СОРТОВОЙ ПРОКАТ ГОРЯЧЕКАТАНЫЙ ИЗ РЕССОРНО-ПРУЖИННОЙ СТАЛИ
HOT-ROLLED SECTION STEEL FROM LAMINATED SPRING STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката в прутках, круглого, диаметром 100 мм, из рессорно-пружинной стали.
2
2
Известен пруток, горячекатаный, закаленный и отпущенный, диаметром 80 мм, изготовляемый из конструкционной рессорно-пружинной стали 60С2Г, в химический состав которой входят: углерод 0,55-0,65%, кремний 1,8-2,2%, марганец 0,7-1%, никель до 0,25%, сера до 0,025%), фосфор до 0,025%, хром до 0,3%, медь до 0,2%. Механические свойства закаленного и отпущенного проката: предел кратковременной прочности 1471 Н/мм; предел текучести 1324 Н/мм; относительное удлинение при разрыве 6%; относительное сужение 25%, твердость 269-321 НВ (ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали», М.: Издательство стандартов, 1979 г., 2000 г.).
Основным недостатком известной стали, используемой для горячего проката прутков, является высокая твердость, что снижает характеристики резания. Кроме того, в химическом составе стали много элементов с нерегламентированным диапазоном содержания, а именно: не регламентированы диапазоны содержания хрома (до 0,25%), никеля (до 0,25%), меди (до 0,2%), серы (до 0,025%), фосфора (до 0,025%). При этом пределы содержания углерода от 0,55 до 0,65% широкие. В совокупности это не способствуют созданию равномерной структуры, ухудшает прочностные и вязкопластические характеристики стали.
2
2
Наиболее близким к предлагаемому является сортовой прокат горячекатаный, горячекалиброванный, закаленный и отпущенный из пружинной стали, который получают из стали, содержащей в мас.%: С - 0,53-0,58, Мn - 0,60-1,25, Si - 1,40-2,00, Сr - 0,005-0,80, V - 0,005-0,15, S - 0,005-0,015, N - 0,005-0,008, As - 0,0001-0,03, Sn - 0,0001-0,03, Pb - 0,0001-0,01, Zn - 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное. При соотношении: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07/2 примеси: Р не более 0,015%, Ni не более 0,10, Cu не более 0,08, Мо не более 0,10, O не более 0,002. Прокат горячекатаный, горячекалиброванный, закаленный и отпущенный имеет феррито-перлитную структуру без участков графита, мартенсита, бейнита и видманштетта с размером действительного зерна 6-12 баллов, глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% на сторону. Макроструктура: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация не более 3 баллов, ликвационные полоски не более 1 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные - не более 2,5 средний балл по каждому виду включений, предел кратковременной прочности не менее 1275 Н/мм, предел текучести не менее 1177 Н/мм, относительное удлинение при разрыве не менее 6%, относительное сужение не менее 25%, твердость 241-302 НВ (РФ, патент №2333260, C21D 8/06, С22С 38/60, 10.03.2008).
Основным недостатком известной стали, используемой для проката прутков, является высокая твердость, что снижает характеристики резания, а также отсутствие возможности снижения твердости стали при одновременном сохранении основного свойства рессорно-пружинной стали, а именно: способности выдерживать большие упругие деформации без пластической деформации.
Кроме того, известная сталь в своем составе содержит олово (0,0001-0,03%) и мышьяк (0,0001-0,03%), которые, располагаясь по границам зерен, приводят к непредсказуемым изломам изделий при эксплуатации из-за нарушений сплошности металла и к ослаблению межзеренных связей в структуре стали.
При этом качественный и количественный состав известной стали не позволяет снизить максимальное значение количественных характеристик макроструктуры проката, которое составляет не более 3 баллов, а следовательно, не позволяет повысить однородность макроструктуры проката.
