Способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого, горячекатаного, горячекалиброванного и обточенного из среднелегированной стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления высоконагруженных шестерен коробки перемены передач автомобиля. Техническим результатом изобретения является получение структуры сортового проката, обеспечивающей рациональные условия обработки резанием, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств шестерен коробки перемены передач автомобиля. Способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали включает выплавку стали в электропечи, внепечную обработку стали в ковше с легированием, раскислением и продувкой аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки. Согласно изобретению после вакуумирования ведут повторное окисление металла в ковше окисленными окатышами с последующей добавкой алюминия, серы и получают сталь при следующем соотношении компонентов в мас.%: углерод - 0,17-0,23; марганец - 0,65-0,95; кремний - 0,17-0,37; хром - 0,35-0,65; никель - 0,40-0,75; молибден - 0,15-0,25; сера - 0,020-0,040; фосфор - 0,001-0,035; ниобий - 0,005-0,02; ванадий - 0,005-0,08; кальций - 0,001-0,010; кислород - 0,001-0,015; медь - не более 0,25; мышьяк - не более 0,008; азот - не более 0,015; железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношений: кислород/кальций=1÷4,5 и кальций/сера≥0,065, после горячей прокатки осуществляют отделку прутка, включающую правку, контроль поверхностных дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката, смотку сортового проката в бунты и порезку прутков на заготовки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого, горячекатаного, горячекалиброванного и обточенного из среднелегированной стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления высоконагруженных шестерен коробки перемены передач автомобиля.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,18-0,27%, марганец 0,6-1,0%, кремний 0,2-0,42%, хром 0,8-1,3%, никель 0,45-0,79%, молибден 0,18-0,28%, титан 0,02-0,05%, сера 0,01-0,06%, бор 0,0005-0,003%, ванадий 0,01-0,06%, цирконий 0,01-0,06%, алюминий 0,005-0,025%, кальций 0,001-0,008%, остальное железо. При этом сумма компонентов титана, ванадия и циркония должна быть равной 0,05-0,12. Стальные слитки подвергают горячей прокатке, калибровке и изготавливают шестерни (SU 768849, С 22 С 38/54). 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. К недостаткам данной стали следует отнести также и довольно широкие границы содержания серы, что на нижнем уровне (до 0,02 мас.%) не позволит обеспечить необходимые характеристики обрабатываемости резанием.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,15-0,25%, кремний 0,10-0,15%, марганец 0,45-0,65%, хром 0,5-0,6%, никель 1-2,5%, молибден 0,4-0,8%, серу - не более 0,015%, фосфор - не более 0,015%, ниобий 0,02-0,06%, ванадий 0,02-0,06%, медь не более 0,3%, остальное - железо и примеси (патент США №5645795 А, С 22 С 38/44 опубликован 08.07.1997 г.). Недостатком данной стали является нерегламентированное содержание серы, что приведет к существенному ухудшению характеристик резания, снижению стойкости режущего инструмента, увеличению нагрузок на инструмент при нижнем уровне содержания серы в предложенном интервале - т.е. менее 0,020%. Также к числу недостатков следует отнести отсутствие в ее составе модифицирующих элементов, таких как кальций, что будет способствовать наличию в стали вытянутых сульфидных включений и, как следствие, повышенной анизотропии механических свойств горячекатаного проката.

Наиболее близким аналогом является известный способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку, легирование и раскисление стали, продувку аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки (RU 2039119 C1, C 22 C 38/44).

Техническим результатом изобретения является получение сортового проката из среднелегированной стали со структурой, обеспечивающей рациональные условия обработки резанием и благоприятные соотношения прочности, пластичности и вязкости стали.

