ME01062B - Čelik za opruge, postupak proizvodnje čelika za proizvodnju opruga, i opruge napravljene od ovog čelika - Google Patents

Description

Pronalazak se odnosi na crnu metalurgiju, tačnije rečeno na oblast čelika za opruge.

Uopšteno govoreći, sa povećanjem zahteva zamora koji se vrši na opruge, stalno se povećavaju čvrstina i otpornost na rastezanje koji se traže od opruga. Prema tome, stalno se povećava osetljivost na prelom do koga dolazi na neravninama, kao što su inkluzije ili nepravilnosti na površini nastale u toku proizvodnje opruga, i otpornost na zamor postaje ograničena. S druge strane, opruge koje se koriste u okruženju koje je veoma korozivno, kao što su viseće opruge, moraju imati svojstva korozionog zamora najmanje odgovarajuća ili čak veća jer koriste čelik koji ima veću otpornost na istezanje. Tako, ovakve opruge imaju tendenciju da se prekinu na nivou nepravilnosti, odmah u toku ciklusa zamora na vazduhu i kasnije u toku ciklusa korozionog zamora. Naročito u ciklusu korozionog zamora , nepravilnosti mogu da nastanu na probojima korozije. Osim toga, uz povećanje primenjenih napona, teže je da se poboljša dužina trajanja pod korozionim naporom ili da se održava na odgovarajućem nivou, imajući u vidu činjenicu da efekti koncentracije napona na probojima korozije, na nepravilnostima površine opruga eventualno nastale prilikom namotavanja opruge ili u drugim fazama proizvodnje, ili na nemetalnim delovima, postaju kritičniji kad se povećava tvrdoća opruge.

Prema onome što je poznato, dokumenti FR-A- 2740 476 i JP-A-3 474 373 (EP 0943697 A1) opisuju jednu vrstu čelika za opruge koja ima dobru otpornost na lomljivost vodonikom i dobru otpornost na zamor u kome su delovi karbonitrosulfida koji sadrži najmanje jedan element od titana, niobijuma, cirkonijuma, tantala ili hafnijuma, kontrolisani tako da imaju nižu srednju veličinu, manju od 5 µm u prečniku i da ih ima veoma mnogo (10 000 ili više u jednom preseku).

Osim toga, JP 09324219A otkriva jednu vrstu čelika za opruge koja sadrži Cr, Ni, V, Cu, Ti i Nb koji ima otpornost na lomljivost vodonikom, otpornost veću od 2000 Mpa kao i tvrdoću veću od 50 HRC.

Medjutim, posle kaljenja i opuštanja prema industrijskom postupku proizvodnje opruga, ovaj čelik dolazi do nivoa tvrdoće od samo 50HRC ili malo više, što odgovara otpornosti na istezanje od 1700MPa ili malo višoj, ali ne više od 1900Mpa, što odgovara tvrdoći od 53,5HRC. Zbog tog umerenog nivoa tvrdoće, ovaj čelik ima samo umerenu otpornost na omekšavanje. Tako, ovakav čelik ne predstavlja odličan kompromis izmedju uvećane otpornosti, koja bi bila veća od 2100Mpa, tvrdoće koja bi bila veća od 55HRC, veće otpornosti na zamor u vazduhu i otpornosti na korozioni zamor bar odgovarajuće, pa čak i veće, što je neophodno za opruge.

Cilj pronalaska je da predloži načine da se istovremeno realizuje, u odnosu na poznate čelike za opruge, povećanje tvrdoće i otpora na razvlačenje opruga, povećane karakteristike zamora na vazduhu, karakteristike korozionog zamora najmanje jednake ili čak veće, veća otpornost na razmekšavanje opruga i manja osetljivost na nepravilnosti površine do kojih može doći u toku uvijanja opruga.

U tu svrhu pronalazak ima za cilj čelik za opruge veće otpornosti na zamor na vazduhu i korozioni zamor i visoku otpornost na ciklično omekšavanje, sastava, u procentima težinski:

C= 0,45 – 0,70%

Si = 1,65-2,50%

Mn = 0,20 – 0,75%

Cr = 0,60 – 2%

Ni = 0,15 – 1%

Mo = u tragovina – 1%

V = 0,003 – 0,8%

Cu = 0,10 – 1%

Ti = 0,020 – 0,2%

Nb = u tragovima – 0,2%

Al = 0,002 – 0,050%

P = u tragovima – 0,015%

S = u tragovima – 0,015%

O = u tragovima – 0.0020%

N = 0,0020 – 0,0110%

a ostatak je gvoždje i nečistoće nastale pri proizvodnji i čiji sadržaj ugljeničnog ekvivalenta Ceq, je izračunat po formuli

Ceq% = [C%] + 0,12 [Si%]+ 0,17 [Mn%] – 0,1 [Ni%] + 0,13 [Cr%] – 0,24 [V%]

i podrazumeva se da je izmedju 0,80 i 1,00 i čija tvrdoća i opuštanje su veći ili ravni 55HRC.

Maksimalna veličina Ti nitrida ili karbonitrida posmatrana na 1,5 ± 0,5 mm površine šipke, ili žice, jednog komada ili opruge na 100 mm2 površine preseka je najbolje niža ili jednaka 20 µm, a ta veličina je kvadratni koren površine inkluzije posmatrane kao kvadrati.

Najbolje je da sastav čelika bude:

C = 0,45 – 0,65%

Si = 1,65-2,20%

Mn = 0,20 – 0,65%

Cr = 0,80 – 1,7%

Ni = 0,15 – 0,80%

Mo = u tragovina – 0,80%

V = 0,003 – 0,5%

Cu = 0,10 – 0,90%

To = 0,020 – 0,15%

Nb = u tragovima – 0,15%

Al = 0,002 – 0,050%

P = u tragovima – 0,010%

S = u tragovima – 0,010%

O = u tragovima – 0.0020%

N = 0,0020 – 0,0110%

a ostalo je gvoždje i nečistoće nastale pri proizvodnji.

