Сортовой прокат из среднелегированной стали для холодной объемной штамповки

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката диаметром от 12 до 36 мм для холодной объемной штамповки деталей. Для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки деталей при одновременном повышении технологической пластичности и вязкости прокат получают из стали, содержащей, мас.%: С 0,37-0,43, Mn 0,70-1,00, Si 0,17-0,37, Ni 0,40-0,70, Cr 0,40-0,60, Mo 0,15-0,25, S 0,005-0,035, P 0,005-0,035, 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 примеси, при выполнении соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; 0,60≤(C+Mn/6)+(Cr+Mo)/5≤0,76, при этом прокат имеет однородную сфероидизованную структуру, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не более 3 баллов по каждому виду, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, σ_в не более 660 МПа, δ не менее 15%, ψ менее 55%, прокаливаемость по твердости образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца 43-58 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 40-55 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 38-54 HRC, обрабатываемость резанием по величине износа задней грани резца h₃ не более 0,40 мм при пути резания L=1320 м, холодную осадку не менее 1/3 высоты проката. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката диаметром от 12 до 36 мм для холодной объемной штамповки термоулучшаемых, высокопрочных крепежных деталей.

Известен сортовой прокат из среднеуглеродистой стали хромсодержащей стали для холодной объемной штамповки, содержащей углерод, марганец, кремний, серу, хром, ванадий, молибден, никель, ниобий, титан, бор, алюминий, азот, железо и примеси, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений по сульфидам, оксидам, силикатам, нитридам, однородную сфероидизованную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, холодную осадку не менее 1/3 высоты, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, временное сопротивление разрыву не более 640 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55% (RU 2249626 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).

Известен сортовой прокат из среднеуглеродистой хромсодержащей стали для холодной объемной штамповки, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, серу, ниобий, кальций, железо и примеси, горячедеформированный, имеющий однородную сфероидизованную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, размер неметаллических включений: сульфиды, оксиды, силикаты и нитриды не превышает 3 балла по каждому виду, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, холодную осадку не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 620 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55% (RU 2262539 C1, C21D 8/06, 20.10.2005).

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату, круглому, из легированной стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей, является, 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 рациональных условий холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей при одновременном обеспечении повышенных характеристик технологической пластичности и вязкости и пониженной склонности к различным видам хрупкого разрушения.

Для достижения технического результата сортовой прокат из среднелегированной стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств и технологической пластичности, получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,37-0,43
марганец	0,70-1,00
кремний	0,17-0,37
никель	0,40-0,70
хром	0,40-0,60
молибден	0,15-0,25
сера	0,005-0,035
фосфор	0,005-0,035
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 следующих соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07;

0,60≤(C+Mn/6)+(Cr+Mo)/5≤0,76,

прокат имеет однородную сфероидизованную структуру, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 балл, максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, 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, временное сопротивление разрыву не более 660 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 55%, прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца 43-58 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 40-55 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 38-54 HRC, обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м h₃ не более 0,40 мм, холодную осадку не менее 1/3 высоты.

В качестве примеси сталь дополнительно содержит медь не более 0,10%.

При содержании в стали серы 0,005-0,020%, фосфора 0,005-0,020% прокат имеет временное сопротивление разрыву не более 640 МПа, относительное удлинение не менее 16%.

При содержании в стали серы 0,020-0,035%, фосфора 0,005-0,020% обрабатываемость резанием составляет - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м h₃ не более 0,25 мм.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии (болт, гайка, шпилька) 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 (0,43%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,37% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец, молибден и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита. При этом верхний уровень содержания марганца - 1,00%, молибдена - 0,25% и хрома - 0,60% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,70%, 0,15% и 0,40% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности 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 (0,40-0,70%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости 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 (0,035%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

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.

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.

Соотношение 0,60≥С+Mn/6+(Cr+Мо)/5≤0,76 определяет характеристики прокаливаемости стали.

