Сталь рессорно-пружинная легированная

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству рессорно-пружинных сталей, использующихся при изготовлении упругих элементов, применяемых в подвеске автомобиля. Сталь содержит элементы при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,53-0,58; кремний 1,4-1,6; марганец 0,6-0,8; хром 0,6-0,8; алюминий 0,003-0,015; кислород 0,0005-0,0030; кальций 0,0005-0,0020; сера ≤0,015; фосфор ≤0,015; никель ≤0,10; медь ≤0,08; молибден ≤0,01; ванадий ≤0,01; олово ≤0,01; мышьяк ≤0,005; железо и неизбежные примеси - остальное. Сталь выплавлена с использованием металлизованных окатышей, полученных способом прямого восстановления железа, обеспечивающих минимальное содержание остаточных элементов и вредных примесей, не превышающих в сумме 0,28 мас.%. Улучшается обрабатываемость резаньем, обеспечивается стабильность свойств при термической обработке и получение изделий с заданным уровнем эксплуатационных характеристик. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству рессорно-пружинных сталей, использующихся при изготовлении упругих элементов, применяемых в подвеске автомобилей.

В настоящее время широко известны в металлургии и применяются при изготовлении упругих элементов подвески автомобилей рессорно-пружинные стали, например, 60С2Г, (ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали», М.: Издательство стандартов, 1979 г., 2000 г.), содержащая компоненты в следующем отношении в мас.%: углерод 0,55-0,65; кремний 1,8-2,2; марганец 0,7-1,0; хром не более 0,30; железо и неизбежные примеси - остальное.

Недостатками данной стали являются:

- широкие концентрационные границы содержания элементов, что не обеспечивает достаточную стабильность свойств стали;

- высокий уровень содержания в стали примеси серы (до 0,035%), оказывающий отрицательное воздействие на трещиночувствительность готовых пружин из-за образования пленочных сульфидных неметаллических включений (FeS), которые, в свою очередь, расположены по границам зерен и при горячей деформации (в области температур 950°-1200°С) способствуют образованию надрывов и трещин;

- уровень содержания углерода (до 0,65%) способствует образованию в структуре стали центров графитизации, что приводит к преждевременному выходу из строя пружин при эксплуатации.

Из известных в настоящее время рессорно-пружинных марок стали, используемых для изготовления упругих элементов подвески автомобилей, по составу элементов в химическом составе наиболее близкой к заявленной является сталь FDSiCr (DIN EN 10270-2 Steel wire for mechanical springs (Проволока стальная для механических пружин), Deutsche Norm, December, 2001 г.), содержащая элементы в следующем соотношении в мас.%: углерод 0,50-0,60; кремний 1,2-1,6; марганец 0,5-0,9; фосфор макс. 0,030; сера макс. 0,025; медь макс. 0,12; хром 0,5-0,8; ванадий 0,15-0,25; железо и неизбежные примеси - остальное.

Недостатками данной стали являются:

- отсутствие регламентации по содержанию алюминия и кислорода в стали приводит к повышенной загрязненности стали неметаллическими включениями, снижающими эксплуатационные свойства пружин;

- отсутствие регламентации по вредным примесям (олово, мышьяк), располагающимся по границам зерен, приводят к непредсказуемым изломам пружин при эксплуатации за счет нарушений сплошности металла и ослаблению межзеренных связей в структуре стали.

Техническим результатом изобретения является производство рессорно-пружинной стали с оптимально подобранным соотношением составляющих элементов, позволяющим изготавливать традиционным способом горячей деформации, а также обеспечивающим возможность изготовить методом холодной деформации упругие элементы подвески автомобиля. Предложенная сталь обеспечивает улучшение обрабатываемости резанием, стабильность свойств при термической обработке упругих элементов, что позволяет автоматизировать поточное крупномасштабное производство с получением заданного уровня эксплуатационных характеристик изделий. При этом повышается уровень эксплуатационных характеристик при оптимальном соотношении прочности и пластичности стали, циклической долговечности и релаксационной стойкости по отношению к проседанию под различными нагрузками, а также минимизировано содержание вредных примесей в стали.

Для достижения этого технического результата в состав стали FDSiCr

1. Дополнительно внесены оптимальные определяющие пределы содержания химических элементов в следующих соотношениях (мас.%):

Углерод	0,53-0,58
Кремний	1,40-1,60
Марганец	0,60-0,80
Хром	0,60-0,80
Алюминий	0,003-0,015
Кислород	0,0005-0,0030
Кальций	0,0005-0,0020
Железо, остаточные элементы
и неизбежные примеси	остальное.

