Сортовой прокат горячекалиброванный из пружинной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству проката в прутках диаметром от 12 до 34 мм для изготовления пружин подвижного состава железнодорожного транспорта. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств прокат получают из стали, содержащей в мас.%: С - 0,53-0,58, Mn - 0,60-1,25, Si - 1,40-2,00, Cr - 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, O₂ 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, σ_в не менее 1275 Н/мм², σ_т не менее 1177 Н/мм², δ не менее 6%, ψ не менее 25%, НВ-241-302. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаного, горячекалиброванного проката в прутках диаметром от 12 до 34 мм из пружинной стали, предназначенного для производства пружин подвижного состава железнодорожного транспорта.

Известен сортовой прокат горячекалиброванный из пружинной стали, имеющий заданные параметры структуры, неметаллических включениий, макроструктуры, механических свойств, прокаливаемости и упругости (RU 2092257 C1, В21В 1/46, 10.10.1997).

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является известный сортовой прокат круглый, горячекатаный, горячекалиброванный из пружинной стали, закаленный и отпущенный, имеющий заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств (Справочник, Современные материалы в автомобилестроении, Москва, «Машиностроение», 1977, с.101-107).

Важнейшим требованием, предъявляемым к горячекалиброванному прокату из пружинной стали, является однородность микро- и макроструктуры, низкое содержание неметаллических включений, повышенный комплекс потребительских свойств и заданной морфологии неметаллических включений.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности, упругости и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Для решения поставленной задачи сортовой прокат горячекалиброванный из пружинной стали, выполненный закаленным и отпущенным, имеющий заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств и упругости, согласно изобретения получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод [С]	0,53-0,58
марганец [Mn]	0,60-1,25
кремний [Si]	1,40-2,00
хром [Cr]	0,005-0,80
ванадий [V]	0,005-0,15
сера [S]	0,005-0,015
азот [N]	0,005-0,008
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношения (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07 имеет феррито-перлитную структуру без участков графита, мартенсита, бейнита и видманштетта, размер действительного зерна 6-12 балл, глубину обезуглероженного слоя - не более 1,5% на сторону, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат - не более 3 балла по каждому виду, подусадочная ликвация не более 3 балла, ликвационные полоски не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 2,5 средний балл по каждому виду включений, механические свойства после закалки и отпуска - временное сопротивление разрыву не менее 1275 Н/мм², предел текучести не менее 1177 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%, твердость 241-302 НВ.

В качестве примеси сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,015, никель не более 0,10, медь не более 0,08, молибден не более 0,10, кислород не более 0,002.

При содержании в стали в мас.%: ванадия 0,10-0,15, марганца 0,95-1,25, хрома 0,005-0,30 прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву после не менее 1570 Н/мм², предел текучести не менее 1373 Н/мм², относительное удлинение - не менее 6%, относительное сужение - не менее 25%, твердость 269-302 НВ.

При содержании в стали в мас.%: ванадия 0,005-0,010, марганца 0,60-0,90, хрома 0,005-0,30 прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 1275 Н/мм², предел текучести не менее 1177 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение - не менее 30%, твердость 241-269 НВ.

При содержании в стали в мас.%: ванадия 0,010-0,10, марганца 0,60-0,90, хрома 0,005-0,30 прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву после не менее 1300 Н/мм², предел текучести не менее 1200 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение - не менее 30%, твердость 241-285 НВ.

При содержании в стали в мас.%: ванадия 0,005-0,030, марганца 0,60-0,80, кремния 1,40-1,60, хрома - 0,60-0,80 прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву 1550-1780 Н/мм², предел текучести не менее 1400 Н/мм², относительное удлинение - не менее 6%, относительное сужение - не менее 30%, твердость 241-285 НВ.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии мелкодисперсную феррито-перлитную структуру, оптимальные содержание и морфологию неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности, упругости и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности, упругости и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,58%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и упругости стали, а нижняя - соответственно 0,53% - обеспечения 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 - 1,25%, хрома - 0,80% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости стали, а нижний - 0,60% и 0,005% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости и теплостойкости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 1,40% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень упругости стали. Содержание кремния выше 2,0% неблагоприятно скажется на характеристиках упругости стали.

Ванадий вводится в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом он управляет процессами в нижней части аустенитной области (определяет склонность стали к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α- превращения. Верхняя граница содержания ванадия - 0,15% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,005% - обеспечения требуемого уровня прочности данной стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,008% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0,005% вопросами технологичности производства.

Сера определяет уровень пластичности и обрабатываемости резанием стали. Верхний предел (0,035%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства и обрабатываемости резанием.

