Сталь, суцільне колесо і колісний бандаж для рейкових транспортних засобів і спосіб виготовлення таких конструктивних елементів

1. Сталь для виготовлення використовуваних для кочення під навантаженням конструктивних елементів для рейкових транспортних засобів, таких як суцільні залізничні колеса, колісний бандаж або вали, яка має такий склад, мас. %: С 0,33-0,49 Si 0,85-1,00 Mn 0,25-0,40 Cr 0,85-1,00 Mo 0,10-0,20 Сu £ 0,10 £ 0,10 Ni P £ 0,009 S £ 0,005, а також на вибір один або кілька легуючих елементів з групи, що включає V 0,06-0,10 Nb 0,010-0,015 В 0,0015-0,0030 £ 0,01 Ті Al 0,010-0,015 N 0,005-0,010 2 (19) 1 3 80110 4 15. Колісний бандаж для рейкового транспортного лоджувальним агентом, що досягають швидкості засобу, виготовлений зі сталі за будь-яким з пп. охолодження, нижчої, ніж при гартуванні рідиною, і 1-3. вищої, ніж на нерухомому повітрі. 16. Спосіб виготовлення використовуваних для 17. Спосіб за п. 16, який відрізняється тим, що як кочення під навантаженням конструктивних елеохолоджувальний агент використовують газові ментів для рейкових транспортних засобів, таких потоки, зокрема повітряні потоки L1-L5. як суцільні залізничні колеса, бандаж коліс або 18. Спосіб за п. 16 або 17, який відрізняється вали, згідно з яким зі сталі за будь-яким з пп. 1-13 тим, що контрольоване охолодження здійснюють виготовляють заготовку (1), яку далі піддають кевід температури нагрівання до температури, нижрованому нагріванню до температури, що перечої ніж 450°С. вищує температуру аустенітного перетворення, і 19. Спосіб за будь-яким з пп. 16-18, який відрізняпісля нагрівання заготовку (1) керовано охолоється тим, що час, протягом якого здійснюють джують, причому принаймні на одну ділянку повеохолодження, становить щонайменше 5 хвилин і рхні заготовки (1) таким чином діють текучим охощонайбільше 25 хвилин. Винахід стосується сталі для виготовлення використовуваних для кочення під навантаженням конструктивних елементів для рейкових транспортних засобів, таких як суцільні колеса, колісний бандаж чи вали, або подібних елементів, виготовлених із такої сталі суцільних коліс і колісного бандажу, а також способу їх виготовлення. Колеса для рейкових транспортних засобів можуть бути виготовлені суцільними або складеними, в яких колісний бандаж насаджений на обід. Незалежно від того, йдеться про суцільне чи про складене колесо, рейкові колеса під час експлуатації зазнають значних навантажень в зоні їх поверхні кочення, що контактує з рейкою. Ці навантаження зростають внаслідок збільшуваних з точки зору економічності залізної дороги навантажень на осі, підвищених середніх швидкостей руху, а також збільшених прискорювальних і гальмівних зусиль. Як матеріал для суцільних коліс і для колісних бандажів складених коліс зазвичай використовують нелеговані або низьколеговані вуглеродисті сталі, як передбачено, наприклад, в промисловому стандарті DIN EN 13262. Ці сталі мають вміст вуглецю максимум 0,48мас.% (сталь ER6), 0,52мас.% (сталь ER7), 0,56мас.% (сталь ER8), 0,60мас.% (сталь ER9). Разом з тим вони містять 0,40мас.% Si, 0,75мас.% (сталь ER6) або 0,80мас.% (сталі ER7, ER8, ER9) Μn, максимум 0,30мас.% Cr, Cu і Ni, 0,06мас.% V, а також максимум 0,08мас.% Мо, причому сумарний вміст Сr, Μn і Ni має становити максимум 0,5мас.