Сортовой прокат, круглый со специальной отделкой поверхности из среднеуглеродистой стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого для изготовления штоков амортизаторов автомобиля. Для получения проката диаметром до 20 мм, обладающего повышенными характеристиками обрабатываемости резанием, выплавляют сталь, содержащую в мас.%: С (0,37-0,50), Mn (0,50-0,80), Si (0,17-0,37), Cr (0,15-0,25), S (0,020-0,040), V (0,005-0,02), Al (0,03-0,05), Са (0,001-0,010), N (0,005-0,015), О₂ (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 примеси - остальное, при соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; О₂/Са=1÷4,5; Ca/S≥0,065, примеси: Ni не более 0,30, Си не более 0,30, Мо не более 0,10, Р не более 0,030. Прокат имеет механические свойства: твердость не менее 187НВ, σ_в не менее 600 МПа, δ не менее 6%, ψ не менее 30%, средний балл по сульфидам точечным с оксидной оболочкой, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 3,5 по каждому виду включений, пластинчатую ферритно-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 баллов, кривизну не более 1,0 мм на метр, предельные отклонения по диаметру не более 0,110 мм при диаметре проката до 20 мм и не более 0,130 мм при диаметре проката от 20 до 34 мм, по макроструктуре - 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. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемого для изготовления штоков амортизаторов автомобиля.

Известен сортовой прокат круглый из легированной стали, выполненный горячекатаным из стали, содержащей углерод и легирующие элементы, и имеющий заданные параметры качества по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости (RU 2262539 C1, C21D 8/06, 20.10.2005).

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является известный сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали со специальной отделкой поверхности, выполненный горячекатаным, отожженным, имеющий заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств, прокаливаемости и упругости (Справочник, Современные материалы в автомобилестроении, Москва, «Машиностроение», 1977, с.80-96).

Задачей изобретения является получение сортового проката диаметром до 20 мм, обладающего повышенными характеристиками обрабатываемости резанием, при одновременном повышении характеристик прокаливаемости и обеспечении сквозной прокаливаемости.

Поставленная задача решена тем, что сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали со специальной отделкой поверхности горячекатаный получен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод	0,37-0,50
марганец	0,50-0,80
кремний	0,17-0,37
хром	0,15-0,25
сера [S]	0,020-0,040
ванадий	0,005-0,02
алюминий	0,03-0,05
кальций [Са]	0,001-0,010
азот	0,005-0,015
кислород [O2]	0,001-0,015
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное

при выполнении следующих соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; O₂/Са=1÷4,5; Са/S≥0,065, прокат имеет пластинчатую ферритно-перлитную структуру, размер действительного зерна - 5-9 баллов, неметаллические включения: точечные сульфиды с оксидной оболочкой, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - средний балл не более 3,5 по каждому виду включений, 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, кривизну не более 1,0 мм на метр, предельные отклонения по диаметру не более 0,110 мм при диаметре проката до 20 мм и не более 0,130 мм при диаметре проката от 20 до 34 мм, механические свойства: временное сопротивление разрыву не менее 600 МПа, относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%, твердость не менее 187 НВ.

Сталь в качестве дополнительных примесей содержит в мас.%: никель не более 0,30, медь не более 0,30, молибден не более 0,10, фосфор не более 0,030.

При содержании в стали углерода 0,45-0,5 мас.% прокат имеет механические свойства: твердость не менее 197 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 640 МПа, относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить пруток горячекатаного сортового проката круглого диаметром до 20 мм, благоприятную пластинчатую структуру с глобулярными сэндвич-включениями: сульфиды-оксидная оболочка, 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 (0,50%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,37% - обеспечением 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 - 0,80% и хрома - 0,25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,50% и 0,15% 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 γ- и 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.

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.

Алюминий используется в качестве раскислителя стали и элемента, обеспечивающего формирование мелкодисперсной однородной зеренной структуры. Верхний предел (0,050%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,030%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением однородной зеренной структуры стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания 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.

