Способ производства сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей особо сложной формы. Техническим результатом изобретения является получение непосредственно в потоке стана (без проведения дополнительного сфероидизирующего отжига) структуры сортового проката, обеспечивающей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей при одновременном обеспечении повышенных характеристик прокаливаемости стали. Для достижения технического результата выплавляют сталь, содержащую в мас.%: углерод 0,17-0,32, марганец 0,90-1,40, кремний 0,01-0,17, сера 0,005-0,020, хром 0,01-0,30, ванадий 0,005-0,07, молибден 0,005-0,10, никель 0,005-0,10, ниобий 0,005-0,02, титан 0,01-0,04, бор 0,0005-0,0050, алюминий 0,02-0,06, азот 0,005-0,015, железо остальное. Причем: 12/С - Mn/0,055 ≤ 20; 500×(Ti/24-N/7)+0,2≥0; 40≥С/0,01+В/0,001≥33, проводят внепечную обработку, разливку в изложницы с защитой струи, горячую прокатку слитка и получение заготовки с последующей ее прокаткой, контролируемым охлаждением и смоткой сортового проката в бунты. Горячую прокатку заканчивают при температуре 1000-1050°С и ведут контролируемое охлаждение ускоренно до 880-900°С с последующим охлаждением на воздухе до 300°С.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей особо сложной формы.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.18-0.24%, марганец 0.90-1.30%, кремний 0,17-0,37%, бор 0.0005-0.0050%, азот 0.005-0.015%, ванадий 0,01-0,08%, титан 0,01-0,04%, остальное железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: (патент РФ).

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей особо сложной формы, является, с одной стороны, высокая технологическая пластичность и низкий коэффициент деформационного упрочнения в состоянии поставки и, с другой стороны, способность обеспечить заданный уровень потребительских свойств после завершающего термоупрочнения. Данная сталь от шихтовки до готового сортового проката проходит достаточно длительный передел, включающий следующие операции: выплавку, горячую прокатку, сфероидизирующий отжиг, калибровку. Задача обеспечения необходимого комплекса механических свойств, показателей технологической пластичности и низкого коэффициента деформационного упрочнения металлопроката в состоянии поставки в настоящее время успешно разрешается за счет ряда приемов, применяемых на различных стадиях изготовления стали.

Известен способ производства (патент JP 61-163210, 23.07.1986 г., С 21 D 8/06), включающий нагрев прутков до 950°С, что обеспечивает выделение нитридов алюминия и бора с последующим охлаждением водой со скоростью 25°/мин до комнатной температуры. Данный способ не обеспечит получение требуемого уровня сфероидизации структуры используемого класса стали.

Известен способ производства стержневой арматуры (патент DE 3434744 А1, 03.04.1986 г., С 21 D 8/06), включающий нагрев до 1150°С, прокатку при от 1150 до 800°С с целью получения феррито-перлитной структуры. Далее нагрев до 1000°С с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Наиболее близким аналогом является способ производства сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку, разливку в изложницы, горячую прокатку слитка и охлаждение (RU 2042734 C1, C 22 C 38/54, 27.08.1995 г.).

В основу изобретения поставлена задача разработки стали повышенной прокаливаемости и способа производства из нее сортового проката, обеспечивающего получение непосредственно в потоке стана (без проведения дополнительного сфероидизирующего отжига). Техническим результатом является получение сфероидизованной структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей, а также повышенных значений характеристик прокаливаемости.

Технический результат достигается тем, что в способе производства сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей, включающем выплавку стали в электропечи, внепечную обработку, разливку в изложницы, горячую прокатку слитка и охлаждение, выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0.17-0.32

Марганец 0.90-1.40

Кремний 0.01-0.17

Сера 0.005-0.020

Хром 0.01-0.30

Ванадий 0.005-0.07

Молибден 0.005-0.10

Никель 0.005-0.10

Ниобий 0.005-0.02

Титан 0.01-0.04

Бор 0.0005-0.0050

Алюминий 0.02-0.06

Азот 0.005-0.015

Железо и неизбежные примеси Остальное

При выполнении соотношений:

