RS51070B

RS51070B - Čelik za opruge, postupak proizvodnje čelika za proizvodnju opruga i opruge napravljenje od ovog čelika

Info

Publication number: RS51070B
Application number: RSP-2009/0515A
Authority: RS
Inventors: Nao Yoshihara; Kazuhisa Kawata; Julie Mougin; Jacques Languillaume
Original assignee: Ascometal
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2010-10-31
Also published as: DE602006009705D1; FR2894987B1; BRPI0619892B1; CA2633153A1; JP4869051B2; CA2633153C; JP2007224413A; RU2397270C2; KR20080090424A; CN101400818B; ATE445026T1; NO20082766L; ME01062B; KR101048946B1; SI1966407T1; RU2008128865A; EP1966407B1; ES2331539T3; WO2007080256A1; BRPI0619892A2

Abstract

Čelik za proizvodnju opruga, naznačen time, što ima visoku otpornost na zamor materijala u vazduhu i u korodivnim uslovima i visoku otpornost na ugibanje, naznačenog sastava izraženog 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 = tragovi - 1% V = 0.003 -0.8% Ti = 0.02 - 0.2% Cu = 0.60-2% Nb = tragovi - 0.2% Al = 0.002 - 0.05% P = tragovi -0.15% S = tragovi-0.15% O = tragovi - 0.002% N = 0.002-0.011%Ostatak gvožđe i nečistoće nastale u toku procesa proizvodnje čelika, gde se ekvivalent sadržaja ugljenika Cekv izračunava po sledećoj formuli:Cekv%= [C%] + 0.12 [Si%] + 0.17 [Mn%] - 0.1 [Ni%] + 0.13 [Cr%] - 0.24 [V%]Cekv je između 0.80 i 1.00%, tvrdoća je posle kaljenja i temperovanja veća ili jednaka 55 HRC, maksimalna veličina titannitrida ili karbonitrida, posmatranih na 100 mm2 površine preseka na 1.5 ± 0.5 mm ispod površinskog sloja intermedijarnih poluproizvoda od kojih se proizvode opruge ili samih opruga, je manja ili jednaka 20 um, što je i kvadratni koren površine primesa smatranih za kvadrate.Prijava sadrži još 4 patentna zahteva.

Description

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na proizvodnju čelika, još preciznije, odnosi se na proizvodnju čelika za proizvodnju opruga.

[0002] Uopšteno gledajući, povećanjem faktora zamora materijala kojima su opruge podvrgnute, raste i potreba i za povećanjem tvrdoće i elastičnosti materijala od kojih se opruge prave. Usled toga, uticaj na lomove nastale usled oštećenja, kao što su primese ili površinska oštećenja nastala u toku procesa proizvodnje, se povećava i otpornost na zamor materijala teži ka ograničenosti. Drugo, opruge koje se koriste u visoko korodivnim uslovima, kao što su opruge vešanja kod vozila, moraju imati istu a poželjno i bolju otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima s obzirom da su napravljene od čelika veće tvrdoće i elastičnosti. Prema tome, takve opruge su sklone pucanju na mestima oštećenja, odmah u toku radnog ciklusa na vazduhu i prilično kasnije u toku radnih ciklusa u korodivnim uslovima. Posebno, zamor u korodivnim uslovima može započeti u tačkama korozije. Osim toga, povećavanjem izloženosti opterećenju u korodivnim uslovima teže je poboljšati otpornost na zamor materijala ili je zadržati na postojećem nivou, uzimajući u obzir da uticaj koncentracije napona u tačkama rđe, na površinskim oštećenjima nastalim u toku namotavanja opruge ili u nekom drugom koraku procesa proizvodnje, ili na nemetalnim primesama, postaje mnogo značajniji kada se poveća tvrdoća opruge.

[0003] U smislu prethodno izrečenog, patentne prijave FR - A - 2 740 476 i JP - A - 3 474 373 (EP 0 943 697 Al) opisuju vrstu čelika za opruge sa dobrom otpornošću na nestabilnost vodonika i dobrom otpornošću na zamor materijala, u kome su primese karbonitrosulfida, sadržavajući bar jedan od sledećih elemenata: titanijum, niobijum, cirkonijum, tantalijum, ili hafnijum, kontrolisane tako da imaju malu srednju veličinu, manje od 5 um u prečniku, i veoma su brojne (10 000 ili više na presecima).

[0004]Dodatno, patentna prijava JP 09 324 219 A opisuje vrstu čelika za opruge koji sadrži Cr, Ni, V, Cu, Ti, i Nb, koji pokazuje dobru otpornost na nestabilnost vodonika sa elastičnošću većom od 2 000 MPa i tvrdoćom većom od 50 HRC.

[0005]Ipak, ovaj tip čelika daje, posle kaljenja i temperovanja prema industrijskom postupku proizvodnje opruga, nivo tvrdoće od samo 50 HRC ili nešto više, koja odgovara elastičnosti od 1 700 MPa ili nešto više, ali ne mnogo više od 1 900 MPa sa odgovarajućom tvrdoćom od 53.5 HRC. Zbog ovako skromnog (niskog) nivoa tvrdoće, ovaj čelik ima i nisku otpornost na pritisak - podvrgavanje opterćenju (ugibanje), potreban je čelik sa većom zateznom čvrstoćom (elastičnošću) da bi se poboljšala otpornost na ugibanje. Prema tome, takav čelik ne osigurava dobar kompromis između visoke elastičnosti, koja bi trebalo da bude preko 2 100 MPa, tvrdoće koja bi trebalo da bude veća od 55 HRC, visoke otpornosti na zamor materijala u vazduhu kao i u korodivnim uslovima u kojima mora biti ista ako ne i veća nego što je potrebno za opruge.

