Патент на изобретение №2329309

(54) СОРТОВОЙ ПРОКАТ ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ БОРСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката диаметром от 40 до 170 мм для изготовления шлицевых валов, штоков, установочных винтов, траверс и других деталей. Для обеспечения рациональных условий обработки резанием при одновременном повышении прокаливаемости, пластичности и вязкости сортовой прокат получают из стали, содержащей компоненты в мас.%: С – 0,38-0,43, Mn – 0,50-0,80, Si – 0,17-0,37, Cr – 0,70-1,00, S – 0,005-0,040, Мо – 0,03-0,06, V – 0,04-0,08, Al – 0,020-0,045, Ti – 0,020-0,045, В – 0,001-0,003, N – 0,005-0,012, 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 следующем соотношении элементов: (As+Sn+Pb+5×Zn)0,07; Ti/48+Al/27-N/140,6×10^-3. Прокат имеет макроструктуру – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат – не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация – не более 2 баллов, ликвационные полоски – не более 1 балла, загрязненность стали неметаллическими включениями: средний балл по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым – не более 3,5 по каждому виду включений. Прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна – 5-9 баллов, механические свойства после закалки и низкого отпуска: _в не менее 1300 МПа, _0,2 не менее 1210 МПа, не менее 10%, не менее 55%. Прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 10 мм от торца – не менее 47 HRC. Обрабатываемость резанием – величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) – при L=1320 м, h₃ не более 0,30 мм. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката горячекатаного круглого диаметром от 40 до 170 мм, производимого из среднеуглеродистой борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, используемого для изготовления шлицевых валов, штоков, установочных винтов, траверс, валов экскаваторов и других деталей, требующих повышенной износостойкости.

Известен сортовой прокат из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, содержащей углерод, марганец, кремний, бор, ванадий, алюминий, титан, серу, азот, кальций, железо и примеси, прокат имеет заданные параметры макро- и микроструктуры и механических свойств, выполнен горячекатаным, закаленным, отпущенным (RU 2249627 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).

Известен сортовой прокат круглый, из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, содержащей углерод, марганец, кремний, серу, хром, ванадий, молибден, никель, ниобий, титан, бор, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, горячекатаный и термообработанный, прокат имеет заданные параметры загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам, однородную сфероидизованную структуру из перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов и заданные механические свойства (RU 2249626 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).

Техническим результатом изобретения является обеспечение рациональных условий обработки резанием при одновременном обеспечении повышенных характеристик прокаливаемости, пластичности и вязкости.

Для достижения технического результата сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой борсодержащей стали, имеющий заданные параметры загрязненности стали неметаллическими включениями, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, согласно изобретению выполнен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

при выполнении соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)0,07; , прокат имеет неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым со средним баллом не более 3,5 по каждому виду включений, 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 2 баллов; ликвационные полоски – не более 1 балла, механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1300 МПа, предел текучести не менее 1210 МПа, относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 55%, обрабатываемость резанием – величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) – при L=1320 м, h₃ не более 0,30 мм, твердость в состоянии поставки 187-255 НВ, прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 10 мм от торца – не менее 47 HRC, на расстоянии 20 мм от торца – не менее 40 HRC.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: медь не более 0,30, никель не более 0,30, фосфор не более 0,030, вольфрам не более 0,02.

При содержании серы 0,020-0,040% обрабатываемость резанием – величина износа составляет – h₃ не более 0,20 мм.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в прокате 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, пластичности, вязкости и прокаливаемости.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,43%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0,38% – обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец, молибден 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%, молибдена – 0,06% и хрома – 1,00% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний – 0,50%, 0,03% и 0,70% 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.

Карбонитридообразующий элемент – ванадий вводится 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 – 0,04% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя – соответственно 0,02% – обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) – вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. Верхний предел содержания бора – 0,003% определяется соображениями пластичности стали, а нижний – 0,001% – необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей стали, элементов, обеспечивающих формирование мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, а также эффективно защищают бор от связывания в нитриды. Верхний предел содержания алюминия 0,045% и титана 0,045% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел 0,020% и 0,020% соответственно – вопросами технологичности производства, а также обеспечением однородной зеренной структуры стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота – 0,012% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел – 0,005% – вопросами технологичности производства.

