способ производства горячекатаного сортового проката из подшипниковых сталей

Формула изобретения

Способ производства горячекатаного сортового проката из подшипниковых сталей, включающий выплавку стали, содержащей С, Si, Mn,Cr, S, P, Ni, Cu, при (Cu+Ni) не более 0,5, непрерывную разливку стали, горячую прокатку заготовок и охлаждение, отличающийся тем, что прокат с температуры конца прокатки ускоренно охлаждают до температуры самоотпуска в пределах 690-630°С с обеспечением выделения в горячекатаном прокате эвтектических карбидов по границам зерен в виде остатков карбидной сетки не превышающих балл 3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу производства горячекатаного сортового проката с ограничением карбидной сетки в структуре из высокоуглеродистых подшипниковых марок стали, применяемого для изготовления роликов и колец подшипников качения.

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату из подшипниковых марок стали для производства роликов и колец подшипников качения, является получение заданной микроструктуры. В частности, в микроструктуре отожженного проката подшипниковых сталей диаметром до 60 мм не допускается наличие карбидной сетки, а ее остатки не должны превышать балл 3, при этом в горячекатаном прокате (до отжига) балл остатков карбидной сетки не регламентируется (ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая), это необходимо для увеличения усталостной долговечности подшипников качения при эксплуатации.

Причиной образования карбидной сетки в подшипниковых сталях является выделение избыточных карбидов по границам аустенитных зерен. Количество карбидов и толщина карбидной сетки как в горячекатаном, так и в отожженном прокате увеличиваются при повышении содержания в стали углерода, хрома и размеров аустенитных зерен. Этому способствует также снижение скорости охлаждения проката в интервале температур от 850°С до температуры бейнитного превращения.

Известен способ производства проката из шарикоподшипниковых сталей, включающий нагрев слитка из подшипниковой стали до 1240°С, прокатку на блюминге и непрерывно - заготовочном стане в заготовку квадратного сечения, охлаждение в термостате до 200°С, повторный нагрев до 1190°С и прокатку на мелкосортном стане в профиль круглого сечения, при этом температуру конца прокатки на выходе из последней клети стана поддерживают равной 925°С и охлаждают водой до 825°С, сматывают в бут и охлаждают на воздухе (патент РФ №220197, опубл. 10.04.2003 г.).

Недостатком данного способа является высокая вероятность распада аустенита при охлаждении на воздухе от температур конца регламентируемого охлаждения водой (т.е. с температуры 825°С) с выделением в структуре горячекатаного проката замкнутой карбидной сетки по границам зерен, для уменьшения которой в дальнейшем необходим сфероидизирующий отжиг.

Известен способ производства горячекатаного сортового проката из подшипниковой стали (ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. М.: Издательство стандартов, 1979 г.). Способ включает выплавку подшипниковой стали с химическим составом в следующем диапазоне по элементам: углерод - 0,90-1,05, кремний - 0,15-0,85, марганец - 0,20-1,70, хром - 0,35-1,70, сера - не более 0,02, фосфор - не более 0,027, никель - не более 0,30, медь - не более 0,25, при сохранении нормы суммарной массовой доли меди и никеля не более 0,5; производство горячекатаного неотожженного проката и производство горячекатаного отожженного проката. Сортовой прокат из высокоуглеродистых подшипниковых марок стали после прокатки охлаждается на спокойном воздухе. Недостатком данного способа производства является выделение до отжига в структуре горячекатаного проката (преимущественно в центральной зоне) замкнутой карбидной сетки. Микроструктура стали представляет собой перлит с действительными зернами 6-7 балла. После испытаний, которые заключаются в нагреве образцов горячекатаного проката до температуры 850°С, закалке и низком отпуске на продольных шлифах, обнаруживаются остатки карбидной сетки до 5 балла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ производства горячекатаного сортового проката, используемый в ОАО "Днепроспецсталь" (ж. "Сталь" №9, 2002 г., стр.82-83).

Способ включает выплавку подшипниковой стали (ГОСТ 801-78, Сталь подшипниковая) с содержанием углерода в пределах 0,95-1,0% с последующей разливкой в слитки массой 3,6 и 4,3 тонн. Слитки перед прокаткой на блюминге 1050/950 подвергают гомогенизирующему нагреву по режиму - ступенчатый подъем температуры до 1280°С, выдержка 2-3 часа, охлаждение до 1180°С, выдержка 2-4 часа.

Заготовки, назначенные на прокатку на стане 325, нагревают до 1160-1200°С, в ходе прокатки раскат перед задачей в чистовой калибр подстуживают до 850°С. После деформации сортовой прокат диаметрами 22-40 мм направляют в пятисекционную установку ускоренного охлаждения длиной 21 м. После выхода металла из установки ускоренного охлаждения на холодильник поверхность раската разогревается от 610-730°С до 720-770°С, и температура по сечению выравнивается.