%. При такому складі мають гарантуватися такі мінімальні значення межі міцності на розтяг Rp0,2: 500Н/мм2 для сталі ER6, 520Н/мм2 для сталі ER7, 540Н/мм2 для сталі ER8 і 580Н/мм2 для сталі ER9. Середні значення міцності на розрив Rm для сталей ER6, ER7, ER8 і ER9 становлять відповідно 780/900Н/мм2, 820/900Н/мм2, 860/980Н/мм2 і 900/1050Н/мм2 відповідно. В системі колесо-рейка матеріали зазнають комплексних механічних і теплових впливів, які можуть проявлятися як сталі чи змінні навантаження. При цьому вирішальний вплив на їх рівень, до якого використовуваний матеріал чи виготовлений із нього конструктивний елемент може переносити діючі на нього навантаження, мають міц ність, зокрема теплостійкість, довготривала міцність, стійкість проти утворення і росту тріщин, в'язкість руйнування, теплова втомлюваність, зокрема стійкість проти теплових ударів, а також зносостійкість, яка виражається зокрема у стійкості проти втомлюваності від контакту кочення, і у стійкості проти адгезивного/трибохімічного, а також абразивного зносу. Для забезпечення стійкості проти виникаючих на практиці навантажень, ободи виготовлених із відомих сталей коліс чи колісного бандажу загартовують або - в разі виготовлення колісного бандажу - повністю занурюють у рідке середовище. Для цього нагріті до температури загартовування колеса чи колісний бандаж в зоні поверхні кочення цілеспрямовано обприскують водою. Завдяки такому примусовому охолодженню досягають порівняно високих значень міцності. Одночасно внаслідок цілеспрямованого швидкого охолодження в конструктивному елементі виникає певне внутрішнє напруження. Внаслідок все більше зростаючих навантажень виникає небезпека досягнення межи навантажуваності виготовлених із відомих сталей коліс рейкових транспортних засобів. Так, уже сьогодні виявилося, що експлуатаційні параметри виготовлених традиційними способами коліс чи колісного бандажу не здатні задовольняти вимогам до ходової стійкості, що висуватимуться експлуатаційниками в майбутньому. Були здійснені спроби покращення зносостійкості коліс і колісного бандажу шляхом використання для їх виготовлення сталей, призначених для виготовлення кулькових підшипників [DE 19837311 С2]. Відома сталь для кулькових підшипників повинна містити (в мас.%): 0,45-0,55% С, 1,2-1,3% Si, 0,6-0,7% Μn, менше, ніж 0,5% Сr, менше, ніж 0,15% Сu, 0,3-0,4% Mo, менше, ніж 0,2% Ni і 0,11-0,16% V. При цьому для досягнення бажаної високої зносостійкості при одночасно високій теплостійкості співвідношення між вмістами Si і Μn повинно становити 1,8-2,2, а співвідношення між вмістами V:MO:CR:Mn повинно становити 1:(1,82,4):(3,2-3,8):(4,2-4,8). Відома низьколегована чи нелегована сталь, якщо вона оброблена традиційними методами і має механічні параметри, наведені в [DE 19837311 С2], має покращену структуру. Така неврівноваже 5 80110 6 З метою досягнення бажаної в'ялої поведінки на структура виявилася при швидкому нагріванні фазового перетворення відповідна винаходові понад критичну температуру i менш схильна до сталь порівняно зі сталями, традиційно використоперетворення, ніж врівноважена структура. вуваними для виготовлення конструктивних елеЗадача винаходу полягає у розробці сталевого ментів, які під час експлуатації зазнають значних матеріалу, який задовольняє поставленим практинавантажень кочення, має суттєво зменшений кою високим вимогам навіть при високих теплових вміст вуглецю. Так само зменшений вміст марганнавантаженнях. Крім того, задачею винаходу є цю порівняно з традиційними сталями. Обидва розробка способу виготовлення із відповідної визаходи слугують для затримання утворення аустенаходові сталі коліс для рейкових транспортних ніту, який в іншому разі виникає при нагріванні засобів та інших порівнюваним чином навантажепонад критичну температуру. Цього можна особних конструктивних елементів, які при виникаючих ливо ефективно і надійно досягти шляхом вибору на практиці навантаженнях мають оптимальний вмісту вуглецю в діапазоні від 0,37мас.