Pronalazak takodje ima za cilj prostupak proizvodnje čelika za opruge za visokom postojanošću na zamor u vazduhu i korozioni zamor i sa visokom otpornošću na ciklično omekšavanje, prema kome se pravi tečni čelik u jednom konvertoru ili električnoj peći, podesi se njegov sastav, izliva se u obliku bluminga ili čeličnih neprekidnih odlivaka ili poluga, ostavljaju se da se hlade na temperaturi okoline, izvlače se u obliku šipki, žica ili komada i transformišu se u opruge, karakteristične po tome što je:

- čelik prethodnog tipa;

- posle stvrdnjavanja bluminzi, šipke ili čelični odlovci imaju minimalnu srednju brzinu hladjenja od 0,3ºC/s izmedju 1450 i 1300ºC;

- navedeni bluminzi, šipke ili čelični odlivci valjaju se izmedju 1200 i 800ºC u jedan ili dva ciklusa ponovljenog zagrevanja i valjanja;

- vrši se austenitizacija izmedju 8500 i 1000ºC traka, šipki ili komada metala, ili opruga koje se od njih prave, a zatim se kale u vodi, u polimeru ili ulju i opuštaju na 200-550ºC, tako da čelik dobije tvrdoću veću ili jednaku 55HRC.

Pronalazak ima, isto tako, za cilj opruge napravljene od takvog čelika i opruge od čelika koji se dobija prethodnim postupkom.

Neočekivano, pronalazači su zapazili da čelik koji ima karakteristike i morfologiju koji su gore opisani, omogućava da se obezbedi, posle obrade, livenja, valjanja, kaljenja i otpuštanja izvršenih u specifičnim uslovima, tvrdoća veća od 55HRC, predstavljajući izvanredan kompromis izmedju dugotrajnosti na zamor u vazduhu i korozionog zamora, visoku otpornost na ciklično omekšavanje i slabu osetljivost na nepravilnosti površine do kojih dolazi prilikom izrade opruge.

Pronalazak će biti bolje shvaćen kad se pročita opis koji sledi, u vezi sa sledećim priloženim slikama:

- slika 1 koja pokazuje rezultate testa na tvrdoću i ciklično omekšavanje za čelike prema pronalasku i referentne čelike;

- slika 2 koja pokazuje rezultate testa zamora u vazduhu u funkciji tvrdoće čelika, za čelike prema pronalasku i referentne čelike;

- slika 3 koja pokazuje rezultate Charpy testa elastičnosti u funkciji tvrdoće čelika, za čelike prema pronalasku i referentne čelike;

- slika 4 koja pokazuje rezultate testa na korozioni zamor u funkciji tvrdoće čelika za čelike prema pronalasku i referentne čelike.

Sastav čelika prema pronalasku treba da zadovolji sledeće zahteve.

Sadržaj ugljenika treba da bude izmedju 0,45 i 0,7%. Ugljenik omogućava, posle kaljenja i opuštanja, da se poveća otpornost na rastezanje i tvrdoća čelika. Ako je sadržaj ugljenika manji od 0,45%, u opsegu temperature koja se obično koristi za proizvodnju opruga, nijedan tretman kaljenja i opuštanja ne postiže visoku otpornost i veliku tvrdoću čelika opisanog u pronalasku. S druge strane, ako sadržaj ugljenika bude veći od 0,7%, čak i 0,65%, sirovi i veoma tvrdi karbidi, u kombinaciji sa hromom, molibdenom i vanadijumom mogu ostati u nerastvorenom stanju u toku austenitizacije koja se vrši pre kaljenja i može značajno da utiče na trajanje na vazduhu, otpornost na korozioni zamor i, takodje, na rastegljivost.

Prema tome, isključeni su sadržaji ugljenika iznad 0,7%. Najbolje je da ne prelaze 0,65%.

Sadržaj silicijuma treba da bude izmedju 1,65 i 2,5%. Silicijum je važan element koji, zahvaljujući svom prisustvu u čvrstim rastvorima, obezbedjuje visoke nivoe otpornosti i tvrdoće, kao i odgovarajuće visoke vrednosti ugljeničnog ekvivalenta Ceq i otpornosti na omekšavanje. Da bi se postigle vrednosti otpornosti na razvlačenje i tvrdoće čelika prema pronalasku, sadržaj silicijuma ne treba da bude niži od 1,65%. Osim toga, silicijum doprinosi, bar delimično, dezoksidaciji čelika. Ako je njegov sadržaj veći od 2,5%, čak i 2,2% sadržaj kiseonika čelika može biti, termodinamičkom reakcijom, veći od 0,0020 ili čak 0,0025%. Ovo se odražava na formiranje oksida različitih sastava koji su štetni za otpor na zamor u vazduhu. Osim toga, za sadržaj silicijuma veći od 2,5%, izdvajanje raznih kombinovanih elemenata kao što su to mangan, hrom ili drugi, može se dogoditi u toku stvrdnjavanja, posle livenja. Ova izdvajanja su veoma štetna za ponašanje u zamoru na vazduhu i za otpornost na korozioni zamor. Najzad, za sadržaj silicijuma veći od 2,5% dekarbonizacija na površini šipke ili žica namenjenih za pravljenje opruga, postaje suviše velika za karakteristike u službi opruga. Zbog toga, sadržaj silicijuma ne treba da bude veći od 2,5%, a najbolje 2,2%.

