способ производства сортового проката из легированной пружинной стали

Формула изобретения

1. Способ производства сортового проката из легированной пружинной стали, включающий нагрев заготовки до температуры аустенитизации, последующую многопроходную горячую прокатку с обжатием в валках с калибрами с регламентированной температурой конца прокатки, и охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что горячую прокатку осуществляют за два этапа, вначале с суммарной вытяжкой не менее 2, после чего раскат охлаждают, нагревают до температуры 1150-1300°С и подвергают повторной прокатке с суммарной вытяжкой не менее 16 и температурой конца прокатки 950-1100°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед охлаждением на воздухе прокат дополнительно охлаждают водой со скоростью 30-60°С/с до температуры 790-910°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при горячей сортовой прокатке круглых профилей и катанки из легированной пружинной стали.

Сортовой прокат круглого сечения диаметром 8,0-28,0 мм из легированной пружинной стали, используемый для изготовления упругих элементов железнодорожного крепежа, после имитирующей термообработки (нагрев до 870-885°С, закалка в воду, отпуск при 470-500°С) должен обладать следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Таблица 1 Механические свойства круглого проката из пружинной стали
Стандарт на продукцию	в, Н/мм2	, %	10, %	НВ,
ТС 105-433-04	не менее 800	не менее 40	не менее 10	не более 250
Примечание: твердость НВ измеряют в горячекатаном состоянии.

Известен способ сортовой прокатки профилей круглого сечения, включающий нагрев стальной заготовки до температуры аустенитизации, многопроходную прокатку в валках с калибрами черновой и чистовой групп клетей до конечного диаметра с регламентированной температурой конца прокатки, охлаждение водой и формирование бунта, согласно которому средний участок раската регламентированной длины подвергают межклетевому принудительному охлаждению [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что профиль круглого сечения из легированной пружинной стали приобретает из-за неравномерного охлаждения раската низкие и нестабильные механические свойства по длине, что снижает качество и выход годного проката.

Известен также способ производства сортового проката из легированных сталей, включающий нагрев заготовок до температуры аустенитизации, прокатку в валках с калибрами. Затем производят подогрев заготовки, причем поверхностный слой переднего конца регламентированной длины перегревают на 30-100°С относительно остального металла и производят повторную прокатку в непрерывной группе клетей, после чего прокат охлаждают [2].

Недостаток известного способа состоит в том, при использовании литой заготовки сортовой прокат из легированной пружинной стали имеет низкие качество и выход годного.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства сортового проката из легированной стали, включающий нагрев заготовки до температуры аустенитизации 950-1000°С, последующую многопроходную горячую прокатку с обжатием в вертикальных и горизонтальных валках с калибрами с регламентированной температурой конца прокатки 700-720°С и охлаждение на воздухе [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что сортовой прокат, полученный из литой заготовки, после имитирующей термической обработки имеет низкие механические свойства и дефекты поверхности, что снижает качество и выход годного проката.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении качества и выхода годного проката.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства проката из легированной пружинной стали, включающем нагрев заготовки до температуры аустенитизации, последующую многопроходную горячую прокатку с обжатием в валках с калибрами с регламентированной температурой конца прокатки и охлаждение на воздухе, согласно предложению горячую прокатку осуществляют за два этапа, вначале с суммарной вытяжкой не менее 2, после чего раскат охлаждают, нагревают до температуры 1150-1300°С и подвергают повторной прокатке с суммарной вытяжкой не менее 16 и температурой конца прокатки 950-1100°С. Кроме того, перед самопроизвольным охлаждением на воздухе прокат дополнительно охлаждают водой со скоростью 30-60°С/с до температуры 790-910°С.

Сущность предложенного изобретения состоит в следующем. Литые заготовки из легированной пружинной стали имеют неравномерный химический состав (ликвацию элементов) в объеме дендритов и по их границам, а также карбидную неоднородность, что приводит к неравномерности структуры и механических свойств сортового проката. Горячая прокатка на первом этапе с суммарной вытяжкой не менее 2, последующее охлаждение и повторный нагрев способствуют измельчению дендритов, интенсификации диффузионных процессов в легированной пружинной стали. Благодаря этому перед повторной горячей прокаткой полностью устраняется ликвация легирующих элементов, карбидная и структурная неоднородность.

Прокатка на втором этапе в температурном диапазоне от 1150-1300°С до 950-1100°С с суммарной вытяжкой не менее 16 обеспечивает как необходимую степень проработки и измельчения микроструктуры легированной пружинной стали, необходимой для получения заданных механических свойств, так и высокую технологическую пластичность металла, способствующую точному выполнению профиля в калибрах и исключению образования поверхностных дефектов.

Охлаждение горячекатаного сортового проката водой со скоростью 30-60°С до температуры 790-910°С способствует формированию более мелкозернистой и стабильной микроструктуры по сечению и длине полосы, а последующее охлаждение на воздухе от температуры 790-910°С нормализует сталь, снижает в ней остаточные фазовые и термические напряжения. Это дополнительно способствует повышению качества и выхода годных сортовых профилей.

Экспериментально установлено, что при горячей прокатке заготовки на первом этапе с суммарной вытяжке менее 2 не достигается необходимая степень измельчения дендритов и повышение диффузионной активности углерода и легирующих элементов, что необходимо для протекания гомогенизации микроструктуры и химического состава легированной пружинной стали в процессе ее охлаждения и нагрева перед вторым этапом прокатки.

При температуре нагрева раската до температуры ниже 1150°С не обеспечивается завершение гомогенизации структуры при нагреве, снижается технологическая пластичность стали в последних проходах в валках с калибрами, ухудшается качество проката. Повышение этой температуры выше 1300°С приводит к ослаблению границ зерен, их окислению, образованию трещин на поверхности, что снижает качество и выход годного проката.

