СТАЛЬ С ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТЬЮ ДЛЯ ВИНТОВЫХ ПРУЖИН С ДИАМЕТРОМ ПРУТКОВ ОТ 24 ДО МЕНЕЕ 27 ММ И ПРУЖИНА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ИЗ НЕЕ
STEEL WITH REDUCED HARDENABILITY FOR COIL SPRINGS WITH ROD DIAMETER FROM 24 TO BELOW 27 MM AND SPRING MADE OUT OF IT

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, в частности к пружинно-рессорным сталям. Оно может быть использовано для изготовления крупных высоконагруженных пружин, подверженных высоким нагрузкам, в частности, для изготовления винтовых пружин подвижного состава железнодорожного транспорта с диаметром прутка 24-26,99 миллиметров.
В процессе эксплуатации рессорных пружин в вагонах железнодорожного транспорта они подвергаются длительным деформационным нагрузкам, вертикальным и горизонтальным колебаниям, воздействию атмосферы в различных климатических зонах. Поэтому к материалам, используемым для изготовления рессорных пружин, предъявляется ряд специальных требований. Они должны обеспечивать высокое сопротивление малым пластическим деформациям и обладать высокой релаксационной стойкостью. Стабильность указанных характеристик в процессе эксплуатации обеспечивает точность и надежность работы пружин и упругих элементов.
Известна пружинно-рессорная сталь для подвижного состава железнодорожного транспорта и сама изготовленная из нее пружина, которые раскрыты в патенте SU 1470808 А1. Согласно этому патенту сталь содержит, мас. %: углерод 0,53-0,6, кремний 0,6-0,8, марганец 0,21-0,35, хром 0,1-0,22, никель 0,1-0,15, железо - остальное.
Недостатком этой стали и изготовленных из нее пружин стало отсутствие стабильности получаемых в процессе термической обработки механических свойств, микроструктуры и твердости по сечению прутка, а соответственно, и стабильности релаксационной стойкости и циклической долговечности пружин. Отсутствие стабильности указанных характеристик при термической обработке пружин из известной марки стали не позволяет автоматизировать процесс производства и добиться его высокой производительности.
Ближайшим аналогом изобретения по настоящей заявке является изобретение по патенту России №2370565 С2, заявка по которому была опубликована 10.03.2009, а сам патент - 20.10.2009. Согласно этому патенту сталь содержит, мас. %: углерод 0,55-0,60; кремний 0,40-0,75; марганец 0,25-0,35; алюминий 0,02-0,06; азот 0,004-0,016; сера ≤0,025; фосфор ≤0,020; хром 0,15-0,20; никель 0,15-0,20; медь 0,15-0,20; железо - остальное.
Однако в процессе применения этого аналога оказалось, что указанный недостаток предыдущего полностью исключен не был и в определенной степени сохранился. А именно давала о себе знать некоторая нестабильность получаемых в процессе термической обработки механических свойств, микроструктуры и твердости по сечению прутка, а соответственно, и нестабильность релаксационной стойкости и циклической долговечности пружин. Отсутствие стабильности указанных характеристик при термической обработке пружин из известной марки стали не позволило, в частности, расширить производство до изготовления прутков с диаметром, меньшим чем 27 миллиметров, и тем самым добиться его высокой производительности и вариативности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава пружинно-рессорной стали для винтовых пружин с диаметром прутков от 24 до менее 27 мм для подвижного состава железнодорожного транспорта, обладающей предельно высокими и стабильными эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом является обеспечение стабильности свойств стали и пружин, изготовленных из нее, после термической обработки, что обеспечивает вариативность производства до изготовления пружин с диаметром прутков от 24 мм, увеличивает уровень эксплуатационных характеристик, в частности механических свойств, релаксационной стойкости, циклической долговечности и коррозионной стойкости. Кроме того, техническим результатом является уменьшение материалоемкости за счет меньшего количества отдельных необходимых компонентов (в частности, стали).
Данный технический результат был достигнут следующим образом.