2. Минимизированы остаточные элементы и вредные примеси (мас.%):

Сера	≤0,015
Фосфор	≤0,015
Никель	≤0,10
Медь	≤0,08
Молибден	≤0,01
Ванадий	≤0,01
Олово	≤0,01
Мышьяк	≤0,005.

Приведенные сочетания легирующих элементов (пункт 1) позволяют получить в готовом изделии однородную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,58%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали и исключения центров графитизации, а нижняя - (0.53%) - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.80% и хрома - 0.80% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0.60% и 0.60% хрома соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали. Содержание хрома в пределах 0,60-0,80% по массе предотвращает выделение графита, что приводит к повышению как горячей, так и холодной пластичности.

Введение в сталь оптимального количества эффективных раскислителей - алюминия и кальция позволяет модифицировать неметаллические включения с образованием мелких оксисульфидов, обеспечивающих улучшение обрабатываемости резанием. При этом ограничение содержания кислорода в стали соответственно уменьшает их количество, что обеспечивает высокую циклическую долговечность готовых изделий.

Сера определяет уровень пластичности стали и обрабатываемости ее резанием. Максимальное регламентированное содержание элемента определено необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали.

Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Максимальное регламентированное содержание элемента определено необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали.

Максимальное регламентированное содержание ванадия и молибдена определяет требуемый уровень прочности и пластичности стали.

Мышьяк, медь и олово - цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий. Максимальное регламентированное содержание элементов определяет пониженную склонность к обратимой отпускной хрупкости, обусловлено технологией производства стали.

Никель влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. Максимальное регламентированное содержание элемента обеспечивает заданный уровень вязкости стали.

Для получения предложенной стали по остаточным элементам и вредным примесям (пункт 2) применен высокотехнологичный метод использования при выплавке стали металлизованных окатышей, получаемых прямым восстановлением железа из руды. При этом достигается самый низкий предел по элементам (пункт 2), в сумме не превышающей 0,28% по массе и, тем самым, обеспечивается максимальное снижение негативного влияния остаточных элементов и примесей на эксплуатационные свойства стали.

Полученная сталь высокой чистоты по неметаллическим включениям и вредным примесям в отличие от прототипа имеет повышенную технологическую пластичность при горячем и холодном деформировании, а также более высокую долговечность изделий. При этом обеспечивается отсутствие непредсказуемых (аварийных) поломок изделий в период эксплуатации под действием различных вариантов нагрузок.

Сужение по химическому составу пределов содержания элементов (пункт 1 и пункт 2) обеспечивает стабильность свойств при термической обработке упругих элементов, что позволяет автоматизировать поточное крупномасштабное производство с получением заданного уровня эксплуатационных характеристик изделий.

Ниже дан пример промышленного осуществления предлагаемого изобретения. Выплавку исследуемой стали производили в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) ОАО «ОЭМК» с использованием в шихте до 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает получение низкого содержания остаточных элементов и вредных примесей: серы, фосфора, никеля, меди, молибдена, ванадия, олова, мышьяка. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию, а также раскисление алюминием производили в сталеразливочном ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок. После этого металл поступал на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОС производилось наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, доводка металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на циркуляционном вакууматоре. Во время вакуумирования производилась окончательная корректировка по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывался силикокальцием и передавался на разливку. Разливка производилась на шестиручьевой УНРС радиального типа в слиток размерами 170х170 мм со скоростью вытягивания 2,2 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям.

Неметаллические включения в исследуемой стали при оценке по ГОСТ 1778-70: сульфиды точечные - <1 балла, оксиды точечные - 1,5 балла, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 0 балла, силикаты пластичные - 0 балла, силикаты недеформирующие (оксисульфиды) - 2.5 балла.

Таким образом, предлагаемый состав стали обеспечивает стабильность свойств при термической обработке и позволяет получить изделия с заданным уровнем эксплуатационных характеристик.

1. Сталь рессорно-пружинная легированная, выплавленная с использованием металлизованных окатышей и содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу, медь, ванадий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, кислород, кальций, никель, молибден, олово и мышьяк при следующем регламентированном соотношении элементов, мас.%:

Углерод	0,53-0,58
Кремний	1,40-1,60
Марганец	0,60-0,80
Хром	0,60-0,80
Алюминий	0,003-0,015
Кислород	0,0005-0,0030
Кальций	0,0005-0,0020
Сера	≤0,015
Фосфор	≤0,015
Никель	≤0,10
Медь	≤0,08
Молибден	≤0,01
Ванадий	≤0,01
Олово	≤0,01
Мышьяк	≤0,005
Железо и неизбежные примеси	остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она выплавлена с использованием металлизованных окатышей, полученных прямым восстановлением железа, и обеспечивающих минимальное содержание остаточных элементов и вредных примесей, не превышающих в сумме 0,28 мас.%.