На стане 280 заготовки нагревают в методической печи до 1050-1100°С и прокатку ведут без подстуживания перед чистовым проходом, обеспечивая температуру окончания деформации 950-1020°С. После чистового прохода раскат ускоренно охлаждают в установках, одна из которых работает на холодильник при изготовлении прутков диаметром от 14 до 21 мм, а другая - на моталки при изготовлении прутков диаметрами от 8 до 13 мм. Температура поверхности проката после ускоренного охлаждения поддерживается на уровне 730-780°С.

Гомогенизация слитков подшипниковой стали с содержанием углерода 0,95-1,0% перед прокаткой на блюминге в сочетании с обеспечением минимально возможной температуры окончания деформации заготовок в чистовом калибре и с регламентированным ускоренным последеформационным охлаждением металла в потоке мелкосортных станов 325 и 280 позволяют гарантированно получать в отожженной стали остатки карбидной сетки не более балла 3 по эталонам шкалы №4 ГОСТ 801-78.

Недостатком данного способа является невозможность получить в горячекатаном прокате (до отжига) металл с остатками карбидной сетки меньше балла 3.

Техническим результатом изобретения является получение до отжига в горячекатаном прокате из высокоуглеродистых подшипниковых марок стали структуры с ограниченным выделением эвтектических карбидов по границам зерен в виде остатков карбидной сетки до балла 3 по эталонам шкалы №4 ГОСТ 801-78, что позволит уменьшить длительность высокотемпературного диффузионного (сфероидезирующего) отжига и снизить затраты на энергоносители при проведении термообработки.

Для достижения технического результата прокат из высокоуглеродистых подшипниковых марок стали (таблица 1) диаметрами 12-78 мм производят из заготовки сечением 170×170 мм.

Таблица 1.
Химический состав подшипниковых мапок стали (ГОСТ 801-78).
Марка стали	Массовая доля элементов, %
	Углерод	Кремний	Марганец	Хром	Сера	Фосфор	Никель	Медь	Никель+Медь
					не более
ШХ15	0,95-1,05	0,17-0,37	0,20-0,40	1,30-1,65	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50
ШХ5СГ	0,95-1,05	0,40-0,65	0,90-1,20	1,30-1,65	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50
ШХ4	0,95-1,05	0,15-0,30	0,15-0,30	0,35-0,50	0,02	0,027	0,30	0,25	0,50

Выплавку стали производят в электропечах с последующей внепечной обработкой, включающей вакуумирование и обработку стали на установке печь-ковш. Разливку подшипниковых марок стали производят на четырехручьвых машинах непрерывной разливки радиального типа в блюмы сечением 300×360 мм, с последующим регламентируемым охлаждением в печах замедленного охлаждения. Перед прокаткой непрерывнолитые заготовки подвергают ступенчатому нагреву в методических печах с шагающими балками и гомогенизирующему отжигу при температуре 1200°С и времени выдержки не менее 4 часов в печи гомогенизации. Прокатку непрерывнолитой заготовки сечением 300×360 мм производят при температуре начала деформации 1080°С на стане 700, имеющем в своем составе обжимную реверсивную клеть "1000" и две непрерывные четырехклетьевые группы, на передельную заготовку сечением 170×170 мм массой до 2,4 т, с последующим охлаждением в спокойном воздухе на холодильниках.

Нагрев заготовки 170×170 мм перед прокаткой осуществляется до температуры 1220°С в печах с шагающим подом при минимальном избытке воздуха. Прокатку производят в непрерывных линиях на диаметры проката от 12 до 32 мм в мелкосортной группе, на диаметры от 32 до 78 мм - в среднесортной группе стана 350 без специального подстуживания перед чистовыми проходами. Окончание прокатки производят при температуре 1050-1070°С, после чего прокат подвергают последеформационному ускоренному охлаждению в охлаждающих устройствах до температур самоотпуска (Т_со) в пределах 690-630°С.

Максимальное значение Т_со должно быть не выше 690°С для обеспечения распада аустенита при ускоренном охлаждении с температур конца прокатки на перлитную структуру с участками бейнита (при этом в поверхностном слое структура состоит из сорбита отпуска) с минимальным выделением эвтектических карбидов по границам зерен в виде остатков карбидной сетки.

Минимальное значение Т_со должно быть не ниже 630°С для обеспечения удовлетворительных прочностных свойств стали при порезке раската ножницами и последующей механической обработке. При более низких температурах самоотпуска резко повышаются прочностные свойства стали, особенно это относится к поверхностному слою, где наиболее вероятно образование структуры мартенсита.

