бути використаний у виробництві рейкової сталі для важконавантажених швидкісних залізних колій, яка підлягає термозміцненню з використанням безградієнтного швидкісного нагріву джоулевим теплом. Відома рейкова сталь марки Е83Ф, що визначена ТУ 0921-125-2001 та має наступний склад, ваг. %: вуглець (С) 0,78-0,88 марганець (Μn) 0,75-1,05 кремній (Si) 0,25-0,45 ванадій (V) 0,03-0,15 хром(Сr) ≤0,015 алюміній (Аl) ≤0,020 сірка (S) ≤0,015 фосфор (Р) ≤0,015 залізо (Fe) решта. Недоліком її складу є підвищена концентрація Mn, Si та Сr, і легування V та Аl. У низьколегованих Cr-Μn сталях спостерігається під впливом Μn зниження критичної швидкості при гартуванні та збільшення глибини гартування, тоді як Cr зменшує чутливість сталі до перенагрівання. Додавання Si підвищує пружинні властивості сталі після гартування та відпуску. Легування V та Аl призначене для виділення спецкарбіду VC та деазотації сталі (Аl). При термообробці сталі з нагріванням в печах для одержання потрібної температури аустеніту в об'ємах сталі на глибину прокалювання необхідно мати температурний градієнт між поверхнею та об'ємами, які нагрівають. Для виключення можливості перепалу металу та укрупнення зерна на поверхні сталь легують металами (V, Nb, Ті), спецкарбіди яких, з огляду на їх високу температуру розчинення в аустеніті, відіграють роль стопорів росту зерен аустеніту, дозволяючи збільшувати час нагрівання та температуру при аустенізації. При швидкісній термообробці необхідність в створенні таких спецкарбідів, які відіграють роль стопорів, повністю відпадає. При швидкісному відпуску загартованої сталі розпад мартенситу, що містить хром, може бути зупинений на стадії виділення при відсутності карбідів хрому тільки цементиту, лишаючи весь хром в матричному фериті. При швидкісній термообробці сталі кількість марганцю в ній можна зменшити, з огляду на його схильність до ліквації, яка спричинює появу таких дефектів рейок при експлуатації, як поверхневе відлущення. Всі вищезгадані ефекти слід враховувати в розробці технологічних режимів при електроконтактному зварюванні рейок. Недоліком цієї сталі є підвищений вміст вуглецю, який створює зернограничний цементит. Підвищений склад марганцю, наявність ванадію та алюмінію, крім підвищення вартості сталі, не дають помітних переваг при використанні технологій швидкісного термозміцнення. Відома рейкова сталь (див. авторське свідоцтво СРСР № 1033008, кл. С22С38/28, 1991), до складу якої входить вуглець, кремній, марганець, азот, алюміній, кальцій, ванадій, титан, хром, молібден, карбонітриди ванадію та залізо, при такому співвідношенні інгредієнтів, мас. %: вуглець 0,65-0,89 кремній 0,18-0,65 марганець 0,90-1,20 азот 0,004-0,003 алюміній 0,005-0,02 кальцій 0,0004-0,005 ванадій 0,01-0,10 титан 0,001-0,03 хром 0,05-0,40 молібден 0,003-0,10 карбонітриди ванадію 0,005-0,08 залізо решта, при умові, що кальцій та алюміній знаходяться в співвідношенні 1:(4-13). Недоліками цього аналога є присутність високовартісного та дефіцитного молібдену, а також карбідо- та нітридоутворюючого титану, який перешкоджає утворенню карбідів ванадію та хрому, зміцнюючих метал. При вмісті заевтектоїдного вуглецю в сталі, в якій більше 0,80 % С, утворюється зернограничний цементит, який знижує експлуатаційні властивості рейок. Відома рейкова сталь (див. авторське свідоцтво СРСР № 1239166, кл. С22С38/48, 1986), яка містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, алюміній, ванадій, ніобій, мідь, церій, кальцій, залізо при такому співвідношенні інгредієнтів, мас. %: 1 UA 77107 U 5 10 15 20 25 30 вуглець 0,70-1,00 марганець 