Заявленное изобретение решает задачу создания сортового проката горячекатаного из рессорно-пружинной стали, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении уровня потребительских свойств, путем возможности снижения твердости стали при одновременном обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, мелкозернистости структуры, однородной макроструктуры, совокупность которых обеспечивает повышенные характеристики обрабатываемости резанием с сохранением основного свойства рессорно-пружинной стали, а именно: способность выдерживать большие упругие деформации без пластической деформации.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в сортовом прокате горячекатаном из рессорно-пружинной стали, выполненном с заданными параметрами механических свойств, новым является то, что прокат получен из стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, никель, фосфор, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении, мас.%:
углерод
0,62-0,70
марганец
1,50-2,00
кремний
0,60-1,00
хром
0,10-0,50
ванадий
0,001-0,10
никель
0,05-0,30
фосфор
0,010-0,035
железо и неизбежные примеси
остальное,
2
2
2
при этом в качестве неизбежных примесей сталь содержит массовую долю элементов, в %: сера не более 0,035, медь не более 0,30. Кроме того, прокат выполнен отожженным, с заданными параметрами макроструктуры, при этом прокат горячекатаный, отожженный имеет глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% на сторону, размер аустенитного зерна не более 5 балла, макроструктуру: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 2 балла по каждому виду; механические свойства после закалки и отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1275 Н/мм, предел текучести не менее 1080 Н/мм, относительное удлинение не менее 5%, относительное сужение не менее 15%, ударную вязкость KCU не менее 29 Дж/см, твердость не более 229НВ.
Технический результат достигается следующим образом.
Основным качеством рессорно-пружинных сталей является то, что они выдерживают большие напряжения, а следовательно, большие упругие деформации без пластической деформации. Этим свойством рессорно-пружинные стали обладают благодаря высокому пределу текучести.
Кроме того, известно, что способность металлического материала сопротивляться пластической деформации находится в прямой зависимости от его прочности. При этом твердость и предел текучести сравнимы: при увеличении твердости одновременно увеличивается текучесть. Однако с увеличением твердости материал теряет пластичность и становится более хрупким. Предлагаемый качественный и количественный состав стали позволяет получить сортовой прокат горячекатаный с высоким пределом текучести при одновременном, по отношению к прототипу, снижении твердости. В результате, сохраняется основное свойство рессорно-пружинной стали, а именно: выдерживать большие упругие деформации без пластической деформации, и, одновременно, за счет снижения твердости, улучшаются условия обрабатывания резанием.
Кроме того, заявленный качественный и количественному состав стали обеспечивает у проката горячекатаного, отожженного глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% на сторону, размер аустенитного зерна не более 5 баллов, макроструктуру: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация не более 2 баллов по каждому виду.
Глубина обезуглероженного слоя не более 1,5% на сторону не вызывает образование трещин и преждевременного разрушения изделий.
Благодаря тому, что зерно аустенита размером не более 5,0 баллов (в прототипе 6-12 баллов), повышается прочность, пластичность и порог хладноломкости, снижается склонность стали к хрупкому разрушению.
Макроструктура заявленного проката более однородная (не более 2 баллов по каждому виду), по сравнению с прототипом (не более 3 баллов по каждому виду), что также повышает прочность и пластичность заявленного проката.
Для получения требуемой твердости прокат выполняют отожженным, что способствует увеличению анизотропии механических свойств.
Определение количественных значений характеристик механических свойств заготовки проката после термической обработки, а именно: после закалки и отпуска, позволяет получить данные о механических свойствах проката в состоянии поставки, что повышает уровень потребительских свойств.
Из вышеизложенного следует, что заявленный сортовой прокат горячекатаный из рессорно-пружинной стали с заявленным составом обладает низкой твердостью, по сравнению с прототипом, при благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, мелкозернистой структуре, однородной макроструктуре, что в совокупности обеспечивает повышенные характеристики обрабатываемости резанием с сохранением основного свойства рессорно-пружинной стали, а именно: способность выдерживать большие упругие деформации без пластической деформации. В результате повышается уровень потребительских свойств заявленного проката.
Качественный и количественный состав стали в заявленном сортовом прокате горячекатаном из рессорно-пружинной стали обусловлен следующим.
Железо является основным компонентом стали.
Углерод - это элемент, который имеет большое значение для формирования твердости и пластичности стали. Повышение пластичности стали в литом состоянии способствует снижению образования трещин и рванин и гарантирует прокатку стали без дефектов. Кроме того, углерод является элементом, влияющим на улучшение прокаливаемости стали. Углерод участвует в протекании процесса образования графитовых включений в структуре стали и в процессе образования частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,62% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к снижению прочностных свойств стали. При содержании углерода более 0,7% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали. При этом в обоих случаях это сказывается отрицательно на однородности проката. Содержание углерода в пределах 0,62-0,7% является оптимальным для формирования требуемой твердости и пластичности заявленной стали.