Соотношения

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.

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 прокат отличается от известного введением новых компонентов в сталь и соотношением:

As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; кислород/кальций = 1÷4,5; кальций/сера ≥ 0,065.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует условиям патентоспособности.

Примеры осуществления изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения

Осуществляют выплавку сталей двух химических составов в мас.%:

пример 1: углерод - 0,41, марганец - 0,72, кремний - 0,32, хром - 0,21, ванадий - 0,01, сера - 0,034, алюминий - 0,037, кальций - 0,0025, азот - 0,010, кислород - 0,010, мышьяк - 0,009, олово - 0,005, свинец - 0,003, цинк - 0,001;

пример 2: углерод - 0,48, марганец - 0,70, кремний - 0,31, хром - 0,20, ванадий - 0,008, сера - 0,035, алюминий - 0,036, кальций - 0,0028, азот - 0,009, кислород - 0,009, мышьяк - 0,011, олово - 0,008, свинец - 0,009, цинк - 0,002, 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 непрерывно-литые 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 и последующей отделки поверхности получаем сортовой прокат ⊘ 19,5 мм, длиной - 5900 мм, кривизна прутков - не более 0,7 мм/м.

По примеру 1: структура пластинчатого перлита, обезуглероженный слой отсутствует, балл действительного зерна - 7, сульфидные включения глобулярные с оксидной оболочкой, 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 недеформированные - 1 балл.

Твердость заготовки 191 НВ, временное сопротивление разрыву 620 МПа, относительное удлинение 9%, относительное сужение 42%

As+Sn+Pb+5×Zn=0,022, кислород/кальций = 4,0; кальций/сера = 0,074.

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 балл, оксиды строчечные - 2,0 балл, силикаты хрупкие - 1,5 балла, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл.

Твердость заготовки 191 НВ, временное сопротивление разрыву 689 МПа, относительное удлинение 7%, относительное сужение 41%.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,038, кислород/кальций = 4,09; кальций/сера = 0,080.

Сортовой прокат за счет двухслойных сэндвич-неметаллических включений гарантирует обеспечение повышенных характеристик резанием, благоприятное соотношением прочности пластичности и вязкости стали.

1. Сортовой круглый горячекатаный прокат из среднеуглеродистой стали со специальной отделкой поверхности, отличающийся тем, что он получен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,37-0,50
марганец	0,50-0,80
кремний	0,17-0,37
хром	0,15-0,25
сера (S)	0,020-0,040
ванадий	0,005-0,02
алюминий	0,03-0,05
кальций (Са)	0,001-0,010
азот	0,005-0,015
кислород (О2)	0,001-0,015
мышьяк (As)	0,0001-0,03
олово (Sn)	0,0001-0,02
свинец (Pb)	0,0001-0,01
цинк (Zn)	0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношений:

(As+Sn+Pb+5·Zn)≤0,07; O₂/Ca=1÷4,5; Ca/S≥0,065,

при этом имеет пластинчатую ферритно-перлитную структуру с размером действительного зерна 5-9 баллов, неметаллические включения по точечным сульфидам с оксидной оболочкой, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным со средним баллом не более 3,5 по каждому виду включений, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам - не более 1 балла, кривизну - не более 1,0 мм на метр, предельные отклонения по диаметру не более - 0,110 мм при диаметре проката до 20 мм и не более - 0,130 мм при диаметре проката от 20 до 34 мм, временное сопротивление разрыву не менее 600 МПа, относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%, твердость не менее 187 НВ.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что сталь в качестве неизбежных примесей содержит, мас.%: никель не более 0,30, медь не более 0,30, молибден не более 0,10, фосфор - не более 0,030.

3. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали углерода 0,45-0,5 мас.%, он имеет твердость не менее 197 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 640 МПа, относительное удлинение не менее 6% и относительное сужение не менее 30%.