Для достижения технического результата в известном способе производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающем выплавку стали в электропечи, внепечную обработку стали в ковше с легированием, раскислением и продувкой аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки, после вакуумирования ведут повторное окисление металла в ковше окисленными окатышами с последующей добавкой алюминия, серы и получают сталь при следующем соотношении компонентов в мас.%:

углерод	0,17-0,23
марганец	0,65-0,95
кремний	0,17-0,37
хром	0,35-0,65
никель	0,40-0,75
молибден	0,15-0,25
сера	0,020-0,040
фосфор	0,001-0,035
ниобий	0,005-0,02
ванадий	0,005-0,08
кальций	0,001-0,010
кислород	0,001-0,015
медь	не более 0,25
мышьяк	не более 0,008
азот	не более 0,015
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношений: кислород/кальций=1÷4,5 и кальций/сера>0,065. После горячей прокатки осуществляют отделку прутка, включающую правку, контроль поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката, смотку сортового проката в бунты и порезку прутков на заготовки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой термообработанной стали (закалка 860±15°С, масло с последующим отпуском 170°С, воздух) благоприятную 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 (0,23%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,17% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующие элементы - ниобий и ванадий вводятся 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 ниобий управляет процессами в верхней части аустенитной области (так как карбонитриды ниобия растворяются лишь при температурах аустенитизации 1200-1250°С), а ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке). И ванадий, и ниобий повышают температуру рекристаллизации стали и, как следствие, влияют на характер γ-α-превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия - 0,08% и ниобия - 0,02% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,005% для ниобия и 0,005% для ванадия - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, хром и молибден используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. Молибден известен также как элемент, эффективно препятствующий возникновению обратимой отпускной хрупкости в стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,95%, хрома - 0,65% и молибдена - 0,25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,65% марганца, 0,35% хрома и 0,15% молибдена 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.

Никель в заданных пределах (0,40-0,75%) влияет на характеристики прокаливаемости, вязкости и хладостойкости 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.

Фосфор - элемент, способствующий увеличению характеристик резания стали. При этом верхний уровень содержания фосфора - 0,035% обусловлен необходимостью предотвращения развития процессов обратимой отпускной хрупкости стали, а также обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,0010% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием 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 (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.

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/сера≥0,065% 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.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0,19%, марганец - 0,82%, кремний - 0,32%, хром - 0,52%, никель - 0,65%, молибден - 0,19%, ванадий - 0,05%, сера - 0,036%, фосфор - 0,022%, ниобий - 0,01%, кальций - 0,0024%, кислород - 0,007%) 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 обработке алюминием, ферросилицием, легирование - FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин, затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом проводится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования - обработка на установке печь - ковш. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут до разливки - 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 - погруженная 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 проводили 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 35 мм, имеющий в закаленном состоянии твердость на глубине 6 мм 36-39 HRc, размер действительного зерна - 8 балл, не имеющий обезуглероженного слоя, а в результате последующей термообработки (закалки 860±10°С, 1 час, масло и отпуск 165±10°С) - временное сопротивление разрыву 14501520 МПа, предел текучести - 980 МПа относительное удлинение 9%, относительное сужение 62%.

Соотношение кислород/кальций=2,92, содержание кальция - 0,0024%, кислорода - 0,007%, соотношение кальций/сера=0,067, содержание кальция - 0,0024%, серы - 0,036%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное соотношение прочности пластичности и вязкости стали.

Способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку стали в ковше с легированием, раскислением и продувкой аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки, отличающийся тем, что после вакуумирования ведут повторное окисление стали в ковше окисленными окатышами с последующей добавкой алюминия, серы и получают сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,17-0,23
Марганец	0,65-0,95
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,35-0,65
Никель	0,40-0,75
Молибден	0,15-0,25
Сера	0,020-0,040
Фосфор	0,001-0,035
Ниобий	0,005-0,02
Ванадий	0,005-0,08
Кальций	0,001-0,010
Кислород	0,001-0,015
Медь	Не более 0,25
Мышьяк	Не более 0,008
Азот	Не более 0,015
Железо и неизбежные примеси	Остальное

при выполнении соотношений кислород:кальций=1÷4,5 и кальций:сера ≥0,065, после горячей прокатки осуществляют отделку проката, содержащую правку, контроль поверхностных дефектов, ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку проката, смотку проката в бунты и порезку на заготовки длиной до 6 м с точностью порезки ±5 мм.