Заявленный состав стали отличается от состава стали по прототипу повышенным содержанием марганца (более чем в два раза), и пониженным, также более чем в два раза, содержанием кремния. При этом содержание углерода в заявленном составе стали, по сравнению с прототипом, несколько превышает максимальное содержание углерода в прототипе. Содержание марганца, кремния и углерода в заявленном составе, соответственно: 1,5-2,0%; 0,6-1,0%; 0,62-0,7%, увеличивает твердость проката, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.
Марганец используют, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. Марганец, растворяясь в металлической основе, стабилизирует перлит, способствуя, тем самым, формированию однородной макроструктуры стали.
Количественное содержание углерода (0,62-0,7%) в заявленной стали при заявленном количественном содержании марганца (1,5-2,00%) позволяет повысить пластичность литого металла, уменьшить красноломкость и уменьшить анизотропию деформированного металла (пластичность металла в поперечном направлении значительно ниже пластичности металла в продольном направлении). При содержании углерода более 0,7% снижается обрабатываемость проката, а именно: ухудшаются условия резания металла, скорость резанием уменьшается. То же самое происходит и при увеличении марганца более 2,00%.
При содержании углерода ниже 0,62% снижаются механические свойства, в том числе и предел прочности. Содержание марганца ниже 1,5% приводит к возрастанию красноломкости. Содержание марганца в заявленной стали в количестве 1,5-2,00% является оптимальным и позволяет обеспечить заявленные количественные характеристики механических свойств и структуры заявленной стали.
Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствие со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. В заявленном составе стали количественное содержание кремния (0,6-1,00%) находится в соответствии с количественным содержанием углерода, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.
3
Хром используют, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. Хром представляет собой эффективный легирующий элемент, повышающий коррозионную стойкость к газообразному диоксиду углерода, повышает твердость и прочность, при этом незначительно уменьшая пластичность. Поскольку заявленная сталь имеет низкое содержание углерода, хром при заявленном содержании в стали в количестве 0,10-0,50% полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Сr)С, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности в результате повышения однородности макроструктуры. Заявленное количественное содержание хрома в стали (0,10-0,30%) обеспечивает заявленные количественные характеристики механических свойств и структуры заявленной стали.
Никель (0,05-0,30%) в заявленном количестве нейтрализует вредные влияния со стороны меди, присутствующей в виде примеси, которые заключаются в возможности образования трещин на поверхности во время горячей прокатки. Никель также способствует поглощению газов металлом в процессе плавки, в особенности водорода, который вызывает образование в слитках газовых пузырей, а в случае крупнозернистой первичной структуры - трещин по границам зерен.
Ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. Ванадий измельчает зерно микроструктуры. Одновременно ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области: определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ,α-превращения.
Ванадий характеризуется отсутствием р-электронов и наличием незаполненных d-орбиталей ядра атома, следствием чего является понижение термодинамической активности углерода при вводе ванадия в расплав. Это приводит к процессу образования высоко дисперсных соединений ванадия (карбидов, нитридов, карбонитридов), имеющих округлую форму, которые, равномерно распределяясь по границам зерен, измельчают и упрочняют их.
Ванадий в пределах 0,001-0,10% способствует уменьшению величины зерна. Он задерживает рост зерна в период рекристаллизации при высоких температурах.
Фосфор (0,010-0,035%) участвует в формировании требуемого уровня пластичности и однородности стали.
Сера и медь присутствует в заявленном составе стали в виде примесей.
Сера (не более 0,035%) глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня пластичности стали, способствует складыванию образующейся при механической обработке стружке.
Ограничение по верхнему уровню содержания серы (0,035%) обусловлено тем, что при высокой концентрации серы плохо завариваются во время обработки давлением усадочные пустоты слитка, которые обычно являются местом скопления неметаллических включений, особенно сульфидов.
Медь (более 0,30%) в заданных пределах положительно влияет на однородность структуры, обеспечивает повышение механических свойств и износостойкости в условиях высоких температур и теплосмен.
Ниже приведены примеры получения сортового проката горячекатаного из рессорно-пружинной стали заявленного состава, подтверждающие возможность достижения заявленного технического результата.
Примеры осуществления изобретения.