В основу промышленной технологии последеформационного ускоренного охлаждения проката подшипниковых сталей с целью уменьшения остатков карбидной сетки положены максимальные скорости охлаждения (не менее 750°С/с) с температуры конца прокатки (1050-1070°С), достижимые в охлаждающем устройстве, до Т_со 690-630°С. Этому требованию в большей степени отвечает непрерывное ускоренное охлаждение во всех секциях охлаждающего устройства подряд до достижения заданной среднемассовой температуры. Пример реализации способа.

На стане 350 ОАО "ОЭМК" прокат подшипниковых сталей диаметром 32-78 мм производят в непрерывной линии среднесортной группы стана из катаных заготовок сечением 170×170 мм длиной 9-11 м. Нагрев перед прокаткой осуществляют до температуры 1200°С в печах с шагающим подом при минимальном избытке воздуха в течении не менее 2 часов. Скорость прокатки в зависимости от профилеразмера готового проката составляет от 6 до 2 м/с.

Ускоренное охлаждение проката в среднесортной линии стана 350 осуществляют с температуры конца прокатки 1050-1070°С в устройстве, расположенном за чистовой клетью и состоящем из восьми последовательно расположенных прямоточно-противоточных секций. Четыре первые по ходу прокатки секции имеют длину по 3,5 м, четыре последующие - длину по 5 м, при этом для достижения необходимого результата используются только первые четыре секции подряд. Общая длина активной зоны охлаждения составляет 14 м, максимальный расход воды - 1200 м³/час под давлением 1,6 Мпа, среднемассовая температура проката после ускоренного охлаждения 630-690°С.

Исследования микроструктуры ускоренно охлажденного проката показывают, что поверхностный слой состоит из сорбита отпуска или отпущенного мартенсита толщиной 0,15-0,50 мм. Он образуется в результате мартенситного превращения в поверхностном слое в процессе ускоренного охлаждения и последующего самоотпуска. Микроструктура более глубоких слоев состоит преимущественно из перлита с отдельными участками бейнита и остаточного аустенита, в котором частично произошло мартенситное превращение. При этом балл действительного зерна составляет 7-9.

В таблице 2 приведены результаты исследования микроструктуры профилей диаметром 33-70 мм из стали марок ШХ15 и ШХ15СГ в горячекатаном и отожженном состоянии, которые производятся с использованием разработанной технологии последеформационного ускоренного охлаждения.

Таблица 2.
Микроструктура проката подшипниковых сталей, произведенного с последеформационным охлаждением
D, мм	V, м/с	Состояние	Карбидная сетка, балл по шкале №4 ГОСТ 801-78				Балл действительного зерна
			Край	1/2 R	Центр		Край	Центр
Сталь ШХ15
34	5	Г/к	1	1	1,5	8-9		7
		Т/о	0,5	1	1,5
36	5	Г/к	1	1-2	1-3	8-9		7-8
38	5	Г/к	1-2	1-2	2-3	7-8		5-7
		Т/о	0,5	1,5	1,5
40	5	Г/к	0,5-1	2	2	8-9		7
		Т/о	0,5	1	1
40	4	Г/к	1-2	1-3	2-3	8-9		7-8
		Т/о	0,5-1	1-1,5	1,5-2
44	3	Т/о	1	1-2	1-2
45	3	Г/к	0,5-1	1-2	1-3	8-9		7-8
		Т/о	1	1	2
50	3	Г/к	-	2-2,5	2	8-9		7-8
56	3	Г/к	1,5	3	3	8-9		7-8
60	3	Г/к	2-3	3	2,5-3,0	8-9		7
Сталь ШХ15СГ
33	6	Г/к	0,5-1	1-3	1-3	8-9		7-8
		Т/о	0,5-1	1-1,5	1-2
34	5	Г/к	0,5-1	1-2	1-2	9		8
		Т/о	0,5	1	1,5-2
35	4	Г/к	1	1,5	1,5-2	8-9		7-8
		Т/о	0,5	1	1
36	5	Г/к	0,5-1	1-2	1-3	8-9		6-8
		Т/о	0,5-1	0,5-1	1-2
36	4	Г/к	1	1	1-2	8-10		7-8
		Т/о	0,5	1	1
40	4	Г/к	1	1.5	1-2	8-9		7-8
		Т/о	0,5	1	1-2
45	3	Г/к	0,5-1	1-2	1-2	8-9		7-8
		Т/о	0,5	1	1-1,5
55 60	3 3	Г/к	1,5	2	2-3	8-9		6-7
		Г/к	2	2-2,5	3	8		7
65	2,5	Г/к	0,5-1	1-3	1-3	8-9		7-8
		Т/о	1	1,5-2	2-3
70	2,0	Г/к	1-1,5	1-2	1-3	8-9		7-8
		Т/о	1	2	2-3

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить в горячекатаном прокате (до отжига) из высокоуглеродистых подшипниковых марок стали структуру с ограниченным выделением эвтектических карбидов по границам зерен в виде остатков карбидной сетки до балла 3 по эталонам шкалы №4 ГОСТ 801-78.