Патент на изобретение №2327747

(54) СОРТОВОЙ ПРОКАТ, КРУГЛЫЙ ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ РЕЗАНИЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сортовому прокату, обточенному, диаметром от 30 до 70 мм, используемому для ответственных деталей автомобиля. Для обеспечения рациональных условий обработки резанием при одновременном повышении характеристик прочности, вязкости и пластичности получают сортовой прокат в прутках из стали, содержащей в мас.%: С (0,36-0,44), Mn (0,60-0,90), Si (0,15-0,30), Cr (0,80-1,10), S (0,040-0,075), Ca (0,001-0,010), N (0,005-0,015), O₂ (0,001-0,015), As (0,0001-0,03), Sn (0,0001-0,02), Pb (0,0001-0,01), Zn (0,0001-0,005), железо и неизбежные примеси – остальное, при соотношении:(As+Sn+Pb+5×Zn)0,07; О₂/Са=(1-4,5); Ca/S0,020. Прокат имеет не менее 75% оксисульфидов с сульфидной оболочкой со средним размером не менее 3 баллов, остальное – оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформируемые с размером в совокупности не более 2,0 баллов, пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 баллов, макроструктуру – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация не более 3 баллов, ликвационные полоски – не более 1 балла, механические свойства в отожженном или термоулучшенном состоянии: твердость 180-220 НВ, _в – не менее 950 МПа, _т – не менее 800 МПа, S – не менее 12%, а_н – KCU⁺²⁰ не менее 60 Дж/см². 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сортовому прокату, обточенному, круглому, диаметром от 30 до 70 мм, используемому для ответственных деталей автомобиля.

Известен сортовой прокат, круглый из среднеуглеродистой стали, выполненный горячекатаным и имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, размера действительного зерна, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности. (RU 2249629 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).

Известен сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, выполненный горячекатаным, имеющий заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств, прокаливаемости и упругости. (Справочник, Современные материалы в автомобилестроении, Москва, «Машиностроение», 1977, с.80-96).

Известен сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, содержащий углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, серу, ниобий, кальций, железо и неизбежные примеси, выполненный горячекатаным и имеющий заданные параметры неметаллических включениий, структуры, размера действительного зерна, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности. (RU 2262539 C1, C21D 8/06, 20.10.2005).

Техническим результатом изобретения является обеспечение рациональных условий обработки резанием штоков при одновременном повышении характеристик прочности, вязкости и пластичности.

Для достижения технического результата сортовой прокат в прутках из среднеуглеродистой стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

при выполнении следующих соотношений:

сумма (As+Sn+Pb+5×Zn)0,07;

O₂/Са=1÷4,5;

Ca/S0,020,

прокат имеет неметаллические включения, содержащие не менее 75% оксисульфидов с сульфидной оболочкой со средним размером не менее 3 балла, и оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформируемые в совокупности не более 2,0 балла, макроструктура – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 балла по каждому виду, подусадочная ликвация – не более 3 балла; ликвационные полоски – не более 1 балла, пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна – 5-9 балла, механические свойства: твердость 180-220 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 950 МПа, предел текучести – не менее 800 МПа, относительное удлинение не менее 12%, ударную вязкость KCU⁺²⁰ не менее 60 Дж/см².

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: никель не более до 0,10, медь не более 0,20, фосфор не более 0,020.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой стали (пруток горячекатаного сортового проката круглого) 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 сочетание характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,44%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0,36% – обеспечения требуемого уровня прочности и прокаливаемости 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 – 0,90% и хрома – 1,10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний – 0,60% и 0,80% – соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию – 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,30% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,075%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,040%) – вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содердания азота – 0.015% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел – 0.005% – вопросами технологичности производства.

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 (0.001%) предел – 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.

Мышьяк, олово, свинец и цинк – цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний – (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение кислород/кальций=1÷4,5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения – 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – 1 – соответственно возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

Соотношение кальций/сера0,020% определяет условия образования 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.

Соотношение (As+Sn+Pb+5×Zn)0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов и соотношением:

As+Sn+Pb+5×Zn0,07; кислород/кальций=1÷4,5; кальций/сера0,020

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

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод – 0,39%, марганец – 0,74%, кремний – 0,22%, хром – 0,89%, сера – 0,056%, кальций – 0,0020%, азот – 0,010%, кислород – 0,005%, мышьяк – 0,009%, олово – 0,005%, свинец – 0,003%, цинк – 0,001%) проводили в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВа) 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.

Получают сортовой прокат 40 мм, длиной – 5900 мм. Структура пластинчатого перлита, обезуглероденный слой отсутствует, балл действительного зерна – 7. Сульфидные включения глобулярные, с оксидной оболочкой объемная доля – 92%. Балл сульфидных включений – 3,5. Оксиды точечные – 0,5 балла, оксиды строчечные – 0,5 балла, силикаты хрупкие – 0, силикаты пластичные – 0 баллов, силикаты недеформирующие – 0.5 балла. Макроструктура: центральная пористость – 1 балл, точечная неоднородность – 1 балл, ликвационный квадрат – 0,5 балла, подусадочная ликвация – 0,5 балла, ликвационные полоски – 0,5 балла.

Механические свойства в термоулучшенном состоянии: твердость заготовки 197-205 НВ, временное сопротивление разрыву 980 МПа, предел текучести – 890 МПа, относительное удлинение 14%, ударная вязкость KCU⁺²⁰ 88 Дж/см².

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022, кислород/кальций=2,5; кальций/сера=0,0357.

Сортовой прокат обладает повышенными характеристиками обработки резанием и благоприятным соотношением прочности, пластичности и вязкости стали.

Формула изобретения

1. Сортовой прокат в прутках из среднеуглеродистой стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что он получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

при выполнении следующих соотношений:

(As+Sn+Pb+5·Zn)0,07;

О₂/Са=1÷4,5;

Ca/S0,020,

при этом имеет неметаллические включения, содержащие не менее 75% оксисульфидов с сульфидной оболочкой со средним размером не менее 3 баллов и оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформируемые в совокупности не более 2,0 баллов, макроструктуру – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация не более 3 баллов; ликвационные полоски не более 1 балла, пластинчатую ферритоперлитную структуру с размером действительного зерна 5-9 баллов, механические свойства: твердость 180-220 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 950 МПа, предел текучести не менее 800 МПа, относительное удлинение не менее 12%, ударную вязкость KCU⁺²⁰ не менее 60 Дж/см².

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей сталь дополнительно содержит, мас.%: никель не более до 0,10, медь не более 0,20, фосфор не более 0,020.