Выплавку исследуемой стали с хим. составом в мас.%:
Пример 1: С=0,66; Мn=1,58; Si=0,81; Сr=0,11; Ni=0,11; V=0,004; Сu=0,15; Р=0,024; S=0,011; произвели в 10-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП-10).
Пример 2: С=0,67; Мn=1,71; Si=0,81; Cr=0,16; Ni=0,11; V=0,004; Сu=0,16; Р=0,027; S=0,007.
Пример 3: С=0,63; Мn=1,73; Si=0,85; Сr=0,14; Ni=0,07; V=0,004; Сu=0,16; Р=0,028; S=0,013.
Пример 4: С=0,66; Мn=1,67; Si=0,86; Сr=0,16; Ni=0,07; V=0,003; Сu=0,16; Р=0,029; S=0,014.
Получение стали требуемого состава осуществлялось на печи ДСП-10 в несколько этапов:
- завалка шихты;
- плавление шихты;
- окислительный период;
- рафинировочный период;
- выпуск в ковш;
- разливка в изложницы.
Основными материалами для выплавки стали являются чугун передельный по ГОСТ 805-95 и стальной лом. Никель присаживают в завалку. Раскисление осуществляется кремнием. Хром, марганец, кремний, ванадий присаживают в рафинировочный период. Удаление фосфора производится в окислительный период (скачивание шлака), сера удаляется в рафинировочный период наводкой «белого» шлака. Требуемого содержания углерода добиваются окислением углерода шихты и добавлением углеродсодержащих материалов. Температура металла перед выпуском 1580°С-1600°С. Разливка производится в изложницы сифонным способом.
После полной кристаллизации слиток извлекается из изложницы, подогревается до температуры прокатки (1130+/-40°С) в нагревательных колодцах и прокатывается на крупносортном стане линейного типа на передельную заготовку кв. 170 мм. Для предупреждения образования флокенов после горячей пластической деформации передельная заготовка охлаждалась медленно в термосах замедленного охлаждения. Это дает возможность водороду удалиться из стали.
Далее передельная заготовка нагревалась в методических печах до температуры начала прокатки 1150+/-20°С. В результате горячей прокатки на линейном стане получили прокат диаметром 100 мм, длиной 5000 мм. Для получения требуемой твердости металл отжигался в печах камерного типа: нагрев до температуры 750°С+/-10°С, выдержка 14 часов, охлаждение с печью до 400°С и далее на воздухе. Температура окончательного отжига способствует увеличению анизотропии механических свойств. Для определения механических свойств заготовки проката прошли термическую обработку по следующему режиму: закалка 830°С (+/-10°С) масло, отпуск 470°С (+/-30°С) масло.
Пример 1:
Твердость полученного проката из заявленной стали 197 НВ (диаметр отпечатка 4,3 мм).
Аустенитное зерно - 7 баллов.
2
2
2
Механические свойствапроката после термообработки: предел текучести - 1320 Н/мм, временное сопротивление - 1430 Н/мм, относительное удлинение - 9,0%, относительное сужение - 38%, ударная вязкость KCU - 35 Дж/см. Термообработка образцов: закалка при температуре 830°С+/-10°С, охлаждение - масло; отпуск при температуре 470°С+/-30°С, охлаждение - масло.
Макроструктура полученного проката из заявленной стали удовлетворительная: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 баллов.
Пример 2:
Твердость полученного проката из заявленной стали 187 НВ (диаметр отпечатка 4,4 мм).
Аустенитное зерно - 7 баллов.
2
2
2
Механические свойства проката после термообработки: предел текучести - 1360 Н/мм, временное сопротивление - 1470 Н/мм, относительное удлинение - 10,0%, относительное сужение - 44%, ударная вязкость KCU - 37 Дж/см.
Макроструктура полученного проката из заявленной стали удовлетворительная: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 баллов.
Пример 3:
Аустенитное зерно - 6 баллов.
Твердость полученного проката из заявленной стали 197 НВ (диаметр отпечатка 4,3 мм).
2
2
2
Механические свойства проката после термообработки: предел текучести - 1360 Н/мм, временное сопротивление - 1470 Н/мм, относительное удлинение - 8,4%, относительное сужение - 31%, ударная вязкость KCU - 29 Дж/см.
Макроструктура полученного проката из заявленной стали удовлетворительная: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 баллов.
Пример 4:
Твердость полученного проката из заявленной стали 207 НВ (диаметр отпечатка 4,2 мм).