При суммарной вытяжке менее 16 или температуре конца прокатки выше 1100°С формируется крупнозернистая неравномерная микроструктура легированной пружинной стали, в результате чего снижаются прочностные и пластические свойства в термообработанном состоянии. Снижение температуры конца прокатки менее 950°С повышает прочность стали в горячекатаном состоянии, ее твердость превышает 250 НВ, что недопустимо при изготовлении упругих элементов.

При снижении скорости охлаждения водой менее 30°С/с или повышении температуры окончания этого охлаждения более 910°С имеет место рост зерен микроструктуры, особенно на профилях увеличенного сечения, повышение качества сортовых профилей не достигается. Увеличение скорости охлаждения выше 60°С, как и снижение температуры его окончания менее 790°С, приводило к переупрочнению стали, повышению твердости в горячекатаном состоянии более 250 НВ, что недопустимо при изготовлении упругих элементов.

Примеры реализации способа

Для производства проката круглого сечения диаметром 18 мм использовали непрерывно литые квадратные заготовки сечением S ₁=150×150 мм из легированной пружинной стали марки 40С2 следующего химического состава, мас.%:

С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	Fe
0,42	0,80	1,8	0,015	0,020	0,12	0,20	0,25	остальное.

Заготовки нагревают в методической газовой печи до температуры аустенитизации Т_н1=1250°С и после выдержки в течение 2 ч для выравнивания температуры по сечению последовательно выталкивают на печной рольганг сортового стана 350.

Нагретую заготовку задают в валки с калибрами и осуществляют первый этап ее горячей прокатки в черновой группе клетей за 5 проходов в горизонтальных и вертикальных валках с системой калибров "ромб-квадрат" в полуфабрикаты квадратного сечения S₂=100×100 мм. Суммарная вытяжка ₁ при этом равна:

Полученные полуфабрикаты охлаждают, после чего загружают в нагревательную печь с газовым отоплением, где производят их повторный нагрев до температуры T_н2=1220°С и подвергают второму этапу горячей прокатки в вертикальных и горизонтальных валках с калибрами сортопрокатного стана 250. Прокатку осуществляют за 17 проходов в профиль круглого сечения площадью S₃ (диаметр d=18 мм) при температуре конца прокатки T_кп=1025°С. Суммарная вытяжка ₂ на втором этапе прокатки составляет:

Прокатанный профиль круглого сечения, выходящий из валков последней клети, пропускают через трубчатый холодильник, в который подают охлаждающую воду. В трубчатом холодильнике прокат охлаждают со скоростью V_o=45°С/с от температуры T_кп=1025°С до температуры Т_о=850°С. После этого прокат охлаждают на воздухе с самопроизвольной скоростью.

От прокатанного профиля отбирают пробы для измерения твердости в горячекатаном состоянии и проведения имитирующей термообработки. После закалки в воду от температуры 880°С и отпуска при температуре 480°С проводят испытания механических свойств образцов на разрыв. По результатам контроля механических свойств, точности выполнения профиля и качества поверхности производят сортировку металлопроката.

Варианты реализации способа производства проката и показатели их эффективности приведены в табл.2.

Из табл.2 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-№4) достигается повышение качества проката из легированной пружинной стали, что способствует увеличению выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5), а также способа-прототипа (вариант №6) имеет место снижение качества и выхода годного сортового проката.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что после горячей прокатки на первом этапе с вытяжкой не менее 2,0, охлаждения и нагрева до температуры 1150-1300°С достигается измельчение литой дендритной структуры стали и интенсифицируются диффузионные процессы. В результате сталь приобретает гомогенный химический состав и микроструктуру. Повторная горячая прокатка раската с суммарной вытяжкой не менее 16 и температурой конца прокатки 950-1100°С обеспечивает высокую технологическую пластичность стали, выполнение профиля полосы и отсутствие дефектов на поверхности, формирование механически проработанной мелкозернистой аустенитной микроструктуры. Охлаждение такого проката водой до температуры 790-910°С со скоростью 30-60°С препятствует неуправляемому росту зерен микроструктуры и увеличению ее разнобалльности, что повышает механические свойства сортового проката и увеличивает выход годного. Использование предложенного способа на проволочном стане 250 обеспечит повышение рентабельности производства сортового проката из легированной пружинной стали на 15-20%.

Источники информации

1. Патент России №2148443, МПК В 21 В 1/16, 2000 г.

2. Авт. свид. СССР №1692691, МПК В 21 В 1/00, 1991 г.

3. Беняковский М.А. и др. Технология прокатного производства. Справочник. Кн.1. М.: Металлургия, 1990 г., с.396-404 - прототип.

Таблица 2 Режимы производства проката круглого сечения из легированной пружинной стали и их эффективность
№ п/п	1	Тн2, °С	2	Ткп, °С	Vo, °C/c	То, °С	в, Н/мм2	, %	10, %	НВ,	Выход годного, %
1.	1,9	1140	15,0	940	29	780	1100	22-40	6-8	270-310	-
2.	2,0	1150	16,0	950	30	790	950	41	10	250	99,6
3.	2,25	1220	39,3	1025	45	850	900	46	16	220	99,8
4.	9,5	1300	44,1	1100	60	910	800	44	15	200	99,7
5.	10,4	1310	45,2	1110	61	920	760-800	35-40	9-12	180-210	35,9
6. (прототип)	-	1000	40,4	720	не регл.	не регл.	800-1200	15-40	6-10	250-320	33,2