[0006] Svrha pronalaska je da obezbedi sredstva za istovremeno povećanje, u poređenju sa poznatim čelicima, tvrdoće i elastičnosti opruga, otpornosti u vazduhu, dobijanje otpornosti na zamor u korodivnim uslovima najmanje iste, ako ne i veće, povećanje otpornosti opruga na ciklično podvrgavanje opterećenju (ugibanje) i smanjenje osetljivosti na površinska oštećenja koja mogu nastati u toku namotavanja opruga.

[0007]Znajući sve ovo, objekat pronalaska je čelik za opruge, sa velikom otpornošću na zamor materijala u vazduhu i u korodivnim uslovima i sa velikom otpornošću na ciklično ugibanje, sa sledećim težinskim procentualnim sastavom: C = 0.45 - 0.70%

Si = 1.65 -2.50%

Mn = 0.20 - 0.75%

Cr = 0.60 - 2%

Ni = 0.15- 1%

Mo = tragovi - 1 %

V = 0.003 - 0.8%

Ti = 0.02 - 0.2%

Cu = 0.60 - 2%

Nb = tragovi - 0.2%

Al = 0.002 - 0.05%

P = tragovi-0.15%

S = tragovi -0.15%

O = tragovi - 0.002%

N = 0.002-0.011%

Ostatak gvožđe i nečistoće nastale u toku procesa proizvodnje čelika, gde se ekvivalent sadržaja ugljenika Cekvizračunava po sledećoj formuli: Cekv%=[C%] + 0.12 [Si%] + 0.17 [Mn%] - 0.1 [Ni%] + 0.13 [Cr%] - 0.24 [V%] Cekv je između 0.80 i 1.00%, tvrdoća posle kaljenja i temperovanja veća ili jednaka 55 HRC.

[0008] Maksimalna veličina titannitrida ili karbonitrida, posmatranih na 1.5 ± 0.5 mm ispod površinskog sloja šipke, žice, valjka ili opruge na 100 mm<2>površine preseka, poželjno je da bude manja ili jednaka 20 um, što je i kvadratni koren površine primesa smatranih za kvadrate.

[0009] Poželjno je da čelik bude sledećeg sastava: C = 0.45 - 0.65%

Si = 1.65 -2.20%

Mn = 0.20 - 0.65%

Cr = 0.80- 1.70%

Ni = 0.15-0.80%

Mo = tragovi - 0.80%

V = 0.003 -0.5%

Cu = 0.10-0.90%

E = 0.20 -0.15%

Nb = tragovi -0.15%

Al = 0.002 - 0.050%

P = tragovi -0.010%

S = tragovi-0.010%

O = tragovi - 0.020%

N = 0.0020 -00110%

Ostatak gvožđe i nečistoće nastale u toku procesa proizvodnje čelika.

[00101Sledeća tema pronalaska je postupak proizvodnje čelika za opruge sa visokom otpornošću na zamor materijala u vazduhu i korodivnim uslovima i visokom otpornošću na ciklilično ugibanje, prema kome je tečni čelik dobijen u konverteru ili električnoj peći, njegov sastav prilagođen, izliven u valjke ili odlivke kontiunalnog toka ili ingote (poluge) koji su ostavljeni da se ohlade do sobne temperature; zatim su valjanjem dobijene šipke, šipke za proizvodnju žice ili valjci (poluproizvodi), od kojih su potom napravljene opruge, naznačen time što : o je čelik gore naznačenog sastava;

o je između 1450 i 1300°C, posle njihovog očvršćavanja, minimalna srednja

temperatura hlađenja svih nabrojanih poluproizvoda 0.3 °C/s;

o valjanje poluproizvoda izvedeno na temperaturi između 1 200 - 800°C, u

jednom ili dva ciklusa grejanja i valjanja;

o su dobijeni poluproizvodi ili opruge astenitizovani između 850 i 1000°C,

zatim kaljeni u vodi, polimeru ili ulju, i konačno temperovani na 300 - 550°C da bi se dobio čelik tvrdoće veće ili jednake 55 HRC.

[0011]Sledeća tema pronalaska su opruge proizvedene od odgovarajućih čelika, kao i opruge od čelika dobijenog prethodnim postupkom.

[0012]Neočekivano, pronalazači su shvatili da čelik sa karakteristikama prethodno naznačene kompozicije primesa i proverene morfologije, posle dobijanja, livenja, valjanja, kaljenja i temperovanja u specifičnim uslovima, tvrdoće veće od 55 HRC, istovremeno osigurava visok nivo izdržljivosti u odnosu na zamor materijala u vazduhu i korodivnim uslovima, visok nivo otpornosti na ciklično ugibanje i nisku osetljivost na površinska oštećenja nastala u toku proizvodnje opruge.

[0013]Pronalazak će biti razumljiviji posla čitanja objašnjenje, koja slede, datih kao reference za odgovarajuće priključene slike

o SLIKA 1, pokazuje rezultate ispitivanja tvrdoće i cikličnog ugibanja u vazduhu čelika prema pronalasku u odnosu na uporedne čelike.

o SLIKA2,pokazuje rezultate ispitivanja na zamor materijala u vazduhu u

funkciji tvrdoće čelika za čelike prema pronalasku i uporedne čelike.

o SLIKA 3, pokazuje rezultate udarnog ispitivanja Šarpijevim klatnom u

funkciji tvrdoće čelika prema pronalasku i uporednih čelika, i

o SLIKA 4, pokazuje rezultate ispitivanja na zamor materijala u korodivnim uslovima u funkciji tvrdoće čelika prema pronalasku i uporednih čelika.

