Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СОРТОВОГО ПРОКАТА ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ ПРУЖИННОЙ СТАЛИ

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):

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 S₁=150×150 мм из легированной пружинной стали марки 40С2 следующего химического состава, мас.%:

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 λ_Σ1 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 λ_Σ2 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.

1.Способпроизводствасортовогопрокатаизлегированнойпружиннойстали,включающийнагревзаготовкидотемпературыаустенитизации,последующуюмногопроходнуюгорячуюпрокаткусобжатиемввалкахскалибрамисрегламентированнойтемпературойконцапрокатки,иохлаждениенавоздухе,отличающийсятем,чтогорячуюпрокаткуосуществляютзадваэтапа,вначалессуммарнойвытяжкойнеменее2,послечегораскатохлаждают,нагреваютдотемпературы1150-1300°Сиподвергаютповторнойпрокаткессуммарнойвытяжкойнеменее16итемпературойконцапрокатки950-1100°С.12.Способпоп.1,отличающийсятем,чтопередохлаждениемнавоздухепрокатдополнительноохлаждаютводойсоскоростью30-60°С/сдотемпературы790-910°С.2