Согласно патенту, выданному в отношении указанного выше ближайшего аналога, в стали для винтовых пружин с диаметром прутков 27-33 мм для подвижного состава железнодорожного транспорта содержалось 0,25-0,35 мас. % марганца и при этом считалось, что при содержании марганца менее 0,25 мас. % не обеспечивается требуемый уровень прочности и упругости пружин, поскольку сталь не выдерживает заданного количества прогибов. Следовательно, если марганца будет меньше 0,25 мас. %, то, как считалось, это ухудшит эксплуатационные свойства стали.
Однако при уменьшении количества марганца от 0,15 до менее 0,25 мас. %, а также при определении содержания кремния в 0,40-0,60 мас. % неожиданно оказалось, что предложенное сочетание легирующих элементов позволяет стабилизировать прокаливаемость пружин после объемно-поверхностной закалки и отпуска. Это обусловлено тем, что марганец в совокупности с кремнием сильно повышают прокаливаемость стали, а уменьшение их содержания позволило получить исходную однородную мелкозернистую структуру стали, что после объемно-поверхностной закалки и отпуска обеспечило получение оптимальных для пружин механических свойств, в частности прочности, предела текучести и предела упругости.
Таким образом предложена сталь для винтовых пружин с диаметром прутков от 24 до менее 27 мм для подвижного состава железнодорожного транспорта, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо, дополнительно содержащая алюминий, азот, серу, фосфор, медь, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод: 0,55-0,60
кремний: 0,40-0,60
марганец: от 0,15 до менее 0,25
алюминий: 0,02-0,05
азот: 0,008-0,016
сера: ≤0,015
фосфор: ≤0,020
хром: ≤0,20
никель: ≤0,20
медь: ≤0,20
железо: остальное
и имеющая балл аустенитного зерна 11-12 и структуру мелкоигольчатого мартенсита отпуска и сорбита после объемно-поверхностной закалки и отпуска.
Также технический результат достигается тем, что пружина с диаметром прутков от 24 до менее 27 мм, изготовленная из стали предложенного состава, после объемно-поверхностной закалки имеет в сердцевине структуру сорбита, а на поверхности структуру мелкоигольчатого мартенсита отпуска.
Предложенное сочетание легирующих элементов и ограничение по содержанию примесных элементов позволяет получить исходную однородную мелкозернистую структуру стали, что обеспечивает после объемно-поверхностной закалки и отпуска получение оптимальных для пружин механических свойств, в частности прочности, предела текучести и предела упругости.
Размер зерна в стали существенно влияет на ее свойства. Так, крупное зерно снижает прочность, пластичность и порог хладноломкости, а также коррозионную стойкость, повышает склонность к хрупкому разрушению стали.
Заявленный интервал содержания углерода обеспечивает необходимые прочность и прокаливаемость. При содержании менее 0,55 мас. % не обеспечивается требуемый уровень прочности, пластичности и пружина хрупко разрушается, а при содержании свыше 0,60 мас. % образуются центры графитизации, вследствие чего снижается релаксационная стойкость и долговечность.
Кремний не только раскисляет сталь, но также упрочняет ее и повышает предел упругости, что увеличивает релаксационную стойкость. При содержании кремния менее 0,40 мас. % прочность и упругость стали становятся ниже допустимого уровня, а при содержании значительно выше 0,60 мас. % пластичность снижается и сталь становится более хрупкой.
Марганец не только раскисляет сталь, но повышает ее прочность и долговечность. Однако его роль не следует переоценивать: уже при содержании более 0,15 мас. % он обеспечивает требуемый уровень прочности и упругости пружин, сталь выдерживает заданное количество гибов и перегибов, что улучшает эксплуатационные свойства стали. Однако при содержании свыше 0,25 мас. % снижается пластичность, а следовательно, и долговечность пружин.
Введение в сталь алюминия в количестве 0,02-0,05 мас. % позволяет не только раскислить, но и модифицировать сталь, в частности, за счет того, что он связывает кислород и азот в оксиды и нитриды, которые являются эффективными барьерами для роста аустенитного зерна.
Азот упрочняет сталь за счет образования нитридов алюминия, способствующих получению мелкозернистой структуры. Для связывания алюминия с получением нитрида алюминия содержание азота должно быть 0,008-0,016 мас. %. При содержании азота свыше 0,05 мас. % излишек азота проявляется в виде пузырьков на поверхности получаемого слитка, что снижает механические свойства, затрудняет дальнейшую его обработку.