Sadržaj mangana se podrazumeva da je izmedju 0,20 i 0,75%. Mangan, u kombinaciji sa talogom sumpora koji se podrazumeva da je izmedju zanemarljive količne i 0,015%, treba da se doda sadržaju koji je najmanje deset puta veći od sadržaja sumpora kako bi se izbeglo stvaranje sulfida gvoždja koje je veoma štetno za teksturu čelika. Prema tome, potreban je minimalan sadržaj mangana od 0,20%. Osim toga, mangan doprinosi stvrdnjavanju u čvrstom rastvoru u toku kaljenja čelika, kao i nikl, hrom, molbden i vanadijum, što omogućava da se dobiju vrednosti otpornosti na rastezanje i visoka tvrdoća i odgovarajuće vrednosti ugljeničnog ekvivalenta Ceq (Council on Environmental Quality) čelika u skladu sa pronalaskom. Za sadržaje mangana veće od 0,75%, čak 0,65% izdvajanja u kombinaciji sa silicijumom, mogu se dogoditi u toku faze očvršćavanja posle izrade i livenja čelika. Ova izdvajanja su štetna za svojstva čelika i za homogenizaciju čelika. Zato sadržaj mangana u čeliku ne treba da bude veći od 0,75% ili još bolje 0,65%.

Sadržaj hroma treba da bude izmedju 0,60 i 2%, najbolje izmedju 0,80 i 1,70%. Hrom se dodaje da bi se, u čvrstom rastvoru posle austenitizacije, kaljenja i opuštanja, dobile visoke vrednosti otpornosti na rastezanje i tvrdoća i da bi se doprinelo postizanju odgovarajuće vrednosti ugljeničnog ekvivalenta Ceq, ali, takodje da bi se povećala otpornost na korozioni zamor. Da bi se obezbedila ova svojstva, sadržaj hroma treba da bude najmanje 0,60%, a najbolje najmanje 0,80%. Iznad 2%, čak 1,7%, posebni ugljovodonici hroma, grubi i veoma čvrsti, u kombinaciji sa vandijumom i molbdenom, mogu se održati posle obrade austenitizacijom izvršenom pre kaljenja. Ovakvi karbidi veoma mnogo utiču na otpornost na zamor u vazduhu. Zato sadržaj hroma ne treba da bude veći od 2%.

Sadržaj nikla treba da bude izmedju 0,15 i 1%. Nikl se dodaje kako bi povećala kaljivost čelika, kao i otpornost na rastezanje i tvrdoću posle kaljenja i opuštanja. Kako on ne obrazuje karbide, nikl doprinosi stvrdnjavanju čelika, isto kao i hrom, molibden i vanadijum, bez stvaranja posebnih grubih i tvrdih karbida koji se ne bi mogli rastvarati u toku austenitizacije koja se obavlja pre kaljenja i mogla bi biti štetna za otpornost na zamor u vazduhu. On, isto tako, omogućava da se podesi karbid da bude izmedju 0,8 i 1% u čeliku kako je to potrebno prema pronalasku. Kao element koji ne oksidiše, nikl poboljšava otpornost na korozioni zamor. Da bi se obezbedilo da ovi efekti budu značajni, sadržaj nikla ne treba da bude manji od 0,15%. Nasuprot tome, iznad 1%, čak 0,80% nikl može da dovede do veoma visokog sadržaja otpadnog austenita, čije je prisustvo veoma štetno za otpornost na korozioni zamor.

Osim toga, visoki sadržaji nikla znatno povećava cenu čelika. Iz svih ovih razloga sadržaj nikla ne treba da bude veći od 1%, a najbolje 0,80%.

Sadržaj molibdena treba da bude izmedju neznatne količine i 1%. Kao i hrom, molibden povećava kaljivost čelika, kao i njegovu otpornost. Osim toga, ima slab potencijal za oksidaciju. Iz ova dva razloga molibden je podesan za postojanost u zamoru na vazduhu i korozionom zamoru. Ali, kod sadržaja većih od 1%, čak 0,80%, mogu da ostanu sirovi, veoma tvrdi molibden karbidi, eventualo kombinovani sa vanadijumom ili hromom, posle austenitizacije koja prethodi kaljenju. Ovi posebni karbidi su veoma štetni za postojanost u zamoru na vazduhu. Najzad, dodatak molibdena koji je veći od 1% nepotrebno povećava cenu čelika. Zbog toga, sadžaj molibdena ne treba da bude veći od 1%, najbolje 0,80%.

Sadržaj vanadijuma treba da bude izmedju 0,003 i 0,8%. Vanadijum je element koji omogućava da se poveća kaljivost, otpornost na razvlačenje i tvrdoća posle kaljenja i opuštanja. Osim toga, u kombinaciji sa azotom vanadijum omogućava da se formira veliki broj finih submikroskopskih nitrida vanadijuma ili vandijuma i titana koji dozvoljavaju da se pročisti zrno i da se povećaju nivoi otpornosti na razvlačenje i tvrdoća, zahvaljujući strukturnom stvrdnjavanju. Da bi se postiglo stvaranje submikroskopskih nitrida V i Ti za pročišćavanje zrna, vanadijum treba da bude prisutan sa minimalnim sadržajem od 0,003%, Ali, ovaj element je skup i treba ga održavati blizu te donje granice, ako se želi postizanje ravnoteža izmedju troškova izrade i pročišćavanja zrna. Vanadijum ne treba da bude veći od 0,8%, a najbolje 0,5%, jer iznad te vrednosti izdvajanje grubog i veoma tvrdog vanadijum karbida koji, u kombinaciji sa hromom i molbdenom može ostati u nerastvorenom stanju u toku asutenizacije koja se radi pre kaljenja. To može biti veoma nepovoljno za postojanost kod zamora na vazduh, za velike vrednosti otpornosti i tvrdoće čelika u skladu sa pronalaskom. Dalje, dodavanje vanadijuma iznad 0,8% nepotrebno povećava cenu čelika.

