Сортовой прокат горячекатаный из пружинной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству круглого проката диаметром от 12 до 34 мм для производства крупных тяжелонагруженных пружин различного назначения. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств прокат получают из стали, содержащей компоненты, мас.%: С - 0,39-0,45, Mn - 0,60-0,90, Si - 1,50-1,80, Cr - 0,005-0,30, S - 0,005-0,030, N 0,005-0,010, As - 0,0001-0,03, Sn - 0,0001-0,02, Pb - 0,0001-0,01, Zn - 0,0001-0,005 железо и примеси - остальное, при выполнении соотношения: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: Р не более 0,030; Cu не более 0,25; Ni не более 0,15; А1 не более 0,030. Прокат выполнен горячекатаным, подвергнут улучшению, 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 по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 2,5 баллов по каждому виду, σ_в - 750-1400 Н/мм², σ_т - 680-1300 Н/мм², δ - не менее 10%, ϕ - не менее 30%. Прокат обладает минимальным уровнем анизотропии механических свойств. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаного, горячекалиброванного проката в мотках или прутках диаметром от 12 до 34 мм для производства крупных тяжелонагруженных пружин различного назначения.

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 из пружинной стали, горячекалиброванный, улучшенный, имеющий заданные параметры структуры, неметаллических включений, механических свойств (Справочник. Современные материалы в машиностроении. М., Машиностроение, 1977, с.101-106).

Важнейшим требованием, предъявляемым к горячекатаному прокату из пружинной стали, является, с одной стороны, обеспечение однородности микро- и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны, - обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств и заданной морфологии неметаллических включений.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня потребительских свойств проката, при благоприятном соотношении прочности, пластичности, упругости и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низком содержании неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Поставленная задача решена тем, что сортовой прокат горячекатаный круглый из пружинной стали, улучшенный, имеющий заданные параметры структуры, неметаллических включений, механических свойств, получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод [С]	0,39-0,45
марганец [Mn]	0,60-0,90
кремний [Si]	1,50-1,80
хром [Cr]	0,005-0,30
сера [S]	0,005-0,030
азот [N]	0,005-0,010
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [РВ]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005

железо и

неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношении: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07, 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: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, подусадочная ликвация - не более 3 баллов по каждому виду, ликвационные полоски - не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичным, силикатам недеформированные - не более 2,5 балла, средний по каждому виду включений, механические свойства улучшенного проката: временное сопротивление разрыву 750-1400 Н/мм², предел текучести 680-1300 Н/мм², относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение - не менее 30%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,030, медь не более 0,25, никель не более 0,15, алюминий не более 0,030.

При содержании в стали в мас.%: марганца 0,65-0,90, углерода 0,39-0,45; хрома 0,005-0,30, улучшенный прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву 800-1400 Н/мм², предел текучести 700-1300 Н/мм², относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 35%.

При содержании в стали в мас.%: марганец 0,60-0,80, углерода 0,39-0,42; хром 0,08-0,15, улучшенный прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву 750-1200 Н/мм², предел текучести 680-1100 Н/мм², относительное удлинение - не менее 11%, относительное сужение - не менее 38%.

При содержании в стали в мас.%: марганец 0,60-0,80, углерод 0,38-0,43; хром 0,05-0,20, улучшенный прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву 850-1300 Н/мм², предел текучести 750-1200 Н/мм², относительное удлинение - не менее 10%, относительное сужение - не менее 30%.

