Патент на изобретение №2265074

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2265074 (13) C2
(51) МПК 7
C22C38/42, C21B13/00
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 18.01.2011 – прекратил действие

(21), (22) Заявка: 2003126419/02, 28.08.2003

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

28.08.2003

(43) Дата публикации заявки: 27.02.2005

(45) Опубликовано: 27.11.2005

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
RU 2203341 C1, 27.04.2003.
СТАЛЬ 60С2, ГОСТ 149-79, СТАЛЬ РЕССОРНО-ПРУЖИННАЯ УГЛЕРОДИСТАЯ И ЛЕГИРОВАННАЯ. М.: Издательство стандартов,1981, с.4-5.
US 5009843 A, 23.04.1991.
RU 2060294 C1, 20.05.1996.

Адрес для переписки:

248025, г.Калуга, пер. Малинники, 21, ГУП КЗ “Ремпутьмаш”, техническому директору Ю.П. Щербинину

(72) Автор(ы):

Мирошниченко В.А. (RU),
Дубровин В.А. (RU),
Байдин Г.Н. (RU),
Угаров А.А. (RU),
Шляхов Н.А. (RU),
Гонтарук Е.И. (RU),
Потапов И.В. (RU),
Лехтман А.А. (RU),
Горолевич И.Е. (RU),
Щербинин Ю.П. (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное унитарное предприятие Калужский завод “Ремпутьмаш” МПС России (RU),
Открытое акционерное общество “Оскольский электрометаллургический комбинат” (RU)

(54) СТАЛЬ РЕССОРНО-ПРУЖИННАЯ ЭКОНОМНО-ЛЕГИРОВАННАЯ 42 С2 ПВ

(57) Реферат:

Использование: при изготовлении упругих элементов железнодорожных креплений для соединения рельсов со шпальной решеткой. Сущность изобретения: рессорно-пружинная экономно легированная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, в мас.%: углерод 0,40-0,44; кремний 1,6-1,7; марганец 0,6-0,75; хром 0,07-0,15; никель 0,03-0,15; медь 0,04-0,15; сера 0,008; фосфор 0,005-0,015; алюминий 0,008-0,015; азот 0,005-0,015; кислород 0,001-0,0035; кальций 0,001-0,002 и железо – остальное. При этом суммарное содержание комплекса кремний-марганец регламентируется соотношением 2,48±0,35 и составляет 2,2-2,45 мас.%. Выплавка стали производится с использованием металлизированных окатышей, полученных прямым восстановлением железа, при этом суммарный комплекс микролегирования хром-никель-медь-алюминий регламентирован в пределах 0,15-0,50 мас.%, а суммарная примесь сера-фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. Техническим результатом изобретения является увеличение прочностных и вязкопластических характеристик, обеспечение стабильной мелкозернистой структуры и чистоты стали. Это гарантирует повышенную эксплуатационную стойкость и долговечность упругих элементов в условиях низких климатических температур до минус 600С. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к рессорно-пружинным сталям, и может быть использовано при изготовлении упругих элементов железнодорожных скреплений, соединяющих рельсы со шпальной решеткой.

Широко известны в металлургии рессорно-пружинные стали, содержащие в качестве основы железо, например сталь 60С2 по ГОСТ 14959-79, содержащая компоненты в следующем отношении в мас.%: углерод 0,57-0,65; кремний 1,5-2,0; марганец 0,6-0,9; хром 0,30; никель 0,25; медь 0,20; сера 0,035; фосфор 0,035; железо – остальное [1].

Из известных в литературе рессорно-пружинных сталей, используемых для изготовления упругих элементов железнодорожных скреплений, по составу ингредиентов наиболее близкой к заявленной является сталь 40С2 по ТУ 1150-071-01124328-98, содержащая компоненты в следующем отношении в мас.%: углерод 0,35-0,45; кремний 1,5-1,7; марганец 0,65-0,90; хром 0,30; никель 0,30; медь 0,30; сера 0,03; фосфор 0,03; алюминий 0,03; железо – остальное [2 и 3].