Sadržaj bakra treba da bude izmedju 0,10 i 1%. Bakar je element koji stvrdnjava čelik kada je u čvrstom rastvoru posle obrade kaljenjem i opuštanja. Tako se može dodati sa drugim elementima koji doprinose povećanju otpornosti i tvrdoći čelika. Kako se on ne kombinuje sa ugljenikom, on obezbedjuje stvrdnjavanje čelika bez stvaranja čvrstih i krupnih karbida koji su štetni za otpornost na zamor u vazduhu. Sa elektrohemijske tačke gledišta njegov potencijal pasiviziranja je veći nego gvoždja, pa je, prema tome, povoljan za otpornost na korozioni zamor čelika. Da bi se obezbedilo da ovi efekti budu značajni, sadržaj bakra treba da bude manji od 0,10%. Nasuprot tome, za sadržaje veće od 1%, čak 0,90%, bakar ima veoma štetan uticaj na ponašanje prilikom vrućeg valjanja. Zbog toga sadržaji bakra ne treba da budu veći od 1%, a još bolje 0,90%.

Sadržaj titana treba da bude izmedju 0,020 i 0,2%. Titan se dodaje da bi formirao u kombinaciji sa azotom, čak i ugljenikom i/ili vanadijumom fine submikroskopske nitride ili karbonitride koji omogućavaju da se usitni austenitno zrno u toku obrade austenitizacijom koja se obavlja pre kaljenja. Tako on povećava površinu veza zrna u čeliku, na taj način dovodeći do smanjenja količine nečistoća koje se, neizbežno odvajaju na spojevima zrna, kao što je to fosfor. Ovakva medjugranularna izdvajanja bila bi veoma štetna za postojanost i otpornost na zamor u vazduhu, ako su prisutna u visokim koncentracijama po jedinici površine na nivou spojeva zrna. Osim toga, u kombinaciji sa ugljenikom i azotom, čak i sa vanadijumom i niobijumom, titan dovodi do formiranja drugih nitrida ili finih karbonitrida koji imaju dejstvo nepovratnog hvatanja izvesnih elemenata, kao što je to vodonik koji se formira u toku reakcija korozije i koji može biti veoma štetan po otpornost na korozioni zamor. Radi dobrog učinka, sadržaj titana ne treba da bude manji od 0,020%. Nasuprot tome, iznad 0,2%, čak i 0,15% titan može da dovede do formiranja krupnih i tvrdih nitrida ili karbonitrida, štetnih za otpornost na zamor na vazduhu. Ovaj poslednji efekat je još štetniji za visoke nivoe otpora na razvlačenje i tvrdoće čelika u skladu sa pronalaskom. Zbog ovih razloga sadržaj titana ne treba da bude veći od 0,2, a još bolje od 0,15%.

Sadržaj niobijuma treba da bude izmedju zanemarljive količine i 0,2%. Niobijum se dodaje da bi formirao zajedno sa ugljenikom i azotom izuzetno fine submirkoskopske taloge nitrida i/ili karbida i/ili karbonitrida koji omogućavaju, posebno kad je sadržaj aluminijuma nizak (0,002%, na primer), da se postigne usitnjavanje austenitnog zrna u toku obrade austenitizacijom koja se obavlja pre kaljenja. Na taj način, niobijum povećava površinu spojeva zrna u čeliku i doprinosi, isto tako povoljno kao i titan što se tiče lomljivosti spojeva zrna usled nečistoća koje su neizbežne, kao što je to fosfor čiji je uticaj veoma štetan za rastegljivost i otpornost na korozioni zamor. Osim toga,izuzetno fini talozi nitrida ili karbonitrida niobijuma doprinose stvrdnjavanju čelika strukturalnim stvrdnjavanjem. Medjutim, sadržaj niobijuma ne treba da bude veći od 0,2, čak 0,15%, tako da nitridi ili karbonitridi ostaju veoma fini, kako bi se postiglo usitnjavanje austenitnog zrna i izbeglo formiranje pukotina ili naprslina prilikom vrućeg valjanja. Zbog ovih razloga sadržaj niobijuma ne treba da bude veći od 0,2%, a najbolje 0,15%.

Sadržaj aluminijuma treba da bude izmedju 0,002 i 0,050%. Aluminijum može da se dodaje da se dovrši dezoksidacija čelika i postignu što je moguće niži sadržaji kiseonika, a u svakom slučaju niži od 0,002% u čeliku u skladu sa pronalaskom. Osim toga, u kombinaciji sa azotom, aluminijum doprinosi sitnjenju zrna formiranjem submikroskopskih nitrida. Da bi se obezbedile ove dve funkcije, sadržaj aluminijuma ne sme da bude niži od 0,002%. Nasuprot tome, sadržaj aluminijuma koji je veći od 0,05% može dovesti do stvaranja velikih izolovanih inkluzija ili do sitnijih aluminata, ali tvrdih i ćoškastih, u obliku dugačkih komada štetnih za dužinu života u zamoru na vazduhu i za čistoću čelika. Zato sadržaj aluminijuma ne treba da bude veći od 0,05%.

Sadržaj fosfora treba da bude izmedju neznatnog i 0,015%. Fosfor je neizbežna nečistoća u čeliku. U toku obrade kaljenja i opuštanja, on se izdvaja zajedno sa elementima kao što su hrom ili mangan na spojevima austenitnih zrna. To dovodi do umanjenja kohezije spojeva zrna i do integranularne lomljivosti što je veoma štetno za rastegljivost i otpornost na zamor na vazduhu. Ovi su efekti još štetniji za visoke otpornosti na rastezanje i čvrstinu koji su potrebni za čelik u skladu sa pronalaskom. Sa ciljem da se istovremeno postigne velika otpornost na rastezanje i velika tvrdoća čelika za opruge i dobra otpornost na zamor u vazduhu i na korozioni zamor, sadržaj fosfora treba da bude što je moguće niži i ne treba da bude veći od 0,015%, a najbolje 0,010%.

Sadržaj sumpora treba da bude izmedju neznatnog i 0,015%, a najbolje najviše 0,010%. Tako treba da se izbegne prisustvo štetnih sulfida za otpornost na korozioni zamor i za otpornost na zamor u vazduhu, za visoke vrednosti otpora i tvrdoće čelika prema pronalasku.

