Сортовой прокат из среднеуглеродистой стали для холодной объемной штамповки

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого диаметром от 12 до 34 мм. Для обеспечения повышенных характеристик технологической пластичности и низкого уровня деформационного упрочнения круглый прокат получают из стали, содержащей мас.%: С - 0,42-0,45, Mn - 0,50-0,80, Si - 0,17-0,37, Cr - 0,01-0,25, S - 0,005-0,035, Р - 0,005-0,035, Са - 0,001-0,010, 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; (S+P)≤0,060; O₂/Са=1÷4,5; примеси мас.%: никель не более 0,25, медь не более 0,25. Прокат имеет средний максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 3,5 по каждому виду, мелкодисперсную ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 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, σ_в - не более 610 МПа, δ - не менее 15%, ψ - не менее 40%, а_н KCU(+20) - не менее 2000 кДж/м². Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца h₃ не более 0,40 мм при равном пути резания L=1320 м, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого диаметром от 12 до 34 мм из среднеуглеродистой стали повышенной прокаливаемости, используемого для высадки.

Известен сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, выполненный горячекатаным, имеющий заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений, механических свойств, прокаливаемости и упругости (Справочник, Современные материалы в автомобилестроении, Москва, Машиностроение, 1977, с.80-96).

Известен сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, серу, ниобий, кальций, железо и неизбежные примеси, выполненный горячекатаным и имеющий заданные параметры неметаллических включениий, структуры, размера действительного зерна, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности (RU 2262539 C1, C21D 8/06, 20.10.2005).

Техническим результатом изобретения является обеспечение повышенных характеристик технологической пластичности и низкого уровня деформационного упрочнения, а также рациональных условий резания.

Технический результат достигается тем, что сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, выполненный горячекатаным и имеющий заданные параметры неметаллических включениий, структуры, размера действительного зерна, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности, согласно изобретению получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,42-0,45
марганец	0,50-0,80
кремний	0,17-0,37
хром	0,01-0,25
cepa [S]	0,005-0,035
фосфор [Р]	0,005-0,035
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:

сумма (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07;

сумма(S+Р)≤0,060;

O₂/Са=1÷4,5;

прокат имеет неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым со средним баллом не более 3,5 по каждому виду включений, мелкодисперсную ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 балл, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 балла по каждому виду, подусадочная ликвация - не более 3 балла, ликвационные полоски - не более 1 балла, механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 610 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%, ударная вязкость KCU(+20) не менее 2000 кДж/м². Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ не более 0,40 мм, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас.%: медь не более 0,25, никель не более до 0,25.

При содержании в стали серы 0,005-0,020%, прокат имеет механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не более 600 МПа, относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 44%, ударная вязкость KCU(+20) не менее 2800 кДж/м², обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ не более 0,40 мм.

При содержании в стали серы 0,020-0,035%, прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 610 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%, ударная вязкость KCU(+20) не менее 2000 кДж/м², обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ не более 0,30 мм.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить прокат с благоприятной псевдосфероидизованной структурой 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, вязкости и штампуемости.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,45%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,42% - 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 0,01% 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 (0,035%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Верхний предел (0,035%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

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.

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 сера+фосфор≤0,060 определяет характеристики вязкости стали и ее сопротивляемость различным видам хрупкого разрушения.

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 состав отличается от известного введением новых компонентов, макро- и микроструктурой, соотношением: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; кислород/кальций=1÷4,5;

сера+фосфор≤0,060.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует условиям патентоспособности.

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

Выплавку исследуемых сталей с разными химическими составами в мас.%.

Пример 1: углерод - 0,43, марганец - 0,72, кремний - 0,32, хром - 0,11, сера - 0,009, фосфор - 0,017, кальций - 0,0025, азот - 0,010, кислород - 0,010, мышьяк - 0,009, олово - 0,005, свинец - 0,003, цинк - 0,001.

Пример 2: углерод - 0,42, марганец - 0,79, кремний - 0,21, хром - 0,18, сера - 0,029, фосфор - 0,027, кальций - 0,0028, азот - 0,010, кислород - 0,010, мышьяк - 0,011, олово - 0,008, свинец - 0,009, цинк - 0,002; проводили в 150-ти 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 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.

Получен сортовой прокат ⊘22 мм, в мотках массой 1,5 т, имеющий:

Пример 1: структура мелкодисперсного перлита, обезуглероденный 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 балл, подусадочная ликвация - 0,5 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2 балл, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 2 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл.

Временное сопротивление разрыву 550 МПа, относительное удлинение 18%, относительное сужение 48%, ударная вязкость KCU(+20) 4200 кДж/м². Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ - 0,340 мм. Величина холодной осадки 1/3 высоты. При соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn=0,021, кислород/кальций = 4,0; сера + фосфор = 0,026.

Пример 2: структура мелкодисперсного 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 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2,5 балл, оксиды точечные - 2,0 балл, оксиды строчечные - 2,0 балл, силикаты хрупкие - 1,5 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл.

Временное сопротивление разрыву 600 МПа, относительное удлинение 16%, относительное сужение 42%. ударная вязкость KCU(+20) 2230 кДж/м². Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ - 0,24 мм. Величина холодной осадки 1/3 высоты. При соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn=0,037, кислород/кальций=3,57; кальций/сера=0,029.

Сортовой прокат используют для холодновысадочного производства. Прокат обладает свойствами, сочетающими в себе повышенную пластичность и вязкость, а также обрабатываемость резанием, что обеспечивается за счет получения двухслойных сэндвич-неметаллических включений.

1. Сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, выполненный горячекатаным и имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, размера действительного зерна, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности, отличающийся тем, что он получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,42-0,45
марганец	0,50-0,80
кремний	0,17-0,37
хром	0,01-0,25
сера [S]	0,005-0,035
фосфор [Р]	0,005-0,035
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 соотношении:

(As+Sn+Pb+5·Zn)≤0,07;

(S+P)≤0,060;

O₂/Ca=1÷4.5,

при этом он имеет неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым со средним баллом не более 3,5 по каждому виду включений, мелкодисперсную ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна от 5 до 9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, временное сопротивление разрыву не более 610 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%, ударную вязкость KCU(+20) не менее 2000 кДж/м², обрабатываемость резанием по величине износа задней грани резца h₃ не более 0,40 мм при пути резания L=1320 м, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты проката.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: медь не более 0,25, никель не более 0,25.

3. Сортовой прокат по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали (мас.%) серы 0,005-0,020, он имеет временное сопротивление разрыву не более 600 МПа, относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 44%, ударную вязкость KCU(+20) не менее 2800 кДж/м², обрабатываемость резанием по величине износа задней грани резца h₃ не более 0,40 мм при пути резания L=1320 м.

4. Сортовой прокат по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали (мас.%) серы 0,020-0,035 он имеет временное сопротивление разрыву не более 610 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 40%, ударную вязкость KCU(+20) не менее 2000 кДж/м², обрабатываемость резанием по величине износа задней грани резца h₃ не более 0,30 мм при пути резания L=1320 м.