% до розподіл параметрів. 0,47мас.%. Так само підвищенню надійності уникВиходячи із описаного вище рівня техніки, стонення утворення аустеніту сприяє обмеження вмісовно матеріалу задача вирішена шляхом розробсту марганцю діапазоном від 0,30мас.% до ки сталі для виготовлення суцільних коліс, колісно0,40мас.%. го бандажу, валів чи порівнюваним чином Незважаючи на знижений вміст вуглецю і марвикористовуваних для кочення під навантаженням ганцю, відповідна винаходові сталь має механічні конструктивних елементів для рейкових транспорпараметри, що відповідають або й перевищують тних засобів, яка має такий склад; мас,%: параметри відомих сталей ER7, ER8 і ER9, викоС: 0,33-0,49%, ристовуваних для виготовлення коліс для рейкоSi: 0,85-1,00%, вих транспортних засобів. Так, відповідна винахоΜn: 0,25-0,40%, дові сталь має межу міцності на розтяг в діапазоні Cr: 0,85-1,00%, від 700МПа до 950МПа, при межі текучості від Mo: 0,10-0,20%, 475МПа до 625МПа, межове подовження в діапаСu: £0,10%, зоні від 27% до 17%, відносне звуження при розNi: £0,10%, риві від 60% до 50%, роботу удару при визначенні Ρ: £0,009%, ударної в'язкості зразка з надрізом від 40Дж до S: £0,005%, 20Дж (роботу удару KU визначають при кімнатній а також на вибір один або кілька легуючих температурі на зразках з U-подібним надрізом). елементів із групи, що включає Для забезпечення таких параметрів відповідна V: 0,06-0,10%, винаходові сталь має підвищений порівняно з траNb: 0,010-0,015%, диційними сталями вміст кремнію. Його вміст у В: 0,0015-0,0030%, відповідній винаходові сталі таким чином узгоджеТі: £0,01%, ний зі вмістом марганцю, що завдяки зміцненню АІ: 0,010-0,015%, змішаних кристалів відбувається зміцнення фериN: 0,005-0,010%, тної фази перлітно-феритної структури. Мартенрешта - залізо і неминучі забруднюючі домішсит, який може утворюватися незважаючи на зуки. мовлену відповідним винаходові складом Легуючі елементи, наявні у відповідній винастабілізацію фериту, менш крихкий і тому в меншій ходові сталі, вибрані таким чином, що вона при мірі негативно впливає на зносостійкість відповідзастосуванні відповідної теплової обробки має ної винаходові сталі. Бажана стабілізуюча дія креферитно-перлітну структуру. Ця структура відрізмнію у відповідній винаходові сталі особливо наняється особливо високою зносостійкістю і має дійно може бути досягнута в разі, коли вміст термодинамічну стабільність, вищу, ніж стабількремнію становить від 0,90мас.% до 1,00мас.%, ність відповідних рівневі техніки бейнітної чи марпричому особливо доцільним є комбінування такотенситної структур. Таким чином сталь, що має го вмісту кремнію з уже згаданим доцільним вмісвідповідний винаходові склад, здатна при короткотом марганцю. часних перевищеннях критичної температури в Додаванням хрому і молібдену до відповідної меншій мірі зазнавати фазових переходів, ніж винаходу сталі компенсується втрата міцності, що сталь з термічно покращеною структурою. Так саможе бути зумовлена зменшенням вмісту вуглецю. мо відповідна винаходові сталь в меншій мірі заОсобливо сприяє підвищенню міцності хром як знає фазових переходів, ніж відомі сталі ER6 утворювач карбідів і зміцнювач змішаних кристаER9, завдяки