Мышьяк, олово, свинец и цинк - цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний - (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - обеспечение повышенного уровня потребительских свойств при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Примеры осуществления изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку исследуемой стали с различными химическими составами в мас.%:

пример 1: углерод - 0,54, марганец - 1,12, кремний - 1,87, хром - 0,21, ванадий - 0,12, сера - 0,008, азот - 0,007, мышьяк - 0,009, олово - 0,005, свинец - 0,003, цинк - 0,001;

пример 2: углерод - 0,57, марганец - 0,62, кремний - 1,89, хром - 0,13, ванадий - 0,009, сера - 0,008, азот - 0,008, мышьяк - 0,010, олово - 0,008, свинец - 0,009, цинк - 0,002;

пример 3: углерод - 0,56, марганец - 0,71, кремний - 1,92, хром - 0,11, ванадий - 0,02, сера - 0,009, азот - 0,008, мышьяк - 0,012, олово - 0,007, свинец - 0,006, цинк - 0,001;

пример 4: углерод - 0,57, марганец - 0,70, кремний - 1,53, хром - 0,71, ванадий - 0,02, сера - 0,009, азот - 0,008, мышьяк - 0,010, олово - 0,009, свинец - 0,006, цинк - 0,001; производят по каждому составу в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производится в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает 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 АКОСе производится наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производится окончательная корректировка по химическому составу. Разливка производится на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 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 азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждались в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 900-950°С и заканчивают при температуре 740-850°С, при деформации в последних проходах не менее 20%. Заключительная операция прокатки - горячая калибровка на калибровочном блоке. Для определения уровня механических свойств заготовки проката прошли термическую обработку по следующему режиму: закалка 870°С, масло, отпуск 470°С, воздух - улучшение.

В результате получаем сортовой прокат ⊘16 мм, длиной - 4800 мм:

пример 1: структура феррит и пластинчатый перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 2 балла, точечная неоднородность - 1 балла, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 2 балла, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,0 балл, оксиды точечные - 1,0 балл, оксиды строчечные - 1,0 балл, силикаты хрупкие - 0,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1,0 балл. Механические свойства проката после улучшения: временное сопротивление разрыву 1610 Н/мм², предел текучести 1412 Н/мм², относительное удлинение 6,5%, относительное сужение 28%. Твердость в состоянии поставки 277 НВ.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022,

пример 2: структура феррита и пластинчатого перлита, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 0,0 балл, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,0 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1,0 балл. Механические свойства проката после улучшения: временное сопротивление разрыву не менее 1292 Н/мм², предел текучести не менее 1196 Н/мм², относительное удлинение 7,5%, относительное сужение 32%. Твердость в состоянии поставки 248 НВ,

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,037,

пример 3: структура феррита и пластинчатого перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1,5 балла, подусадочная ликвация - 1,0 балл, ликвационные полоски - 1,0 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,5 балла, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1,5 балла. Механические свойства проката после улучшения: временное сопротивление разрыву 1312 Н/мм², предел текучести 1234 Н/мм², относительное удлинение 7%, относительное сужение 33%, твердость в состоянии поставки 255 НВ.

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,030,

пример 4: структура пластинчатого перлита, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 1,5 балла, точечная неоднородность - 1,5 балла, ликвационный квадрат - 1,0 балл, подусадочная ликвация - 1,0 балл, ликвационные полоски - 1,0 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 0,5 балла, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,0 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1,5 балла. Механические свойства проката после улучшения: временное сопротивление разрыву 1712 Н/мм², предел текучести 1682 Н/мм², относительное удлинение 7%, относительное сужение 33%. Твердость в состоянии поставки 261 НВ,

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,031.

Внедрение предложенного изделия: сортового проката горячекатаного, горячекалиброванного, изготовленного из пружинной стали, обеспечивает повышенный уровень потребительских свойств за счет благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимального уровня анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката, повышенных характеристик обрабатываемости резанием.

1. Сортовой прокат горячекалиброванный из пружинной стали, выполненный закаленным и отпущенным с заданными параметрами структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств и упругости, отличающийся тем, что он получен из стали, содержащей, мас.%:

углерод	0,53-0,58
марганец	0,60-1,25
кремний	1,40-2,00
хром	0,005-0,80
ванадий	0,005-0,15
сера	0,005-0,015
азот	0,005-0,008
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное

при выполнении соотношения (As+Sn+Pb+5·Zn)≤0,07,

и имеет феррито-перлитную структуру без участков графита, мартенсита, бейнита и видманштетта, размер действительного зерна 6-12 баллов, глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% на сторону, макроструктуру в виде центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационного квадрата, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду и ликвационных полосок не более 1 балла, неметаллические включения в виде сульфидов точечных, оксидов точечных, оксидов строчечных, силикатов хрупких, силикатов пластичных, силикатов недеформированных, имеющих средний балл не более 2,5 по каждому виду включений, временное сопротивление разрыву не менее 1275 Н/мм², предел текучести не менее 1177 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%, твердость 241-302 НВ.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,015, никель не более 0,10, медь не более 0,08, молибден не более 0,10, кислород не более 0,002.

3. Сортовой прокат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия 0,10-0,15, марганца 0,95-1,25, хрома 0,005-0,30 он имеет временное сопротивление разрыву не менее 1570 Н/мм², предел текучести не менее 1373 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%, твердость 269-302 НВ.

4. Сортовой прокат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия 0,005-0,010, марганца 0,60-0,90, хрома 0,005-0,30 он имеет временное сопротивление разрыву не менее 1275 Н/мм², предел текучести не менее 1177 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%, твердость 241-269 НВ.

5. Сортовой прокат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия 0,010-0,10, марганца 0,60-0,90, хрома 0,005-0,30 он имеет временное сопротивление разрыву не менее 1300 Н/мм², предел текучести не менее 1200 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%, твердость 241-285 НВ.

6. Сортовой прокат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: ванадия 0,005-0,030, марганца 0,60-0,80, кремния 1,40-1,60, хрома 0,60-0,80 он имеет временное сопротивление разрыву 1550-1780 Н/мм², предел текучести не менее 1400 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%, твердость 241-285 НВ.