[0014]Sastav čelika prema pronalasku mora ispuniti slaedeće uslove:

[0015]Sadržaj ugljenika mora biti između 0.45% i 0.7%. Posle kaljenja i temperovanja ugljenik povećava elastičnost i tvrdoću čelika. Ako je sadržaj ugljenika ispod 0.45% u temperaturnom opsegu u kome se najčešće prave opruge, nikakvo kaljenje i temperovanje ne može dovesti do čvrstoće i tvrdoće čelika opisanog u pronalasku. Drugo, ako sadržaj ugljenika pređe 0.7%, čak i 0.65% krupnozrni vrlo tvrdi karbidi, kombinovani sa hromom, molibdenom i vanadijumom, mogu ostati nerazloženi tokom austenitizacije izvedene pre kaljenja i značajno uticati na radni vek u odnosu na zamor materijala u vazduhu, otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima i tvrdoću takođe. Zbog toga sadržaj ugljenika preko 0.7% treba izbegavati. Poželjno je da ne prelazi 0.65%.

[0016]Sadržaj silicijuma je između 1.65% i 2.5%. Silicijum je važan element koji svojim prisustvom u čvrstom rastvoru obezbeđuje visok nivo elastičnosti i tvrdoće, kao i visok nivo ekvivalenta ugljenika Cekvi otpornosti na ugibanje. Da bi se postigao nivo vrednosti elastičnosti i tvrdoće čelika prema pronalasku sadržaj silicijuma ne srne biti manji od 1.65%. Osim toga, silicijum doprinosi, makar delimično, dezoksidaciji čelika. Ako njegov sadržaj pređe 2.5%, čak i 2.2%, sadržaj kiseonika u čeliku može biti, po termodinamičkoj reakciji, veći od 0.0020%, čak i 0.0025%. Ovo podrazumeva formiranje oksida raznih sastava što je štetno utiče na otpornost na zamor materijala u vazduhu. Osim toga, ako je sadržaj silicijuma veći od 2.5%, različiti kombinovani elementi kao što su mangan, hrom ili drugi mogu se izdvojiti u toku očvršćavanja. Ovo izdvajanje vrlo štetno utiče na otpornost na zamor materijala u vazduhu kao i na otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima. Konačno, sadržaj silicijuma preko 2.5% izaziva decementaciju površina nabrojanih poluproizvoda, preveliku za održavanje radnih osobina opruge. Zbog toga sadržaj silicijuma ne srne preći 2.5%, poželjno 2.2%.

[0017]Sadržaj mangana je između 0.20% i 0.75%. U kombinaciji sa prisutnim sumporom na nivou tragova do 0.015%, sadržaj mangana mora biti bar 10 puta veći od sadržaja sumpora da bi se izbeglo formiranje sulfida gvožđa, koji su izuzetno štetni u procesu valjanja čelika. Zbog toga, potrebno je da minimalan sadržaj mangana bude 0.20%. Čak šta više , mangan, kao i nikl, hrom, molibden i vanadijum, doprinosi otvrdnjavanju čvrstog rastvora u procesu kaljenja čelika koji daje visok nivo elastičnosti, tvrdođe i ekvivalentne vrednosti ugljenika Cekv, čelika opisanog u pronalasku. Sadržaj mangana veći od 0.75%, čak i 0.65%, u kombinaciji sa silicijumom, može dovesti do izdvajanja u koraku očvršćavanja, posle dobijanja i livenja čelika. Ovo izdvajanje štetno utiče na radne osobine i homogenost čelika. Zbog ovoga, sadržaja mangana ne bi trebalo da pređe 0.75%, poželjno 065%.

[0018]Sadržaj hroma mora biti između 0.60% i 2.00%, poželjno između 0.80% i 1.70%. Hrom je dodat u čvrsti rastvor posle austenitizacije, kaljenja i temperovanja da bi se dobile visoke vrednosti elastičnosti i tvrdoće i da bi se doprinelo podizanju vrednosti Cekv, kao i povećanju otpornosti na zamor materijala u korodivnim uslovima. Da bi se osigurale ove osobine sadržaj hroma mora biti bar 0.60%, poželjno 0.80%. Sadržaj hroma preko 2.00%, čak i preko 1.70%, može dovesti do formiranja, određenih vrlo krupnozrnih i tvrdih, karbida hroma u kombinaciji sa vanadijumom i molibdenom, posle procesa austenitizacije izvedenog pre kaljenja. Takvi karbidi značajno utiču na otpornost na zamor materijala u vazduhu. Zbog ovoga sadržaj hroma ne bi trebalo da pređe 2.00%.

[0019]Sadržaj nikla je između 015% i 1%. Niki je dodat da bi se povećala kaljivost čelika, kao i elastičnost i tvrdoća posle kaljenja i temperovanja. S obzirom da ne formira karbide, nikl baš kao i hrom, vanadijum i molibden doprinosi otvrdnjavanju čelika, bez formiranje određenih krupnozrnih i tvrdih karbida, koji se ne bi rastvorili u toku austenitizacije, koja je izvedena pre kaljenja, a koji značajno utiču na otpornost na zamor materijala u vazduhu. To takođe znači da ekvivalent ugljenika Cekvpo potrebi može biti podešen između 0.8% i 1% u čeliku prema pronalasku. Nikl kao neoksidišući element poboljšava otpornost na zamor u korodivnim uslovima. Da bi se osigurao značajan efekat, sadržaj nikla ne sme biti manji od 0.15%. Naprotiv, sadržaj nikla preko 1%, čak i preko 0.80%, može dovesti do vrlo velikog ostatka posle procesa austenitizacije, čije prisustvo vrlo štetno utiče na otpornost na zamor materijala u korodivniim uslovima. Čak šta više, visok nivo nikla značajno povećava cenu čelika. Zbog svega gore navedenog sadržaj nikla ne sme preći 1%, poželjno 0.8%.

[0020jSadržaj molibdena mora biti od tragova do 1%. Molibden, kao i hrom, povećava tvrdoću i elastičnost. Osim toga, on ima nizak oksidacioni potencijal. Zbog ova dva razloga molibden povoljno utiče na otpornost na zamor materijala u vazduhu i korodivnim uslovima. Sadržaj molibdena preko 1%, čak i preko 0.8%, može dovesti do preostajanja, vrlo krupnozrnih i tvrdih karbida molibdena, po izboru kombinovanih sa vanadijumom i hromom, posle austenitizacije izvedene pre kaljenja. Ovi karbidi posebno štetno utiču na otpornost na zamor materijala u vazduhu. Konačno dodavanje više od 1% molibdena nepotrebo povećava cenu čilika. Zbog ovoga sadržaj molibdena ne bi trbalo da prelazi 1%, poželjno 0.8%.

[0021J Sadržaj vanadijuma mora biti između 0.003% i 0.8%. Vanadijum je element koji povećava kaljivost, elastičnost i tvrdoću posle kaljenja i temperovanja. Čak šta više u kombinaciji sa azotom formira veliki broj finih mikroskopskih vanadijum nitrida ili vanadijum-titannitrida, koji rafiniraju zrna i strukturalnim otvrdnjavanjem povećavaju nivo elastičnosti i tvrdoće. Da bi se postiglo dobijanje mikroskopskih vanadijumnitrida ili vanadijum-titannitrida, koji rafiniraju zrnastu strukturu, vanadijum mora biti prisutan u minimalnoj količini od 0.003%, ali ovaj element je skup i mora se održavati na ovoj nižoj granici, ako je potreban kompromis između cene i finoće zrna strukture čelika. Sadržaj vanadijuma ne sme da pređe 0.8%, čak i 0.5%, zato što se iznad ovog nivoa mogu formirati vrlo krupnozrni i tvrdi vanadijumkarbidi, u kombinaciji sa hromom i molibdenom, koji mogu ostati nerazgrađeni u toku austenitizacije izvedene pre kaljenja i temperovanja. Ovo može biti vrlo nepovoljno uticati na otpornost na zamor materijala u vazduhu, kao i na visoke vrednosti elastičnosti i tvrdoće čelika prema pronalasku. Osim toga, dodavanje više od 0.8% vanadijuma nepotrebno povećava cenu čelika.

[0022J Sadržaj bakra mora biti između 0.1% i 1%. Bakar je element koji pospešuje otvrdnjavanje čelika u čvrstom rastvoru posle kaljenja i temperovanja. Shodno tome može biti dodat zajedno sa ostalim elementima koji doprinose povećanju elastičnosti i tvrdoće čelika. Kako bakar ne reaguje sa ugljenikom, očvršćava čelik bez formiranaja krupnozrnih i tvrdih karbida koji štetno utiču na otpornost na zamor materijala u

vazduhu. Sa elektrohemijske tačke gledišta njegova neaktivnost je veća nego neaktivnost gvožđa i shodno tome povećava otpornost čelika na zamor materijala u korodivnim uslovima. Da bi osigurali delotvornost ovih efekata sadržaj bakra mora biti ne niži od 0.1%. Suprotno, sadržaj veći od 1%, čak i od 0.9%, ima vrlo štetan uticaj na ponašanje čelika u toku procesa toplog valjanja. Zbog toga sadržaj bakra ne sme biti veći od 1%, poželjno 0.9%.

[0023] Sadržaj titanijuma mora biti između 0.020% i 0.2%. Titanijum se dodaje da bi u kombinaciji sa azotom, poželjno sa ugljenikom i/ili vanadijumom, formirao fine mikroskopske nitride ili karbonitride koji rafiniraju zrna u toku procesa austenitizacije izvedenog pre kaljenja i temperovanja. Prema tome, to povećava površinu oboda zrna u strukturi čelika, i na taj način smanjujući količinu neizbežnih nečistoća koje se izdvajaju na obodu zrna, kao što je fosfor. Takva međuzrna izdvajanja ako su prisutna u većoj koncentraciji po jedinici površine oboda zrna bi bila vrlo štetna po žilavost i otpornost na zamor materijala u vazduhu. Čak šta više, kombinovan sa ugljenikom i azotom, poželjno sa vanadijumom i niobijumom, titanijum vodi ka formiranju drugih finih nitrida ili karbonitrida, dajući nepovratan efekat zamke za neke elemente, kao što je vodonik formiran u toku reakcije korozije, i koji mogu imati izuzetno štetan uticaj na otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima. Za dobru delotvornost sadržaj titanijuma ne sme biti niži od 0.020%, Suprotno, sadržaj preko 0.2%, čak i preko 015%, može voditi ka formiranju vrlo krupnozrnih i tvrdih karbonitrida koji imaju vrlo štetan uticaj na otpotnost na zamor materijala u vazduhu. Ovaj drugi efekat je još štetnije utiče na visok nivo elastičnosti i tvrdoće čelika prema pronalasku. Iz ovih razloga sadržaj titanijuma ne sme da pređe 0.2%, poželjno 0.15%.