чому суттєво знижується рівень нелів. Досягненню цієї межі слугують також відповідбезпеки перетворення структури відповідної винані винаходові кількості молібдену, які сприяють ходові сталі при короткочасному нагріванні до виутворенню чистих сполук, які покращують глибоку соких температур, яке спричиняє погіршення цементацію. Поряд зі сприятливим впливом на параметрів матеріалу, порівняно з цими відомими міцність відповідної винаходові сталі додавання сталями, що мають значно вищий вміст вуглецю. хрому і молібдену підвищує її теплостійкість. В Тому відповідна винаходові сталь особливо прирезультаті вони забезпечують підвищення межі датна для виготовлення таких конструктивних довготривалої міцності, що робить відповідну виелементів, які під час експлуатації зазнають вкрай находові сталь особливо придатною для викорисвисоких, часом тривалих, теплових навантажень, тання у тяжких умовах експлуатації. При цьому які виникають, наприклад, при гальмуванні колодвміст цих легуючих елементів становить: від ками на високих швидкостях або при пробуксову0,90мас.% до 1,00мас.% Сr і від 0,15мас.% до ванні між поверхнями кочення колеса і рейки. 7 80110 8 0,20мас.% Мо. готовленого із відповідної винаходові сталі, рівноВерхні границі, в межах яких у відповідній вимірно розподілені по всій товщині. Таким чином находові сталі можуть міститися домішки фосфору при використанні відповідної винаходові сталі для і сірки, мають бути якомога нижчими, щоб значною виготовлення як коліс, так і колісного бандажу замірою виключити утворення сульфідів та інших безпечується, що як суцільне, так і складене коленебажаних сполук. У відповідній винаходові сталі со в зоні поверхні кочення навіть після кількох техвміст фосфору обмежений на рівні 0,007мас.%, а нологічних операцій знімання матеріалу мають сірки - на рівні 0,003мас.%. розподіл властивостей, що в основному відповідає Для уникнення крихкості, зумовленої наявнісновому стану. Тому виникнення крихкості і пов'ятю водню і пригнічення утворення оксидів вміст заної з нею небезпеки розламування матеріалу чи водню і кисню у відповідній винаходові сталі має нерівномірного зносу внаслідок перетворення бути якомога меншим. Тому вміст водню обмежеструктури зведено до мінімуму. ний рівнем максимум 2,0млн-1, зокрема максимум Стосовно способу виготовлення суцільних ко1,6млн-1, а вміст кисню - рівнем максимум 40млн-1. ліс, колісного бандажу чи валів та інших, викорисДля підвищення міцності відповідна винаходотовуваних для кочення під навантаженням консві сталь може містити також інші елементи, такі як труктивних елементів для рейкових транспортних V, Nb, В, Ті чи АІ. При цьому - в залежності від визасобів покладена в основу винаходу i задача використовуваного легуючого елемента - слід додарішена тим, що із відповідної винаходові сталі вивати достатню кількість азоту, щоб утворювалися готовляють заготовку, заготовку піддають керовабажані сполуки, що сприяють підвищенню міцносному нагріванню до температури, вищої від ті. Може бути здійснене додавання до відповідної температури аустенітного перетворення, а після винаходові сталі як окремих названих елементів, керованого нагрівання заготовку піддають кероватак і їх комбінацій, причому доцільним є додавання ному охолодженню шляхом підведення до щонайщонайменше двох згаданих легуючих елементів. У менше однієї ділянки поверхні заготовки текучого переважному прикладі виконання відповідна винаохолоджувального агента, зокрема потоку повітря, ходові сталь містить ванадій в діапазоні від таким чином, що забезпечують Швидкість охоло0,08мас.