Sadržaj kisenika treba da bude izmedju neznatnog i 0,0020%. Kiseonik je, takodje, neizbežna nečistoća u čeliku. U kombinaciji sa dezoksidantnim elementima kiseonik može da dovede do pojave velikih, izolovanih inkluzija, veoma tvrdih i ćoškastih, ili do finijih inkluzija ali u obliku dugih niski koje su veoma štetne za otpornost na zamor u vazduhu. Ovi uticaji su još štetniji za visoke vrednosti otpornosti na rastezanje i tvrdoću čelika prema pronalasku. Zbog ovih razloga, kako bi se obezbedio dobar kompromis izmedju visoke otpornosti na rastezanje i tvrdoće i visoke otpornosti na zamor u vazduhu i korozioni zamor za čelik prema pronalasku, sadržaj kiseonika ne treba da bude veći od 0,0020%.

Sadržaj azota treba da bude izmedju 0,0020 i 0,0110%. Azot treba da bude kontrolisan u ovom opsegu tako da obrazuje, u kombinaciji sa titanom, niobijumom, aluminijumom ili vanadijumom veoma fine submirkoskopske nitride, karbide ili karbonitride u dovoljnom broju, omogućavajući usitnjavanje zrna. U tom cilju minimalni sadržaj azota treba da bude 0,0020%. Njegov sadržaj ne treba da bude veći od 0,0110% tako da se izbegne formiranje grubih i čvrstih nitrida ili karbonitrida titana, većih od 20 µm, posmatranih na 1,5 mm ±0,5 mm površine šipke ili žice koje se koriste za proizvodnju opruga. Ovo mesto je najkritičnije što se tiče uticaja zamora opruga. U stvari, ovakvi veliki nitridi i karbonitridi su veoma nepovoljni za otpornost na zamor u vazduhu za visoke vrednosti otpornosti i tvrdoće čelika u skladu sa pronalaskom, imajući u vidu činjenicu da u toku testa zamora u vazduhu, dolazi do preloma opruga na mestu tih velikih inkluzija koje se nalaze u blizini površine opruga, kako je navedeno, kad postoje ovakvi prekidi.

Da bi se procenila velična nitrida ili karbonitrida titana prekidi se posmatraju kao kvadrati i smatra se da je njihova veličina ravna kvadratnom korenu njihove površine.

Sada ćemo opisati postupak proizvodnje opruga prema pronalasku.

Sledeći primer proizvodnje čelika prema pronalasku nije ograničavajući. Tečni čelik se proizvodi ili u konvertoru, ili u električnoj peći, a zatim sledi metalurška obrada u toku koje se obavlja dodavanje elemenata legure i dezoksidacija, i, uglavnom, sve sekundarne metalurške operacije koje omogućavaju da se dobije čelik čiji sastav je u skladu sa pronalaskom i izbegne stvaranje složenih sulfida ili karbonitrosulfida, elemenata kao što su titan i/ili nobijum i/ili vanadijum. Da bi se izbeglo stvaranje takvih krupnih taloga u toku izrade, pronalazači su otkrili, sasvim neočekivano, da sadržaji različitih elemenata, posebno titana, azota, vanadijuma i sumpora treba da budu strogo kontrolisani u granicama koje su navedene. Posle izrade koja je opisana, čelik se zatim lije, bilo kontinuiranim livenjem u obliku bluminga ili šipki, ili u obliku poluga. Ali, da bi se potpuno izbeglo, ili bar onoliko koliko je moguće, stvaranje grubih titan nitrida ili karbonitrida za vreme i posle stvrdnjavanja proizvoda, utvrdjeno je da srednja brzina hladjenja ovih proizvoda (bluminga, šipki ili poluga) treba da bude regulisana tako da bude ravna 0,3ºC/s ili bolje izmedju 1450 i 1300ºC. Kad se radi u takvim uslovima u toku etape stvrdnjavanja i hladjenja, neočekivano je primećeno da je veličina najkrupnijeg Ti nitrida ili karbonitrida posmatranih na oprugama uvek niža od 20µm. Kasnije ćemo govoriti o situaciji i veličini ovih taloga titana.

Posle vraćanja na ambijentnu temperaturu, proizvodi koji imaju sastav tačno prema pronalasku (bluminzi, šipke ili poluge) zatim se greju i valjaju izmedju 1200 i 800ºC u obliku žice ili šipki jedanput ili dvaput se greju i valjaju. Da bi se dobila specifična svojstva čelika prema pronalasku, šipke, žice, komadi metala, ili čak opruge napravljene od ovih šipki ili žica, zatim se obradjuju kaljenjem u vodi, polimeru ili nafti, posle austenitizacije u temperaturnom opsegu od 850 do 1000ºC, tako da se dobije fino austenitno zrno, tako da nema krupnijih zrna od 9 na skali ASTM veličine zrna. Posle ove obrade kaljenjem dolazi obrada opuštanjem koja se obavlja specifično na izmedju 300 i 550ºC, omogućavajući da se postignu visoki nivoi otpornosti na rastezanje i tražena tvrdoća čelika i da se izbegne, s jedne strane mikrostruktura koja bi dovela do lomljivosti kod opuštanja i, s druge strane, veliko prisustvo neutrošenog austenita. Pronadjeno je da su lomljivost kod opuštanja i suviše veliko prisustvo neutrošenog austenita, izuzetno štetni za otpornost na korozioni zamor čelika prema pronalasku. Ako su opruge napravljene od šipki koje nisu termički obradjene ili od žica ili od komada metala od takvih šipki, gore navedena obrada (kaljenje i opuštanje) treba da bude obavljena na samim oprugama u opisanim uslovima. U slučaju da su opruge izradjene hladnim presovanjem, ova termička obrada može da bude obavljena na šipkama ili na žicama ili komadima metala od šipki pre izrade opruge.