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 As+Sn+Pb+5×Zn0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Соотношение определяет эффективность защиты бора от связывания в нитриды и, как следствие, обеспечивает требуемый уровень прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов и соотношениями: As+Sn+Pb+5×Zn0,07;

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

Выплавку исследуемых сталей с химическими составами в мас.%:

пример 1: углерод – 0,39, марганец – 0,73, кремний – 0,27, хром – 0,92, молибден – 0,04, сера – 0,011, ванадий – 0,05, алюминий – 0,037, титан – 0,024, бор – 0,0023, азот – 0,007, мышьяк – 0,007, олово – 0,011, свинец – 0,009, цинк – 0,002;

пример 2: углерод – 0,41, марганец – 0,78, кремний – 0,21, хром – 0,94, молибден – 0,05, сера – 0,032, ванадий – 0,06, алюминий – 0,039, титан – 0,029, бор – 0,0028, азот – 0,008, мышьяк – 0,008, олово – 0,010, свинец – 0,008, цинк – 0,002 проводили в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВт) 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 непрерывно-литые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку. Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Для проведения испытаний заготовки исследуемой стали прошли термообработку по следующему режиму: нормализация 930°С, воздух, закалка 880°С, масло, отпуск 200°С, воздух.

Получаем сортовой прокат 40 мм, длиной – 5900 мм, имеющий:

по примеру 1: сруктура пластинчатого перлита, обезуглероженный слой отсутствует, балл действительного зерна – 7. Макроструктура: центральная пористость – 1 балл, точечная неоднородность – 1 балл, ликвационный квадрат – 0,5 балла, подусадочная ликвация – 0,5 балла, ликвационные полоски – 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные – 2 балла, оксиды точечные – 1 балл, оксиды строчечные – 2 балла, силикаты хрупкие – 1 балл, силикаты пластичные – 1 балл, силикаты недеформирующие – 1 балл. Твердость в состоянии поставки 217 НВ. Временное сопротивление разрыву 1310 МПа, предел текучести 1275 МПа, относительное удлинение 11%, относительное сужение 56%. Характеристики прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 10 мм от торца – 49 HRC, на расстоянии 20 мм от торца – 42 HRC. Обрабатываемость резанием – величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) – при L=1320 м, h₃=0,24 мм.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,037, ,

по примеру 2: структура пластинчатого перлита, обезуглероженный слой отсутствует, балл действительного зерна – 8. Сульфидные включения глобулярные с оксидной оболочкой. Макроструктура: центральная пористость – 1,0 балл, точечная неоднородность – 1,0 балл, ликвационный квадрат – 1,0 балл, подусадочная ликвация – 0,5 балла, ликвационные полоски – 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные – 2,5 балла, оксиды точечные – 2,0 балла, оксиды строчечные – 2,0 балла, силикаты хрупкие – 1,5 балла, силикаты пластичные – 1 балл, силикаты недеформирующие – 1 балл. Твердость в состоянии поставки 225 НВ. Временное сопротивление разрыву 1310 МПа, предел текучести 1275 МПа, относительное удлинение 11%, относительное сужение 56%. Характеристики прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 10 мм от торца – 51 HRC, на расстоянии 20 мм от торца – 43 HRC. Обрабатываемость резанием – величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) – при L=1320 м, h₃=0,17 мм.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,036,

Сортовой прокат из борсодержащей стали обладает повышенной обрабатываемостью резанием и благоприятным соотношением прочности, пластичности и вязкости стали.

Формула изобретения

1. Сортовой прокат, круглый из среднеуглеродистой борсодержащей стали, имеющий заданные параметры загрязненности стали неметаллическими включениями, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что сталь содержит следующее соотношение компонентов, мас.%:

при выполнении соотношений (As+Sn+Pb+5×Zn)0,07; , при этом имеет неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым со средним баллом не более 3,5 по каждому виду включений, пластинчатую феррито-перлитную структуру с размером действительного зерна 5-9 баллов, макроструктуру – центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация – не более 2 баллов; ликвационные полоски – не более 1 балла, механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1300 МПа, предел текучести не менее 1210 МПа, относительное удлинение не менее 10%, относительное сужение не менее 55%, обрабатываемость резанием – величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания L=1320 м h₃ не более 0,30 мм, твердость в состоянии поставки 187-255 НВ, прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 10 мм от торца не менее 47 HRC, на расстоянии 20 мм от торца не менее 40 HRC.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей сталь дополнительно содержит, мас.%: медь не более 0,30, никель не более 0,30, фосфор не более 0,030, вольфрам не более 0,02.

3. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании серы 0,020-0,040% обрабатываемость резанием – величина износа составляет h₃ не более 0,20 мм.