% до 0,10мас.%, ніобій в діапазоні від дження, меншу, ніж при охолодженні загартуваль0,01мас.% до 0,015мас.% і бор в діапазоні від ною рідиною, і вищу, ніж при охолодженні нерухо0,0020мас.% до 0,0030мас.%. мим повітрям. Оптимізована з точки зору впливу всіх елемеВиготовлений відповідним винаходові спосонтів відповідна винаходові сталь, в якій надійно бом конструктивний елемент, незважаючи на видосягнуті бажані експлуатаційні параметри, має користання сталі, до складу якої входять значно такий склад (в мас.%, якщо не вказане інше): менші порівняно з відомими сталями кількості легуючих елементів і вуглецю і незважаючи на феритно-перлітну структуру, має оптимізовані для цілей Елемент Мінімальний вміст Максимальний вміст використання міцність, в'язкість, в'язкість руйнуС 0,37 0,41 вання, а також оптимальну поведінку втомлюваноSi 0,90 1,00 сті, зносу і росту тріщин. При цьому ці властивості Μn 0,30 0,40 дуже рівномірно розподілені по всьому конструкΡ 0,00 0,007 тивному елементу. S 0,00 0,003 Практичні досліди підтвердили, що деталі, виСu 0,00 0,10 готовлені відповідно до винаходу, переважають Ni 0,00 0,10 такі ж деталі, виготовлені із традиційних сталей Cr 0,90 1,00 ER6 - ER9. Mo 0,15 0,20 На відміну від рівня техніки відповідний винаV 0,08 0,10 ходові спосіб передбачає охолодження заготовки Nb 0,010 0,015 текучим агентом, який забезпечує кероване, значВ 0,0020 0,0030 но м'якше охолодження, ніж при традиційному Ті 0,00 0,01 загартуванні. Згідно з винаходом здійснюють не ΑΙ 0,010 0,015 гартування поверхонь кочення з великими швидΝ 0,005 0,010 костями охолодження, а порівняно повільне охоΗ 0,00 1,6мас.млн-1 лодження, яке завдяки передумовам, створеним O 0,00 40мас.млн-1 складом відповідної винаходові сталі, сприятливо діє на утворення рівномірної структури і незначних Завдяки високій рівномірності і незначному градієнтів механічних властивостей через поперерозсіянню механічних властивостей відповідна чний переріз конструктивного елемента. винаходові сталь особливо придатна для виготовПри здійсненні відповідного винаходові спосолення суцільних коліс або колісного бандажу для бу як охолоджувальний текучий агент принципово рейкових транспортних засобів. При цьому особпридатні всі рідини і гази, охолоджувальна поведіливо сприятливим виявилося, що оптимальні панка яких відповідає поведінці повітря. Суттєвим є раметри суцільного колеса властиві не лише зоні те, що швидкості охолодження, досягнуті відповідповерхні кочення, що перебуває під безпосереднім ним винаходові охолодженням текучим агентом, навантаженням, але й - в залежності від відповідвищі, ніж при охолодженні у нерухомому повітрі, ної теплової і охолоджувальної обробки - пошиале завжди нижчі, ніж при охолодженні рідиною. рюються на увесь обід, диск і ступицю колеса. Так При цьому перевагою використання газу для охосамо механічні параметри колісного бандажу, вилодження заготовки є те, що такий текучий агент 9 80110 10 V: 0,09%, без проблем може бути цілеспрямовано підведеNb: 0,013%, ний до охолоджуваної ділянки поверхні заготовки. B: 0,0025%, На відміну від загартовування рідиною може бути Ті: 0,005%, здійснене концентроване охолодження певної зоΑΙ: 0,013%, ни без побоювання, що сусідні ділянки заготовки Сu: 0,05%, також можуть бути ненавмисно охоплені охолоNi: 0,05%, джувальною дією відпрацьованої рідини. Завдяки Ν: 0,008%, цьому відповідним винаходові способом можна Η: