Патент на изобретение №2285054

(54) КРУГЛЫЙ СОРТОВОЙ ПРОКАТ ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ ХРОМСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, для изготовления шаровых пальцев, наконечников тяг и шаровых опор подвески автомобиля. Техническим результатом изобретения является улучшение обрабатываемости резанием при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 30 мм и сохранении высокого уровня технологической пластичности стали. Для достижения технического результата прокат выплавляют из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%: углерод 0,35-0,42, марганец 0,50-0,80, кремний 0,17-0,37, хром 0,80-1,10, сера 0,020-0,040, ванадий 0,005-0,020, кальций 0,001-0,010, кислород 0,001-0,015, никель до 0,25, медь не более 0,25, молибден не более 0,10, мышьяк не более 0,08, азот не более 0,015, железо и неизбежные примеси – остальное, при выполнении соотношений кислород/ кальций=1÷4,5 и кальций/сера 0,065. Прокат имеет неметаллические включения сульфида с двухслойной структурой, максимальный балл загрязненности неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не выше 3 баллов по каждому виду включений, структуру, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 балл, диаметр от 10 до 30 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 600 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 60%.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из среднеуглеродистой хромсодержащей стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления шаровых пальцев, наконечников тяг и шаровых опор подвески автомобиля, получаемых методом холодной объемной штамповки.

Известен сортовой прокат, круглый, из стали, содержащей (мас.%): углерод 0,36-0,44, марганец 0,50-0,80 кремний 0,25-0,45, хром 0,85-1,50, титан 0,02-0,04, алюмний 0,005-0,015, бор 0,003-0,005, кальций 0,001-0,004, медь 0,2-0,7, никель 0,2-0,5, барий 0,01-0,04, железо – остальное, при отношении Cu/Mn+Ni=0,15-0,75. (Патент РФ RU 2023048 С1, С 22 С 38/54 от 22.06.1992 г., опубликовано 15.11.1994 г.).

Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой хромсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0,35-0,45, марганец 0,50-0,80, кремний 0,17-0,37, хром 0,8-1,10, ванадий 0,04-0,09, алюминий 0,005-0,015, кальций 0,001-0,004, азот 0,005-0,009, медь 0,25-0,40, магний 0,0005-0,0009 железо и неизбежные примеси – остальное. При этом содержание серы составляет 0,01-0,02 мас.%; содержание фосфора составляет 0,015-0,020 мас.% (Авторское свидетельство СССР SU 1216241 А, С 22 С 38/24 опубликовано 07.03.1986 г.).

Техническим результатом изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием при одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 30 мм, а также сохранении высокого уровня технологической пластичности стали.

Для достижения технического результата в сортовом прокате, круглом, выплавленном из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющем заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

при выполнении соотношений:

кислород/кальций= 1÷4,5; кальций/сера 0,065

Максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, имеющим двухслойную структуру, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 балл, диаметр от 10 до 30 мм, обезуглероженный слой не более 1-5% от диаметра, величина холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 600 МПа, относительное удлинение на менее 18%, относительное сужение не менее 60%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (пруток горячекатаного сортового проката круглого диаметром до 30 мм) благоприятную пластинчатую структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания даже широкими резцами при поперечной подаче режущего инструмента, с другой стороны, – благоприятное сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0.42%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0.35% – обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующий элемент – ванадий вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер –– превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия 0.02% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0.005% – обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца 0.80% и хрома 1.10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний – 0.50% марганца и 0.80% хрома соответственно – необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0.17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.020%) – вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Кальций – элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел, (0.010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.001%) – вопросами технологичности производства.

Кислород, образуя оксидную пленку на сульфидах, способствует повышению обрабатываемости стали резанием при одновременном сохранении высокого комплекса потребительских свойств стали. При этом верхний уровень содержания кислорода 0.015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний 0.001% соответственно – необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Соотношения

Соотношение кислород/кальций=1÷4.5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения(ий) – уровень содержания кислорода 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний – 1 соответственно – возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

Соотношение кальций/сера0.065% определяет условия глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов – алюминия, кальция и кислорода, а также соотношениями: кислород/кальций=1÷4.5 и кальций/сера0.065%.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект – повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.

Пример осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других, в объеме формулы изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав, мас.%: углерод – 0.40%, марганец – 0.65%, кремний – 0.32%, хром – 0.92%, ванадий – 0.01%, сера – 0,036%, кальций – 0.0024%, кислород – 0.007%) проводили в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 МВ·А) с использованием в шихте 60% металлизованных окатышей и 40% металлического лома, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу, и кремнию проводили в ковше при выпуске из ДСП (Выпуск в ковш перекисленного металла. Раскисление металла – при выпуске алюминием, ферросилицием – раскисление, легирование – FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) – углерод, марганец и кремний. После вакуумирования – обработка на печи-ковше. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае – окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществлялась защита струи от вторичного окисления следующим образом:

– стальковш-промковш – погружная труба с подачей аргона

– промковш – шлакообразующая смесь

– промковш-кристаллизатор – погружной стакан (корундографитовый)

– в кристаллизаторе – шлакообразующая смесь.

После разливки и пореза на мерную длину непрерывнолитые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку (квадрат 170 мм). Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Нагрев заготовки перед прокаткой производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки 900°С, что обеспечивает снижение энергозатрат на 15 % и значительно снижает обезуглероживание проката. Окалину с поверхности заготовки удаляли водой высокого давления на установке гидросбива окалины. Прокатку вели в непрерывных линиях – мелкосортной и среднесортной. Высокая жесткость клетей, автоматическое согласование скорости клетей, система петлерегулирования в чистовой группе мелкосортной линии позволили получить прокат высокой точности. Отделку проката осуществляли вне потока. Отделка включала в себя операции правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката. Точность проката после обточки соответствует квалитету h11. На установке “БУНТ-ПРУТОК” из мотков горячекатаного проката получают обточенные прутки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

В результате горячей прокатки получаем сортовой прокат диаметром 21 мм со структурой зернистого перлита (99%), обезуглероженный слой глубиной 0.09 мм, балл действительного зерна – 8, холодная осадка проволоки диаметром 21 мм на 67%, временным сопротивлением разрыву 580 МПа, относительное удлинение 21%, сужение 63%.

Соотношения

кислород/кальций=2.92: содержание кальция 0.0024%, кислорода 0.007%, кальций/сера= 0.067 содержание кальция 0.0024%, серы 0,036% Внедрение предложенного способа производства сортового проката из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, обеспечивающего получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны, благоприятное соотношение прочности пластичности и вязкости стали.

Формула изобретения

Сортовой прокат, круглый, выплавленный из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

при выполнении соотношений

кислород:кальций=1÷4,5; кальций:сера 0,065,

максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, имеющим двухслойную структуру, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 балл, диаметр 10÷30 мм, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 600 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 60%.