[0024] Sadržaj niobijuma mora biti od tragova do 0.2%. Niobijum je dodat da bi u kombinaciji sa ugljenikom i azotom taloženjem formirao izuzetno fine mikroskopske nitride i/ili karbide i/ili karbonitride koji rafiniraju zrna u toku procesa austenitizacije izvedenog pre kaljenja, naročito pri niskom sadržaju aliminijuma (na primer 0.002%). Prema tome, niobijum povećava površinu oboda zrna u strukturi čelika i doprinosi istim povoljnim efektima kao titanijum u pogleadu stabilnosti veza oboda zrna u odnosu na neizbežne nečistoće, kao što je fosfor, čiji efekat je vrlo štetan na žilavost i otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima. Čak šta više izuzetno fini taloži niobijumnitrida ili karbonitrida doprinose povećanju tvrdoće čelika njegovim strukturalnim otvrdnjavanjem. Međutim, sadržaj noiobijum ne sme preći 0.2%, čak i 0.15%, tako da karbonitridi zadrže finoću, da bi obezbedili rafiniranje zrna u toku austenitizacije i da bi izbegli nastajanje pukotina i naprsnuća u toku toplog valjanja. Iz ovih razloga sadržaj niobijuma ne sme da pređe 0.2%, poželjno 0.15%.

[0025]Sadržaj aluminijuma mora biti između 0.002% i 0.050%. Aluminijum može biti dodat da bi se kompletirala dezoksidacija čelika i da bi se dobio najniži mogući nivo kiseonika, u svakom slučaju manji od 0.0020% u čeliku prema pronalasku. Da bi obezbedili ove dve funkcije sadržaj alumunijuma ne sme biti manji od 0.002%. Suprotno, sadržaj aluminijuma preko 0.050% može voditi prisustvu velikih, izolovanih primesa aluminata koji su tvrdi i uglasti, u obliku dugačkih niti koje štetno utiču na radni vek u zavisnosti od zamora materijala u vazduhu i na čistoću čelika. Zbog toga sadržaj aluminijuma ne sme da pređe 0.050%.

[0026]Sadržaj fosfora mora biti od tragova do 0.015%. Fosfor je neizbežna nečistoća u čeliku. U toku kaljenja i temperovanja on se izdvaja zajedno sa hromom i manganom na obodu zrna prethodne austenitizacije. Rezultat je smanjena kohezija na obodu zrna i međuzrna lomljivost, što vrlo štetno utiče na otpornost na zamor materijala u vazduhu. Ovi efekti još štetnije utiču na visoku elastičnost i tvrdoću neophodnu u čelicima prema pronalasku. U cilju istovremenog dobijanja visokih nivoa elastičnosti i tvrdoće opruge i dobre otpornosti na zamor materijala u vazduhu i korodivnim uslovima, sadržaj fosfora mora biti što je moguće niži i ne sme preći 0.015%, poželjno 0.01%.

[0027]Sadržaj sumpora je od tragova do 0.015%. Sumpor je neizbežna nečistoća. Njegov sadržaj mora biti što je moguće niži, između tragova i 0.015%, poželjno najviše 0.01%. Shodno tome želimo da izbegnemo prisustvo sulfida koji nepovoljno utiču na otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima, kao i na otpornost na zamor materijala u vazduhu, visoke vrednosti elastičnosti i tvrdoće čelika prema pronalasku.

[0028]Sadržaj kiseonika mora biti od tragova do 0.002%. Kiseonik je takođe neizbežna nečistoća u čeliku. U kombinaciji sa dezoksidacionim elamentima, kiseonik može dovesti do pojavljivanja izolovanih krupnozrnih, vrlo tvrdih, nepravilnih primesa ili primesa koje su finije strukture ali u obliku dugačkih niti koje vrlo štetno utiču na otpornost na zamor materijala u vazduhu. Ovi efekti imaju mnogo nepovoljniji uticaj na visoku elastičnost i tvrdoću čelika prema pronalasku. Zbog ovih razloga da bi se osigurao zadovoljavajući kompromis između visoke elastičnosti i tvrdoće i visoke otpornosti na zamor materijala u vazduhu i korodivnim uslovima sadržaj kiseonika u čeliku prema pronalasku ne sme prelaziti 0.002%.

[0029]Sadržaj azota mora biti između 0.0020% i 0.011%. Azot mora biti održavan u ovim granicama da bi u kombinaciji sa titanijumom, niobijumom, aluminijumom ili vanadijumom, formirao dovoljan broj vrlo finih mikroskopskih nitrida, karbida, ili karbonitrida koji rafiniraju zrna. Da bi se to postiglo najmanji sadržaj azota mora biti 0.0020%. Njegov sadržaj ne sme preći 0.011% da bi se izbeglo formiranje krupnozrnih, tvrdih titannitrida ili karbonitrida većih od 20 um, posmatrano na 1.5 mm ± 0.5 mm ispod površine poluproizvoda, koji se koriste za proizvodnju opruga. Ova pozicija je najkritičnije mesto uzimajući u obzir izloženost opruge zamoru materijala. Naravno tako krupnozrni nitridi ili karbonitridi imaju vrlo veliki štetan uticaj na otpornost na zamor materijala u vazduhu i na visoku elastičnost i tvrdoću čelika prema pronalasku, znajući da se, kada su one prisutne i locirane tačno na posmatranoj površini, u toku ispitivanja otpornosti na zamor materijala u vazduhu ovih opruga javljaju pukotine na mestu nalaženja tako krupnozrnih primesa.

[0030]Da bi se odredila veličina titannitrida ili karbonitrida, smatramo da su primese kvadratnog oblika i predlažemo da je njihova veličina jednaka kvadratnom korenu njihove površine.

[0031]Postupak proizvodnje opruga prema pronalasku biće sada opisan.