Poznato je da čvrstina čelika zavisi ne samo od njegovog sastava, već i od temperature opuštanja kojoj je bio izložen. Podrazumeva se da je, za sve sastave pronalaska, moguće pronaći temperature opuštanja u industrijskoj opsegu od 300-550ºC što omogućava da se postigne minimalna tvrdoća od ciljnih 55HRC.

Budući da su nitridi i karbonitridi veoma tvrdi, njihova veličina, kako je ranije opisano, se praktično ne menja u toku etapa transformacije čelika. Prema tome, nije važno da li su mereni kod polu-proizvoda (šipke, žice ili komada metala) koji će poslužiti da se napravi opruga, ili na samoj opruzi.

Pronalazak omogućava da se dobije čelik za opruge koji može da spoji tvrdoću i otpornost na rastezanje, da budu veći i bolji od onih koji su poznati, istovremeno i poboljšana svojstva zamora u vazduhu i otpornosti na razmekšavanje, svojstva na korozioni zamor, bar ista kao kod čelika koji su poznati za te svrhe, čak i bolja i manju osteljivost na koncentraciju napona koji nastaje zbog nepravilnosti na površini do kojih bi došlo u proizvodnji opruga, zbog dodavanja elemenata mikro primesa, smanjenja otpadnih elemenata i kontrole analize i proizvodne linije čelika.

Pronalazak će biti ilustrovan pomoću primera i referentnih primera. Tabela 1 pokazuje sastave čelika prema pronalasku i referentnog čelika. Ugljenični ekvivalent Ceq dat je sledećom formulom:

Ceq=[C] + 0,12 [Si] + 0,17 [Mn]- 0,1 [Ni] + 0,13[Cr] – 0,24[V]

gde [C], [Si], [Mn], [Cr], [V] predstavljaju sadržaj svakog elementa u težinskim procentima.

Tabela 1 Hemijski sastavi testiranih čelika (u %)

C

Si

Mn

Ni

Cr

V

Ti

Cu

Mo

Nb

P

S

Al

N

O

Ceq

Čelik prema pronalasku 1

0.48

1.82

0.21

0.15

1.48

0.204

0.072

0.20

0.02

0

0.006

0.006

0.034

0.0051

0.0007

0.86

Čelik prema pronalasku 2

0.58

1.79

0.22

0.15

0.98

0.216

0.073

0.20

0.03

0

0.006

0.008

0.032

0.0051

0.0007

0.89

Čelik prema pronalasku 3

0.59

1.80

0.22

0.15

0.99

0.212

0.025

0.20

0.03

0.022

0.007

0.008

0.032

0.0066

0.0008

0.91

Čelik prema pronalasku 4

0.48

2.10

0.21

0.70

1.50

0.152

0.069

0.51

0.03

0

0.005

0.005

0.032

0.0042

0.0008

0.85

Čelil prema pronalsku 5

0.54

1.81

0.23

0.34

1.25

0.098

0.077

0.42

0.02

0

0.006

0.008

0.031

0.0041

0.0007

0.90

Referentni čelik 1

0.60

1.73

0.88

0.08

0.20

0.154

0.002

0.19

0.03

0.020

0.010

0.019

0.002

0.0084

0.0010

0.94

Referentni čelik 2

0.40

1.79

0.17

0.53

1.04

0.166

0.064

0.20

0.01

0

0.013

0.004

0.020

0.0034

0.0011

0.69

Referentni čelik 3

0.48

1.45

0.89

0.11

0.47

0.136

0.002

0.19

0.02

0

0.011

0.013

0.003

0.0062

0.0010

0.82

Tabela 2 pokazuje vrednosti tvrdoće postignute kod čelika prema pronalasku i referentnog čelika, u zavisnosti od temperature opuštanja koja je primenjena.

Tabela 2: Tvrdoća i otpornost na rastezanje u zavisnosti od temperature opuštanja.

Temperatura opuštanja (°C)

Tvrdoća

HRC

Temperatura opuštanja (°C)

Tvrdoća

HRC

Čelik prema pronalasku 1

350

56.9

400

55.3

Čelik prema pronalasku 2

350

58.5

400

57.1

Čelik prema pronalasku 3

350

59.0

400

57.2

Čelik prema pronalasku 4

350

56.7

400

55.6

Čelil prema pronalsku 5

350

57.6

400

55.8

Referentni čelik 1

350

57.9

400

55.1

Referentni čelik 2

350

54.2

400

52.5

Referentni čelik 3

350

54.8

400

51.3

Tabela 3 pokazuje maksimalnu veličinu inkluzija titan nitrida ili karbonitrida posmatranih na 1,5mm površine čelika prema pronalasku i referentnog čelika, kako je to ranije definisano. Isto tako su dati sadržaji titana kod različitih čelika.

Maksimalna veličina inkluzija titan nitrida ili karbonitrida je odredjena kako sledi: Na jednom delu šipke ili žice koja potiče od jednog odlivka datog čelika, ispitivana je površina od 100 mm2 na mestu koje se nalazi na 1,5mm ± 0,5 mm ispod površine šipke ili žice. Posle ovih posmatranja, veličina inkluzija titan nitrida ili karbonitrida koji imaju najveću površinu odredjena je uzimajući da su inkluzije kvadratne i da je veličina svake inkluzije, uključujući inkluziju koja ima najveću površinu, ravna kvadratnom korenu te površine. Sve inkluzije su posmatrane na preseku šipke ili žice za opruge, posmatranja su obavljena na 100 mm2 tog preseka. Livenje čelika je u skladu sa pronalaskom kad je maksimalna veličina gore navedenih inkluzija posmatrana na 100 mm2 na 1,5mm ± 0,5mm ispod površine manje od 20µm. Odgovarajući rezulati dobijeni na čeliku prema pronalasku i referentnom čeliku dati su u tabeli 3.

Tabela 3: Maksimalne veličine najvećih inkluzija titan nitrida ili karbonitrida nadjenih na 1,5mm od površine uzorka.