Состав этот имеет кристаллическую структуру и следующие физические характеристики:

предел прочности, в, Н/мм2 800-1000;
глубина обезуглероженного слоя,% от диаметра
на сторону, не более 2,0;
величина аустенитного зерна, балл, не менее 5,0;
твердость, НВ, не более 250;
способ обработки горячекатаная качественная;
точность прокатки В – обычная;
коррозионная стойкость:
убыль массы, , т. г. 0,18;
глубина повреждения, мм 0,043;
хладостоикость – не исследована.

Предел прочности указанной стали не высок, что сдерживает ее использование при изготовлении упругих элементов железнодорожных скреплений, в частности, на кривых участках железнодорожного пути.

Предельно допустимая глубина обезуглероженного слоя в прокате (2%) соответствует техническим требованиям [4], но при изготовлении деталей методом горячего формирования с последующей термообработкой возрастает до 2,5-3% от диаметра на сторону, что не соответствует нормативно-технической документации [5 и 6], вызывает образование трещин и преждевременное разрушение изделий.

Крупное зерно аустенита (балл 5,0) снижает прочность, пластичность и порог хладноломкости, повышает склонность стали к хрупкому разрушению. Отсутствие показателей порога хладноломкости и невысокие значения коррозионной стойкости существенно ограничивают климатические области использования упругих элементов железнодорожных скреплений из этой стали.

Высокий уровень содержания в стали примеси серы (до 0,03%) оказывает отрицательное воздействие на свойства металла. Образующиеся соединения FeS, располагающиеся по границам зерна, при температуре горячего деформирования (950-1200°С) расплавляются, нарушая связь между зернами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики (FeS) возникают надрывы и трещины.

Присутствующий в стали марганец образует с серой тугоплавкие соединения MnS. Эти включения деформируются и оказываются вытянутыми в направлении прокатки или ковки, снижая ударную вязкость и предел выносливости. Кроме этого сера снижает коррозионную стойкость и свариваемость металла, а неметаллические включения, сульфиды, являются центрами зарождения трещин [7].

ТУ 1150-071-01124328 – 98 определен способ обработки проката – горячекатаный, что предполагает наличие на поверхности дефектов, приводящих к зарождению трещин.

Нерегламентированный диапазон содержания хрома, никеля и меди от 0 до 0,3%, алюминия, серы и фосфора от 0 до 0,03% и широкие пределы содержания углерода от 0,35 до 0,45% в рассматриваемой стали не способствуют созданию равномерной структуры, не улучшают прочностные и вязкопластические характеристики и вызывают дестабилизацию процесса термообработки.

Техническим результатом изобретения является получение упругих элементов железнодорожных скреплений различных конструкций с повышенными уровнями служебных характеристик, с требуемыми соответствующими показателями хладостойкости, прочности, качества поверхности, циклической долговечности и релаксационной стойкости по отношению к проседанию под рабочими нагрузками при использовании в различных климатических поясах. При этом минимизированно содержание микролегирующих компонентов.

Для достижения этого технического результата в известную сталь 40С2 ТУ 1150-071-01124328-98 [2 и 3], в состав которой входят железо, углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, сера, фосфор и алюминий, дополнительно внесены оптимальные определяющие пределы содержания химических элементов в следующих соотношениях (мас.%):

Углерод 0,39-0,44;
Кремний 1,6-1,7;
Марганец 0,6-0,75;
Хром 0,07-0,15;
Никель 0,03-0,15;
Медь 0,04-0,15;
Сера 0,008;
Фосфор 0,005-0,015;
Алюминий 0,008-0,015;
Азот 0,005-0,015;
Кислород 10-35 ppm;
Кальций 10-20 ppm;
Железо остальное до 100%.

Для получения предложенной стали повышенной чистоты применен высокотехнологичный метод прямого восстановления (ПВ) железа из руды, где в сырьевом продукте – металлизированных окатышах содержится около 90% чистого железа. При этом достигается самый низкий предел (до 0,008%) содержания примеси серы, что приводит к практическому исключению сульфидов и, тем самым, образованию трещин в металле.

В применяемом методе комплексного микролегирования хром и никель в присутствии основных легирующих элементов кремния и марганца увеличивают прокаливаемость стали, уменьшают склонность к обезуглероживанию поверхности металлопроката, снижают вероятность графитизации и росту зерна при нагреве, снижают температуру порога хладноломкости и обеспечивают высокое сопротивление хрупкому разрушению. Никель в этой стали уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений [7].

