Сортовой прокат круглый из низкоуглеродистой высокопластичной стали для холодной объемной штамповки

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката диаметром от 12 до 36 мм. Техническим результатом изобретения является получение повышенных характеристик технологической пластичности и вязкости проката для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки сложнопрофильных крепежных деталей. Технический результат достигается тем, что сортовой прокат получают из стали, содержащей компоненты в мас.%: С - 0,04-0,11, Mn - 0,25-0,60, Si - 0,01-0,055, Al - 0,03-0,05, S - 0,005-0,015, Р - 0,005-0,020, N - 0,005-0,015, O₂ - 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 неизбежные примеси - остальное, при соотношении As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07. Прокат имеет 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, неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам размером, не превышающим 3 баллов по каждому виду включений, однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, величину холодной осадки - не менее 1/3 высоты и механические свойства: σ_в - не более 460 МПа, δ - не менее 28%, ψ - не менее 65%, твердость не более 160 НВ. 3 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката в мотках, горячекатаного, круглого, диаметром от 12 до 36 мм, из низкоуглеродистой высокопластичной стали для холодной объемной штамповки.

Известен сортовой прокат круглый из низкоуглеродистой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, серу, ванадий, ниобий, кальций, железо и примеси, прокат имеет максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не более 3 по каждому виду, однородную сфероидизованную структуру, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов. Величину холодной осадки не менее 1/3 высоты. (RU 2249628 С1, С21D 8/06, 10.04.2005).

Наиболее близким аналогом является сортовой прокат круглый из низкоуглеродистой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, ниобий, серу, алюминий, кальций, азот, железо и примеси, прокат имеет максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам, и нитридам не более 3 баллов по каждому виду, однородную сфероидизованную структуру, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты (RU 2262538 C1, C21D 6/06, 20.10.2005).

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к сортовому прокату круглому из низкоуглеродистой стали для холодной объемной штамповки крепежных деталей особо сложной формы, являются, 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 высадки.

Техническим результатом изобретения является обеспечение повышенных характеристик технологической пластичности и вязкости.

Технический результат достигается тем, что сортовой прокат круглый из низкоуглеродистой стали в мотках, горячекатаный, имеющий заданные параметры загрязненности стали неметаллическими включениями, структуры, механических свойств и технологической пластичности, получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,04-0,11
марганец	0,25-0,60
кремний	0,01-0,055
алюминий	0,03-0,05
сера	0,005-0,015
фосфор	0,005-0,020
азот	0.005-0.015
кислород	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 соотношения: сумма (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07,

максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 баллов по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, 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, механические свойства: временное сопротивление разрыву - не более 460 МПа, относительное удлинение - не менее 28%, относительное сужение - не менее 65%, твердость - не более 160 НВ.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас %: никель не более 0,10, медь не более 0,10, хром не более 0,10.

При содержании в стали углерода 0,04-0,07%, марганца 0,25-0,40% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 420 МПа, относительное удлинение не менее 30%, относительное сужение не менее 70%, твердость не более 110 НВ.

При содержании в стали углерода 0,04-0,11%, марганца 0,30-0,60% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 460 МПа, относительное удлинение не менее 28%, относительное сужение не менее 65%, твердость не более 160 НВ.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии (болт, гайка, шпилька диаметром до 16 мм) однородную мелкодисперсную феррито-перлитную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и вязкости. Верхняя граница содержания углерода (0,11%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя (соответственно 0,04%) - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент существенно повышающий устойчивость переохлажденного аустенита. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,55% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,25% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,01% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,055% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Алюминий используется в качестве раскислителя. Так нижний уровень содержания алюминия - 0,03% определяется требованием обеспечения вязкости стали, а верхний уровень - 0,05% 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.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел вопросами технологичности производства.

Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Верхний предел (0,020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Кислород, образуя оксиды, способствует формированию уровня вязкости 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 вязкости.

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×Zn)≤0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

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

Выплавка исследуемых сталей с различным химическим составом в мас.%:

Пример 1: углерод - 0,05, марганец - 0,32, кремний - 0,015, алюминий - 0,041, сера - 0,008, азот - 0.008, фосфор - 0,011, кислород - 0,006, мышьяк - 0,010, олово - 0,008, свинец - 0,009, цинк - 0,002;

Пример 2: углерод - 0,09%, марганец - 0,52%, кремний - 0,045%, алюминий - 0,044%, сера - 0,007%, азот - 0.006%, фосфор - 0,012%, кислород - 0,006, мышьяк - 0,012%, олово - 0,007%, свинец - 0,006%, цинк - 0,001%

производится в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, что обеспечивает низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию производится в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производится наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производится окончательная корректировка по химическому составу. Разливка производится на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждались в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 900-950°С и заканчивают при температуре 740-850°С при деформации в последних проходах не менее 20%.

Получают сортовой прокат ⊘16 мм, в бунтах массой 2300 кг, который имеет:

Пример 1: структура сфероидизованого перлита, доля сфероидизованного перлита - 87%, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 0,5 балла, оксиды точечные - 0,5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,0 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1,0 балл. Временное сопротивление разрыву - 360 МПа, относительное удлинение - 34%, относительное сужение - 73%, Твердость - 98 НВ.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,037

Пример 2: структура сфероидизованного перлита, доля сфероидизованного перлита - 91%, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1,5 балла, подусадочная ликвация - 1,0 балл, ликвационные полоски - 1,0 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,5 балла, оксиды точечные - 0.5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1,5 балла. Временное сопротивление разрыву - 410 МПа, относительное удлинение - 30%, относительное сужение - 68%, Твердость - 110 НВ.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,030

Внедрение проката в мотках, горячекатаного, круглого, изготовленного из низкоуглеродистой стали, обеспечивает повышение уровня потребительских свойств проката при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низком содержании неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

1. Сортовой прокат круглый, выплавленный из низкоуглеродистой стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств и технологической пластичности, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод	0,04-0,11
марганец	0,25-0,60
кремний	0,01-0,055
алюминий	0,03-0,05
сера	0,005-0,015
фосфор	0,005-0,020
азот	0,005-0,015
кислород	0,001-0,015
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношения: (As+Sn+Pb+5·Zn)≤0,07,

при этом прокат имеет неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам размером, не превышающим 3 баллов по каждому виду включений, однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов, 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, механические свойства - временное сопротивление разрыву не более 460 МПа, относительное удлинение не менее 28%, относительное сужение не менее 65%, твердость не более 160 НВ, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты.

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

3. Сортовой прокат по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали (мас.%) углерода 0,04-0,07, марганца 0,25-0,40 он имеет механические свойства - временное сопротивление разрыву не более 420 МПа, относительное удлинение не менее 30%, относительное сужение не менее 70%, твердость не более 110 НВ.

4. Сортовой прокат по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали углерода (мас.%) 0,04-0,11, марганца 0,30-0,60 он имеет механические свойства - временное сопротивление разрыву не более 460 МПа, относительное удлинение не менее 28%, относительное сужение не менее 65%, твердость не более 160 НВ.