Ti (%)

Veličina najvećeg nitrida/karbonitrida posmatranog na

100 mm2 (µm)

Čelik prema pronalasku 1

0.072

11.8

Čelik prema pronalasku 2

0.073

12.4

Čelik prema pronalasku 3

0.025

13

Čelik prema pronalasku 4

0.069

11.9

Čelil prema pronalasku 5

0.077

14.1

Čelik prema pronalasku 1

0.002

-

Referentni čelik 2

(Primer 1)

0.064

20.8

Referentni čelik 2

(Priemr 2)

0.064

29

Referentni čelik 3

0.002

-

Nije merena veličina inkluzija referentnog čelika 1 i 3, jer je njihov sadržaj Ti bio veoma mali i neodgovarajući pronalasku: rezultat bi bio bez značaja.

Uzorci za ispitivanja na zamor uzeti su u profilima, finalni prečnik uzorka epruvete je 11 mm. Priprema uzoraka za ispitivanje sastoji se od grube obrade, austentizacije, kaljenja u ulju, opuštanja, brušenja i obrade površine sačmom. Ovi uzorci su testirani na torzioni zamor u vazduhu. Primenjeni tangencionalni napon je bio 856 ± 494 MPA i izbrojen je broj ciklusa do prekida. Probe su zaustavljene posle 2.106 ciklusa ako uzorci nisu bili slomljeni.

Uzorci za ispitivanje na korzioni zamor su uzimani u šipkama, finalni prečnik uzoraka je bio 11 mm. Priprema uzoraka za ispitivanje na zamor sastoji se od grube obrade, austenitizacije, uljanog kaljenja, opuštanja, brušenja i obrade površine sačmom. Ovi uzorci su testirani na korozioni zamor, što znači da je korozija primenjena u isto vreme kad i opterećenje zamora. Opterećenje zamora je tangencionalni napon ravan 856 ± 300 Mpa. Primenjena korozija je bila ciklična u dve etape naizmenično:

- jedna etapa je vlažna etapa sa rasprašivanjem slanog rastvora koji sadrži 5% NaCl u toku pet minuta na 35ºC;

- jedna suva etapa bez rasprašivanja, u trajanju od 30 minuta na temperaturi koja se održava na 35ºC

Broj ciklusa do prekida smatran je kao trajanje korozionog zamora.

Otpornost na omekšavanje odredjena je koristeći se ispitivanjem ciklične kompresije na cilindričnim uzorcima. Prečnik uzoraka bio je 7 mm, a visina 12 mm. Uzeti su sa šipki od čelika.

Proizvodnja opitnih uzoraka sastojala se od grube obrade, austenitizacije, uljanog kaljenja, opuštanja i finalnog brušenja. Visina uzorka merena je tačno pre početka testa koristeći komparator tačnosti od 1µm. Primenjeno je prethodno opterećenje kako bi se simuliralo prednaprezanje opruga, ovo prednaprezanje je bilo kompresioni napon od 2200Mpa.

Potom je primenjen ciklus opterećenja na zamor. Ovaj napon je bio 1270 ± 730 Mpa. Gubitak u visini uzorka izmeren je u toku obavljanja odredjenog broja ciklusa, do 1 milion. Na kraju ispitivanja, ukupno omekšavanje je odredjeno tačnim merenjem preostale visine u poredjenju sa početnom visinom, otpornost na omekšavanje bila je utoliko bolja ukoliko je smanjenje visine bilo manje u procentima inicijalne visine.

Rezultati ispitivanja na zamor, korozionog zamora i omekšavanja na čeliku prema pronalasku i referentnim čelicima dati su u tabeli 4

Tabela 4: Rezultati ispitivanja zamora, korozionog zamora i omekšavanja

Tvrdoća HRC

Otpornost na raste-zanje (MPa)

Trajanje u zamoru (broj ciklusa)

Trajanje u korozionom zamoru (broj ciklusa)

Omekša-vanje

(%)

Čelik prema pronalasku 1

56.7

2129

1742967

192034

0.025

Čelik prema pronalasku 2

56.4

2106

>2000000

138112

0.01

Čelik prema pronalasku 3

56.5

2118

>2000000

135562

0.015

Čelik prema pronalasku 4

56.9

2148

>2000000

202327

0.025

Čelil prema pronalsku 5

57.0

2156

>2000000

139809

0.025

Referentni čelik 1

56.7

2131

514200

96672

0.03

Referentni čelik 2

53.8

1898

217815

241011

0.10

Referentni čelik 3

55.6

2062

301524

150875

0.075

Iz ovih tabela proizilazi da su razni refentni čelici nezadovoljavajući, i to naročito iz sledećih razloga:

Referentni čelik 1, ima sadržaj sumpora suviše visok da bi se usaglasile postojanost u zamoru u vazduhu i sadržina u korozionom zamoru. Osim toga, sadržina mangana je suviše visoka što dovodi do raslojavanja štetnih za homogenost čelika i postojanost u zamoru u vazduhu.

Referentni čelik 2 ima suviše nizak sadržaj ugljenika i ugljenični ekvivalent da bi se postigla visoka tvrdoća. Njegova otpornost na rastezanje je suviše niska za dobru postojanost u zamoru na vazduh.

Referentni čelik 3 ima, naročito, suviše nizak sadržaj silicijuma da bi se obezbedila dobra otpornost na omekšavanje, kao i dobru postojanost na zamor u vazduhu.

Otpornost na omekšavanje je veća kod čelika prema pronalasku nego kod referentnih čelika, kako se to vidi na slici 1, gde je jasno, prema merenjima omekšavanja koja su gore navedena, da su vrednosti omekšavanja najmanje 32% niže kod najgoreg čelika iz pronalaska (čelik prema pronalasku 1) u odnosu na najbolji referentni čelik (referentni čelik 1).