Фосфор, выделяясь по границам зерен, снижает ударную вязкость, вследствие чего сталь хрупко разрушается за счет ослабления межзеренного сцепления. Поэтому содержание фосфора ограничено 0,020 мас. %.
Сера присутствует в стали в виде тугоплавкого сульфидного включения MnS, приводящего к анизотропии механических свойств. Поэтому содержание серы ограничено 0,015 мас. %.
Микролегирование медью основано на том, что она кристаллизуется в последнюю очередь, концентрируясь по границам зерен, снижая вероятность пережога. Поэтому увеличивается пластичность стали. К тому же медь увеличивает коррозионную стойкость стали. Но при содержании меди свыше 0,20 мас. % хрупкие фазы меди приведут к растрескиванию по границам зерен при деформации.
Микролегирование хромом основано на том, что он участвует в твердорастворном упрочнении. Однако при содержании свыше 0,20 мас. % образуется фаза FeCrx, снижающая пластичность и приводящая к разрушению при деформации.
Микролегирование никелем основано на твердорастворном упрочнении и повышении коррозионной стойкости, однако увеличение содержания свыше 0,20 мас. % нецелесообразно из-за его дороговизны.
Стабильно получаемая при объемно-поверхностной закалке структура мелкоигольчатого мартенсита отпуска и сорбита обеспечивает требуемую твердость поверхностной зоны пружины 55-58 HRC (мелкоигольчатый мартенсит) и сердцевины 30-35 HRC (сорбит), высокую прочность пружины, эксплуатационную надежность и долговечность. Структура сорбита в сердцевине пружины более благоприятна, чем трооститная структура, наблюдаемая в большинстве рессорно-пружинных сталей, поскольку имеет большую прочность, пластичность и ударную вязкость, что увеличивает долговечность пружин. При этом следует отметить, что при структуре мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое и сорбита в сердцевине по сечению прутка наводится благоприятная эпюра внутренних остаточных напряжений: сжимающие напряжения в поверхностном закаленном слое и растягивающие в сердцевине, что наилучшим образом отвечает нагруженности пружин в процессе эксплуатации.
Пример
Опытные плавки проводили в индукционных печах. Перед разливкой сталь раскисляли и модифицировали введением алюминия для обеспечения наследственно мелкозернистой структуры. Составы выплавляемой стали приведены ниже в таблице. Балл аустенитного зерна составлял 11-12, что свидетельствует о получении наследственно мелкозернистой структуры.
Партию, состоящую из 30 образцов, изготавливали из горячекатаных прутков диаметром 24 и 26,9 мм, которые были подвергнуты термической обработке: объемно-поверхностная закалка от температуры нагрева 900°C, отпуск при 200°C в течение 1,5 часов.
Для определения прокаливаемости проводили закалку, прутки разрезали, исследовали структуру и измеряли твердость. Толщина закаленного слоя во всех образцах составила 4-7 мм (для ⌀ 24 мм) и 5-8 мм (для ⌀ 26,9 мм), твердость поверхности 64-65 HRC (для ⌀ 24 мм) и 64-65 HRC (для ⌀ 26,9 мм), твердость сердцевины 39-40 HRC (для ⌀ 24 мм) и 25-27 HRC (для ⌀ 26,9 мм), критическая скорость охлаждения: 93°C/с (для ⌀ 24 мм) и 110°C/с (для ⌀ 26,9 мм).
После отпуска при 200°С в течение 1,5 часов твердость прутков снизилась и составила для партии образцов с диаметрами прутков 24 и 26,9 мм: в поверхности 56-59 HRC (для ⌀ 24 мм) и 56-59 HRC (для ⌀ 26,9 мм), в сердцевине 35-38 HRC (для ⌀ 24 мм) и 23-26 HRC (для ⌀ 26,9 мм).
Структура поверхностного слоя после объемно-поверхностной закалки и отпуска во всех образцах представляла собой мелкоигольчатый мартенсит отпуска, а сердцевины - сорбит.
Испытания на механические свойства проводили на цилиндрических образцах с диаметром 6 мм и расчетной длиной 30 мм, изготовленных из прутков предлагаемой пружинно-рессорной стали в состоянии поставки.