Регламентированное оптимальное содержание в заявленной стали фосфора в присутствии меди повышает сопротивление коррозии [8]. Одновременно происходит увеличение предела прочности и текучести, повышается порог хладноломкости, уменьшается вероятность развития трещин.

Введение в сталь оптимального количества эффективного раскислителя алюминия позволило связать вредные для металла газы – азот и кислород, образовать частицы нитридов и оксидов. После завершения кристаллизации стали и ее охлаждения в структуре выделяются мельчайшие субмикроскопические включения (неметаллическая пыль), которые располагаются по границам зерен и стабилизируют величину аустенитного зерна, препятствуя его рост. Полученная величина аустенитного зерна предлагаемой стали (балл 7-8) 0,31-0,22 мкм значительно меньше, чем в известном аналоге (балл 5) – 0,62 мкм.

Полученная сталь высокой чистоты (ПВ) в отличие от аналога имеет повышенную технологическую пластичность, которая при горячем и холодном деформировании на 20-50% выше, чем у обычного металла. Это обеспечивает осадку в горячем и холодном состоянии до 25% первоначальной высоты. Точность проката по диаметру и по заданной длине снижает расход металла на единицу продукции. Низкая загрязненность стали неметаллическими включениями обеспечивает повышенную долговечность изделий [9]. Высокие показатели по ударной вязкости при отрицательных температурах (до -60°С) открывают широкие перспективы гарантированного использования изделий в различных климатических поясах [10].

Состав полученной стали имеет кристаллическую структуру и следующие физические характеристики:

предел прочности, в, Н/мм2 1060 – 1350;
глубина обезуглероженного слоя,% от диаметра
на сторону, не более 1,5;
величина аустенитного зерна, балл, не менее 7,0-8,0;
твердость, НВ (закалка с 870°, в воде отпуск при 410°), не более 239;
способ обработки горячекалиброванная
высококачественная;
точность прокатки А – высокая;
коррозионная стойкость:
убыль массы, , т. г. 0,1;
глубина повреждения, мм 0,032;
хладостойкость, °С, до – 60.

Сужение по химическому составу пределов содержания углерода и основных легирующих элементов кремния и марганца обеспечивает высокую технологичность при термообработке упругих элементов, позволяет автоматизировать производство и обеспечить заданный уровень эксплуатационных характеристик изделий.

Наиболее высокие и стабильные результаты свойств металла отмечаются при определенном соотношении комплекса кремний – марганец, регламентируемого соотношением элементов 2,48±0,35 и составляющего 2,2-2,45 мас.% в полученной стали при заданных значениях углерода и других элементов в диапазоне установленных границ.

Стабилизацию микроструктуры и свойств полученной стали обеспечивает применяемый способ суммарного комплексного микролегирования с использованием имеющихся в шихте или вводом дополнительно в металл незначительного количества легирующих элементов. Диапазон предельных границ комплекса микролегирования хром – никель – медь – алюминий регламентирован в пределах 0,15-0,50 мас.%, а суммарная примесь сера – фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. Содержание элементов ограничено с учетом их эффективного взаимодействия, чем достигается высокий балл аустенитного зерна (мелкозернистая сталь), низкие показатели глубины обезуглероженного слоя, высокие показатели коррозийной стойкости и ударной вязкости.

Для определения оптимальных параметров было проведено восемь опытно-промышленных плавок, имеющих различное содержание компонентов (в мас.%): углерод 0,40-0,43; кремний 1,61-1,68; марганец 0,64-0,71; хром 0,07-0,15; никель 0,03-0,07; медь 0,04-0,10; сера 0,004-0,007; фосфор 0,005-0,011; алюминий 0,008-0,014; азот 0,005-0,015; кислород 10-35 ppm; кальций 10-20 ppm; железо – остальное и отличающихся друг от друга суммарным содержанием комплекса кремний – марганец, регламентируемого соотношением этих элементов 2,25-2,62 и составляющего 2,24-2,39 мас.%. Кроме этого суммарный комплекс микролегирования хром – никель – медь – алюминий регламентирован в пределах 0,15-0,35 мас.%, а суммарная примесь сера – фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. В зависимости от содержания компонентов в каждой стали каждую смесь до 100% доводили изменением содержания железа.

