Круглый сортовой прокат из среднеуглеродистой хромсодержащей стали

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.%:

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; 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 γ-α- 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/сера≥0.065% 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/сера≥0.065%.

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.

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.%:

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; 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%.