[0032]Neograničavajući postupak dobijanja čelika koji odgovara pronalasku je sledeći. Tečni čelik je dobijen u konverteru ili u električnoj peći, potom sledi metalurška obrada u livničkom loncu u toku koje se dodaju legirajući elementi i vrši dezoksidacija, kao i svi sekundarni metalurški postupci koji vode dobijanju čelika sastava prema pronalasku uz uzbegavanje formiranja sulfida ili komleksa karbonitrosulfuda od elemenata kao što su titanijum ili/i niobijum ili/i vanadijum. Da bi se izbeglo formitanje ovih krupnozrnih precipitata u toku dobijanja čelika, pronalazači su na neočekivani način otkrili da se sadržaj različitih elemenata, naročito titanijuma, azota, vanadijuma i sumpora, mora pažljivo pratiti i održavati u okviru prethodno zadatih graničnih vrednosti. Posle upravo opisanih postupaka čelik je izliven u obliku valjaka, šipki ili poluga. Ali, da bi se potpuno izbeglo formiranje, ili da bi se ono izbeglo koliko god je to moguće, krupnozrnih titannitrida ili karbonitrida u toku i posle stvrdnjavanja ovih poluproizvoda, otkrili smo da srednja brzina hlađenja ovih poluproizvoda mora biti kontrolisana tako da bude 0.3°C/s ili veća između 1450 i 1300°C. Kada se stvrdnjavanje i faza hlađenja odigravaju u ovim uslovima neočekivano je primećeno da je veličina najkrupnijih zrna titannitrida ili karbonitrida posmatrnih na oprugama manja od 20 um. Lokacija i veličina ovih titanijum precipitata biće razmatrana kasnije.

[0033]Po hlađenju na sobnu temperaturu, poluproizvodi koji imaju sastav tačno prema pronalasku su ponovo zagrejani i jednostrukim ili dvostrukim postupkom toplog valjanja na temperaturi između 1200 i 800°C izvaljani u oblik šipki ili šipki za proizvodnju žice. Da bi se dobila svojstva čelika specifična za pronalazak svi nabrojani intermedijarni poluproizvodi, kao i opruge proizvedene od ovih poluproizvoda, su podvrgnuti kaljenju u vodi, polimerima ili ulju posle austenitizacije na temperaturi između 850 i 100°C, da bi se dobila fina austenitna zrnasta struktura gde ni jedno zrno nije krupnije od 9 na ASTM skali krupnoće zrna. Ovaj postupak kaljenja je praćen temperovanjem isključivo izvedenim na temperaturi između 300 i 550°C koje daje visok nivo elastičnosti i tvrdoće zahtevanih za čelik i izbegava, prvo, mikrostrukturu koja može dovesti do krtosti u toku temperovanja, i drugo, preveliki ostatak austenita. Otkrili smo da su pojava krtosti u toku temperovanja i preveliki ostatak austenita ekstremno štetni po otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima čelika prema pronalasku. U slučaju kada su opruge napravljene od šipki koje nisu toplotno tretirane ili od poluproizvoda dobijenih od takvih šipki, gore pomenuti postupci (kaljenje i temperovanje) moraju biti izvedeni na samim oprugama pod gore navedenim uslovima. U slučaju kada se opruge proizvode hladnim postupkom oblikovnja, ovi toplotni tretmani šipki i poluproizvoda dobijenih od njih mogu se izvesti pre procesa proizvodnje opruga.

[0034]Dobro je poznato da tvrdoća čelika ne zavisi samo od sastava nego i od temperature kaljenja kojoj je čelik bio podvrgnut. Treba naglasiti da se za sve kompozicije čelika prema pronalasku može pronaći temperatura kaljenja u industrijskom okviru od 300 do 500°C koja daje minimalnu željenu tvrdoću od 55

HRC.

[0035]S obzirom da su nitridi i karbonitridi vrlo tvrdi, njihova veličina, kao što je ranije definisano, uopšte se ne menja u toku koraka obrade čelika. Zbog toga nije bitno da li se njihova merenja vrše na intermedijarnim poluproizvodima od kojih će se opruge proizvoditi ili na samim oprugama.

[0036]Pronalazak daje čelik za proizvodnju opruga koji kombinuje visoke vrednosti tvrdoće i elastičnosti što je unapređenje u odnosu na dosadašnju tehniku, kao i poboljšane osobine otpornosti na zamor materijala u vazduhu i otpornosti na ugibe, otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima koja je u najmanju ruku jednaka ako ne i veća nego kod poznatih čelika za ovu upotrebu i manju osetljivost na koncentraciju napona izazvanu površinskim oštećenjima koja mogu nastati u toku proizvodnje opruga, dodavanja legirajućih mikroelemenata, redukcije ostatka elemenata i konrolnih analiza i proizvodnog procesa dobijanja čelika.

[0037] Pronalazak je sada ilustrovan putem primera i referentnih primera. Tabela 1 pokazuje sastav čelika prema pronalasku kao i referentnih čelika. Ekvivalent ugljenika Cekv je dat sledećom formulom: gde [C], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], i [V] predstavljaju sadržaj svakog elementa u težinskom procentu.

[0038]Tabela 2 daje dobijene vrednosti tvrdoće čelika prema pronalasku i referentnih čelika u funkciji tempetature hlađenja koja je je korištena u procesu temperovanja.

[0039] Tabela 3 daje maksimalnu veličinu primesa titannitrida ili karbonitrida uočenih na 1.5 mm ispod površine čelika prema pronalasku i referentnih čelika kao što je prethodno definisano. Takođe je dat sadržaj titanijuma u različitim čelicima.

[0040] Maksimalana veličina takvih titannitrida ili karbonitrida je određena na sledeći način. Na preseku poluproizvoda dobijenog od datog čeličnog odlivka, površina od 100 mm<2>je ispitivana na mestu lociranom 1.5 mm ± 0.5 mm ispod površine poluproizvoda. Posle posmatranja veličina primesa titannitrida ili karbonitrida sa najvećom površinom je određena smatrajući da su primese kvadratnog oblika i da je veličina svake od ovih primesa, uključujući primesu sa najvećom površinom, jednaka kvadratnom korenu površine date primese. Sve primese su uočene na preseku poluproizvoda za proizvodnju opruga i posmatranja su vršena na 100 mm<2>svakog preseka. Čelični odlivci odgovaraju pronalasku kada je maksimalna veličina gore pomenutih primesa uočenih na 100 mm na 1.5 mm ± 0.5 mm ispod površine manja od 20 um. Odgovarajući rezultati dobijeni za čelike prema pronalasku kao i za referentne čelike dati su u tabeli 3.