Полученные сплавы имели следующие характеристики свойств стали (см. таблицу 1).

Плавки проводились в электропечи вместимостью 150 т с трансформатором мощностью 90 МВА, диаметр электродов 610 мм. При выплавке металл продувался аргоном с подачей в него алюминиевой и порошковой (силикокальций и сера) проволоки.

Сталь подвергалась комплексной обработке с помощью агрегатов для ввода в металл порошковой (силикокальций, азотированный марганец и др.) проволоки.

Выплавка стали производилась одношлаковым процессом с использованием в шихте до 100% металлизированных окатышей, содержащих до 90% чистого железа (метод прямого восстановления).

Приведенные в таблице данные подтверждаются сертификатами качества.

Как видно из таблицы 1, величины основных характеристик, в том числе временное сопротивление разрыву, величина обезуглероженного слоя и величина аустенитного зерна значительно превышают те же величины у известной стали.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что определяющее значение в формировании физико-механических свойств металла имеет оптимальное соотношение основных легирующих элементов кремния и марганца, суммарное содержание которых регламентируется соотношением этих элементов 2,48±0,35 и составляет 2,2-2,45 мас.%.

Оптимально минимизированное содержание микролегирующих компонентов регламентировано в пределах 0,15-0,50 мас.%, а суммарная примесь сера – фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%. Дальнейшее уменьшение количества этих элементов мало изменяет основные физико-механические свойства металла.

Более высокая хладостойкость и коррозионная стойкость стали позволяет использовать ее в диапазоне всех климатических зон.

Источники информации:

1. СТАЛЬ 60С2 по ГОСТ 14959-79 на “Сталь рессорно-пружинную углеродистую и легированную”. М.: Издательство стандартов, 1981, с.4-5.

2. СТАЛЬ 40С2 ТУ 1150-071-01124328-98.

3. Андреева Л.А, Андреенко В.И. и др. Сталь. Патент на изобретение №2203341, 2003 г.

4. СТАЛЬ 60С2 по ГОСТ 14959-79 на “Сталь рессорно-пружинную углеродистую и легированную”. М.: Издательство стандартов, 1981, с.11, табл.8, строка 2.

5. Клемма пружинная ЖБР-3. Технические условия ЦП 369 ТУ – 1, М., 1998, п.1.10.

6. Клеммы пружинные прутковые для крепления рельсов. ОСТ 32.156 – 2000, М., п.3.11.

7. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977, с.646.

8. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990, с.528.

9. Журнал. Национальная металлургия. №3, 2001, с. 17 – 24.

10. Винокур Б.Б., Пилюшенко В.Л. – Киев: Наукова думка, 1983, с.284.

Формула изобретения

1. Сталь рессорно-пружинная экономно-легированная, выплавленная с использованием металлизированных окатышей и содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, алюминий и железо, отличающаяся тем, что дополнительно регламентировано содержание азота, кислорода и кальция при следующем соотношении элементов, мас.%:

Углерод 0,39-0,44
Кремний 1,6-1,7
Марганец 0,6-0,75
Хром 0,07-0,15
Никель 0,03-0,15
Медь 0,04-0,15
Сера 0,008
Фосфор 0,005-0,015
Алюминий 0,008-0,015
Азот 0,005-0,015
Кислород 0,001 – 0,0035
Кальций 0,001 – 0,002
Железо Остальное

при этом суммарное содержание комплекса кремний-марганец, регламентировано соотношением этих элементов 2,48±0,35 и составляет 2,2-2,45 мас.%.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она выплавлена с использованием металлизированных окатышей, полученных способом прямого восстановления железа, при котором суммарный комплекс микролегирования хром-никель-медь-алюминий регламентирован в пределах 0,15 – 0,50 мас.%, а суммарная примесь сера-фосфор регламентирована в пределах 0,005-0,02 мас.%.


MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.08.2006

Извещение опубликовано: 27.07.2007 БИ: 21/2007


Categories: BD_2265000-2265999