Способ производства горячекатаного сортового проката из подшипниковых сталей
Владельцы патента RU 2307176:
Открытое акционерное общество "Оскольский электрометаллургический комбинат" (ОАО "ОЭМК") (RU)
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к получению сортового проката для изготовления роликов и колец подшипников качения. Для уменьшения длительности сфероидизирующего отжига и снижения затрат на энергоносители при проведении термообработки способ включает выплавку подшипниковой стали ГОСТ 801-78, разливку, нагрев слитка под прокатку, прокатку и последеформационное ускоренное охлаждение проката в охлаждающих устройствах до температур самоотпуска в пределах 690-630°С, при этом выделение эвтектических карбидов по границам зерен в виде остатков карбидной сетки в горячекатаном прокате не превышает балл 3 по эталонам шкалы №4 ГОСТ 801-78. 2 табл.
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 (Тсо) в пределах 690-630°С.
Максимальное значение Тсо 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 Тсо 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 Тсо 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.
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.