горячую прокатку заканчивают при температуре 1000-1050°С и регламентировано охлаждают, сначала ускоренно до температуры 880-900°С, а затем на воздухе до 300°С.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой стали (в готовом изделии диаметром до 25 мм) после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°С) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод и карбонитридообразующие элементы (ванадий, ниобий) вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ниобий и ванадий управляют процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения). Ниобий и ванадий способствуют также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.32%), ниобия (0.02%) и ванадия (0.07%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.17%, 0.005% и 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, существенно повышающий устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающий прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1.40%, хрома (0.30%), молибдена (0.10%) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.90%, 0.005% и 0.005%, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.01% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.17% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. Верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так, нижний уровень содержания данных элементов (0.02 и 0.01 соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.06 и 0.04) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Азот, элемент участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания (0.005%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0.015%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.

Никель в заданных пределах (0.005-0.10%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.005%) - вопросами технологичности производства.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и AlN в результате протекания реакций:

[Ti]+[N]=TiN, [Al]+[N]=AlN

требуется выполнение следующего соотношения элементов, в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношения

определяют условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Ниже дан пример осуществления способа.

Выплавку борсодержащей стали, содержащей углерод 0.29%, марганец 1.22%, кремний 0.17%, серу 0,010%, хром 0.15%, ванадий 0.02%, молибден 0.009%, никель 0,04%, ниобий 0.01%, титан 0.03%, бор 0.0034%, алюминий 0.043%, азот 0.010%, производят в шахтной электропечи “Фукс”. Для гарантированного низкого содержания азота разработана специальная технология, включающая: шихтовку плавки жидким чугуном до 40% от общего объема шихты. Окислительный период предусматривает высокие скорости окисления углерода в пределах 0,05-0,07%/мин. Электрический режим предусматривает отключение печи при содержании углерода на 0,2-0,4% выше нижнего предела по заданному, додувку по углероду производят без электродуги. Температура выпуска из печи 1640-1680°С. Ввод ферросплавов, обработка стали для удаления неметаллических включений производится на установке печь-ковш, оборудованной системой электроподогрева или химподогрева. Температура стали перед разливкой на 60°С выше температуры ликвидуса марки. Разливка стали производится в уширенные кверху изложницы. Масса слитка 7,85 т. Для обеспечения низкого содержания азота при разливке производится защита струи металла аргоном через специальное кольцевое устройство. Нагрев слитков в обжимном цехе производится в рекуперативных колодцах до температуры начала прокатки 1250-1270°С. Прокатка слитков производится на блюминге (стан 1300) и далее на непрерывном заготовочном стане на заготовку сечением 100×100 мм. Для снятия образовавшегося при нагреве слитков обезуглероженного слоя заготовки подвергаются абразивной зачистке. Затем производилась горячая прокатка полученной заготовки на проволочном стане 150 или мелкосортном стане 250 в диаметрах от 5,5 до 23 мм в мотках. Для обеспечения величины обезуглероженного слоя не более 1% от диаметра ограничен темп выдачи заготовок из печи не менее 100 т/час для стана 150 и не менее 56 т/час для стана 250. Температура начала прокатки заготовок 1220-1240°С для стана 250 и 1270-1290°С для стана 150. Горячую прокатку сортового проката заканчивают при температуре 1000-1050°С, далее ускоренное охлаждение до 880-900°С с последующим охлаждением на воздухе до 300°С и последующей смоткой в бунты.

углерод 0.29%, марганец 1.22%,

титан 0.03%, азот 0.009%,

углерод 0.29%, бор 0.0044%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, обеспечивающего получение непосредственно в потоке стана (без проведения дополнительного сфероидизирующего отжига) структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.

Формула изобретения

Способ производства сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку, разливку в изложницы, горячую прокатку слитка и охлаждение, отличающийся тем, что выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,17-0,32

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,17

Сера 0,005-0,020

Хром 0,01-0,30

Ванадий 0,005-0,07

Молибден 0,005-0,10

Никель 0,005-0,10

Ниобий 0,005-0,02

Титан 0,01-0,04

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,005-0,015

Железо Остальное

при выполнении соотношений 12/С-Mn/0,055 ≤ 20; 500·(Ti/24-N/7)+0,2≥0, 40≥(С/0,01+В/0,001)≥33, горячую прокатку заканчивают при температуре 1000-1050°С и ведут контролируемое охлаждение ускоренно до 880-900°С с последующим охлаждением на воздухе до 300°С.