Примеры осуществления изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку исследуемых сталей с химическими составами в мас.%:

пример 1: углерод 0,39, марганец 0,92, кремний 0,22, никель 0,52, хром 0,51, молибден 0,21, сера 0,009, фосфор 0,015, азот 0.008, кислород 0,007, мышьяк 0,011, олово 0,009, свинец 0,012, цинк 0,002;

пример 2: углерод 0,37, марганец 0,95, кремний 0,26, никель 0,55, хром 0,58, молибден 0,19, сера 0,032, фосфор 0,025, азот 0.010, кислород 0,008, мышьяк 0,009, олово 0,011, свинец 0,010, цинк 0,002 - проводят 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 проводится в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска проводилась 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 проводится 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 проводится окончательная корректировка по химическому составу. Разливка проводится 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%.

Сортовой прокат ⊘16 мм, в бунтах массой 2300 кг имеет:

Пример 1. Структура мелкодисперсного перлита, балл действительного зерна 8. Макроструктура: центральная пористость 1,0 балл, точечная неоднородность 1,0 балл, ликвационный квадрат 1 балл, подусадочная ликвация 1,5 балл, ликвационные полоски 0,5 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные 0,5 балл, оксиды точечные 0,5 балл, оксиды строчечные 0,5 балл, силикаты хрупкие 1,0 балл, силикаты пластичные 0,5 балл, силикаты недеформируемые 1,0 балл.

Временное сопротивление разрыву 630 МПа, относительное удлинение 17%, относительное сужение 58%. Характеристики прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца 48 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 46 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 40 HRC. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м h₃ не более 0,31 мм. Величина холодной осадки 1/3 высоты

As+Sn+Pb+5×Zn=0,042; C+Mn/6+(Cr+Mo)/5=0,69

Пример 2. Структура мелкодисперсного перлита, балл действительного зерна 7. Макроструктура: центральная пористость 1,0 балл, точечная неоднородность 1,0 балл, ликвационный квадрат 1,5 балл, подусадочная ликвация 1,0 балл, ликвационные полоски 1,0 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные 1,5 балл, оксиды точечные 0,5 балл, оксиды строчечные 0,5 балл, силикаты хрупкие 1,5 балл, силикаты пластичные 0,5 балл, силикаты недеформируемые 1,5 балл.

Временное сопротивление разрыву 650 МПа, относительное удлинение 15,5%, относительное сужение 56%. Характеристики прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца 49 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 47 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 41 HRC. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м h₃ не более 0,18 мм. Величина холодной осадки 1/3 высоты

As+Sn+Pb+5×Zn=0,040; (С+Mn/6)+(Cr+Мо)/5=0,68

Внедрение сортового проката в мотках, горячекатаного, круглого, изготовленного из среднелегированной 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 из среднелегированной стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств и технологической пластичности, отличающийся тем, что он получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,37-0,43
марганец	0,70-1,00
кремний	0,17-0,37
никель	0,40-0,70
хром	0,40-0,60
молибден	0,15-0,25
сера	0,005-0,035
фосфор	0,005-0,035
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 соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07;

0,60≤(C+Mn/6)+(Cr+Mo)/5≤0,76,

при этом он имеет однородную сфероидизованную структуру, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов, неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не более 3 баллов по каждому виду, 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 660 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 55%, прокаливаемость по твердости образца при торцевой закалке, равной на расстоянии 1,5 мм от торца, 43-58 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 40-55 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 38-54 HRC, обрабатываемость резанием по величине износа задней грани резца h₃ не более 0,40 мм при пути резания L=1320 м, холодную осадку 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 0,10.

3. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: серы 0,005-0,020, фосфора 0,005-0,020 он имеет временное сопротивление разрыву не более 640 МПа, относительное удлинение не менее 16%.

4. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали, мас.%: серы 0,020-0,035, фосфора 0,005-0,020 обрабатываемость резанием по величине износа по задней грани резца h₃ не более 0,25 мм при пути резания L=1320 м.