0,70-1,05 кремній 0,20-0,50 хром 0,50-0,90 нікель 0,05-0,80 алюміній 0,01-0,05 ванадій 0,01-0,95 ніобій 0,0005-0,22 мідь 0,31-0,55 церій 0,01-0,04 кальцій 0,001-0,08 залізо решта. Недолік цього аналога полягає в присутності в сталі церію і алюмінію, які знижують текучість сталі та погіршують якість поверхні зливків та прокатаних із них рейок. Також сталь містить дефіцитні та високовартісні легуючі елементи, нікель, ніобій. Підвищений до 0,55 % вміст міді спричинює появу червоноламкості сталі. Найбільш близькою до запропонованої є рейкова сталь марки М76Т виробництва ВАТ "МК Азовсталь" (Україна), яка має наступний склад, ваг. %: вуглець (С) 0,76 марганець (Μn) 0,79 кремній (Si) 0,32 титан (Ті) 0,09 фосфор (Р) ≤0,035 сірка (S) ≤0,035 залізо (Fe) решта. Для покращення комплексу фізико-механічних характеристик сталь піддавали швидкісній електротермічній обробці за патентом України на винахід №86564, опубл. 27.04.09, бюл. № 8. Утворення метастабільних фазових і структурних комплексів при безградієнтному нагріванні об'єму металу, який підлягає термозміцненню, дозволило суттєво (30-40 %) підвищити рівень основних механічних характеристик сталі. Зокрема межа втомлюваності перевищила майже вдесятеро вимоги до рейкових сталей згідно із стандартами США. В основу корисної моделі поставлена задача подальшого покращення комплексу службових властивостей рейкової сталі, а саме: підвищення її міцності та пружних властивостей, шляхом вдосконалення складу сталі. Поставлена задача вирішується тим, що рейкова сталь, яка містить вуглець, марганець, кремній, фосфор, сірку, залізо, згідно з корисною моделлю, додатково містить хром і мідь, при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: вуглець (С) 0,60-0,70 марганець (Μn) ≤0,7 кремній (Si) 0,30-0,40 хром (Сr) 0,2-0,8 мідь (Сu) 0,1-0,4 фосфор (Р) ≤0,035 сірка (S) ≤0,035 залізо (Fe) решта. Комплексне економне легування сталі карбідоутворюючими елементами, які вводяться в метал разом з легуючими елементами, що розширюють аустенітну область, дозволяє підвищити міцність та пружні якості рейкової сталі. Найбільш ефективним карбідоутворюючим елементом є хром. По-перше, його вартість відносно низька порівняно з іншими елементами, по-друге, температура розчинення його карбідів (970 °C) в аустеніті найнижча серед карбідів інших металів. Це виключає перегрівання сталі при нагріванні в температурну область аустенітоутворення перед гартуванням. Оптимальний вміст хрому в сталі визначається в межах від 0,2 до 0,8. Як найбільш оптимальний легуючий елемент серед інших, які розширяють γ область, є мідь, оптимальний вміст якої знаходиться в межах від 0,1 до 0,4. Вплив міді потрібний вуглецю. Обидва елементи характеризуються обмеженою розчинністю в α-залізі. Розчинність вуглецю в фериті до 0,2 %, тоді як розчинність міді в аустеніті досягає 9 %. Як наслідок цього, гартування із γ області дозволяє отримати перенасичений твердий розчин на основі фериту, який при відпуску розпадається з випаданням атомів міді, які, на відміну від вуглецю, не створюють сполуки з атомами заліза, підвищуючи пружні властивості фериту, мало впливаючи (при 0,4 % 2 UA 77107 U 5 10 15 20 25 30 35 міді) на пластичність (зниження не більше 1,0-1,5 %). При цьому співвідношення межі плинності до межі міцності підвищується більше ніж це спостерігається для вуглецю. Холодна деформація фериту з міддю викликає підвищення межі його плинності, що потрібно розглядати як позитивний фактор для покращення службових характеристик рейкової сталі. Крім того мідь, збільшуючи пружність аустеніту, підвищує температуру початку мартенситоутворення