сортовой прокат горячекатаный из микролегированной пружинной стали

Формула изобретения

1. Сортовой прокат из микролегированной пружинной стали, горячекатаный, горячекалиброванный, закаленный и отпущенный, имеющий заданные параметры структуры, неметаллических включений, механических свойств, отличающийся тем, что он выполнен из стали, содержащей, мас.%:

Углерод [С]	0,56-0,64
Марганец [Mn]	0,40-0,70
Кремний [Si]	1,40-1,80
Хром [Cr]	0,70-1,20
Никель [Ni]	0,005-0,25
Ванадий [V]	0,005-0,20
Сера [S]	0,005-0,025
Азот [N]	0,005-0,010
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 соотношений:

(As+Sn+Pb+5·Zn) 0,07;

1,12 [C+Si/4+Mn/6+(Cr+V)/5] 1,50,

при этом он имеет ферритоперлитную структуру без участков графита, мартенсита, бейнита и видманштетта с размером действительного зерна 6-12 баллов, глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% на сторону, макроструктуру: центральную пористость, точечную неоднородность, ликвационный квадрат с размером не более 3 баллов по каждому виду и подусадочную ликвацию - не более 3 баллов, ликвационные полоски - не более 1 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные со средним размером по каждому виду включений не более 2,5 баллов, временное сопротивление разрыву не менее 1470 Н/мм ², предел текучести не менее 1425 Н/мм² , относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит фосфор не более 0,025 мас.%, медь не более 0,15 мас.%.

3. Сортовой прокат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании в стали хрома 0,90-1,20 мас.% и ванадия 0,10-0,20 мас.% прокат имеет временное сопротивление разрыву не менее 1670 Н/мм ², предел текучести не менее 1470 Н/мм² , относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%.

4. Сортовой прокат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при содержании в стали хрома - 0,70-1,00 мас.% и ванадия 0,005-0,10 мас. % прокат имеет временное сопротивление разрыву не менее 1570 Н/мм², предел текучести не менее 1460 Н/мм², относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%.

Описание изобретения к патенту

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, горячекалиброванный из пружинной стали, закаленный и отпущенный, имеющий заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств (Справочник. Современные материалы в автомобилестроении. М.: Машиностроение, 1977, с.101-107).

Важнейшим требованием, предъявляемым к горячекалиброванному 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 при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности, упругости и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Поставленная задача решена тем, что известный сортовой прокат из микролегированной пружинной стали, горячекатаный, горячекалиброванный, закаленный и отпущенный, имеющий заданные параметры структуры, неметаллических включений, механических свойств, согласно изобретения выполнен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

Углерод [С]	0,56-0,64
Марганец [Mn]	0,40-0,70
Кремний [Si]	1,40-1,80
Хром [Cr]	0,70-1,20
Никель [Ni]	0,005-0,25
Ванадий [V]	0,005-0,20
Сера [S]	0,005-0,025
Азот [N]	0,005-0,010
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 соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn) 0,07; 1,12 [C+Si/4+Mn/6+(Cr+V)/5] 1,50, 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 - 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, оксидам строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 2,5 балла, средний по каждому виду включений, механические свойства после закалки и отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1470 Н/мм ², предел текучести не менее 1425 Н/мм² , относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 25%.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: фосфор не более 0,025; медь не более 0,15.

При содержании в стали в мас.%: хром 0,90-1,20, ванадий 0,10-0,20, прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 1670 Н/мм², предел текучести не менее 1470 Н/мм², относительное удлинение - не менее 6%, относительное сужение - не менее 25%.

При содержании в стали в мас.%: хром - 0,70-1,00, ванадий 0,005-0,10 прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 1570 Н/мм², предел текучести не менее 1460 Н/мм², относительное удлинение - не менее 6%, относительное сужение - не менее 25%.

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 (0,64%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и упругости стали, а нижняя - соответственно 0,56% - 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 - 0,70%, хрома - 1,20% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости стали, а нижний - 0,40% и 0,70% 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 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.

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 - -превращения. Верхняя граница содержания ванадия - 0,20%, обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,005% обуславливается необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0,25% необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Сера определяет уровень пластичности и обрабатываемости резанием стали. Верхний предел (0,025%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Мышьяк, олово, свинец и цинк определяют общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий. 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) 0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости, а 1,12 [C+Si/4+Mn/6+(Cr+V)/5] 1,50... определяет требуемый уровень прокаливаемости стали.

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.

Примеры осуществления изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку исследуемой стали, химический состав в мас.%:

Пример 1: углерод - 0,59, марганец - 0,65, кремний - 1,61, хром - 0,99, никель - 0,03; ванадий - 0,14; сера - 0,008, азот - 0,007, мышьяк - 0,007, олово - 0,009, свинец - 0,006, цинк - 0,002;

Пример 2: углерод - 0,58, марганец - 0,69, кремний - 1,55, хром - 0,81, никель - 0,05; ванадий - 0,01; сера - 0,009, азот - 0,008, мышьяк - 0,008, олово - 0,009, свинец - 0,004, цинк - 0,001;

Пример 3: углерод - 0,61, марганец - 0,59, кремний - 1,62, хром - 0,85, никель - 0,09; ванадий - 0,04; сера - 0,008, азот - 0,008, мышьяк - 0,007, олово - 0,007, свинец - 0,004, цинк - 0,001; производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах 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.

В результате горячей прокатки получаем сортовой прокат 16 мм, длиной - 4800 мм соответственно из стали по:

Пример 1: Структура феррито-перлитная, перлит пластинчатый, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 2 балла, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 2 балла, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1 балл, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 0,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 1692 Н/мм², предел текучести 1498 Н/мм ², относительное удлинение 7%, относительное сужение 27%.

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,032

[C+Si/4+Mn/6+(Cr+V)/5]=1,33

Пример 2: Структура феррито-перлитная, перлит пластинчатый, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 1,5 балла, точечная неоднородность - 1,5 балла, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. 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 - 1,0 балл. Временное сопротивление разрыву 1501 Н/мм², предел текучести 1452 Н/мм², относительное удлинение 6,5%, относительное сужение 27%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,026

[C+Si/4+Mn/6+(Cr+V)/5]=1,25

Пример 3: Структура феррито-перлитная, перлит пластинчатый, 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 балл. Временное сопротивление разрыву не менее 1586 Н/мм², предел текучести не менее 1488 Н/мм², относительное удлинение 7%, относительное сужение 26%.

(As+Sn+Pb+5×Zn)=0,025

[C+Si/4+Mn/6+(Cr+V)/5]=1,29

Внедрение сортового проката горячекатаного, горячекалиброванного, изготовленного из пружинной стали, обеспечивает повышенный уровень потребительских свойств проката при благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низком содержании неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуре, повышенных характеристиках обрабатываемости резанием.