[0041) Što se tiče referentnih čelika 1 i 3, sadržaj titanijuma u njima je praktično nula i nisu uočeni nikakavi titannitridi, kao ni karbonitridi.

[0042JS obzirom na nizak sadržaj titanijuma, koji ne odgovara pronalasku, nismo merili veličinu primesa kod referentnih čelika 1 i 3 jer rezultati ne bi bili od velike važnosti.

[0043]Uzorci za testiranje na zamor materijala uzeti su od šipki i konačni prečnik uzoraka je bio 11 mm. Pripremanje epruveta za testiranje na zamor materijala uključuje grubu mašinsku obradu, austenitizaciju, kaljenje u ulju, temperovanje, brušenje i bombardovanje metalnim kuglicama. Ove epruvete su testirane na zamor materijala na uvijanje (torziju) u vazduhu. Primenjeni pritisak je bio 856 ± 494 MPa i broj ciklusa do preloma je brojan. Ispitivanje je zaustavljeno posle 2 x IO6 ciklusa ukoliko nije došlo do loma epruvete.

[0044]Uzorci za testiranje na zamor materijala u korodivnim uslovima uzeti su od šipki i konačni prečnik uzoraka je bio 11 mm. Pripremanje epruveta za testiranje na zamor materijala uključuje grubu mašinsku obradu, austenitizaciju, kaljenje u ulju, temperovanje, brušenje i bombardovanje metalnim kuglicama. Ove epruvete su testirane na zamor materijala u korodivnim uslovima, to jest izložene su koroziji istovremeno sa podvrgavanjem naponu od 856 ± 300 MPa koji je primenjen u ispitivanju samog zamora materijala. Korodivni uslovi su ostvareni naizmeničnom primenom dve etape: o vlažna etapa sa prskanjem 5 % rastvorom NaCl u trajanju od 5 minuta na temperaturi od 35°C ;

suva etapa bez prskanja u trajanju od 30 minuta na temperaturi od 35°C.

[0045]Broj ciklusa do loma smatra se radnim vekom u funkciji zamora materijala u korodivnim uslovima.

[0046]Otpornost na ugibanje je ispitivana primenom ciklične kompresije na cilindričnim (valjkastim) uzorcima. Prečnik uzoraka je bio 7 mm a visina 12 mm. Uzorci su uzeti od čeličnih šipki.

[0047]Pripremanje uzoraka za ispitivanje otpornosti na ugibanje uključuje grubu mašinsku obradu, austenitizaciju, kaljenje u ulju, temperovanje i završno fino brušenje. Pre početka ispitivanja visina uzoraka je precizno izmerena upotrebom komparatora tačnosti 1 pm. Radi simuliranja napregnutosti opruga uzorci su izloženi predpritisku od 2200 MPa.

[0048] Potom je ciklično primenjivana kompresija zamora. Pritisak kompresije je bio 1 270 ± 730 MPa. Gubitak u visini je meren za 1 000 000 ciklusa. Na kraju ispitivanja ukupan ugib je određen preciznim merenjem preostale visine u odnosu na početnu visinu. Otpornost na ugibanje je bolja kada je gubitak visine izražen kao procenat početne visine manji.

[0049] Rezultati ispitivanja na zamor materijala u vazduhu, zamor materijala u korodivnim uslovima, otpornosti na ugibanje čelika prema pronalasku kao i referentnih čelika dati su tabeli 4.

[0050] Iz ove tabele vidimo da razni referentni čelici imaju nezadovoljavajuće karakteristike i to iz sledećih razloga.

[0051] Referentni čelik 1, posebno ima preveliki sadržaj sumpora za dobar kompromis između otpornosti na zamor materijala u vazduhu i sadržaja za otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima. Osim toga, sadržaj mangana je previsok i to dovodi do izdvajanja koje je štetno utiče na homogenost čelika i njegovu otpornost na zamor materijala u vazduhu.

[0052] Referentni čelik 2 ima nizak sadržaj ugljenika i ekvivalent ugljenika Cekvda bi osigurao visoku vrednosti tvrdoće. Njegova elastičnost je suviše mala da bi imao dobru otpornost na zamor materijala u vazduhu.

[0053] Referentni čelik 3, posebno ima suviše nizak sadržaj silicijuma da bi dao visoku otpornost na ugibanje, kao i visoku otpornost na zamor materijala u vazduhu.

[0054] Otpornost na ugibanje je veća kod čelika prema pronalasku nego kod referentnih čelika, kao što se vidi na slici 1, gde je jasno prema gore pomenutim merenjima ugiba da su vrednosti ugiba najmanje 32 % niže za najlošiji slučaj čelika prema pronalasku (čelik prema pronalasku 1) u poređenju sa najboljim od referentnih čelika (referentni čelik 1).