Моделирование механических свойств упрочненного слоя, получаемого в пружинах после объемно-поверхностной закалки и отпуска, осуществляли путем закалки образцов указанных размеров с предварительным нагревом в соляной ванне до температуры закалки 900°C и интенсивным охлаждением быстродвижущимся потоком воды в специальном закалочном устройстве.
Для определения механических свойств сердцевины цилиндрические образцы указанных размеров изготавливали из сердцевины прутков предлагаемой пружинно-рессорной стали после объемно-поверхностной закалки и отпуска.
Механические свойства исследуемых образцов предлагаемой пружинно-рессорной стали в состоянии поставки составляют: прочность стали σ в - 800 МПа, предел текучести σ 0,2-450 МПа, сопротивление малым пластическим деформациям (предел упругости) σ 0,05-350 МПа. Значения указанных свойств в состоянии поставки положительно характеризуют предлагаемую пружинно-рессорную сталь с точки зрения обрабатываемости.
После закалки, близкой по режиму к объемно-поверхностной закалке, и отпуска механические свойства предлагаемой стали исследуемых образцов, соответствующие свойствам упрочненного слоя пружины, составляют: прочность стали σ в - 2400 МПа, предел текучести σ 0,2-2000 МПа, сопротивление малым пластическим деформациям (предел упругости) σ 0,05 - 1700-1800 МПа.
Механические свойства сердцевины прутка предлагаемой пружинно-рессорной стали исследуемых образцов после объемно-поверхностной закалки и отпуска составляют: прочность стали σ в - 1000 МПа, предел текучести σ 0,2-680 МПа, сопротивление малым пластическим деформациям (предел упругости) σ 0,05-600 МПа.
Стабильное обеспечение описанного уровня механических свойств в поверхности и в сердцевине пружин является отличительной особенностью предлагаемой пружинно-рессорной стали. Такое сочетание свойств по сечению прутка пружины означает получение большей прочности, релаксационной стойкости и циклической долговечности как самих прутков предлагаемой пружинно-рессорной стали, так и пружин, изготовленных из нее.
Релаксационная стойкость прутков предлагаемой пружинно-рессорной стали исследуемых образцов после объемно-поверхностной закалки и отпуска, определенная при статических испытаниях прутков на трехточечный изгиб с регистрацией значений пластической деформации, характеризуется следующими показателями: предел текучести σ 0,2-2530 МПа, предел упругости σ 0,05-1740 МПа, предел пропорциональности σ 0,01-1300 МПа.
Релаксационная стойкость самих пружин, изготовленных из прутков предлагаемой пружинно-рессорной стали исследуемых образцов, после объемно-поверхностной закалки и отпуска, оцененная по величине остаточной деформации, составляет 0,6 мм (разница между значениями высоты пружины после третьего и второго обжатия).
Циклическая долговечность, оцененная при испытаниях на трехточечный изгиб прутков предлагаемой пружинно-рессорной стали исследуемых образцов, составила 5 млн циклов нагружения при пределе выносливости 1100-1200 МПа. Циклическая долговечность пружин, изготовленных из предложенной пружинно-рессорной стали и упрочненных объемно-поверхностной закалкой, составляет 5 млн циклов нагружения.
2
Испытания на коррозионную стойкость проводились в 0,5 н. растворе хлорида натрия. Пассивирование стали не наблюдалось вплоть до токов коррозии, превышающих 1000 мА/см.
В результате проведенных испытаний установлено, что указанные характеристики стали и пружин, изготовленных из нее, стабильно обеспечиваются во всем диапазоне ее химического состава для диаметров прутков от 24 до менее 27 мм.
Таким образом, стабилизация структуры обеспечивается способом комплексного легирования, а ограничение содержания компонентов подобрано для эффективного взаимодействия между собой, чем достигается мелкое зерно аустенита (11-12 балл) и получаемая структура мелкоигольчатого мартенсита отпуска и сорбита (соответственно на поверхности и в сердцевине пружины), высокие эксплуатационные характеристики, в том числе релаксационная стойкость, циклическая долговечность и коррозионная стойкость.