Trajanje zamora na vazduhu je mnogo duže kod čelika prema pronalasku u odnosu na referentne čelike. To je zahvaljujući povećanju tvrdoće, kako pokazuje slika 2. Ali, povećanje tvrdoće nije dovoljno. U stvari, generalno, čelici sa visokom tvrdoćom su utoliko osetljiviji na nedostatke, kao što su inkluzije i nepravilnosti na površini ukoliko je veća tvrdoća. Takodje, čelici iz pronalaska su manje osetljivi na nedostatke, posebno na velike inkluzije kao što su titan nitridi i karbonitridi, imajući u vidu da pronalazak izbegava pojavu takvih suviše velikih inkluzija. Kako se vidi u tabeli 3 najveće inkluzije nadjene u čeliku prema pronalasku nisu veće od 14,1µm, dok se inkluzije veće od 20µm nalaze u referentnom čeliku 2. Osim toga, najmanja osetljivost na nedostatke površine kao što su oni koji mogu da se dogode prilikom izrade opruge ili prilikom drugih operacija kad se koriste čelici iz pronalaska, može biti ilustrovana ispitivanjima na elastičnost koja se obavljaju na čelicima iz pronalaska i referentnim čelicima koji su podvrguti termičkom tretmanu i koji imaju tvrdoću 55HRC ili veću, videti sliku 3. Vrednosti izmerene prilikom ispitivanja Charpy elastičnosti na čelicima prema pronalasku (gde zarezi epruvete simuliraju koncentraciju napona kao druge koncentracije napona koje se mogu naći na nepravilnostima površine proizvoda prilikom proizvodnje opruge ili drugih operacija) veće su nego one koje su izmerene na referentnom čeliku. To pokazuje da su čelici iz pronalaska manje osetljivi na koncentracije napona na nepravilnostima nego refrentni poznati čelici. Zna se da povećanje tvrdoće smanjuje otpornost na korozioni zamor. Tako se vidi da čelici iz pronalaska imaju prednost jer je njihova otpornost na korozioni zamor veća nego kod poznatih referentnih čelika, a posebno za tvrdoće veće od 55HRC kako se vidi na slici 4.

Na taj način, pronalazak omogućava da se dobije veća tvrdoća sa dobrim usaglašavanjem trajanja u zamoru u vazduhu i otpornost na omekšavanje, koji su znatno povećani, kao i trajanje u korozionom zamoru koje je bolje nego kod poznatih referentnih čelika. Osim toga, tako se postiže manja osetljivost na moguće nedostatke površine, posebno one nastale u proizvodnji opruge ili u drugim operacijama.

Claims (5)

1.Čelik za opruge postojan na veće zamore na vazduhu i korozione zamore i sa visokm otpornošću na ciklično omekšavanje, ima sastav u težinskim procentima:C=0,45-0,70%Si=1,65 – 2,50%Mn = 0,20 – 0,75%Cr = 0,60 – 2%Ni = 0,15 – 1%Mo = u tragovima – 1%V = 0,003 – 0,8%Cu = 0,10 – 1%Ti = 0,020 -0,2%Nb = u tragovima – 0,2%Al = 0,002 – 0,050%P = u tragovima – 0,015%S = u tragovima – 0,015%O = u tragovima – 0,0020%N = 0,0020 – 0,0110%ostatak su gvoždje i nečistoće nastale pri dobijanju i čiji je sadržaj ugljeničnog ekvivalenta Ceq, izračunat po formuliCeq% = [C%] + 0,12[Si%] + 0,17[Mn%] – 0,1[Ni%] + 0,13[Cr%] – 0,24[V%] i izmedju je 0,80 i 1,00%, čija tvrdoća, posle kaljenja i opuštanja je veća ili ravna 55HRC, maksimalna veličina Ti nitrida i karbonitrida posmatrana na 1,5 ± 0,5mm površine šipke, ili žice, komada metala ili opruge na 100 mm2 površine preseka manja ili ravna 20µm, a ta veličina je kvadratni koren površine inkluzija posmatranih kao kvadrati.

2. Čelik za opruge prema zahtevu 1, naznačen time, što je njegov sastav: C=0,45-0,65% Si=1,65 – 2,20% Mn = 0,20 – 0,65% Cr = 0,80 – 1,7% Ni = 0,15 – 0,80% Mo = u tragovima – 0,80% V = 0,003 – 0,5% Cu = 0,10 – 0,90% Ti = 0,020 -0,15% Nb = u tragovima – 0,15% Al = 0,002 – 0,050% P = u tragovima – 0,010% S = u tragovima – 0,010% O = u tragovima – 0.0020% N = 0,0020 – 0,0110% ostatak je gvoždje i nečistoće nastale pri dobijanju.

3. Postupak proizvodnje čelika za opruge sa postojanošću na povećani zamor na vazduhu i korozioni zamor i sa visokom otpornošću na ciklično omekšavanje, po kome se izradjuje tečni čelik u konvertoru ili električnoj peći, podešava se njegov sastav, lije se u obliku bluminga ili kontinuiranog čeličnog odlivka ili poluga koje se hlade na ambijetnoj temperaturi, valjaju se u obliku poluga, žice ili komada metala i transformišu se u opruge, naznačen time, što: -čelik je tipa prema zahtevu 1 ili 2; -bluminzi, šipke ili komadi metala su u toku i posle stvrdnjavanja izloženi najnižoj srednjoj brzini hladjenja od 0,3ºC/s izmedju 1450 i 1300ºC; -navedeni bluminzi, šipke ili komadi metala su valjani izmedju 1200 i 800ºC u dva ciklusa zagrevanja i valjanja; -na šipkama, žicama ili komadima metala ili na oprugama koje su od njih napravljene vrši se austenitizacija izmedju 850 i 1000ºC, zatim vodeno kaljenje, polimerno kaljenje ili uljano kaljenje i opuštanje na 300-550ºC, tako da čelik dobije veću tvrdoću ili jednaku 55HRC.

4.Opruga, naznačena time , što je od čelika prema zahtevu 1 ili 2.

5.Opruga prema zahtevu 4, naznačena time, što je od čelika dobijenog po postupku prema zahetvu 3.