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 (0,45%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и упругости стали, а нижняя - соответственно 0,39% - 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 - 0,90%, хрома - 0,30% 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 - 1,50% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень упругости стали. Содержание кремния выше 1,80% неблагоприятно скажется на характеристиках упругости стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,010% 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 (0,030%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

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, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку исследуемой стали с химическим составом в мас.%:

Пример 1: углерод - 0,42, марганец - 0,69, кремний - 1,68, хром - 0,09, сера - 0,010, азот - 0,008, мышьяк - 0,007, олово - 0,009, свинец - 0,006, цинк - 0,002. Пример 2: углерод - 0,41, марганец - 0,62, кремний - 1,58, хром - 0,12, сера - 0,011, азот - 0,009, мышьяк - 0,012, олово - 0,007, свинец - 0,009, цинк - 0,002. Пример 3: углерод - 0,40, марганец - 0,66, кремний - 1,67, хром - 0,05, сера - 0,008, азот - 0,008, мышьяк - 0,009, олово - 0,007, свинец - 0,004, цинк - 0,003; производится в 150-ти 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. Прокат подвергают закалке с высоким отпуском.

Получен сортовой прокат ⌀14 мм, длиной - 5100 мм из стали по: примеру 1 прокат имеет феррито-перлитную структуру, балл действительного зерна - 7, макроструктуру: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 1 балл, неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,0 балл, оксиды точечные - 0,5 балл, оксиды строчечные - 1,0 балл, силикаты хрупкие - 0,5 балл, силикаты пластичные - 0,5 балл, силикаты недеформирующие - 1,0 балл, временное сопротивление разрыву 920 Н/мм², предел текучести 854 Н/мм², относительное удлинение 12%, относительное сужение 38%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,032

примеру 2: прокат имеет феррито-перлитную структуру, балл действительного зерна - 8, макроструктуру: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1,0 балл, подусадочная ликвация - 1,5 балл, ликвационные полоски - 0,5 балл, неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,0 балл, оксиды точечные - 0,5 балл, оксиды строчечные - 0,5 балл, силикаты хрупкие - 1,5 балл, силикаты пластичные - 0,5 балл, силикаты недеформирующие - 1,5 балл, временное сопротивление разрыву 843 Н/мм², предел текучести 790 Н/мм², относительное удлинение 14%, относительное сужение 42%.

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,038

примеру 3: прокат имеет феррито-перлитную структуру, балл действительного зерна - 7, макроструктуру: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1,5 балл, подусадочная ликвация - 1,0 балл, ликвационные полоски - 1,0 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,5 балл, оксиды точечные - 0,5 балл, оксиды строчечные - 0,5 балл, силикаты хрупкие - 1,5 балл, силикаты пластичные - 0,5 балл, силикаты недеформирующие - 1,5 балл. Временное сопротивление разрыву 892 Н/мм², предел текучести 841 Н/мм², относительное удлинение 10,5%, относительное сужение 32%.

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,035

Внедрение сортового проката горячекатаного, горячекалиброванного из пружинной стали обеспечивает повышенный уровень потребительских свойств проката 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 горячекатаный круглый из пружинной стали, подвергнутый закалке с отпуском и имеющий заданные параметры структуры, неметаллических включений, механических свойств, отличающийся тем, что он получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,39-0,45
марганец	0,60-0,90
кремний	1,50-1,80
хром	0,005-0,30
сера	0,005-0,030
азот	0,005-0,010
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношения: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07,
при этом он 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 по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным со средним баллом не более 2,5 каждому виду, временное сопротивление разрыву 750-1400 Н/мм², предел текучести 680-1300 Н/мм², относительное удлинение - не менее 10%, относительное сужение не менее 30%.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: фосфор не более 0,030, медь не более 0,25, никель не более 0,15, алюминий не более 0,030.

3. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: углерода 0,39-0,45, марганца 0,65-0,90, хрома 0,005-0,30 он имеет временное сопротивление разрыву 800-1400 Н/мм², предел текучести 700-1300 Н/мм², относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 35%.

4. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: углерода 0,39-0,42, марганца 0,60-0,80, хрома 0,08-0,15 он имеет временное сопротивление разрыву 750-1200 Н/мм², предел текучести 680-1100 Н/мм², относительное удлинение не менее 11%, относительное сужение не менее 38%.

5. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали в мас.%: углерода 0,38-0,43, марганца 0,60-0,80, хрома 0,05-0,20 он имеет временное сопротивление разрыву 850-1300 Н/мм², предел текучести 750-1200 Н/мм², относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 30%.