Аустенитное зерно - 7 баллов.
2
2
2
Механические свойства проката после термообработки: предел текучести - 1250 Н/мм, временное сопротивление - 1380 Н/мм, относительное удлинение - 9,4%, относительное сужение - 34%, ударная вязкость KCU - 35 Дж/см.
Макроструктура полученного проката из заявленной стали удовлетворительная: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 баллов.
Для всех примеров: макроструктура проката на изломах или на протравленных поперечных темплетах не имеет остатков усадочной раковины, рыхлости, пузырей, расслоений, трещин, шлаковых включений и флокенов.
Результаты плавок сведены в сравнительную таблицу. Знаком * отмечены примеси.
Характеристики /Марка стали
60С2Г
Состав стали по прототипу
Заявленный состав стали
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Химический состав стали, масс.%:
Углерод
0,55-0,65
0,53-0,58
0,66
0,67
0,63
0,66
Кремний
1,8-2,2
1,4-2,0
0,81
0,81
0,85
0,86
Марганец
0,7-1
0,6-1,25
1,58
1,71
1,73
1,67
Хром
до 0,3
0,005-0,8
0,11
0,16
0,14
0,16
Ванадий
5,005-0,15
0,004
0,004
0,004
0,003
Никель
до 0,25*
до 0,10*
0,11
0,11
0,07
0,07
Фосфор
до 0,025*
до 0,015*
0,024
0,027
0,028
0,029
Сера
0,025*
0,005-0,015
0,011*
0,007*
0,013*
0,014*
Медь
до 0,2*
до 0,08*
0,15*
0,16*
0,16*
0,16*
Азот
0,005-0,008
Мышьяк
0,0001-0,03
Олово
0,0001-0,03
Свинец
0,0001-0,01
Цинк
0,0001-0,005
Молибден
до 0,10*
Кислород
до 0,002*
Железо и
примеси
остальн
остальн
остальн
остальн
остальн
остальн
Предел кратковременной прочности, [Н/мм<sup>2</sup>]
1471
1275
1430
1470
1470
1380
Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [Н/мм<sup>2</sup>]
1324
1177
1320
1360
1360
1250
Относительное удлинение при разрыве не менее [%]
6
6
9
10
8,4
9,4
Относительное сужение не менее [%]
25
25
38
44
31
34
Ударная вязкость [Дж/см<sup>2</sup>]
35
37
29
35
Твердость по Бринеллю
269-321 НВ
241-302 НВ
197 НВ
187
197
207
Термообработка
Закалка
Закалка
Закалка
Закалка
Закалка
Закалка
870°С
870°С
830°С
830°С
830°С
830°С
масло,
масло,
масло,
масло,
масло,
масло,
Отпуск
отпуск
отпуск
отпуск
отпуск
отпуск
470°С
470°С,
470°С,
470°С,
470°С,
470°С,
воздух
масло
масло
масло
масло
Сортамент/ размер ⌀ мм
Круглый прокат пруток 80 мм
Круглый прокат, пруток от 12 мм до 34 мм
Круглый прокат 80 мм 100 мм и выше
Круглый прокат 80 мм 100 мм и выше
Круглый прокат 80 мм 100 мм и выше
Круглый прокат 80 мм 100 мм и выше
Глубина обезуглероженного слоя %
1,5 на сторону
1,5 на сторону
1,5 на сторону
1,5 на сторону
1,5 на сторону
Размер аустенитного зерна, балл
6-12
7
7
6
7
Центральная пористость/
не более 3
1
1
1
1
точечная неоднородность/
не более 3
1
1
1
1
ликвационный квадрат/
не более 3
0
0
0
0
подусадочная ликвация
не более 3
0
0
0
0
Из результата сравнительного анализа содержимого таблицы следует, что заявленный состав стали позволяет получить сортовой прокат горячекатаный с высоким пределом текучести при одновременном, по отношению к прототипу и аналогу, снижении твердости. В результате, улучшаются условия обрабатывания резанием и, одновременно, сохраняется основное свойство рессорно-пружинной стали, а именно: способность выдерживать большие упругие деформации без пластической деформации. При этом, благодаря заявленному составу стали, обеспечивается благоприятное соотношение прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, мелкозернистости структуры, однородной макроструктуры. В результате повышается уровень потребительских свойств заявленного проката.