[0055] Radni vek u zavisnosti od zamora materijala u vazduhu je značajano duži za čelike prema pronalasku u odnosu na referentne čelike. To je posledica povećane tvrdoće, kao što se vidi na slici 2, ali samo povećana tvrdoća nije dovoljna. Uopšteno gledajući, čelici velike tvrdoće su sa povećanjem tvrdoće podložniji nepravilnostima kao što su primese i površinska oštećenja. Prema tome čelici prema pronalasku su manje podložni nepravilnostima posebno prema krupnozrnim primesama kao što su titannitridi ili karbonitridi s obzirom da pronalazak sprečava pojavu tako krupnih primesa. Kao što se vidi iz tabele 3, najveća pronađena primesa u čelicima prema pronalasku ne prelazi 14.1 um, dok su primese veće od 20 pm pronađene u referentnom čeliku 2. Osim toga, manja podložnost površinskim oštećenjima, kao što su ona koja se mogu pojaviti u toku procesa proizvodnje opruga ili drugih operacija u toku dobijanja ili obrade čelika, kada se koriste čelici prema pronalasku može se ilustrovati ispitivanjem elastičnosti izvedenim na čelicima prema pronalasku i referentnim čelicima posle njihove toplotene obrade i dobijenim rezultatima tvrdoće jednakim ili većim od 55 HRC, pogledati sliku 3. Vrednosti izmerene u toku udarnog ispitivanja Šarpijevim klatnom (gde zarezi na epruveti oponašaju koncentraciju napona kao koncentraciju napona koja se može javiti na površinskim oštećenjima nastalim u toku procesa proizvodnje opruga ili drugih operacija u toku dobijanja ili obrade čelika) su više nego vrednosti izmerene za referentne čelike. Ovo pokazuje da su čelici prema pronalasku manje podložni koncentraciji napona na oštećenjima nego referentni čelici dobijeni ranijim tehnikama.

[00561 Poznato je da povećanje tvrdoće smanjuje otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima. Prema tome, izgleda da čelici prema pronalasku imaju prednost da je njihova otpornost na zamor materijala u korodivnim uslovima veća nego kod referentnih čelika dobijenih ranijim tehnikama, posebno uz tvrdoću veću od 55 HRC.

[0057J Prema tome, pronalazak obezbeđuje čelike veće tvrdoće uz dobar kompromis između radnog veka u zavisnosti od otpornosti na zamor materijala u vazduhu i otpornosti na ugibanje, koja je znatno povećana, i radnog veka u zavisnosti od otpornosti na zamor materijala u korodivnim uslovima koja je bolja nego kod referentnih čelika dobijenih ranijim tehnikama. Osim toga, takođe je postignuta manja podložnost mogućim površinskim oštećenjima, posebno onim nastalim u toku procesa proizvodnje opruga ili drugih operacija u toku dobijanja ili obrade čelika.

Claims

1. Čelik za proizvodnju opruga, naznačen time, što ima visoku otpornost na zamor materijala u vazduhu i u korodivnim uslovima i visoku otpornost na ugibanje, naznačenog sastava izraženog 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 = tragovi - 1 % V = 0.003 - 0.8% Ti = 0.02 - 0.2% Cu = 0.60 - 2% Nb = tragovi - 0.2% Al = 0.002 - 0.05% P = tragovi-0.15% S = tragovi-0.15% O = tragovi - 0.002% N = 0.002-0.011% Ostatak gvožđe i nečistoće nastale u toku procesa proizvodnje čelika, gde se ekvivalent sadržaja ugljenika Cekvizračunava po sledećoj formuli: Cekv je između 0.80 i 1.00%, tvrdoća je posle kaljenja i temperovanja veća ili jednaka 55 HRC, maksimalna veličina titannitrida ili karbonitrida, posmatranih na 100 mm<2>površine preseka na 1.5 ± 0.5 mm ispod površinskog sloja intermedijarnih poluproizvoda od kojih se proizvode opruge ili samih opruga, je manja ili jednaka 20 um, što je i kvadratni koren površine primesa smatranih za kvadrate.

2. Čelik za proizvodnju opruga, naznačen time, što ima sledeći sastav: C = 0.45 - 0.65% Si = 1.65 -2.20% Mn = 0.20 - 0.65% Cr= 0.80- 1.70% Ni = 0.15-0.80% Mo = tragovi - 0.80% V = 0.003 - 0.5% Cu = 0.10-0.90% E = 0.20 -0.15% Nb = tragovi-0.15% Al = 0.002 - 0.050% P = tragovi -0.010% S = tragovi -0.010% O = tragovi - 0.020% N = 0.0020-00110% Ostatak gvožđe i nečistoće nastale u toku procesa proizvodnje čelika.

3. Postupak proizvodnje čelika za opruge sa visokom otpornošću na zamor materijala u vazduhu i korodivnim uslovima i visokom otpornošću na ciklilično ugibanje, prema kome je tečni čelik dobijen u konverteru ili električnoj peći, njegov sastav prilagođen, izliven u valjke ili odlivke kontiunalnog toka ili ingote (poluge) koji su ostavljeni da se ohlade do sobne temperature; zatim su valjanjem dobijene šipke, šipke za proizvodnju žice ili valjci (poluproizvodi), od kojih su potom napravljene opruge, naznačen time, što : o je čelik naznačenog satava prema bilo kom od Zahteva 1 ili 2 ; o je između 1450 i 1300°C, posle njihovog očvršćavanja, minimalna srednja temperatura hlađenja svih nabrojanih poluproizvoda 0.3 °C/s ; o valjanje poluproizvoda izvedeno na temperaturi između 1200 - 800°C, u jednom ili dva ciklusa grejanja i valjanja; o su dobijeni poluproizvodi ili opruge astenitizovani između 850 i 1000°C, zatim kaljeni u vodi, polimeru ili ulju, i konačno temperovani na 300 - 550°C da bi se dobio čelik tvrdoće veće ili jednake 55 HRC.

4. Opruga, naznačena time, stoje napravljena od čelika prema bilo kom od Zahteva 1 ili 2.

5. Opruga, naznačena time, što je napravljena od čelika dobijenog postupkom prema Zahtevu 3.