і знижує критичну швидкість гартування до швидкості повітряного охолодження, переводячи таким чином сталь у розряд "повітряногартованих". Це дозволяє отримувати мартенситні структури при електротермічній обробці з частковою стабілізацією аустеніту в місцях з підвищеним вмістом вуглецю. При цьому наступна холодна деформація або нагрів таких ділянок підвищують за рахунок виділення міді твердість сталі майже вдвічі. Крім того, введення міді в кількості від 0,1 до 0,4 % покращує якість поверхні сталі при обкатуванні і корозійну стійкість в атмосфері, що покращує стійкість рейок при їх експлуатації. При зварюванні сталі, яка містить мідь, зменшується зона підгартування в області термічного впливу зварювального шва, що дуже важливо при використанні технологій електроконтактного зварювання металу з оплавленням. Вплив міді на пружні властивості аустеніту обмежується її кількістю в 0,4 % в зв'язку з неконтрольованою появою поверхневих тріщин при гартуванні при незмінності інших властивостей. Оскільки присадка міді зміщує точку евтектоїдної рівноваги вниз по температурі та в сторону менших концентрацій вуглецю, вміст його в сталі може бути понижений до 0,6 % при зниженні оптимальної температури гартування. Це дозволяє отримувати перед гартуванням зерна аустеніту меншого розміру. При гарячій прокатці металу з міддю для запобігання появи гарячих тріщин вміст міді не повинен перевищувати 0,4 %. Це розширює можливість виготовлення рейкової сталі з металу, виробленого з використанням скрапу, що помітно знижує вартість сталі. Для визначення властивостей рейкової сталі запропонованого складу виплавили сталі двох складів з оптимальними кількостями компонентів (крім міді), ваг. %: С - 0,63; Mn-0,65; Si-0,37; Cr-0,6; Сu-0,07 та Сu-0,38; Fe - решта, які відрізняються вмістом міді. В таблиці наведені механічні властивості запропонованої і відомої сталей. Сталь виплавляли в умовах ВАТ "Дніпропетровський металургійний комбінат ім. Ф.Е. Дзержинського" в індукційній печі з подальшим розкисленням і легуванням за стандартною технологією, використовуючи відповідні феросплави. Зразки сталі після розливки і прокатки розміром 10×10×600 мм піддавали швидкісній електротермічній обробці за патентом України № 86564, опубл. 27.04.09, бюл. № 8. Металографічні дослідження сталі після термозміцнення вивчали згідно методики ідентифікації мікроструктури загартованого шару залізничних рейок, рекомендованої ВАТ "МК Азовсталь", за допомогою оптичного мікроскопа "Neophot-32". Особливості тонкої структури сталі досліджували, використовуючи методи трансмісійної електронної мікроскопії. Дані металографічних досліджень показали, що середній розмір зерна в сталі-прототип при зміні температури нагрівання від 850 °C до 950 °C збільшується від 20 до 28 мкм, тоді як в запропонованій сталі середній розмір зерна (>80 %) дорівнює 16±10 мкм відповідно. 40 Таблиця Механічні властивості запропонованої і відомої сталей σ0,2 МПа Запропонована сталь Сталь-прототип σв, МПа Механічні властивості KCU+20, δ, % ψ, % 2 Дж/см 920±15 1360±20 11,0±4 35±7 32±4 390±5 784 1166 ≥6,0 ≥25 >25 311-385 Твердість, НВ ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Рейкова сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, фосфор, сірку, залізо, яка відрізняється тим, що додатково містить хром і мідь, при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: вуглець (С) 0,60-0,70 марганець (Mn) ≤0,7 кремній (Si) 0,30-0,40 хром (Сr) 0,2-0,8 3 UA 77107 U мідь (Сu) фосфор (Р) сірка (S) залізо (Fe) 0,1-0,4 ≤0,035 ≤0,035 решта. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4